Quelle est l’expérience qui permet aux novices d’appréhender les mystères de la mécanique quantique et qui continue de faire vibrer les physiciens ? Partons à la découverte de l’expérience de la « double fente » !

Le physicien américain Richard Feynman (1918-1988) disait de la « double fente » que c’était l’expérience qui contenait tout le mystère de la quantique. L’eau a coulé sous les ponts depuis ses cours des années 1960, mais, conceptuellement, les choses n’ont pas changé : on peut toujours expliquer les dernières expériences de la physique quantique en revenant à la double fente et à son formalisme.

Embarquons pour un tour du propriétaire, remontant aux anciens – bien avant Feynman – aux modernes… puisque la dernière instance en date de l’expérience de la double fente date de… 2026.

L’étude de la nature de la lumière, avant la physique quantique

La double fente démarre comme une expérience totalement classique.

En 1801, le physicien Thomas Young éclaire deux petits trous percés dans un carton. Ces deux trous deviennent à leur tour des sources lumineuses secondaires. Sur le mur de sa chambre, au-delà des trous, Young constate l’apparition de franges d’interférences. Donc, les deux trous, en tant que sources lumineuses, interfèrent l’un avec l’autre : en fonction de la position sur le mur, Young observe des interférences soit constructives (on a une bande claire), soit destructives (on a une bande sombre).

Si vous voulez essayer à la maison, on peut facilement obtenir des franges d’interférence par diffraction avec un laser de poche et un cheveu, le cheveu jouant le rôle des deux fentes, car il sépare le faisceau en deux de part et d’autre.

Cette expérience réalisée un peu par hasard et avec les moyens du bord sera reprise dans ses Lectures en 1807. Elle deviendra la preuve expérimentale canonique que la lumière se comporte comme une onde. En effet, si la lumière se comportait comme des particules, on trouverait deux taches lumineuses sur le mur en regard des deux fentes.

Fin du premier acte.

La double fente de Feynman, ou la nature des électrons

Puis, au début du XXᵉ siècle, est apparue la « nouvelle physique », qu’on a depuis appelée « mécanique quantique ». C’est la théorie qui décrit la matière aux plus petites échelles. En 1924, le Français Louis de Broglie ose l’hypothèse décisive : toute particule de matière possède aussi un comportement d’onde.

Pour illustrer ce comportement, Richard Feynman utilise la double fente dans son article fondateur sur les intégrales de chemin (1948), mais la version la plus célèbre arrivera dans ses cours à Caltech donnés de 1961 à 1963 aux premières et deuxièmes années. Pour Feynman, la double fente est l’expérience qui recèle tout le mystère de la physique quantique (ou « mécanique quantique », comme on disait à l’époque).

Feynman réalise cette expérience comme une expérience de pensée, sans vérification expérimentale, mais le formalisme de la quantique étant tellement puissant et tellement précis, nul doute que, si on devait faire cette expérience en vrai, on trouverait le résultat prévu.

Pour ne pas porter à confusion avec les fentes de Young et la nature de la lumière, Feynman décrit une expérience avec des électrons. C’est le premier point qui perturbe souvent mes étudiants. Si ce point vous gêne, vous pouvez imaginer que les électrons sont des photons sans aucun souci, car cette expérience montre en fait que les électrons se comportent comme des photons, et les photons comme des électrons.

Imaginez un écran percé de deux ouvertures en forme de fentes. Derrière cet écran se trouve un second écran, qui sert simplement à enregistrer les impacts des particules. Imaginez aussi que vous disposez d’un canon capable d’envoyer des électrons. Que devrait-il se passer ? Si l’on tire des électrons vers l’écran, la plupart seront arrêtés par le premier écran, sauf ceux qui passent par les fentes. On s’attend donc à voir apparaître sur le second écran deux zones d’impact, alignées avec les deux fentes.

Mais ce n’est pas ce qui se produit. À la place, on observe sur le deuxième écran un motif appelé « franges d’interférence » : une alternance régulière de bandes claires et de bandes sombres.

