Le Nobel, le boson et les journaux télévisés

François Englert et Peter Higgs. Prix Nobel de physique 2013

François Englert et Peter Higgs. Prix Nobel de physique 2013

Ce mardi 8 octobre à 11h45, on retenait son souffle dans l’attente de l’annonce du ou des lauréats du prix Nobel de physique 2013. Le suspense a duré une heure de plus, le comité ayant décidé de jouer avec nos nerfs en retardant  l’instant de vérité.  Les hypothèses ont alors fusé sur Twitter pour expliquer ce contretemps : le CERN aurait menacé de créer un trou noir avec le LHC s’il n’obtenait pas le prix, les débats du comité auraient dévié sur la véracité scientifique du film « Gravity », ou encore, lors de l’ouverture de l’enveloppe contenant le nom du vainqueur, le jury aurait trouvé le chat de Schrödinger. Mais à 12h45, le verdict tombait : Peter Higgs et François Englert étaient les nouveaux prix Nobel de Physique  pour avoir postulé l’existence du boson de Brout-Englert-Higgs.

Le boson de Higgs, vous vous rappelez ? C’était la pièce manquante qui parachève le modèle standard de la physique des particules. Celle qui explique pourquoi toutes les autres particules élémentaires ont une masse. Le CERN l’avait déniché après une traque de 40 ans , caché dans les données statistiques récoltées par le gigantesque collisionneur de Hadron (LHC) à Genève. Pour vous (ra)fraîchir la mémoire voici un bel article et une jolie animation.

Cependant, le traitement médiatique du Nobel, présenté comme le Graal du chercheur, interroge. Chaque première semaine d’octobre,  les JT font leur sujet scientifique de l’année lors de l’annonce des prix Nobel, qui sont, en quelque sorte, les « miss France de la science ». A ceci près qu’ils sont souvent âgés, majoritairement de sexe masculin, et rarement vêtus de maillot de bain. A défaut d’écharpe, les lauréats reçoivent l’auréole immatérielle que confère le statut de génies humains. Par contre, le temps de parole dans les médias généralistes est la plupart du temps aussi court pour les vedettes scientifiques que pour les égéries esthétiques. Voire plus court.  Et parfois, réduit à néant.

Ainsi, mardi 8 octobre, aucune mention du prix Nobel de physique dans le 20 heure de TF1. France 2 fait mieux avec un sujet. Premier problème : la personne qui apparaît à l’écran lorsque David Pujadas parle de Peter Higgs…n’est pas Peter Higgs : c’est Rolf Heuer, le directeur général du CERN.  Le présentateur décrit alors le boson comme « la clef de voûte de la structure de la matière » puis s’empresse d’ajouter que c’est « un peu abstrait ». Que faire pour en parler « concrètement » ? Va-t-on entendre un des prix Nobel nous expliquer ses travaux ? Non, voyons. Entendre un physicien parler, c’est la prise de tête assurée. Alors on fait parler un journaliste. Et c’est David Lefort qui s’y colle. Pour sa première intervention en direct, le voilà face à un challenge : expliquer le boson de Higgs en 30 secondes chrono. Autrement dit, mission impossible.

Pour revoir ce sujet de France 2 (désolé pour la piètre qualité audio) :

David Lefort ne démérite pas et opte pour la description de type « poupées russes ». Il part d’un objet « concret », un gobelet, qui est constitué de matière, elle-même formée de molécules, qui sont composées d’atomes. Là le journaliste ajoute «vous le savez », comme pour se faire pardonner d’aller si vite. Puis il reprend sa plongée effrénée dans l’infiniment petit : les atomes ont un noyau, fait de protons et de neutrons. Surgi alors à l’écran une petite bille présentée comme un proton. Et à l’intérieur du proton, il y a des quarks et « un nuage de gluons ». Là, on ne s’arrête plus pour dire que le spectateur le sait déjà. Surtout qu’il ne reste plus que 10 secondes. Vite l’explication : ces particules ne flotteraient pas dans le vide mais dans « la neige ». Chaque flocon de cette neige serait un boson de Higgs. Et de la même manière que les traces que vous laissez dans la neige sont des empreintes de votre existence physique, de votre masse, le boson de Higgs est le flocon qui donne à la matière sa masse donc son existence réelle. Rien que ça.

Au final, l’explication est truffée de raccourcis qui peuvent induire en erreur tout en restant abstraite.  La métaphore de la neige n’est pas mauvaise, elle a même été plusieurs fois reprise par les médias dans l’animation que j’ai mentionnée plus haut mais aussi par les physiciens comme John Ellis :

Dans le journal de France 2, cette métaphore n’est cependant pas assez explicitée pour que le profane en retire quoique ce soit. Plus dérangeant, l’explication de type « poupées russes » pousse à croire que le boson de Higgs est un minuscule morceau de matière contenu dans le noyau. Or ce n’est pas le cas. D’une part le « champ de neige » n’est pas limité au noyau mais s’étend dans tout l’univers, d’autre part, les « bosons-flocons » n’existent pas naturellement autour de nous. Il faut « faire vibrer » le champ de neige, comme on fait vibrer la surface d’un lac en jetant une pierre dedans, pour créer un boson de Higgs. Et cela demande une telle énergie qu’il a fallu construire le plus grand collisionneur de particules à l’heure actuelle : le LHC au CERN. Mais voilà, ce n’est ni court, ni concret.

A noter que France 2 avait déjà fait quasiment le même sujet lors de l’annonce par le CERN de la découverte du boson de Higgs en juillet 2012 :

Loin de moi l’idée de jeter la pierre à David Lefort, qui fait avec les contraintes de la télé. Je doute qu’on puisse faire mieux dans de telles conditions. Je rêve simplement du jour où la science, y compris la plus fondamentale, ne sera plus un sujet tabou sur le petit écran. On parlera alors de la recherche comme elle se fait, avec ses avancées mais aussi ses atermoiements, ses échecs, comme on parle de culture à longueur d’émissions. Et non simplement par le prisme déformant des prix Nobel. Je sais, j’aime les utopies « abstraites ».

