Lors d'une conférence donnée à Salzbourg en 1909, Einstein avait proposé d'imaginer une expérience dans laquelle un miroir était suspendu à l'intérieur d'une cavité assimilable à un corps noir et remplie de lumière. À partir de cette expérience imaginaire, il put trouver une équation qui comportait deux parties : l'une correspondait à un rayonnement ondulatoire tandis qu'à l'autre correspondait un aspect corpusculaire de la lumière. L'un et l'autre sont nécessaires pour parvenir au bon résultat. Einstein suggérait donc que "corpuscularité" et ondes devaient être présentes simultanément dans ce type d'expérience. Il ne s'agissait toutefois que d'une expérience imaginaire¹.

Pourtant, dès 1887, une observation bien réelle avait montré que ces deux propriétés du rayonnement se manifestaient dans une même expérience. C'est Heinrich Hertz qui la fit. Hertz se servit d'un générateur de courant électrique qui produisait des étincelles. Quand le générateur était en marche, Hertz pouvait constater que le courant électrique circulait dans un anneau métallique pourvu d'une brèche et que l'intensité de ce courant variait entre une intensité maximale et minimale selon l'endroit où il se trouvait avec cet anneau métallique dans son laboratoire. Cette distance entre les intensités maximale et minimale était la même. Par cette expérience, il venait de prouver l'existence des ondes radio. Mais voilà, il s'avère que ce n'est pas le fin mot de cette histoire. Dans ces expériences de 1887, il avait remarqué un phénomène curieux. Quand la lumière émise par les étincelles produite par le générateur se réfléchissait sur les extrémités ouvertes de l'anneau métallique qui servait de détecteur, le faible courant d'étincelles qui circulait dans la brèche semblait un peu plus intense. Hertz venait d'observer du même coup ce qu'on a appelé par la suite l'effet photoélectrique², celui-là même qui conduira Einstein à concevoir le caractère corpusculaire de la lumière. 

Se pose alors une question : dans cette expérience, est-ce que cette énergie se trouve simultanément, et en totalité, à la fois sous forme d'onde et sous forme de particules? Bien plus tard, la mécanique quantique allait répondre qu'elle se trouve dans un état de superposition de ces deux caractéristiques jusqu'à ce qu'une observation expérimentale vienne en sélectionner une seule. C'est le principe de complémentarité. 

L'intrication quantique 

La physique du 20e siècle allait connaître un autre bouleversement avec l'émergence du phénomène d'intrication quantique et le siècle suivant allait puiser toujours plus en profondeur dans les ressources de cette bizarrerie. On pourrait résumer dans un premier temps le phénomène d'intrication quantique en disant que deux particules n'en forment plus qu'une seule : agir sur l'une, agit instantanément sur l'autre quel que soit la distance qui les sépare, et cela, sans qu'aucune information ne circule entre les deux. D'abord découvert de façon théorique, le phénomène a pu ensuite être produit de façon expérimentale. Après l'intrication de particules, des atomes ont pu être intriqués. Puis a été découvert le phénomène d'échange d'intrication (ou entanglement swapping en anglais), qui permet de créer une intrication entre deux particules qui n'ont jamais interagi directement et qui peuvent être très éloignées l'une de l'autre. Plus surprenant encore, le phénomène d'intrication hybride a été découvert et réalisé expérimentalement³. Il ne s'agit plus ici d'intriquer deux particules ou deux atomes, mais plutôt une particule avec une onde, en l'occurrence un photon avec une onde électromagnétique : modifier les propriétés quantiques du photon modifie celles de l'onde électromagnétique. Ce type d'expérience fait donc obligatoirement intervenir simultanément l'aspect corpusculaire et ondulatoire d'un phénomène. Dans ce cas-ci, l'onde et la particule sont clairement séparées spatialement, mais en 2012, un tout autre type d'expérience a été réalisée à l'aide d'un interféromètre et celle-ci fait aussi intervenir le phénomène d'intrication quantique. Ici il a fallu un appareillage des plus sophistiqués pour parvenir à un résultat que même Niels Bohr n'aurait pu prévoir. Il a fallu, entre autres, que l'équipe ait pu réaliser un miroir semi-réfléchissant quantique, c'est-à-dire un dispositif à deux états quantiques dont l'un correspond à la présence d'un miroir semi-réfléchissant et l'autre à son absence, et recourir à des paires de photons intriqués dont un seul devait entrer dans l'interféromètre. Le résultat de cette expérience de haute voltige est le suivant : selon certaines manipulations, il est possible d'obtenir que l'interféromètre utilisé se trouve dans un état de superposition et de pouvoir constater que le photon testé se trouve avoir un comportement corpusculaire et ondulatoire simultanément!⁴ Et ici il s'agit bien d'une unique onde-particule. Avec ce résultat, on ne peut pas être plus éloigné de la physique classique! Si les expériences à venir se poursuivent dans la même voie que celle de l'interprétation que proposent ces derniers résultats, la notion de dualité onde-particule sera à reconsidérer dans un contexte plus large. La physique quantique n'a pas fini de nous réserver des surprises. Quant au conflit apparent entre le phénomène d'intrication quantique et la relativité restreinte d'Einstein, qui limite la vitesse de propagation à celle de la lumière, c'est un autre des aspects les plus passionnants à creuser!