Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

(Thierry Giamarchi)

Interrogeant les gens sur les découvertes qui ont changé notre société peu évoqueraient la physique quantique. Celle-ci, et ses dérivés, est peu connue du grand public. Ceux qui en ont entendu parler l'imagine confinée dans des laboratoires où se passent des expériences mystérieuses sur des systèmes à une échelle inhumainement petite, et à très basse température.

Pourtant la physique quantique a déjà bouleversé notre société. 

Une propriété essentielle de cette science est la dualité onde-corpuscule introduite par Louise de Broglie, les mouvements et propriétés, de la matière sont aussi ceux des ondes. Deux ondes de matière peuvent interférer, s'annule ou se renforcer.

Tout système est décrit par une fonction d'onde (l'équation de Schrödinger) donnant la probabilité de trouver de la matière en un point donné. Description de la matière qui révolutionna notre compréhension des matériaux. Les électrons, dans un solide, sont des ''billes'' et des ondes. Or toutes ne peuvent pas se propager dans le solide. Suivant le taux de remplissage d'un solide par des électrons, maximal, il est un isolant, un conducteur dans le cas contraire. La physique quantique nous donna les clefs de ce qui fait un bon métal ou un bon isolant, éclairant le comportement de matériaux intermédiaires, les semi-conducteurs – ni isolants, ni métalliques -, ouvrant la porte à l'électronique moderne et à notre société de l'information. Comprendre la nature ondulatoire de la matière permit la création de matériaux convertissant la lumière en signal électrique, ceux que l'on trouve dans les caméras CCD, ou l'inverse, et ce sont les diodes électroluminescentes (les LED) transformant un signal électrique en un signal lumineux.

Nos téléphones portables et leurs dérivés sont des conséquences directes de ce que la physique moderne nous apporta.

La fonction d'onde distingua 2 types de particules, les bosons et les fermions. L'étude de ceux-ci permit en 1911 de constater que le mercure refroidi offrait une résistivité nulle, un passage du courant sans perte. Pour faire de bons supraconducteurs il faut désordonner les matériaux, constat menant à des recherches sur les effets du désordre dans des systèmes quantiques et à des applications pour les supraconducteurs.

La première est la mise au point d'un câble transportant un courant sans dissipation et la création d'aimants ultra puissants, utilisables, entre autre, dans les IRM, si le supraconducteur est maintenu à une température assez basse pour que l'aimant conserve sa puissance. Ces matériaux permettraient d'éviter la perte de 10 à 15 % de courant dans son voyage entre une centrale et les consommateurs. Problème, la cryogénie sur de longues distances est onéreuse et les lignes supraconductrices sont rares. Un développement plus large dépend de la mise au point de meilleures solutions de refroidissement ou de supraconducteurs opérant à des températures plus élevées.

Autre effet de la nature de la supraconductivité, la fabrication de détecteurs de champ magnétique ultrasensibles, une sensibilité de l'ordre de 10 femtoteslas. Champs moins intenses que ceux créés par les battements d'un cœur, voire par l'activité des neurones, dispositifs placés dans des sondes non invasives, notamment pour la magnétocardiographie en attendant d'autres applications, moteurs, limiteurs de courants...

''L'ésotérique'' physique quantique est omniprésente dans notre quotidien et impacte notre société. Applications ne pouvait être anticipées avant les découvertes correspondantes.

La première révolution quantique nous donna l'électronique sur laquelle est fondée notre société de la communication et de l'information. La seconde utilise(ra) la supraconductivité et utilisera la cryptographie quantique ou la calcul quantique. Une troisième révolution pourrait être celle des matériaux qui pourraient transformer (partiellement) la chaleur en lumière ou la lumière en un courant électrique utilisable ; stocker de l'information en utilisant la nature quantique de l'électron, on devra exploiter les possibilités offertes par les interactions.

Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

(entretien de Alexia Auffèves avec Loïc Mangin) 

La mécanique quantique entretient depuis ses débuts des rapports controversés avec l'idée de réalité. Une nouvelle façon d'envisager la réalité tente de réconcilier Einstein et Bohr.