Dose # 2

paréidolie google faces

Le cocktail de la semaine : les visages de la Terre et de l’électron

Allongé dans un parc, vous avez surement déjà remarqué ce nuage ressemblant au visage d’un homme qui porte un chapeau. Ou encore celui qui imite une femme à la longue chevelure.  Oui ? Alors vous avez fait l’expérience de la paréidolie. C’est cette capacité à interpréter des objets ou des signaux visuels vagues comme des formes familières. Les exemples sont nombreux : une figure qui semble sculptée dans la roche, un visage détecté par  la sonde Viking à la surface de Mars, ou même la Vierge Marie qui apparaît sur un toast grillé, vendu à plusieurs milliers de dollars en 2004 ! Ce phénomène sert aussi aux tests de Rorschach, ces figures à l’encre utilisées pour les examens psychologiques. Pour  les sceptiques, il explique les mystérieuses apparitions d’ovni : le cerveau de certains prend des vessies pour des soucoupes.

Quoi qu’il en soit, la paréidolie est mise en jeu dans le projet Google Faces lancé par le studio de design Onformative. L’objectif : scanner les images de Google Earth grâce à un logiciel de reconnaissance faciale à la recherche de traits humains. La quête est toujours en cours, car la recherche est effectuée à chaque niveau de zoom, le nombre d’images à analyser augmente donc de façon impressionnante. Les responsables du projet affirment vouloir par ce biais tester la modélisation d’un comportement psychologique par une machine. Pour le coup, le but du studio de design n’est pas de faire avancer la science, mais utiliser la reconnaissance faciale pour détecter les visages cachés des reliefs terrestres est bien plus poétique (et inoffensif) que de l’utiliser pour pointer les salariés.  Quant à savoir pourquoi nous tendons à percevoir un peu partout des objets familiers, et particulièrement des visages humains, c’est une autre histoire. Il pourrait s’agir d’un avantage évolutif : l’être humain capable d’identifier au plus vite son semblable, et éventuellement lui attribuer un état mental (agressif, amical,…) aurait été plus prompt à se sortir d’un mauvais pas.  Mais la paréidolie est aussi très utile pour donner du sens collectivement. Entouré par un environnement hostile, l’être humain a pu rattacher les éléments extérieurs à des phénomènes familiers afin de rendre le monde intelligible.

S’il y a un monde qui résiste encore et toujours à l’intelligibilité, c’est bien l’univers quantique. Là, les images et les représentations font souvent cruellement défaut. Prenons l’atome de plus simple : l’hydrogène. Un électron qui tourne autour d’un noyau constitué d’un unique proton, vous voyez ? Et bien le problème, c’est qu’on n’y voit rien.

L’électron est souvent représenté comme une minuscule planète tournant autour du noyau. Mais la mécanique quantique affirme qu’on ne peut observer cette trajectoire…parce qu’elle n’existe pas. Il est impossible de mesurer avec précision à la fois la position et la vitesse d’un électron. Telle est la réalité de la jungle atomique. Dans ce monde, la description des objets se fait grâce à une « fonction d’onde », qui fournit les probabilités qu’on a de trouver l’électron à tel endroit autour du noyau. On donne souvent l’image de « nuage électronique » pour évoquer cette ubiquité de l’électron, simultanément présent à plusieurs endroits en puissance. Alors peut-on voir cette fonction d’onde ?

Malheureusement, la fonction d’onde est un objet fuyant et fragile : dès qu’on l’observe, elle s’effondre ! Le nuage de probabilité se dissipe et on obtient un résultat certain. Pour reconstruire la fonction d’onde, les physiciens  ont recours à des mesures répétées sur des systèmes identiques. L’équipe d’Aneta Stodolna, aux Pays-Bas, vient de proposer une méthode directe pour observer, en partie, la fonction d’onde de l’électron de l’atome d’hydrogène dans un état particulier. Ces états sont intéressants puisqu’ ils sont proches de ceux qui décriraient des orbites classiques, mais aussi parce qu’ils permettent justement de former une image directe des lieux où la probabilité de présence des électrons est la plus forte. Pour cela, les atomes sont ionisés. Comprenez : on arrache leur électron avec un champ électrique, créé pour l’occasion par un laser. Ces électrons libérés sont déviés par une lentille électrostatique (l’analogue d’une lentille, mais avec des électrons). Au bout du dispositif expérimental, les électrons interfèrent sur un détecteur (et oui, c’est une expérience quantique !). Ci-dessous, le résultat : une cartographie de l’atome d’hydrogène, où les points bleu clair sont ceux où la probabilité de trouver l’électron est la plus forte et les points bleu foncé ceux où la probabilité de trouver l’électron est la plus faible.  En une seule mesure, le visage aléatoire du quantique se dessine dans ce nuage de points. Après tout, la paréidolie ne joue peut-être pas que dans le ciel.

Observer les photons sans les détruire

Quantum 2010: Haroche

Serge Haroche (Photo credit: Giorgio Brida)

Les photons sont comme des coureurs de Marathon. Les particules de lumière parcourent l’espace pendant des milliers, voire des millions d’années depuis les étoiles. Puis les voilà qui percutent notre rétine et qui disparaissent. Pour donner naissance à un signal interpréter par notre cerveau. Une image. Le photon meurt alors en livrant son message. Pourtant ce sort n’est pas une fatalité. Les lois de la mécanique quantique autorisent en théorie une observation non destructrice des photons.  C’est une des choses qu’ont mis en pratique Serge Haroche et son équipe du laboratoire Kastler Brossel de l’Ecole normale supérieure.

Un photon piégé en cavité

  Il faut d’abord capturer un photon. Tache ardue car si le photon peut survivre presque éternellement quand il voyage à travers l’espace, dans une boîte il se cogne très rapidement aux parois dans lesquelles il est absorbé. Il faut donc le mettre entre deux miroirs contre lesquels il va rebondir : une cavité. L’équipe de Serge Haroche a utilisé pour cela du cuivre traité au niobium. Ce matériau est refroidi à environ -272 ° Celsius, c’est-à-dire 0,8 degré au-dessus du zéro absolu (brrr !). Dans ces conditions le niobium devient supraconducteur, ce qui signifie ici qu’il devient ultra-réfléchissant…aux micro-ondes.  Car un photon n’est pas forcément visible, c’est une particule du rayonnement électromagnétique qui va des ondes radio aux radiations nucléaires. Maintenant comment mettre un photon dans la cavité ? Deux solutions : soit on « branche » une source micro-onde (à peu près la même qui se trouve dans votre four) pendant un bref instant, et on obtient alors dans la cavité un petit champ électromagnétique contenant quelques photons. Soit on attend. Même à -272°C, la température est suffisante pour qu’un photon soit généré « thermiquement » de temps en temps au sein de la cavité. Le photon est ainsi « piégé ». Il peut rebondir environ 1,3 milliards de fois avant d’être absorbé par les miroirs. Cela ne lui prend que quelques millisecondes mais cela est suffisant pour qu’il parcoure une distance équivalente à la circonférence de la Terre ! Cela laisse également assez de temps aux expérimentateurs pour l’observer…