Pourquoi ? Parce que les électrons ne se comportent pas comme des particules, mais comme des ondes. Et les ondes peuvent se combiner entre elles. Lorsque deux ondes s’additionnent, elles produisent une interférence constructive, qui donne une zone claire. Lorsqu’elles s’annulent partiellement, elles produisent une interférence destructive, qui donne une zone sombre. L’interférence constructive ou destructive dépend de la différence de chemin parcouru par les deux ondes depuis chaque fente jusqu’à un point de l’écran (exactement comme dans l’expérience de Young).

Jusqu’ici, cela peut encore sembler compréhensible. Mais imaginons maintenant que l’on envoie les électrons un par un avec notre canon à électrons, sans viser une fente en particulier. Dans ce cas, chaque électron est seul. Intuitivement, il devrait donc passer par une seule fente, et on ne devrait plus observer de franges d’interférence. Pourtant, ce n’est toujours pas ce qui se produit. Au fur et à mesure que les électrons arrivent un par un sur l’écran, le motif d’interférence finit malgré tout par apparaître.

Comment l’expliquer ? En mécanique quantique, on décrit l’électron par une fonction d’onde, c’est-à-dire une description probabiliste de son comportement. Cette fonction d’onde peut passer simultanément par les deux fentes, se superposer à elle-même et produire les interférences observées sur l’écran. Attention, on ne dit pas que l’électron passe par les deux fentes à la fois. L’électron n’est pas aux deux endroits à la fois, c’est sa fonction d’onde (c’est-à-dire sa description de probabilité quantique) qui se propage à travers les deux fentes et interfère avec elle-même.

Mais allons encore plus loin. Imaginons que l’on place un détecteur après une des fentes afin de savoir par quelle fente l’électron passe réellement. Parfois, on entend un clic : cela signifie que l’électron est passé par cette fente. S’il n’y a pas de clic, on en déduit qu’il est passé par l’autre fente. Que se passe-t-il alors sur l’écran ? Les franges d’interférence disparaissent. Le simple fait de mesurer le passage de l’électron force le système quantique à interagir avec l’appareil de mesure. Cette interaction détruit la superposition des états et empêche la formation des interférences. Les physiciens ont appelé ce phénomène l’« effondrement de la fonction d’onde ». Le mécanisme à l’œuvre, l’interaction avec le détecteur qui brouille la superposition, porte le nom de « décohérence quantique ».

Bref, tant qu’on ne regarde pas, le monde quantique se permet des comportements bizarres. Dès qu’on l’observe, il rentre dans le rang.

Fin du deuxième acte.

Mais, pour l’anecdote, et la correction historique, notons que si, pour Feynman, l’expérience était vraiment une expérience de pensée, le physicien Claus Jönsson avait déjà réalisé à Tübingen (Allemagne) l’expérience avec une vraie double fente et de vrais électrons en 1961 ! Ses résultats avaient été publiés dans Zeitschrift für Physik. Feynman l’ignorait, car l’article n’a été traduit en anglais qu’en 1974 dans l’American Journal of Physics. C’était une époque – tout à fait révolue – où les publications de physique ne se faisaient pas forcément en anglais.

Une avancée spectaculaire

La double fente connaîtra une avancée spectaculaire en 1974 lorsque les Italiens Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli et Giulio Pozzi vont envoyer les électrons un par un à travers un biprisme, qui est une sorte de paire de fentes virtuelles créée par un champ électrique. C’était à Bologne et ils vont même en tirer un film, qui sera primé au festival du film scientifique et technique de Bruxelles en 1976. La différence avec l’expérience de Claus Jönsson en 1961 est capitale. Jönsson envoyait un flot d’électrons, les Italiens les envoient un par un et le motif d’interférence se construit impact après impact. C’est bluffant.

Ensuite, en 1989, les Japonais Akira Tonomura, Junji Endo, Tsuyoshi Matsuda, Takeshi Kawasaki et Hiroshi Ezawa, chez Hitachi, vont réaliser la même opération, toujours avec un biprisme.