La mécanique quantique se tient à la ligne de démarcation entre le réalisme et l'antiréalisme, deux visions des choses telles qu'elles sont, l'ontologie, par opposition à ce que l'on peut en dire, l'épistémologie. Dans la physique ''normale'' l'observateur peut décrire ce qu'il voit, en MQ il perd sa neutralité. Historiquement Einstein était le tenant d'une vision réaliste, affirmant que l'objet observé existe mais que des raisons pratiquement empêchent de l'atteindre. Le camp d'en face est incarné par Bohr, selon lui parler de l'état d'un objet qui soi-disant existe mais reste inaccessible n'a aucun sens.

Ce débat nait dans les années 1930 relevait essentiellement de la métaphysique. En 1964 pourtant le physicien John Stewart Bell établit un critère mesurable pour trancher entre ces deux visions permettant de sortir de la métaphysique pour revenir à la physique. Des expériences dans ce sens furent menées à partir de 1979, mais surtout 1982, par Alain Aspect.

Alexia Auffèves travaille sur ces idées avec le physicien Philippe Grangier et la philosophe Nayla Farouki grâce à laquelle elle traduisit leur réflexion en termes philosophiques, d'ontologie et d'épistémologie permettant une relecture de Bohr. Celui-ci se vit souvent reproché sa vision positiviste réduisant la mécanique quantique à une série de ''recettes'' fonctionnant sans besoin d'en connaître la réalité sous-jacente.

Cette opposition réalisme/antiréalisme ressemble à la thèse et l'antithèse d'une dissertation de philosophie.

La notion de réalité en physique consiste d'abord à isoler un objet d'étude puis à tenter de le caractériser permettant à notre cerveau d'élaborer une ''carte d'identité'' de nature opérationnelle et phénoménologique permettant de conclure qu'il y a quelque chose de tangible derrière l'objet étudié.

Dans le monde quantique il en va autrement où l'ordre des questions posées influe sur les réponses, et, donc, sur la carte d'identité, empêchant d'en faire un état définitif. Pourtant les recherches du trio visent à cette évolution en considérant le système étudié et le contexte expérimental. Un postulat de base dans leur façon d'envisager la réalité, nommé Contexte, Système Modalité (CSM). En mécanique quantique l'état d'un système ne dépend pas que du système lui-même mais aussi du contexte. Second postulat : dire que pour un système donné le nombre de modalité est fini. Par exemple : pour le photon, sa seule alternative est d'être transmis ou réfléchis, deux modalités. En termes sensationnaliste ce photon est dans une superposition d'états mais influent sur l'analyseur une certitude serait acquise.

Considérons le chat de Schrödinger,il est raisonnable d'admettre qu'on puisse décider avec certitude dans le monde usuel utilisé comme contexte, si le chat est mort ou vivant. Dans quel contexte pourrait-il être ''à la fois'' mort et vivant ? Les expériences de superpositions quantiques d'objets de plus en plus ''gros'' sont difficiles à réaliser, le problème étant de réaliser des contextes où il serait permit de vérifier que les superpositions envisagées sont des modalités.

Il est temps de libérer le matou d'Erwin de la machine infernale dans laquelle il est enfermé depuis si longtemps.

Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

Interview de Serge Haroche par Loïc Mangin

Au début du XX^ème siècle il semblait que la physique était une science quasiment achevée. Deux problèmes pourtant subsistaient, le premier, lié à la valeur de la vitesse de la lumière, l'autre venait du spectre du rayonnement d'un corps chauffé qui n’obéissait pas aux règles de la physique classique. Reprenant l'idée de Planck, Einstein postula que les ondes lumineuses sont également constituées de corpuscules, les photons.ainsi naquit la notion de dualisme entre onde et particule. Ces questions, et leurs réponses, amenèrent la théorie de la relativité et la physique quantique.

De la dualité onde-corpuscule découlent les piliers de la physique quantique. Le premier est le principe de superposition, un système microscopique dual peut se trouver en plusieurs endroits à la fois et être dans des états d'énergies différentes. Ce concept amena la notion d'intrication. Les parties d'un système ayant interagi restent liées malgré leur éloignement. Autre conséquence de la dualité, l'onde associée à une particule est en fait une onde de probabilité.