Des atomes pour témoigner

Seulement comment « voir » dans la cavité ? Si les chercheurs mettaient leurs yeux, ils ne verraient rien car il n’y a que très peu de photons, qui de plus sont à une longueur d’onde micro-onde donc  invisibles. Et surtout ils le détruiraient ! Même chose avec un autre appareil détecteur. Il faut donc agir indirectement. Les scientifiques vont alors utiliser des atomes de rubidium. Le rubidium est apprécié par les physiciens car on peut assez facilement le préparer dans un état d’énergie déterminé grâce à des faisceaux lasers. Les atomes sont ensuite envoyés un par un pour traverser la cavité perpendiculairement au trajet des photons. L’expérience est faite « hors résonance ». Cela veut dire que l’énergie des photons et l’énergie de transition des atomes sont légèrement décalées, ce qui rend impossible l’absorption d’un photon par un atome. Ainsi le nombre de photon n’est pas modifié par l’atome. Par contre l’interaction entre les photons et l’atome va subrepticement perturber ce dernier. L’atome va cependant poursuivre son chemin et être détecté  après la cavité. Par des mesures précises (et complexes) les chercheurs peuvent quantifier la perturbation subie par les atomes. Elle est proportionnelle au nombre de photons qui se trouvent dans la cavité.  Les atomes envoyés spéciaux ont fourni le message des photons sans les détruire.

Schéma simplifié du montage expérimental. Crédits : S. Gleyzes, …, M. Brune, J.-M. Raimond, S. Haroche, Nature 446, 297 (2007)

Mais…à quoi ça sert ?

L’équipe de Serge Haroche a réalisé bien d’autres expériences avec ce montage expérimental : des états intriqués, des états de type « chat de schrödinger » où l’atome se retrouve dans une superposition de deux états différents, étudier leur « décohérence » (c’est-à-dire essayer de comprendre pourquoi des trucs aussi bizarres n’existent pas à notre échelle), etc.  Bref, à la question « à quoi ça sert » il y a deux réponses possibles :

-celle du physicien : « parce que manipuler des systèmes quantiques individuels permet de réaliser les expériences de pensée que les pères de la mécanique quantique ne faisaient que dans leur tête. Et parce que cela permet de tester les principes fondamentaux de cette théorie ». On peut traduire plus simplement cette réponse par : « Parce que c’est trop kiffant quoi ! »

-celle politiquement (et journalistiquement) correcte : « parce que cela est une avancée vers l’ordinateur quantique, qui sera une machine surpuissante capable de réaliser des choses inédites ». On peut traduire cette réponse par : « Parce dans notre système capitaliste il faut bien vous vendre quelque chose afin d’avoir de l’argent pour mes recherches ».

Ces deux réponses sont légitimes et enthousiasmantes. L’ordinateur quantique est en effet une possibilité théorique. Beaucoup de progrès ont été fait dans ce sens et il mériterait un billet à lui tout seul.  En tous cas, selon le comité Nobel, Serge Haroche et David Wineland «  ont ouvert la voie a une nouvelle ère d’expérimentation de la physique quantique en faisant la démonstration de l’observation des particules quantiques individuelles sans les détruire».  Il ne faudrait pas oublier les générations de thésards et de post-doctorants qui se sont succédé dans ses équipes et qui travaillent dans l’ombre (l’expérience de Serge Haroche a débuté vers 1990).  Les marathoniens, ce sont aussi eux.

Pour en savoir plus, le site de l’équipe de Serge Haroche au laboratoire Kastler-Brossel: http://www.cqed.org

La dualité onde-corpuscule

Intéressons-nous aujourd’hui à une bizarrerie de la physique: la dualité onde-corpuscule (ou onde-particule). Ce terme légèrement ésotérique  désigne le fait que tous les objets (électrons, atomes, molécules, …) ont une double nature. Selon les circonstances, ils peuvent se comporter comme une onde ou comme une particule. Or la physique classique et notre intuition nous disent que ces deux concepts sont mutuellement exclusifs, c’est-à-dire qu’un objet qui a un caractère ondulatoire ne peut pas être un corpuscule.

Qu’est-ce qu’une onde ? Et un corpuscule ?

Ce sont deux concepts de la physique classique permettant de décrire des objets qui nous sont familiers. Un exemple typique d’un corpuscule est la balle de tennis.  On peut énumérer ses caractéristiques:

  1. Il a une position bien localisée et une extension finie dans l’espace
  2. Il se déplace selon une trajectoire continue
  3. C’est un objet dénombrable, séparable, autrement dit: « 1 corpuscule + 1 corpuscule= 2 corpuscules »

Par opposition, une bonne image d’une onde est celle des vagues que l’on peut créer à la surface de l’eau en tapotant son doigt à la surface. Voici ses caractéristiques:

  1. Elle n’a pas de position précise dans l’espace (elle est délocalisée)
  2. Elle ne se propage pas selon une trajectoire (regarder les anneaux qui s’agrandissent dans toutes les directions simultanément à la surface de l’eau.
  3. Ce n’est pas un objet dénombrable au sens où deux ondes qui se rencontrent se superposent pour former une seule onde. Autrement dit: « 1 onde +1 onde= 1 onde »

C’est au sujet de la description de la lumière que l’opposition entre ces deux concepts a été la plus forte. Pour voir cette différence de plus près, considérons la même expérience en utilisant tour à tour nos deux objets: les balles de tennis(corpuscules) et les vagues(ondes).

Prenons les balles de tennis. Regardez le schéma ci-dessous.

