Expérience de la double fente de Thomas Young

En 1801, un physicien anglais du nom de Thomas Young réalisa une expérience qui laissait fortement supposer la nature ondulatoire de la lumière. Parce qu’il croyait que la lumière était composée d’ondes, Young a déduit qu’un certain type d’interaction devrait se produire si deux ondes de lumière se rencontraient. Ce tutoriel interactif explore l’interaction d’ondes de lumière cohérente lorsqu’elles passent par deux fentes faiblement espacées.

Le tutoriel commence par le passage de rayons du soleil par une fente unique dans un écran pour produire une lumière cohérente. Cette lumière est ensuite projetée sur un autre écran possédant deux fentes (double fente) qui vont à leur tour diffracter la lumière incidente qui les traverse. Les résultats de l’interférence entre les faisceaux lumineux diffractés peuvent être observés sous forme de distributions d’intensité lumineuse sur le film sombre. Le curseur nommé Distance between slits (Distance entre les fentes) peut être utilisé pour faire varier la distance entre les fentes et produire les variations correspondantes des figures de distribution de l’intensité causées par les interférences.

L’expérience de Young se basait sur l’hypothèse que si la lumière était de nature ondulatoire, alors elle devait se comporter d’une manière semblable aux ondulations ou aux vagues observées à la surface d’un étang. Lorsque deux vagues opposées se rencontrent, elles vont réagir d’une manière spécifique pour se renforcer ou s’annuler. Si les deux vagues sont en phase (les crêtes se rencontrent), elles vont se combiner pour créer une vague plus grande. En revanche, lorsque deux vagues se rencontrent de façon déphasée (la crête de l’une rencontre le creux de l’autre), les vagues vont s’annuler et produire une surface plane dans cette zone.

Pour tester son hypothèse, Young a conçu une expérience ingénieuse. En utilisant la lumière du soleil diffusée à travers une petite fente comme source d’éclairage cohérent, il a projeté les rayons de lumière émanant de la fente sur un autre écran contenant deux fentes placées côte à côte. La lumière, après son passage par les fentes, était ensuite projetée sur un écran. Young a observé que lorsque les fentes étaient grandes, très espacées et proches de l’écran, deux taches de lumière se chevauchant se formaient sur l’écran. En revanche, lorsqu’il réduisait la taille des fentes et les rapprochait, la lumière passant par les fentes et projetée sur l’écran produisait des bandes de couleur distinctes séparées par des régions sombres dans un ordre sériel. Young a inventé le terme de franges d’interférence pour décrire ces bandes et s’est rendu compte que de telles bandes colorées ne pouvaient être produites que si la lumière se comportait comme une onde.

Le montage de base pour l’expérience de la double fente est représenté à la figure 1. La lumière rouge filtrée provenant de la lumière du soleil passe d’abord par une fente pour obtenir un état cohérent. Les ondes lumineuses émergeant de la première fente rencontrent alors une paire de fentes placées l’une près de l’autre sur une deuxième barrière. Un écran est placé dans la zone située derrière les deux fentes pour capter les rayons de lumière se chevauchant qui ont traversé les deux fentes, et une figure d’interférence alternant des franges rouge vif et des franges noires devient visible à l’écran. La clé de ce type d’expérience tient dans la cohérence mutuelle entre les ondes de lumière diffractées par les deux fentes de la barrière. Bien que Young ait réalisé cette cohérence par la diffraction de la lumière du soleil au moyen d’une première fente, n’importe quelle source de lumière cohérente (comme un laser) peut remplacer la lumière passant par la fente unique.

Le front d’onde cohérent de la lumière qui rencontre les deux fentes est divisé en deux nouveaux fronts d’onde parfaitement en phase l’un avec l’autre. Les ondes lumineuses de chacune des fentes doivent parcourir une distance égale pour atteindre le point A sur l’écran représenté à la figure 1 et doivent atteindre ce point toujours en phase ou avec le même déphasage. Comme les deux ondes atteignant le point A remplissent les conditions nécessaires pour une interférence constructive, elles vont s’ajouter pour produire une frange d’interférence rouge vif sur l’écran.

En revanche, aucun des points B de l’écran n’est positionné à égale distance des deux fentes, de sorte que la lumière doit parcourir une plus grande distance pour atteindre le point B depuis une fente que depuis l’autre. L’onde provenant de la fente plus proche du point B (par exemple, la fente et le point B sur le côté gauche de la figure 1) n’a pas à se propager d’autant pour atteindre sa destination qu’une onde se propageant depuis l’autre fente. Par conséquent, l’onde provenant de la fente la plus proche va arriver au point B légèrement avant l’onde provenant de la fente la plus éloignée. Comme ces ondes n’arriveront pas au point B en phase l’une avec l’autre, elles subiront des interférences destructives qui produiront une région sombre (frange d’interférence sur l’écran). Les figures de franges d’interférence ne sont pas limitées aux expériences ayant une configuration à double fente : elles peuvent être produites par tout événement qui entraîne la division de la lumière en ondes qui peuvent s’annuler ou s’additionner entre elles.

Le succès de l’expérience de Young a apporté un argument de poids en faveur de la théorie ondulatoire, mais n’a pas été immédiatement accepté par ses pairs. Les phénomènes à l’œuvre derrière des choses comme l’arc-en-ciel de couleurs observé dans les bulles de savon ou les anneaux de Newton (abordés ci-après), bien qu’expliqués par ce travail, n’étaient pas immédiatement évidents pour ces scientifiques qui restaient convaincus que la lumière se propageait comme un flux de particules. D’autres types d’expériences ont été conçues par la suite pour démontrer la nature ondulatoire de la lumière et les effets d’interférence. Les plus notables sont l’expérience à un miroir de Humphrey Lloyd et les expériences à deux miroirs et à biprisme conçues par Augustin Fresnel pour la lumière polarisée dans des cristaux uniaxiaux et biréfringents. Fresnel en a conclu que l’interférence entre les faisceaux de lumière polarisée ne pouvait être obtenue qu’avec des faisceaux ayant la même direction de polarisation. En effet, les ondes lumineuses polarisées dont les directions de vibration sont parallèles les unes aux autres peuvent se combiner pour produire des interférences, alors qu’il n’y a pas d’interférence pour les ondes dont les directions sont perpendiculaires.