Les concepts de superposition d'état et d'onde de probabilité sont associés au phénomène d'interférence quantique : des ondes de probabilités qui se superposent peuvent s'additionner ou se soustraire selon qu'elles sont en phase ou non, ce qui diffère des lois régissant les probabilités classiques.

La physique quantique est statistique mais elle décrit la nature qui l'est également. Tous les physiciens ne sont pas d'accord avec cette opinion, ils cherchent à dépasser le hasard pour décrire une réalité objective déterministe.

Autre problème : la gravitation est la seule force que la physique quantique ne peut décrire de façon cohérente. La théorie des cordes paraît être une réponse crédible. Aucune solution n'est encore apportée. C'est dommage car par ailleurs la théorie quantique ne rencontre que des succès, le modèle standard des particules, par exemple, est conforté par toutes les observations.

Serge Haroche poursuit ses recherches dans le domaine de l'information quantique avec l'ambition de réaliser un ordinateur quantique exploitant directement les concepts quantiques pour calculer plus rapidement et plus efficacement que les ordinateurs classiques. Malheureusement pour l'instant les systèmes fonctionnant ne sont formés que de quelques ions ou de quelques circuits. Plus grand, ils se brouillent, c'est la décohérence. En revanche les horloges atomiques ont fait de grands progrès en se fondant sur un phénomène quantique, les oscillations des électrons dans les atomes, atteignent une précison de l'ordre d'une seconde sur l'âge de l'Univers.

Ces horloges sont embarquées dans des satellites coordonnés nous envoyant des signaux déterminant notre position par triangulation avec une précision de l'ordre du mètre. Une précision qui s'améliorerait avec des horloges plus performantes qui permettraient de mesurer des variations locales très faibles du champ magnétique terrestre pour prédire l'imminence de séismes.

La physique quantique permit de mieux comprendre l'écoulement des électrons dans les solides pour produire des matériaux semi-conducteurs, de la supraconductivité et toute l'électronique moderne et les ordinateurs classiques.

La deuxième révolution est lié au développement d'appareils ou la logique quantique jouera un rôle important et direct. Ce sont la métrologie, les ordinateurs et la communication quantique. Elle est à la fois conceptuelle, exploitant l'intrication et les superpositions, et pratique, isoler des systèmes quantiques (atomes, photons...) pour les mesurer individuellement, ce qui est possible grâce aux lasers, à la supraconductivité, et aux outils nés de la première révolution quantique. Celle-ci fut conduite par des hommes motivés par la curiosité sans s'attacher aux applications pouvant venir de leurs découvertes. Des applications qui les auraient probablement surpris. De même il est impossible aujourd'hui d'annoncer les utilisations possibles de cette deuxième révolution.

La physique quantique n'est pourtant pas limitée à l'infiniment petit mais est essentielle pour comprendre la physique, même à l'échelle de l'Univers. En particulier par la détection des ondes gravitationnelles primordiales. Celles qui furent observées pour la première fois en 2016 n'étaient pas primordiales mais nées de la coalescence il y a un milliard d'années de deux trous noirs.

Cette découverte va sans doute bouleverser l'astrophysique du XXI^ème siècle en lui ouvrant une nouvelle fenêtre sur l'Univers.

Pour la Science 471 – Janvier 2017

Frank Postberg, Gabriel Tobie et Thorsten Dambeck

À mi-chemin entre les Bermudes et les Canaries, dans l'obscurité, à près d'un kilomètre sous la surface, la nature édifia une métropole sous-marine de tours de calcaires hautes comme des gratte-ciel abritant des multitudes d'escargots, de crabes et de moules. Ces tours sont formées par la précipitation des minéraux contenus dans l'eau chaude alcaline jaillissant des évents hydrothermaux parsemant le fond de l'océan.

Les biologistes ont découvert cette ''Cité'' à l'aide de submersibles et de caméras contrôlées à distance au début des années 2000 et l'étudient depuis afin de comprendre comment les cheminées hydrothermales peuvent, loin de la lumière du Soleil, faire vivre des écosystèmes florissants.