Malheureusement, la prouesse italienne des électrons un par un passera par pertes et profits. Dans les manuels, on retient l’expérience japonaise alors que l’expérience italienne a eu lieu quinze ans avant… juste parce qu’un « concours » lancé en 2002 par le philosophe des sciences Robert P. Crease dans la revue Physics World a désigné l’expérience de la double fente avec les électrons un par un comme « la plus belle expérience de physique de tous les temps »… mais, pas de bol, la revue a attribué l’expérience aux Japonais au lieu des Italiens. Malgré un rectificatif publié plus tard, le mal était fait et bien fait, d’autant que Crease surfera sur la vague du concours avec un livre à succès.

Fin du troisième acte.

Au XXIᵉ siècle, l’épopée de la double fente continue

Pour avoir une vraie double fente et des électrons un par un, comme l’avait décrit Feynman, il faudra attendre 2013 avec Roger Bach, Damian Pope, Sy-Hwang Liou and Herman Batelaan, à l’Université du Nebraska à Lincoln. Ici, on a littéralement le dispositif décrit par Feynman soixante-cinq ans auparavant : un canon à électrons qui les envoie un par un, de vraies fentes découpées dans de la vraie matière et même un dispositif qui ferme une des deux fentes à la demande.

Mais l’histoire de la double fente ne s’arrête pas là…

Début 2026, le groupe de Markus Arndt à l’Université de Vienne (Autriche) vient de publier le résultat d’interférences avec des agrégats de sodium d’environ 8 nanomètres et 170 000 unités de masse atomique, soit l’équivalent de 170 000 atomes d’hydrogène. C’est totalement bluffant, car la taille des amas métalliques envoyés dans le dispositif est comparable aux plus petites échelles de la microélectronique actuelle !

La double fente continue de nous épater.

Cet exposé suit le déroulé de la conférence donnée aux lycéens du Lycée français de Rabat (Maroc), dont la vidéo est en ligne.

Fabrizio Bucella ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.

Les abeilles sociales, les espèces solitaires, celles qui nichent dans le sol ou dans des cavités : toutes ou presque présentent des traces de magnétisme. Cette découverte remet en cause les idées reçues sur l’origine de la magnétoréception chez les insectes.

Un nombre étonnamment élevé d’espèces d’abeilles – 74 des 96 espèces testées – présentent des propriétés magnétiques, selon une étude que mes collègues et moi avons récemment publiée dans la revue Science Advances.

Certains animaux sont capables d’utiliser des composés magnétiques à base de fer, comme la magnétite, pour détecter le champ magnétique terrestre et s’orienter grâce à lui. Cette capacité est appelée magnétoréception. Dans notre étude, nous avons considéré le magnétisme observé chez les insectes testés comme un indicateur permettant d’identifier les espèces susceptibles de posséder cette faculté.

Depuis des décennies, les biologistes savent que les abeilles domestiques sociales, qui nichent dans des cavités, sont capables de magnétoréception. La plupart des chercheurs pensaient que cette sorte de boussole interne était liée à la vie en colonie. Les abeilles domestiques indiquent en effet à leurs congénères l’emplacement des ressources florales grâce à une danse qui renseigne sur la direction à suivre en fonction de la position du soleil et du champ géomagnétique.

Notre étude poursuivait deux objectifs : comparer la présence de matériaux magnétiques chez les espèces d’abeilles vivant en groupe et chez les espèces solitaires, puis retracer l’origine évolutive de la magnétoréception chez les abeilles.

Du magnétisme partout où nous avons regardé

Pour mesurer les réponses magnétiques, nous avons collecté des spécimens appartenant à différentes espèces de la famille des Apidés (Apidae), qui comprend des espèces sociales comme les abeilles domestiques, mais aussi des espèces solitaires. Nous avons réduit en poudre des abeilles mortes et séchées, puis mesuré le magnétisme de cette poudre à l’aide d’un magnétomètre.

À notre surprise, nous avons constaté que la réponse magnétique était forte aussi bien chez les abeilles vivant en groupe que chez les espèces solitaires. Ce résultat nous a conduits à rejeter notre hypothèse initiale, selon laquelle la présence de matériaux magnétiques n’était nécessaire que chez les espèces d’abeilles sociales.

