Pourquoi êtes-vous incapable d'observer votre reflet dans une vitre ultramince ?

L'astuce est que la vitre a deux faces, donc on a aussi la réflexion des rayons de la face arrière (dans la pratique on tourne autour des 8 % de réflexion avec une vitre du commerce).

Imaginez maintenant un canon à photons. Ce canon vous permet d'envoyer les photons de manière plus précise sur la vitre. Cela peut être une lampe ou un laser très faible, qu'on peut régler pour émettre les photons un par un. Si le canon à photon envoie cent photons sur la vitre, on aura 96 photons qui passent à travers et 4 photons qui sont réfléchis (si pour simplifier on ne prend en compte que la face avant). C'est la même explication que la version précédente mais en la mettant en scène avec un canon à photons.

Le photon va-t-il passer à travers ou être réfléchi ?

C'est ici que les Romains s'empoignèrent. Prenez votre canon à photon et vous l'atténuez encore plus. Il envoie maintenant les photons un par un. Un seul photon part du canon et arrive sur la vitre. Que fait-il ? Va-t-il passer à travers ou être réfléchi ? Le photon est la plus petite particule de lumière qu'on puisse imaginer, on ne peut pas avoir un demi-photon ou un quart de photon. C'est en fait le quantum de lumière, le quanta du rayonnement électromagnétique (quantum, d'où physique quantique vous l'aviez subodoré). Vu qu'il n'y a pas plus petit qu'un photon, soit il passe, soit il revient. Il faut choisir.

La physique quantique vous dit que le photon à 96 % de chances de passer et 4 % de chances de revenir. C'est un saut conceptuel incroyable, car on ne peut pas prédire ce que va faire le photon au moment où il part. On peut simplement donner les probabilités. La physique quantique est entièrement basée sur des probabilités. Si on est choqué, c'est normal, sinon c'est qu'on n'a pas compris.

On peut maintenant se demander comment fait le photon pour décider s'il passe à travers la vitre ou bien s'il revient ? On pourrait imaginer que le photon possède des instructions cachées qui lui disent ce qu'il doit faire, mais des expériences récentes ont montré que cette voie est sans issue. Le photon ne possède pas d'instructions cachées. Il possède seulement une probabilité de se réfléchir et une probabilité de se transmettre. Au moment où il part, le photon possède ces deux probabilités en même temps. [Pour la précision, si vous êtes adeptes de la quantique, on dit plutôt que le photon possède des amplitudes de se transmettre ou d'être réfléchi et que les probabilités sont le carré de l'amplitude, mais vous pouvez laisser tomber cette précision pour cette chronique].

Problème tordu

Là où le problème devient complètement bizarre, c'est que si vous prenez une vitre ultramince, chose incroyable, vous aurez quasi cent pour cent de transmission, donc quasi aucun reflet. Comment expliquer la chose ? La quantique explique que le reflet est annulé car les photons réfléchis par la face avant interfèrent de manière destructive avec les photons réfléchis par la face arrière. Les photons de la face arrière changent de phase à cause du passage dans la vitre et ils viennent annuler en quelque sorte les photons réfléchis par la face avant (qui eux ne changent pas de phase). Cette interférence destructive est très efficace si la vitre est ultramince car les photons font quasi le même trajet.

Le problème devient tordu mais totalement tordu si vous envoyez un seul photon sur la vitre. Si la vitre est ultramince, le photon ne revient pas en arrière. Si la vitre est une vitre normale, il revient en arrière dans 4 % des cas. Comment fait le photon pour savoir au moment où il bute sur la face avant que la face arrière est soit juste derrière (vitre ultramince), soit plus loin (vitre du commerce) ? C'est un peu comme si le photon "reniflait" les différents chemins qui lui sont laissés. Il explore les chemins à proximité et si la face arrière est super proche, il ne revient jamais en arrière (interférences destructives), si la face arrière est plus loin il se permet de revenir de temps en temps, nos fameux 4 % (interférences constructives).

Snif, snif

Comment interpréter ce "reniflage" des chemins par notre photon ? En vérité, on ne l'interprète pas. La quantique donne des règles de calcul claires et puissantes qui permettent de déduire les probabilités. Par contre, la quantique ne peut pas nous aider sur l'interprétation des probabilités.

Si vous êtes prêts à un dernier retournement de cerveau, faisons une ultime expérience de pensée. Prenons toujours notre vitre ultramince et mettons-y un photo-détecteur à l'intérieur, juste derrière la face avant (mais avant la face arrière). Ainsi, on pourra vérifier si le photon vient bien "renifler" la face arrière. Là, ultime tour de passe-passe passe, on a à nouveau un reflet dans la vitre, alors que c'était bien la vitre ultramince qui ne donnait aucun reflet. En quelque sorte, le détecteur a empêché l'interférence du photon, il a empêché le "reniflage". Éteignez maintenant le détecteur dans la vitre ultramince, le reflet disparaît à nouveau, toute la lumière est transmise. Le photon "renifle" à nouveau. Quand on vous disait que la quantique est bizarre.