Les planétologues exploitant la sonde spatiale Cassini ont découvert que pourraient exister de telles cheminées hydrothermales dans l'océan souterrain d'Encelade, une petite lune glacée de Saturne. Serait-il possible que la vie y soit présente grâce à elles. Plus largement, la présence de ces cheminées constitue une énigme irrésistible pour les chercheurs. Outre l'eau, l'ingrédient nécessaire à leur activité est la chaleur mais les entrailles brûlantes de cette lune glacée sont difficiles à expliquer.

Encelade a un diamètre d'environ 500 kilomètres, c'est trop petit pour retenir la chaleur primordiale laissée par sa formation. Il y a donc une autre source de chaleur à l’œuvre, un vrai mystère.

Les premiers indices furent observés en 2005 quand Cassini détecta un énorme panache de vapeur d'eau et de grains de glace s'élevant à plusieurs centaines de kilomètres dans l'espace et originaire du pôle sud de la lune. Les spécialistes estiment qu'Encelade projette de l'eau dans l'espace depuis au moins dix millions d'années. Il apparut qu'existait un océan à l'intérieur de la lune de Saturne. Son eau est alcaline et contient du chlorure de sodium indiquant qu'il est probablement posé sur le noyau rocheux et qu'il en lessive les minéraux. La croûte aurait une épaisseur d'environ 35 kilomètres au niveau de l'équateur mais de 5 aux alentours du pôle sud.

Cassini observa des nanoparticules de silice pure éjectées d'Encelade, des expériences en laboratoires confirmèrent le mécanisme de leur formation impliquant la présence de cheminées hydrothermales dans un océan intérieur à Encelade et les conditions de celui-ci : son alcalinité, sa température... Comparaisons faites il apparut que la Cité perdue terrestre pourrait exister à l'intérieur de la lune de Saturne.

Sa petite taille et sa faible gravit lui confèrent une dynamique interne très différente de celle de planètes aussi grosses que la Terre, ainsi les compactions et consolidation faible du matériau constituant son noyau permettant ainsi à l'eau de circuler à travers la roche poreuse produisant des processus hydrothermaux au cœur même de la lune.

Une source possible de chaleur est le rythme des marées, déformations dues à la variation des forces gravitationnelles subies par le corps en orbite créant une friction produisant de la chaleur.

Cet océan est-il un phénomène transitoire limité à quelques dizaines de millions d'années ou une caractéristique présente depuis des milliards d'années ? Le système Terre-Lune ressemble à celui de Saturne-Encelade et l'influence de l'une sur l'autre est comparable. De récents calculs des mouvements des lunes de Saturne indiquent que l'excentricité de l'orbite d'Encelade est stable et durable provoquant des marées assez fortes pour maintenir un océan durant des périodes longues, persistance nécessaire à l’émergence de la vie. En effet à la fin des années 1980, Michael Russel avança que des sources hydrothermales alcalines auraient pu être le berceau des premiers organismes vivants sur la jeune Terre. Russel affirmait que ces sites offriraient un environnement clément et riche en énergie ou la chimie prébiotique aurait pu former les précurseurs des membranes, des métabolismes et des molécules autoreproductrices modernes. La découverte de la Cité perdue raviva l'intérêt envers cette hypothèse. La découverte d'un environnement similaire au sein d'Encelade, et possiblement sur d'autres lunes, indique que la vie ne serait pas confinée aux surfaces chaudes et humides de planètes rocheuses éclairées par le Soleil mais pourrait s’épanouir dans un éventail plus large d'environnements. De tels océans pourraient exister sur Ganymède et Callisto (lunes de Jupiter) ainsi que sur Titan et Mimas (lunes de Saturne) et même sur Pluton. La fécondité biologique de l'Univers airait été sous-estimé.

Il s'agit pour l'instant d'hypothèses, de spéculation. Une autre génération de sonde est à envoyer sur Encelade pour y effectuer des analyses in situ, et y faire des prélèvement à rapporter sur Terre.

Ces missions sont encore des rêves pour les astrobiologistes, peut-être plus pour très longtemps.

Pour la Science 471 – Janvier 2017

Le monde des particules subatomiques s'est révélé foisonnant. Aux électrons, protons et neutrons s'ajoutèrent au milieu du siècle dernier moult particules instables et éphémères.