Plus surprenant encore, une petite abeille sociale de la famille des Halictidae présentait elle aussi un fort magnétisme. Nous avons alors élargi notre étude à des espèces représentant l’ensemble de l’arbre évolutif des abeilles, en partant de l’hypothèse que l’origine évolutive de ce magnétisme se trouvait peut-être chez des lignées plus anciennes.

Notre étude a également mis en évidence plusieurs tendances concernant l’intensité du magnétisme observé chez les abeilles. Les espèces de grande taille présentaient un magnétisme plus marqué. Les abeilles sociales étaient, en moyenne, plus magnétiques que les espèces solitaires. Enfin, les abeilles qui nichent dans des cavités avaient tendance à être plus magnétiques que celles qui construisent leur nid dans le sol.

Dans l’ensemble, nous avons détecté la présence de matériaux magnétiques dans toutes les familles d’abeilles étudiées : chez les espèces sociales comme chez les espèces solitaires, chez les abeilles nocturnes, ainsi que chez celles qui nichent dans le sol comme chez celles qui vivent au-dessus du sol, dans des cavités ou des ruches. Les insectes d’autres groupes que nous avons examinés à titre de comparaison, notamment des coléoptères, des guêpes et des mouches, présentaient eux aussi du magnétisme.

Nous avons donc dû rejeter une nouvelle fois notre hypothèse. Nos résultats montrent que le magnétisme est probablement apparu avant même l’origine évolutive des abeilles. Nous en concluons qu’il s’agit vraisemblablement d’un caractère ancestral, conservé au cours de l’évolution.

Ce que nous ignorons encore

Notre étude laisse de nombreuses questions en suspens. D’abord, même si nous considérons que le magnétisme constitue un indicateur de la magnétoréception, il est notoirement difficile de le démontrer. Cela nécessite en effet des expériences sur des organismes vivants, retirés de leur environnement naturel.

La magnétoréception est l’un des sens animaux les plus controversés. Il existe de solides preuves que certains organismes sont capables de détecter le champ magnétique terrestre et de s’y orienter. Mais il ne s’agit probablement pas de leur sens principal, même chez les espèces qui possèdent cette capacité. Cette caractéristique rend son étude particulièrement difficile.

Même chez les bourdons, que les biologistes considèrent comme capables de magnétoréception, de nombreuses questions et incertitudes subsistent quant à la manière dont ils utilisent ce sens.

Les scientifiques sont en revanche plus convaincus que les abeilles domestiques sont capables de magnétoréception. Des chercheurs sont même parvenus à les entraîner à distinguer des anomalies locales du champ magnétique. Nous avons donc fait l’hypothèse que les insectes de notre étude présentant un magnétisme plus marqué que celui des abeilles domestiques possèdent eux aussi cette capacité. Mais nous ne pouvons pas le démontrer. De plus, nos travaux n’expliquent ni la fonction de ce magnétisme ni le mécanisme biologique de la magnétoréception.

Enfin, si l’intensité du signal magnétique variait selon les différentes parties du corps, elle n’était jamais limitée à une seule région chez les abeilles que nous avons étudiées. Ce résultat ne soutient donc guère certaines hypothèses sur le fonctionnement de la magnétoréception, notamment celle selon laquelle elle reposerait sur des cryptochromes sensibles à la lumière présents dans les yeux.

Laura Russo ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.

De nombreux projets de data centers sont lancés ou en phase de construction en France. Étant donné leurs impacts sur l’environnement et les populations locales, leur localisation mérite d’être débattue, d’autant que certains projets pourraient être intégrés dans des réseaux préexistants ou en développement : ils participeraient ainsi à la mise en commun et à la réutilisation des ressources que sont la chaleur, l’eau et l’électricité.

