Une étrange expérience quantique vient de prouver que les atomes peuvent exister à deux endroits en même temps
Une expérience avec des atomes d'hélium ultrafroids montre un effet quantique extrême et ouvre la voie vers une physique plus unie
La physique coexiste depuis plus d’un siècle avec une fracture qui n’a jamais cessé de nous gêner. D’une part, il y a la relativité générale, qui décrit le mouvement des étoiles, des planètes et des galaxies avec une précision spectaculaire. De l’autre, la mécanique quantique, qui régit le petit monde des particules et se meut selon des règles qui, à bien y regarder, semblent avoir été écrites par quelqu’un avec un fort goût pour le paradoxe. Les amener à s’entendre reste l’un des problèmes les plus difficiles de la physique contemporaine.
Un groupe de chercheurs de l'Université nationale australienne a ajouté un élément important : ils ont observé l'intrication dans le mouvement d'atomes d'hélium ultrafroids, c'est-à-dire dans des objets qui ont une masse et sont donc également affectés par la gravité. Et c’est précisément ce qui rend l’expérience intéressante : elle amène l’un des effets les plus étranges de la physique quantique dans un domaine qui touche aussi de près à la relativité.
Pendant des années, l'intrication a été vue avant tout dans la lumière, mais cette fois-ci, la véritable matière entre en scène, constituée d'atomes qui tombent et ressentent la gravité.
L’intrication est l’un des phénomènes les plus surprenants de la physique moderne. Lorsque deux particules sont intriquées, leur état reste connecté même si elles s’écartent. Mesurer l’un des deux signifie influencer instantanément la description de l’autre. Cette liaison a été observée à de nombreuses reprises, notamment dans les photons, c'est-à-dire les particules de lumière. Cependant, les photons ont une masse au repos nulle. Ils fonctionnent très bien pour montrer l’étrangeté quantique, mais ils aident moins lorsqu’il s’agit de comprendre ce qui se passe au point où la physique quantique rencontre la gravité.
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Les atomes d’hélium utilisés dans cette étude changent la donne. Ils ont une masse, donc ils tombent, bougent, suivent des chemins matériels. Les chercheurs les ont refroidis à des températures très proches du zéro absolu, un niveau extrême dans lequel la matière entre dans un état particulier appelé condensat de Bose-Einstein. Dans de telles conditions, le comportement quantique devient observable à une échelle plus contrôlable, presque comme si l’étrangeté qui reste habituellement cachée commençait à mieux apparaître.
Ensuite, l’équipe est entrée en collision avec ces nuages d’atomes ultrafroids. Des paires d’atomes connectés les uns aux autres ont émergé de la collision. La partie surprenante vient ensuite : dans le langage de la mécanique quantique, les atomes peuvent se retrouver dans une superposition de chemins, c'est-à-dire se comporter comme s'ils suivaient plusieurs trajectoires en même temps. C'est pourquoi nous parlons d'atomes à deux endroits à la fois. C'est une simplification journalistique, mais cela donne une idée du phénomène : avant la mesure, la physique décrit la particule comme répartie entre différentes possibilités.
Les scientifiques ont observé les atomes alors qu'ils tombaient vers le détecteur
Pour vérifier qu'il ne s'agissait pas d'une illusion mathématique, les chercheurs ont fait tomber les atomes vers un détecteur. Au cours du voyage, les différentes possibilités de parcours se sont superposées et ont produit un effet typique de la physique quantique : l'interférence. C'est le même principe qui montre comment une particule peut aussi se comporter comme une onde. Lorsque ces possibilités se croisent, elles laissent une signature lisible dans les données.
L'hélium choisi par l'équipe présente également un avantage technique important. Les atomes utilisés dans l'expérience sont dans un état excité qui permet aux chercheurs de les enregistrer avec une grande précision lorsqu'ils arrivent au détecteur. En pratique, ils parviennent très bien à reconstruire où ils finissent et avec quel élan. Cette étape est décisive, car l'expérience vise justement à montrer que le mouvement des deux atomes reste quantiquement lié.
Les résultats ont donné un signal fort. Les mesures ont montré une violation de l'inégalité de Bell, un outil mathématique célèbre car il sert à distinguer la physique quantique des explications classiques basées sur des propriétés déjà décidées à l'avance. En termes simples : les données collectées par l’équipe indiquent que les atomes ne suivaient pas simplement un script caché pré-écrit. Leur lien était réel et quantique.
C'est pourquoi l'étude est considérée comme une étape importante. La physique quantique a déjà montré à plusieurs reprises son côté le plus étrange. Cette fois, cependant, cet aspect émerge dans un système constitué d’atomes ayant une masse, donc dans un contexte qui se prête bien mieux aux futurs tests sur la gravité. C'est un changement de niveau. L'étrangeté cesse de se limiter à la lumière ou aux propriétés internes des particules et devient visible dans leur mouvement dans l'espace.
L’idée de base est simple à énoncer et très difficile à étudier. Si un atome peut suivre plusieurs chemins quantiques et que chaque chemin peut ressentir la gravité de manière légèrement différente, alors il devient naturel de se demander comment décrire tout cela dans le cadre de la relativité générale. La réponse complète manque toujours. C’est précisément pour cela que des expériences comme celle-ci sont importantes : elles construisent le pont pièce par pièce, sans promettre de miracles et sans sauter d’étapes.
Le chemin reste long. Les mêmes chercheurs expliquent que pour combler l’un des principaux points faibles de l’expérimentation, ce qu’on appelle la faille de localité, il faudra de plus grandes distances entre les atomes et des instruments plus grands. Aujourd'hui, le détecteur a des dimensions limitées. Amener ce projet à une plus grande échelle nécessitera des années de travail et des financements importants. La direction est cependant claire.
Il y a aussi un futur passage qui intrigue beaucoup les physiciens. L’équipe espère intriguer différents isotopes, tels que l’hélium-3 et l’hélium-4, qui ont des masses différentes. Un tel test pourrait permettre de vérifier de manière quantique le principe d’équivalence, l’une des idées centrales de la relativité générale. À ce stade, la distance entre le monde d’Einstein et le monde quantique se raccourcirait encore un peu. Pour l’instant, il reste des atomes gelés qui tombent, se divisent en de multiples possibilités et laissent la physique avec sa vieille fissure.
Source : Nature