La source est une machine à lancer les balles de tennis. En face, on a disposé un mur percé d’une fente. Derrière ce mur, un écran. Les balles sont enduites de peinture de telle sorte que, si elles passent par la fente, elles viennent laisser une marque sur l’écran. Refaisons le même expérience avec deux fentes:

En regardant ce qu’on observe sur l’écran lors de ceux deux expériences, on retrouve les trois caractéristiques des corpuscules  énumérées plus haut:

  1. Chaque balle laisse une marque sur l’écran (position localisée)
  2. En regardant attentivement, on peut voir par quelle fente passe la balle avant de frapper l’écran (trajectoire)
  3. La figure obtenue sur l’écran avec deux fentes est la somme des figures que l’on obtiendrait en ouvrant chacune des fentes séparément ( « 1 corpuscule + 1 corpuscule= 2 corpuscules »)

Supposons que notre source envoie désormais des ondes:

Si on garde en tête l’analogie avec les vagues dur l’eau, une onde est une alternance de « creux » et de « bosses » qui se propage à partir de la source. On voit que la fente agit comme une source secondaire, comme un nouveau point de départ pour l’onde: c’est le phénomène de diffraction. Supposons que l’écran mesure l’intensité de l’onde lorsqu’elle le touche, alors on obtient une intensité maximale en vis-à-vis de la fente, qui décroît progressivement sur les côtés.

Maintenant, prenons deux fentes:

La figure que l’on obtient sur l’écran est une alternance de bandes noires et de bandes blanches. Lorsque l’onde traverse les deux fentes, chacune se comporte comme le point de départ d’une nouvelle onde. Ces deux ondes se rencontrent, se superposent. Lorsque deux « bosses » se superposent, l’intensité est maximale (bande noire). Lorsque ce sont deux « creux », l’intensité est minimale (bande blanche). C’est le phénomène d’interférence.

On retrouve les trois caractéristiques des ondes énumérées plus haut:

  1. elle laisse une marque sur tout l’écran et non en un point précis (délocalisée)
  2. Il n’y a pas de trajectoire: l’onde passe par les deux fentes en même temps
  3. La figure d’interférence que l’on observe avec deux fentes n’est pas la somme des figures observées avec chacune des fentes prise séparément. ( « 1 onde +1 onde= 1 onde »)

Bref, ce sont deux concepts bien distincts.

La lumière: onde ou corpuscule ?

Ce fut un grand débat à partir du XVIIème. Newton proposait une théorie corpusculaire de la lumière tandis que Huygens proposait une hypothèse ondulatoire. La notoriété de Newton fit que son point de vue fut dans un premier temps privilégié. Cependant, au début du XIXème siècle, un britannique du nom de Thomas Young fit l’expérience que nous avons décrite ci-dessus avec deux fentes et une source de lumière. Il constata que ses résultats plaidaient en faveur de l’hypothèse ondulatoire. Le savant français Augustin Fresnel développa le formalisme mathématique ondulatoire qui permit de décrire et de prédire beaucoup de phénomènes observés. Puis, à la fin du XIXème, Maxwell unifia la théorie ondulatoire de la lumière avec la théorie électromagnétique. L’histoire semblait alors terminée.

Imaginez alors la stupeur des physiciens en 1905 lorsqu’ Einstein proposa une sorte de retour à la théorie corpusculaire avec ses quanta de lumière. Cette théorie ne permettait pas de décrire les phénomènes d’interférences, si bien décrits par les ondes.  Ainsi lors de la conférence qu’il donna à la réception de son prix Nobel en 1922, Niels Bohr déclara: « En dépit de sa valeur heuristique, l’hypothèse des quanta de lumière, qui est absolument irréconciliable avec ce qu’on appelle les phénomènes d’interférence, ne peut nous éclairer sur la nature du rayonnement ».  Main en 1923, le physicien américain Compton découvre l’effet qui porte aujourd’hui son nom et qui apporte une sérieuse confirmation à la théorie corpusculaire. Comment réconcilier ces deux visions ?

Louis de Broglie et la dualité onde-corpuscule

En 1924, le français Louis de Broglie, issue d’une famille aristocratique, décide de prendre le problème à contrepied dans sa thèse de doctorat: si la lumière, que l’on croyait être une onde, se comporte aussi comme un corpuscule, pourquoi un électron, que l’on croyait être un corpuscule, ne se comporterait pas comme une onde ? Il établit des relations entre la vitesse d’un électron (caractéristique corpusculaire) et sa longueur d’onde (caractéristique ondulatoire) grâce à l’intermédiaire de la constante de Planck (le fameux h). Dubitatifs, les membres du jury de thèse de Louis de Broglie, dont Perrin et Langevin, demandent l’avis d’ Einstein. Celui-ci leur répond: « Il a soulevé un coin du grand voile ». Les expériences de Davisson et Germer, qui montrèrent la diffraction des électrons par un cristal en 1927, vinrent confirmer cette théorie. Si on reprend notre expérience avec deux fentes, mais en utilisant des électrons (ou des photons, ça marche aussi) voici ce qu’on observe:

Nous pouvons remarquer que les électrons laissent des marques individuelles sur l’écran, comme tout corpuscule, mais la figure produite est un motif d’interférence, comme le ferait une onde.

Là où plus personne ne comprend…

Cette expérience de physique quantique nous réserve encore d’autres surprises si on essaie de répondre à la question: Par quelle fente passe un électron individuel avant de frapper l’écran ? Mais je garde cela pour un prochain billet.

il faut être humble avec contradiction devant laquelle nous nous trouvons -à savoir que les concepts d’onde et de corpuscule, qui étaient mutuellement exclusifs en physique classique, semblent désormais inséparable-. Je vois trois points de vue que l’on peut adopter:

  • Soit on admet que nos concepts classiques ne sont pas adaptés pour décrire la réalité du monde microscopique. Alors la dualité onde-corpuscule est un problème de vocabulaire, de sémantique, où on utilise des mots en dehors des limites de leur signification. On pourrait trouver un nouveau mot prêtant moins à confusion pour ce concept « onde-particule ». Le mot « particule » devrait d’ailleurs être compris dans ce sens, mais beaucoup le confonde avec « corpuscule ». Ainsi Jean-Marc Levy-Leblond et Françoise Balibard ont proposé le mot « quanton ».
  • Soit on admet que les concepts d’onde et de corpuscule sont complémentaire et que leur utilisation ne dépend pas seulement de l’objet étudié mais aussi du contexte, du dispositif expérimental employé. On peut voir ceci par l’analogie avec l’image ci-dessous:

A la manière des concepts « onde » et « corpuscule », les concepts « disque » et « rectangle » sont opposés. Pourtant ils sont complémentaires pour décrire l’objet cylindre, et leur utilisation dépend du dispositif expérimental, à savoir la direction de l’éclairage utilisée. Selon ce point de vue, nous n’avons pas accès à la réalité de l’objet (ici le cylindre) mais seulement à certaines de ses caractéristique en fonction du contexte.