Les projets de construction de data centers, infrastructures critiques du numérique et de l’intelligence artificielle (IA), se multiplient en France. De telles infrastructures ont de nombreux impacts : artificialisation des sols, bruit, création d’îlots de chaleur, pollutions atmosphériques (groupes électrogènes diesel, gaz réfrigérants). Mais aussi des impacts économiques et sociaux : un data center crée peu d’emplois directs localement, mais contribue à l’attractivité et à l’innovation du pays plus globalement.

Malheureusement, les projets actuels ignorent trop souvent les débats avec les populations impactées, ce qui conduit à des conflits d’usages au niveau des ressources en eau, en énergie et sur le foncier. La localisation d’un centre de données mérite donc d’être débattue en toute transparence.

D’autant que la question n’est plus seulement de construire des data centers plus sobres. Elle est aussi de savoir comment les intégrer dans une économie circulaire capable de valoriser les rejets de centres de données, et de les transformer en ressources utiles pour les territoires afin de gérer aux mieux les biens communs. À l’instar d’un centre de calcul national basé à Montpellier (Hérault), qui sera connecté au réseau de chaleur de la ville, un data center pourrait devenir une infrastructure hybride où les données, la chaleur, l’eau et l’énergie circulent ensemble au service d’un même écosystème.

Dans ce cas, le véritable défi ne sera plus seulement numérique : il sera territorial, énergétique et industriel, tout en questionnant aussi la régulation de nos usages utiles et futiles.

S’inspirer de l’expertise des centres de données publics

Depuis un demi-siècle, les scientifiques utilisent des centres de calcul intensif mutualisés. Le Centre informatique national de l’enseignement supérieur (Cines), à Montpellier, est un data center de service public d’intérêt national. Il abrite des serveurs et des supercalculateurs refroidis par eau tiède et expérimente toutes les techniques d’optimisation des calculs et des ressources nécessaires.

Avec une puissance électrique installée de 2 mégawatts, sa consommation d’électricité annuelle est de 17 gigawatts-heures. Plus des deux tiers de cette consommation sont destinés aux infrastructures numériques elles-mêmes ainsi qu’aux systèmes de refroidissement.

Pour évacuer la chaleur produite par les équipements, le Cines consomme annuellement de l’ordre de 7 000 mètres cubes d’eau, ce qui correspond au remplissage de deux piscines olympiques de trois mètres de profondeur. L’eau est nécessaire pour le refroidissement de salles machines par des tours adiabatiques : elle circule dans des circuits fermés sans être polluée, et pourrait être recyclée.

Si on extrapole ces données aux impacts d’un data center de puissance 1 gigawatt (par exemple, le projet Campus IA, en Île-de-France, de 1,4 gigawatt), soit 500 fois le Cines, alors la consommation d’électricité sera de l’ordre de 9 térawatts-heures par an, ce qui correspond à la consommation annuelle de plusieurs millions d’habitants et l’équivalent en eau de plusieurs centaines de piscines olympiques. Bien sûr, ici, ce ne sont que des ordres de grandeur, car les impacts dépendront des équipements installés, de leurs temps de fonctionnement, des services offerts et de la localisation – mais ils donnent une idée de l’ampleur du problème.

Au-delà de ces ordres de grandeur, le Cines passe en ce moment une nouvelle étape. Il va être connecté au réseau de chaleur au nord de Montpellier (le Réseau de chaleur Nord Alco, RCNA), ce qui réduit les ressources en énergie et en eau nécessaires au refroidissement des serveurs et permettra de produire de l’eau chaude et de chauffer plusieurs dizaines de logements.

En encadrant la construction des data centers, on pourrait transformer ces installations en acteurs inattendus de la transition écologique et d’une économie circulaire. Ils fournissent de la chaleur et de l’eau, qui peuvent être réemployées. Même leur consommation électrique pourrait jouer un rôle dans l’équilibre des réseaux électriques connectés à des sources de production d’énergies renouvelables.

Se chauffer au data center

L’énergie thermique issue de la transformation de l’énergie électrique peut alimenter des réseaux de chaleur urbains, chauffer des piscines ou des bâtiments. Pour cela cependant, les data centers doivent être conçus dès l’origine comme des producteurs de chaleur et être intégrés au tissu urbain.

