• Les cantiques de la quantique

    Les instabilités du vide

    Les physiciens ont grandit avec l'idée que le vide ordinaire - un milieu dépourvu de matière - est en réalité un milieu très structuré à l'échelle subatomique pouvant présenter différents états ou phases, que l'on peut rapprocher par analogie des différentes phases de l'eau. Du fait que ce milieu présente des propriétés quantiques inattendues, les physiciens l'on appellé le "vide quantique".

    Ce milieu joue un rôle important en cosmologie et dans le modèle Standard des particules. Certains physiciens ont spéculé sur la possibilité que le vide quantique était actuellement dans une phase métastable et qu'une perturbation suffisamment importante pouvait déclencher sa transformation, sa décroissance en quelque chose d'assez différent. Une transition de ce type se propagerait dans toutes les directions à travers l'univers à la vitesse de la lumière et serait évidemment catastrophique.

    Nous savons par expérience que notre monde est déjà dans l'état de vide le plus stable en CDQ. En revanche, nos connaissances des interactions fondamentales à hautes énergies et en particulier des interactions responsables de la brisure de symétrie électrofaible est beaucoup moins complète.

    Bien que la théorie suggère que le déclenchement d'une instabilité du vide quantique requiert des densités d'énergies très supérieures à celles développées dans les accélérateurs de particules, il est difficile de fixer une limite sur base des seules considérations théoriques.

    Heureusement, nos preuves ne résident pas uniquement sur des bases théoriques. Il existe de nombreux indices fondés sur l'étude des rayons cosmiques. Ces particules sont entrées en collision les unes avec les autres et avec la matière tout au long de l'histoire de l'univers et si une telle transition quantique était possible, elle se serait produite depuis longtemps. En 1983, P.Hut et M.Rees ont calculé le nombre de collisions qui s'étaient produites dans notre cône de lumière - dont les effets pourraient faire l'objet d'expérience. Bien que des collisions similaires à celles des rayons cosmiques soient peu nombreuses aux énergies développées dans les accélérateurs de particules de nos laboratoires, Hut et Rees ont estimé qu'il s'était produit 1047 collisions de ce type dans notre cône passé de lumière.

    Les physiciens s'attendent à créer environ 2x1011 collisions entre ions lourds tout au long de la vie du RHIC et autant au CERN. Sur base des seules données empiriques, la probabilité qu'une transition du vide quantique soit déclenchée par le RHIC est de l'ordre de 2 x 10−36. Même si le risque est un peu plus élevé au CERN, on peut être rassuré, nos accélérateurs de particules ne vont pas provoquer une transition quantique de l'univers ! Une fin du monde "à la Douglas Adams" est très très improbable.

     

     

     

     

     

     

    Représentation artistique des fameux bits quantiques ou qubits. Document U.Melbourne/Marc Coe.

    Document IBM.

    A gauche, les Drs Isaac Chuang et Costantino Yannoni du MIT manipulant des éprouvettes contenant des molécules organiques. Aussi étonnant que cela soit, elles constituent le coeur de leur ordinateur quantique qui peut se réduire à une seule molécule et ses qubits représentés par les noyaux atomiques contenus dans la molécule ! A l'arrière-plan le cylindre métallisé du système RMN constitué par un aimant à supra-conducteur plongé dans un dewar contenant de l'hélium liquide à -269°C. A droite, les deux spins d'une particule. Documents IBM.

     

     

     

     

     

    Ainsi que le disent les chercheurs d'IBM, les actions indiscrètes de la personne placée sur la ligne de communication sont déjouées grâce aux propriétés quantiques de la lumière. Document IBM.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    L’univers 5D de Kaluza-Klein

    Un point de l’espace tridimensionnel devient un cercle dans un univers à 4 dimensions spatiales, plus exactement la section d'une corde à une seule dimension spatiale. Les vibrations de la corde donneraient naissance aux particules.

     

     

     

     

     

     

     

    A l'image du tableau d'Escher "Ascending-descending" (1960) présenté à gauche qui met notre bon sens à l'épreuve, la géométrie de l'espace multidimensionnel de Calabi-Yau présenté à droite reste perturbante pour les non-initiés. Il s'agit précisément d'une coupe dans un univers à 5 dimensions dont 3 complexes. Cette géométrie millefeuille sert à compactifier 5 ou 6 dimensions. Document Escher et APS.

     

     

     

     

     

     

     

     Quelques exemples parmi les nombreux modes de vibration des cordes. Leur fréquence de vibration est proportionnelle à leur niveau d'énergie. Doc CERNCourier

     

     

     

     

     

     

     

    Non conservation de P

    Désintégration du muon

    Toutes les expériences confirment que la désintégration du mon produit mille fois plus d'électrons gauchers que d'électrons droitiers.

    Violation de CP

    Désintégration du kaon

     

     

    Le kaon se désintègre de préférence en positron (à gauche) plutôt qu'en électron (son reflet opposé à droite).

     

     

     

     

     

    La fonction d’onde complexe

    Y(x) = cos (px/h) + i sin (px/h)

    p étant la quantité de mouvement (impulsion), h la constante de Planck.

     

     

     

     

     

    Les relations d'incertitudes de Heisenberg

    Position d'une particule

    en fonction de son état de mouvement

    Temps requis pour atteindre

    un certain niveau d'énergie.

     

     

     

     

     

    La symétrie de couleur

    Hadron incolore (p)

    de charge +1 (3/3)

    Méson incolore (p+)

    de charge +1 (3/3)

    Ci-dessous, émission d'un gluon virtuel dans une interaction forte entre quarks bleu et rouge.

    A gauche, selon la théorie quantique, une particule physique consiste en réalité en une particule centrale "nue" entourée d'un nuage de particules dites "virtuelles" dont la durée de vie est très courte. A droite, le tunnel d'HERA (Hadron Electron Ring Anlage) installé dans le laboratoire DESY (Deutsches Electronen SYnchrotron) de Hambourg en Allemagne cherche le leptoquark depuis 1992. Document Welt de Physik.

     

     

    Le chat de Schrödinger

    L’indéterminisme quantique, quand il est appliqué aux objets macroscopiques stipule que tant que nous n’avons pas observé le système, nous ignorons l’état dans lequel se trouve le chat; il est donc dans une superposition d’état vivant et mort car la particule n’a statistiquement que 50% de chance de se désintégrer au terme de l’expérience. En réalité il n’y a pas de paradoxe car en observant la scène on constate qu’il y a eu réduction du paquet d’ondes, l’événement de désintégration de la particule instable s’est produit, entraînant la mort du chat. Les deux résultats ne peuvent plus interférer.

     

     

     

     

    Le principe de non localité

    (1) Séparation d’une fonction en deux faisceaux. (m est un miroir, l une lame semi-réfléchissante). Quel chemin le photon suit-il, A ou B ? La réponse est A et B, mais s’il est détecté en A, sa probabilité d’être détecté en B est nulle.

    (2) Si on superpose les deux faisceaux, on assiste à des effets d’interférence qui prouvent que le photon a bel et bien suivi les trajets A et B en même temps !

     

     

     


     Pour approfondir la question: La Physique Quantique.

     


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