  • Soit on reste perplexe et agnostique devant ce phénomène.

Si vous avez d’autres solutions, n’hésitez pas !

Le principe d’indétermination de Heisenberg

Heisenberg

Heisenberg (Photo credit: proctoracademy)

Nous sommes début mars 1927 à l’institut de physique théorique de Copenhague, un des hauts-lieux de la physique quantique naissante avec Göttingen et Münich. La théorie quantique est en plein développement, mais n’est pas encore bien établie. Au cours des années 1924-1926, deux formulations, également efficace à reproduire les résultats expérimentaux, mais fondées sur deux approches a priori radicalement différentes ont été publiées. D’un côté la « mécanique ondulatoire » de l’autrichien Erwin Schrödinger, de l’autre la « mécanique matricielle » développée, entre autres, par un des jeunes prodiges de l’époque, Werner Heisenberg (26 ans en 1927). D’ailleurs retrouvons sans tarder notre envoyé spécial en direct du passé. Nous entendez-vous ?

-Oui tout à fait. Je me trouve actuellement devant le bâtiment de l’institut de physique théorique de Copenhague où Werner Heisenberg nous fait l’amabilité de bien vouloir répondre à nos questions.

-Werner Heisenberg: Mais à qui parlez-vous donc ?

-Euh, peu importe. Monsieur Heisenberg, merci pour cet instant, je sais que vous êtes un petit peu surmené en ce moment, à cause de l’article que vous comptez publier bientôt n’est-ce pas ?

-Werner Heisenberg: C’est exact. J’ai refusé récemment un poste de professeur à l’université de Leipzig pour travailler ici avec Niels Bohr. J’espère que cet article me confortera dans cette décision.

-Je vois. Il y a aussi cette rivalité avec Schrödinger et sa mécanique ondulatoire, sur le compte de laquelle vous ne mâchez pas vos mots.

-Werner Heisenberg: Peut-être, mais parlons plutôt du fond du problème.

-Bien entendu! Pour nos lecteurs, on pourrait reformuler la question qui vous préoccupe comme: « comment la physique quantique décrit-elle la trajectoire d’un électron ? ». Vous confirmez ?

-Werner Heisenberg: Oui, jusqu’à un certain point. Et puis vous avez dit « électron » mais cela concerne aussi les autres particules microscopiques, l’électron n’est qu’un cas particulier. Connaissez-vous les chambres de Wilson ? C’est une boîte aux parois transparentes, remplie d’une vapeur d’alcool en sursaturation, c’est-à-dire que la pression est telle que l’alcool devrait normalement être liquide, sauf que l’absence d’impureté dans la boîte fait que l’alcool reste à l’état de gaz. Cet état est instable et la moindre perturbation peut entraîner la transition vers l’état liquide. Par exemple, le passage d’un électron se matérialise par l’apparition de gouttes qui dessine ainsi une sorte de trajectoire. Or les équations de la mécanique quantique telle que nous la connaissons actuellement ne permettent pas d’expliquer suffisamment ce phénomène.

-Si je ne me trompe pas, en physique classique, on définit une « trajectoire « comme étant l’ensemble des points qu’occuper successivement un objet au cours du temps. Alors qu’en est-il du point de vue quantique ?

-Werner Heisenberg: Eh bien justement ! J’ai repensé à une discussion que j’ai eu récemment avec Albert Einstein et qui m’a beaucoup marqué…

– Ah oui! C’était le 28 avril 1926, vous en parlerez plus tard dans un de vos livre. Vous avez donné une conférence à Berlin ce jour là et Albert Einstein vous avez ensuite invité chez lui…

-Werner Heisenberg: Comment ? Je préfère ne pas savoir d’où vous sortez ça. Toujours est-il qu’au cours de cette conversation, Einstein a eu cette phrase:

C’est la théorie qui décide ce qu’on peut observer.

-Hum…en effet, c’est le genre de phrase qui donne à réfléchir. Qu’en avez-vous tiré ?

-Werner Heisenberg:Qu’il fallait reformuler la question. Au lieu de se demander « comment la physique quantique décrit-elle la trajectoire d’un électron ? » comme vous l’avez dit précédemment, et comme je le faisais moi-même auparavant, je me suis demandé: « La physique quantique permet-elle de déterminer la trajectoire de l’électron ? »

-Et ?

-Werner Heisenberg: En triturant les équations, j’ai trouvé qu’elle l’interdit ! On ne peut pas déterminer précisément à la fois la position et la vitesse d’un électron à un instant donné. Si vous mesurez l’une avec une très bonne précision, autrement dit avec une marge d’erreur ε très faible, alors la marge d’erreur sur l’autre grandeur sera supérieure à l’inverse de ε (ie un très grand nombre) multiplié par une constante. Et cette constante, je pense que vous la connaissez: c’est la constante de Planck !

-Le fameux quantum d’action ! Encore lui !

-Werner Heisenberg: Eh oui!

-Mais précisons tout de suite une chose pour nos lecteurs: cette imprécision, ces marges d’erreur dont nous parlons, ne sont pas dues à l’imprécision des appareils de mesures n’est-ce pas ?

-Werner Heisenberg: Non ! C’est intrinsèque au formalisme mathématiques de la mécanique quantique. Et j’insiste sur le fait qu’on puisse mesurer avec une précision aussi grande que l’on veut la vitesse d’un électron, au prix d’avoir une très grande incertitude sur sa position au même moment. Et vice-versa.

-Mais alors le nom que vous avez donné à cette propriété, le principe d’incertitude, est plutôt mal choisi, non ?

-Werner Heisenberg: Mais je n’y suis pour rien ! Il se peut que principe d’indétermination soit en effet plus approprié.

-Plus tard, on dira aussi « inégalités d’Heisenberg ».

-Werner Heisenberg: Personne ne peut lire dans l’avenir monsieur.

