Le prix Nobel de physique pour Serge Haroche et David Wineland

/ Article - écrit par Loïc Massaïa (), le 10/10/2012

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Le français Serge Haroche et son confrère américain David Wineland (Wineland ? Le pays du vin ? Il est un peu français aussi alors !) se sont vu récompensés pour leurs travaux sur les particules quantiques. Haroche sur les particules de lumière (les photons), Wineland sur des particules de matière comme les ions et les atomes.

Ils sont en effet parvenu à capturer ces particules infiniment petites et à en mesurer les propriétés. Dit comme ça, ça parait simple, pourtant jusqu'à aujourd'hui c'était tout bonnement impossible, car les règles de la physique quantique -qui régissent le monde de l'infiniment petit- ne sont pas les mêmes que celles que l'on connaît à notre échelle.


Serge Haroche (à droite). Photo : Copyright © Photothèque/Christophe Lebedinsky .

Le monde quantique

Prenons l'exemple d'un photon, la particule de lumière que Serge Haroche et son équipe sont parvenus à capturer. L'une des difficultés est la transformation de la particule lors de l'observation. Pour observer une chose il faut qu'on puisse la voir : logique. Mais pour voir quelque chose il faut que cette chose soit éclairée, par définition il faut donc lui envoyer dessus un ou des photons. Mais voilà, lorsque un photon entre en contact avec un autre photon, ces grains de lumière se transforment en énergie. Impossible alors d'en prendre des mesures précises.

Ainsi, chaque mesure perturbe le monde quantique et pour appréhender celui-ci les scientifiques ont recours aux probabilités. Voyant dans cette idée une aberration, Einstein avait un jour eu cette formule: "Dieu ne joue pas aux dés".

Piège à photons

Pourtant c'est une expérience imaginée par Einstein et Niels Bohr (mais dont les besoins techniques ne peuvent être résolus que de nos jours) qui va prouver que les probabilités sont bien inhérentes au monde quantique :

Serge Haroche et son équipe ont donc construit un piège où le photon rebondit de miroir en miroir, augmentant ainsi la durée de son observation : 0,13 secondes. C'est peu, mais c'est déjà beaucoup : c'est le temps qu'il lui faudrait pour parcourir la circonférence de la Terre !

Afin de pouvoir "observer" le passage d'un ou de plusieurs photons, les physiciens ont utilisé un atome de Rydberg, ce qui leur évite de bombarder la particule avec d'autres photons. Cet atome est mis dans un état qui lui permet de réagir à l'électromagnétisme inhérent à la particule de lumière. L'observation est donc indirecte, mais les résultats sont là : des mesures ont put être prise, et elles confirment la tendance probabiliste du monde quantique.

En effet, avant de prendre la mesure, on peut prévoir le nombre de photons capturés sous forme de probabilité. Dans l’expérience de Serge Haroche entre 0 et 7. Et une fois une centaine de mesures prises, la tendance se confirme, si la plus haute probabilité est -par exemple- de 4, les mesures confirmeront cette tendance. Ce sera parfois 2 ou 3 ou 6, mais c'est en s'approchant de la centième mesure que le nombre le plus récurent apparaîtra comme étant bien 4. L'expérience confirme donc la théorie.

Et quelles conséquences pour nous ?

Bien sûr ces résultats sont encourageants pour la recherche, déjà parce qu'ils confirment une théorie, la mécanique quantique, qui régit notre monde. Non seulement au niveau même de nos êtres et entourage, mais aussi au niveau de notre mode de vie, énormément basé sur les systèmes électroniques, qui se fondent sur la mécanique quantique.

Aussi, l'aspect technique de cette expérience aura très certainement d'autres applications dans l'avenir, et d'autres expériences se basant sur elles pourront voir le jour. Expériences qui pourront très certainement -à terme- changer des choses pour nous, tout comme le téléphone cellulaire ou internet ont un jour modifié notre quotidien.

La prochaine expérience est déjà sur les rails : observer un autre grand principe de la mécanique quantique. L'état de superposition, qui dit qu'une même particule peut être dans deux états différents en même temps (pour le cas qui nous occupe, à la fois présent et absent dans le piège à photon). Principe délirant à notre échelle, mais inhérent au monde quantique. Principe également mis en expérience théorique par le célèbre Chat de Schrödinger.

 

David J. Wineland. Photo : Copyright © Geoffrey Wheeler .

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