Les quarks, proposés en 1964, organisèrent ce petit monde : les hadrons organisèrent la famille des particules sensibles à l'interaction forte, ils sont composés soit de 3 quarks, le proton et le neutron, soit d'un quark et d'un antiquark. Ils donnèrent naissance à une théorie fondamentale de l'interaction forte, la chromodynamique quantique. Peuvent-ils former plus que des trios et des trio ? La théorie le prédit mais ce n'est qu'à partir de 2003 que de possibles tétraquarks apparurent.

La mise en place du LH. Au Cern, permit la mise en évidence en 2015 puis 2016 de tétraquarks et de pentaquarks. Il ne s'agit pas d'augmenter le nombre de particules mais de confirmer la théorie de l'interaction forte où les calculs sont difficiles en permettant des pistes pour les approfondir.

Des quarks aux pentaquarks 

Georg Wolschin

La structure de ces particules confirme les hypothèses concernant leur existence. Les mesures de leurs propriétés dans le cadre de l'expérience LHCb permettent d'améliorer la compréhension du comportement de la matière aux échelles les plus infimes. À l'échelle la plus fondamentale, la matière, hormis l’électron et les particules apparentées, est composée de quarks. Ceux-ci s'associent par trois pour former le proton, le neutron – composants du noyau atomique – et les particules regroupées sous l'appellation de ''baryons''. Les ''mésons'' sont eux constitués d'un quark et d'un antiquark.

En 1964 deux théoriciens américains conçurent, indépendamment, le modèle des quarks en découvrant qu'un trio de particules formait le proton et le neutron . Murray Gell-Mann de Caltech les nomma ''quarks'' en s'inspirant du roman Finnegans Wake de James Joyce. L'autre chercheur, George Zweig, proposait ''as'' mais c'est le premier terme qui fut retenu.

Ces quarks étaient différents, les premiers étaient le quark up, le quark down et le quark strange. Trois variantes vinrent plus tard ; les quarks charm, bottom et top, chacun défini par son initiale.

Ces quarks étaient caractérisés par des ''nombres quantiques'' tels qu'un spin, ainsi qu'une ''couleur'' pouvant prendre trois valeurs ''rouge'', ''vert'' et ''bleu'', ces termes n'ayant aucun lien avec la longueur d'onde de la lumière.

Il existe des antiquarks de masse identique mais ayant une charge électrique opposée et une ''anticouleur''.

Ces particules s'attirent par une force fondamentale, l'interaction forte réalisée par un échange de particules électriquement neutres, mais porteuses d'une charge de couleur, appelées gluons, de masse nulle, comme les photons médiateurs de l'interaction électromagnétique. Les spécificités de l'interaction forte sont décrites par une théorie quantique des champs, la chromodynamique quantique. Celle-ci fut proposée en 1973 par David Politzer, Frank Wilczek et David Gross et stipule que les quarks n'existent isolément que dans des conditions extrêmes de températures et de pression qui régnèrent dix microsecondes après le Big Bang. La matière était alors un ''plasma quarks-gluons''.

Hors ces circonstances ils s'associent pour former des structures de telle façon que la ''somme'' des couleurs de leurs quarks produise une charge globale de couleur neutre impliquant que l'on peut avoir des baryons composés de 3 quarks et des mésons, d'une paire.

Dans les années 1960 le concept de quark n'allait pas de soi, Murray Gell-Mann obtint le Nobel de physique en 1969 pour ses ''contributions et découvertes concernant la classification des particules élémentaires et leurs interactions'', mais pas uniquement pour l'idée des quarks, raison probable expliquant que Zweig ne fut pas honoré la même année. Gell-Mann voyait les quarks comme des artifices de calcul. Zweig au contraire pensait qu'ils avaient une réalité physique.

De longues recherches furent nécessaires avant de démontrer la réalité des quarks et leurs associations en duos ou trios. Zweig et Gell-Mann prédirent dès 1964 la possibilité de systèmes quadruple ou quintuple. La preuve de l'existence de ces derniers est désormais apportée avec la présence pour tous de quarks c. ceux-ci, plus lourds, tendraient à stabiliser ces systèmes multiquarks.

L'étude des multiquarks est loin d'être achevée, bien des groupes peuvent encore être observés. L'enjeu est une meilleure compréhension de la chromodynamique quantique et de l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales à l’œuvre dans la nature.