-Passons ce détail. On a quand même beaucoup de mal à se représenter votre principe. C’est très contre-intuitif.

-Werner Heisenberg: J’ai imaginé une expérience de pensée pour nous aider. Imaginez un microscope qu’on utiliserait pour observer un électron. Vous savez qu’on ne voit un objet que parce que nos yeux détectent de la lumière émise ou réfléchie par celui-ci. Il faut donc éclairer notre électron pour espérer le voir avec notre microscope. Pas avec de la lumière visible, parce que sa longueur d’onde est trop grande par rapport à la taille de l’électron, mais on pourrait utiliser du rayonnement gamma, dont la longueur d’onde est plus courte. La précision avec la quelle on peut mesure la position de l’électron dépend de cette longueur d’onde. Et aussi de la résolution du microscope.

-D’accord.

-Werner Heisenberg: Sauf que quand j’envoie de la lumière sur un électron, c’est comme si je le bombardais de photons. Et ça le perturbe !

-Et c’est typiquement quantique ?

-Werner Heisenberg: Disons que dans notre vie quotidienne, lorsque nous allumons la lumière de notre salle à manger et que nous voyons la table, nous la bombardons effectivement de photons. Mais la table est un objet macroscopique et à cette échelle, cette perturbation est indétectable. Mais c’est très différent pour un électron, qui est un objet minuscule.

-Comment donc va réagir l’électron ?

-Werner Heisenberg: Le photon va lui communiquer de l’énergie! Et donc sa vitesse va changer, et de façon imprévisible ! Commencez-vous à voir comment un compromis doit être trouvé si on veut mesurer à la fois la position et la vitesse de l’électron dans cette expérience ?

-Je crois: pour voir l’électron, il faut l’éclairer. Mais ce faisant, on lui communique de la vitesse, donc on a davantage d’incertitude sur la valeur de celle-ci. Mais on pourrait diminuer la quantité de lumière utilisée pour l’éclairage, non ?

-Werner Heisenberg: Absolument. Il y a deux façons de diminuer l’énergie de l’éclairage. On peut diminuer son intensité, mais il faut au minimum un photon pour voir l’électron. Et un photon peut suffire pour changer la vitesse d’un électron (c’est l’effet Compton). On peut aussi changer la longueur d’onde de cette lumière: un photon de grande longueur d’onde a moins d’énergie qu’un photon de courte longueur d’onde. Il perturbe donc moins la vitesse d’un électron. Sauf que plus la longueur d’onde est grande, plus la précision sur la mesure de la position de l’électron est faible. Ce que vous avez gagné sur la détermination de la vitesse, vous l’avez perdu sur la détermination de la position ! C’est un peu comme des vases communicants…

-Je vois. Tout est donc causé par ces perturbations qui interviennent dès qu’on observateur veut effectuer une mesure ?

-Werner Heisenberg: Non, ne croyez pas cela. L’expérience que je viens de décrire n’était qu’un exemple pour montrer la cohérence du principe d’indétermination, c’est comme si la Nature s’arrangeait pour nous le rappeler dès qu’on essaie de le contourner. Mais la raison de ce principe est plus profonde. Imaginez maintenant que nous prenions un grand nombre d’électrons et que nous les préparions tous dans un état identique. Faisons deux paquets. Sur le premier paquet, nous mesurons la position des électrons. Sur le deuxième, nous mesurons la vitesse. Chaque mesure de position aura une valeur bien déterminée, mais cette valeur sera différente selon les électrons: les valeurs de position sont statistiquement « dispersées » autour d’une position moyenne. En maths, on appelle « écart type » la grandeur qui mesure cette dispersion.

-Oui, la mécanique quantique est intrinsèquement probabiliste, mais je crois que cela pourrait être l’objet d’une discussion entière.

-Werner Heisenberg: Assurément. Mais je reviens à mon deuxième paquet d’électron. Effectuons une mesure de vitesse. Là aussi, les résultats varieront d’un électron à un autre autour d’une valeur moyenne. Notez bien que dans ce cas les particules dont la vitesse a été mesurée ne sont pas les mêmes que celles dont la position a été mesurée, néanmoins toutes les particules avaient été prises dans un état identique. Et bien mon principe d’indétermination s’applique toujours: si vous multipliez l’écart type des mesures de position par l’écart type des mesures de vitesse, vous obtiendrez toujours un résultat supérieur à la constante de Planck (multipliée par un facteur numérique, mais là on s’en fiche un peu).

-Très bien. Quand même pas sûr d’avoir tout compris.

-Werner Heisenberg: Ce n’est pas évident. Mais laissez-moi rajouter que la raison profonde de ce principe est la non-commutativité des opérateurs position et vitesse dans le formalisme mathématiques ! C’est un truc de fou !

-Euh,  et si vous le disiez en clair ?

-Werner Heisenberg: Et bien non-commutativité veut dire que l’ordre dans lequel on effectue les opérations est important. Ainsi mesurer la position puis la vitesse n’est pas la même chose que mesurer d’abord la vitesse puis la position.

-Hum. Donc si j’essaie de résumer, votre principe signifie qu’un compromis est imposé par la mécanique quantique lorsqu’on veut déterminer à la fois la position et la vitesse d’un électron, la détermination précise de l’un se faisant au détriment de celle de l’autre. Ceci a une origine dans le formalisme même de la mécanique quantique avec cette propriété de non-commutativité.

-Werner Heisenberg: Je suis d’accord.

-Mais M. Heisenberg, permettez-moi de vous posez une dernière question, qui est en fait identique à celle de départ: comment la physique quantique décrit-elle la trajectoire d’un électron ?

-Werner Heisenberg: Et bien qui dit décrire la trajectoire dit connaître la position et la vitesse à chaque instant. Je viens de vous expliquer que cela était interdit par le formalisme. D’après moi, cela remet en cause la pertinence même des notions de position et de vitesse au niveau quantique: elles n’ont, en elles-mêmes, aucune signification. Le concept de trajectoire est importé de la physique classique qu’il convient d’abandonner en physique quantique, sauf à vouloir continuer indéfiniment cette conversation. C’est un problème sémantique et , si vous me permettez une citation :

C’est le langage qui doit s’adapter aux faits et non l’inverse. Tenter d’accommoder l’interprétation d’un phénomène avec un langage déjà formé et rempli d’a priori ne peut mener qu’à des conclusions fausses sur la nature des choses.