Le véritable enjeu consiste à construire les infrastructures capables de récupérer la chaleur plutôt que de la disperser dans l’atmosphère, puis de la distribuer. En raison des pertes de chaleur lors de son transport, le plus facile est d’être à proximité d’un réseau de chaleur urbain et de s’y rattacher. Ce genre d’intégration a déjà été réalisée : c’est le cas par exemple de la piscine olympique des Jeux olympiques de Paris 2024 (Saint-Denis, Seine-Saint-Denis), qui a été chauffée pour partie par la chaleur d’un data center voisin.

Pour d’autres usages de chaleur, industriels ou agricoles, il faudrait être à proximité et surtout associer le projet de data center au projet agricole ou industriel dès sa conception. Par exemple, les usages industriels requièrent une certaine température.

Un fournisseur d’eau (chaude)

La gestion de l’eau dépend des systèmes de refroidissement installés et de l’environnement. Les serveurs récents ont des systèmes de refroidissement liquide directement au contact des composants électroniques, plus efficaces que les méthodes traditionnelles de climatisation des salles machines.

L’objectif est de diminuer fortement les prélèvements dans les ressources en eau potable et d’intégrer les data centers dans des boucles locales de réutilisation. Plutôt qu’un concurrent direct des usages domestiques ou agricoles, le data center pourrait devenir un maillon d’écosystèmes industriels où l’eau circule entre plusieurs utilisateurs avant de retourner dans l’environnement.

Pour ce type de co-utilisation, chaque boucle peut avoir ses spécificités. Dans le cas d’une boucle fermée data center-réseau de chaleur urbain, l’eau reviendrait refroidie depuis le réseau de chaleur. Si, au bout de quelques cycles, sa qualité est trop détériorée pour le centre de données (la qualité de l’eau y est contrôlée), elle peut être évacuée, ou idéalement réutilisée pour un autre usage d’eau non potable (arrosage, irrigation, industrie de fabrication, couplage avec une station d’épuration) – une stratégie développée notamment par Google.

Stabiliser le réseau électrique

Pour accompagner la transition énergétique, les traitements de données au sein d’un data center peuvent être adaptés à de la production d’énergies renouvelables intermittentes.

Certains calculs pourraient ainsi être accélérés à un moment donné afin de consommer une électricité disponible en excès en opérant à la vitesse de calcul maximum de l’ensemble des processeurs. À l’inverse, lors des périodes de tension sur le réseau, une partie des activités pourrait être ralentie en baissant les fréquences de fonctionnement, voire en interrompant certains services.

Un data center deviendrait ainsi un outil de régulation de la consommation électrique, capable d’accompagner le développement des énergies renouvelables dont la production est par nature variable.

C’est pour cela que Google déploie une approche avec des fournisseurs d’électricité américains avec des data centers capables d’adapter temporairement leur consommation électrique (approche dite de « demand response ») afin de soulager le réseau lors des pics de demande. Cette flexibilité repose notamment sur le report ou la réduction de certaines charges de calcul IA non urgentes, sans impacter les services critiques. L’objectif est d’accélérer le raccordement de nouveaux data centers, de limiter les investissements dans de nouvelles infrastructures électriques et d’améliorer la stabilité du réseau.

Il existe également des approches innovantes à l’interface de l’informatique, des systèmes embarqués et de l’électronique de puissance, pour réaliser des data centers modulaires, alimentés par des systèmes de panneaux photovoltaïques. L’originalité réside dans la gestion de l’énergie comme une ressource finie, au même titre que les capacités de stockage ou de calcul. L’énergie est allouée et acheminée entre les modules en fonction des besoins de traitement, comme pour les données.

Pour les plus grosses installations, il faudra trouver des alternatives avec des data centers adaptés aux possibilités énergétiques. C’est ce qu’essaye de faire le Réseau de transport d’électricité (RTE) en ce moment.

À ce stade, l’intégration des projets de data centers dans une économie circulaire, associant les territoires et valorisant énergie, chaleur fatale et eau, n’est plus une option : c’est l’impératif d’un numérique durable.

Michel Robert ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.