Ludwig Wittgenstein

-J’en reste coi.

-Werner Heisenberg: Maintenant, je pense que je vais rentrer chez moi. J’ai un vrai mal de tête. En plus Niels Bohr rentre de ses vacances au ski demain, et je sens qu’il va avoir des remarques à faire sur mon article.

-Merci beaucoup M. Heisenberg pour votre patience. Pour ma part, j’ai aussi une sacrée migraine. Je vais aller me taper la tête contre un mur pour voir si ça passe. Quant à vous, chers lecteurs, vous pouvez vous découvrir si vous avez compris quelque chose à cette discussion en allant passer le test du geek.

Niels Bohr et l’atome

Niels Bohr. In 1922 the Nobel Prize in Physics...

Niels Bohr (Wikipedia)

Nous sommes à la fin du mois de septembre 1911. Une jeune physicien danois, Niels Bohr, part pour l’université de Cambridge avec en poche son doctorat de physique et… une bourse d’un an offerte par la brasserie Carlsberg ! Il compte travailler sous la direction de J.J. Thomson (« J.J. » pour les intimes), qui a découvert l’électron en 1897. Malheureusement,en partie à cause de ses lacunes en anglais, Niels Bohr ne réussit pas établir le rapport intellectuel souhaité avec le célèbre savant. C’est pourquoi il décide d’aller à Manchester en mars 1912 dans le laboratoire du physicien néo-zélandais Ernest Rutherford. Ce dernier a gagné le prix Nobel de chimie 1908 pour avoir découvert que la radioactivité est la transformation d’un élément en un autre. Sa personnalité forte et inspirée a largement contribué au succès de son laboratoire (11 de ses collaborateurs reçurent par la suite le prix Nobel). Séduit par ce personnage, Bohr s’attèle à la tâche avec comme sujet d’étude le modèle de l’atome. Si ce dernier concept est désormais accepté par la majorité des physiciens de l’époque, il  faut souligner qu’il n’en a pas toujours été ainsi…

Petite histoire de l’atome

Chez les Hellènes

Les quatre éléments et leurs caractéristiques selon Aristote

Au Ve siècle avant J.C., Leucippe de Milet et son disciple Démocrite formulent l’idée que la matière est constituée de petits grains indivisibles-atomes pour « insécable » en grec- qui sont en mouvement dans le vide et qui forment les corps en se heurtant. La masse d’un corps est selon eux d’autant plus grande que les atomes qui le constituent sont proches les uns des autres. Bien que cette pensée soit reprise par d’autres philosophes dont Epicure, elle ne fut pas la pensée dominante de la Grèce antique. Pour Aristote, qui reprend des idées d’Empédocle, la matière est continue et uniforme. Elle est constituée de 4 éléments (Terre, Air, Eau, Feu) et possède 4 caractéristiques fondamentales (froid, sec, chaud humide). En plus de pouvoir expliquer quelques phénomènes, cette théorie a l’avantage d’éliminer le problème du vide soulevé par les idées atomistes. Celles-ci furent donc laissées de côté et ne refirent surface que 2000 ans plus tard.

Dans la famille Dalton, voici John

John Dalton

John Dalton(1766-1844) (Wikipedia)

Après avoir étudié la déficience de la vision des couleurs, dont il souffrait lui-même et à laquelle il a donné le nom, John Dalton se consacre à la météorologie et à l’analyse des gaz.  En faisant des mesures en différents lieux, il remarque que la proportion d’oxygène, découvert quelques années plus tôt par Priestley et Lavoisier, reste constante. Pour l’expliquer, il forge une théorie atomique, dans laquelle tous les atomes d’un même élément sont identiques, mais où les atomes d’éléments différents diffèrent par leur poids. Ceci ouvre la voie aux futures classifications des éléments, comme celle que publiera Mendeleiev en 1869. Il postule aussi que des nombres entiers d’atomes de différents éléments doivent s’associer pour former de nouveaux composés. Malgré quelques ratés (comme la formule de l’eau qu’il écrit HO), ainsi qu’une grande controverse (l’hypothèse atomique aura beaucoup de mal à s’imposer), il est aujourd’hui considéré comme le fondateur de la théorie atomique moderne.

J.J. Thomson et le pudding aux électrons

Le pudding aux électrons de Thomson

A la fin du XIXème siècle, beaucoup de savants s’intéressaient aux rayons cathodiques. Prenez un tube en verre dans lequel vous insérez deux plaques métalliques  (des électrodes, que l’on appelle anode et cathode). Fermez le tube, faites le vide à l’intérieur et appliquez une différence de potentiel entre les électrodes. Les physiciens constataient que dans ces conditions, la cathode émettaient un rayonnement: les rayons cathodiques. Deux hypothèses s’affrontaient sur sa nature: ondulatoire ou corpusculaire. En mettant en valeur la déviation de ces rayons par un champ électrique, J.J. Thomson donne l’avantage à l’hypothèse de particules ayant une charge électrique négative. Il vient de découvrir l’électron (pour le dire vite). De plus il propose un nouvau modèle pour la matière: une sorte de pudding où les électrons sont confits dans une pâte positive, l’ensemble étant neutre.

La confirmation de l’hypothèse atomique

Exemple de trajectoire erratique caractéristique du mouvement brownien

Au début du XXième siècle, l’existence des atomes et des molécules est encore controversée. Certains physiciens ne les considèrent que comme une fiction commode pour expliquer certains phénomènes. Un élément va changer la donne. Plus de 70 ans auparavant, en 1827, le botaniste écossais Robert Brown examinait au microscope des particules contenu dans des grains de pollen en suspension dans l’eau et remarquait qu’elles étaient animées d’un mouvement erratique, incessant et spontané. La compréhension et la formalisation de ce « mouvement brownien » par Einstein en 1905 comme résultant d’un grand nombre de collisions entre molécules d’eau et particules de pollen et leur vérification expérimentale par Jean Perrin en  1908 achèvent de convaincre la communauté scientifique de la pertinence de l’hypothèse atomique.

Le mini système solaire de Rutherford

Déviation des particules alpha envoyées sur une feuille d’or

« C’est presque aussi incroyable que si vous aviez tiré un obus sur un morceau de papier de soie et qu’il était revenu vous frapper ! ». C’est ainsi que réagit Rutherford aux résultats des expériences menées dans son laboratoire par Geiger et Mardsen.  Ceux-ci envoyaient des particules alpha (qu’on appelle aujourd’hui noyaux d’ hélium) sur une mince feuille d’or puis les détectaient après la traversée. Ils s’attendaient à observer une légère déviation de ces particules après la feuille d’or. En effet d’après le modèle « pudding »de Thomson, les atomes de la feuille d’or ont des électrons chargés négativement qui sont intégrés dans une « pâte » chargées positivement. Ces atomes ont donc un champ électrique qui doit interagir avec la charge positive des particules alpha et expliquer ces légères déviations de trajectoire. Sauf que des déviations importantes sont aussi observées, une petite fraction des particules alpha rebroussent même chemin ! Le modèle de Thomson ne suffit plus à expliquer une telle répulsion. Rutherford suppose donc que l’existence d’un noyau atomique, d’un volume 100 000 fois plus petit que le volume total de l’atome, qui serait chargé positivement et concentrerait quasiment toute la masse de l’atome.  Les électrons tourneraient autour du noyau sur des orbites elliptiques à la manière des planètes autour du soleil. Sauf que, pour comparaison, si le noyau avait la taille du soleil, alors les électrons se situeraient environ 10 fois plus loin que l’orbite de Pluton et l’espace intermédiaire étant complètement vide. Ce modèle planétaire reproduit très bien les résultats des expériences de déviation des particules alpha. Cependant, plusieurs points restent obscurs.

Le spectre de raie et la stabilité des atomes

Spectres de raie de différents éléments

La lumière, quelle qu’elle soit, est émise par la matière. La lumière émise  par un élément chimique donné, en physique on dit « le spectre d’émission », est une caractéristique qui permet d’identifier cet élément.  Ainsi si on vaporise du sodium, on obtient une flamme jaune, une flamme rouge s’il s’agit de lithium, violette pour le potassium, etc…Mais le problème est un peu plus subtil que ça: un atome n’émet pas une seule lumière mais un ensemble de différentes couleurs, espacées en fréquences. Ce sont les raies. Mais la répartition de ces raies, la complexité de leur distribution, le fait qu’elles diffèrent pour chaque élément sont des faits inexplicables par la physique. En 1884, le suisse Johann Balmer a bien trouvé une formule mathématique qui décrit bien les relations entre les raies de l’hydrogène et prédit l’existence de nouvelles qui seront découvertes après lui, sauf que son origine demeure incomprise. De plus, le modèle de Rutherford, s’il est exact, prédit bien qu’un atome doit émettre de la lumière: l’électron tournant autour du noyau subit une accélération, or la théorie de l’électromagnétisme classique de Maxwell affirme qu’une particule chargée accélérée doit rayonner. Mais le spectre devrait être continu et non discret ! Et ce n’est pas fini: il y a en deuxième problème encore plus préoccupant. Si l’électron qui tourne autour du noyau émet de la lumière, c’est qu’il perd de l’énergie et donc qu’il doit se rapprocher du noyau pour finir par s’écraser sur lui. Autrement dit  ce modèle n’explique par pourquoi les atomes ne se sont pas encore désintégrés !

L’atome de Bohr

Représentation du modèle atomique de Bohr

Niels Bohr est conscient  ces problèmes montrent que la physique « classique » a atteint ses limites. Elle ne fixait aucune restriction à l’orbite des électrons autour du noyau, Bohr en donne une: les électrons ne peuvent se situer que sur certaines orbites où ils ne rayonnent pas d’énergie, les autres orbites étant interdites. Comment justifie-t-il cela ? Par les quanta ! Puisque Planck a introduit les quanta d’échange d’énergie, puisqu’ Einstein a introduit les quanta de lumière, Bohr décide quant à lui de quantifier (c’est à dire de discrétiser) une quantité que l’on appelle le moment cinétique de l’électron autour du noyau. Il explique ensuite le spectre de raies de l’atome d’hydrogène en affirmant que l’atome n’émet de la lumière que lorsqu’un électron « saute » d’une orbite autorisée sur une autre orbite plus basse. Apprenant que le modèle de Bohr venait de recevoir une confirmation par l’expérience, Einstein affirmera:  » Alors c’est l’une des plus grandes découvertes ». En effet, Niels Bohr obtiendra le prix Nobel de physique 1922, un an après Einstein.

Et le modèle de l’atome aujourd’hui ?

Bien qu’il représente une grande avancée, le modèle de Bohr ne tardera pas à montrer lui aussi ses limites, notamment dès qu’on étudie des atomes possédant plusieurs électrons. Une de ses insuffisances est qu’il est le résultat d’un mélange entre des concepts classiques (comme la trajectoire orbitale d’un électron) et quantiques (les fameux quanta). Au fur et à mesure du développement delà théorie quantique, les concepts classiques se révèleront inadaptés (la notion de « trajectoire d’un électron » deviendra …floue) et il sera de plus en plus difficile de schématiser un atome comme j’ai essayé de le faire avec les illustrations de ce billet. C’est un des aspects étranges de la physique quantique: d’un côté elle nous donne des équations dont l’efficacité n’a de cesse d’être prouvée, de l’autre elle nous empêche de fournir une visualisation juste de ce qu’est réellement un atome. Finalement, comme nous continuerons à le voir dans les prochains posts, la physique quantique est une entreprise iconoclaste vis-à-vis de nos intuitions et de nos représentations.

 

Peut-on rire de la physique quantique ?

Comme disait l’autre: « Oui, mais pas avec n’importe qui ». Mais faut-il vraiment être un(e) expert(e) pour en rire ?

Je vous propose de passer un test. Lisez l’histoire suivante:

Werner Heisenberg est en train de conduire sur l’autoroute. Soudain, une voiture de police arrive à sa hauteur. Les policiers lui ordonnent de s’arrêter et, ni une ni deux, l’embarquent pour l’interroger.

-Monsieur Heisenberg, lui dit alors un des policiers, vous savez vraiment à quelle vitesse vous roulez ?

-Pas du tout monsieur l’agent, répond Heisenberg, par contre je sais exactement où je suis !

Si vous avez ri, c’est que vous êtes un(e) geek. Bien sûr j’espère qu’en parcourant ce blog (cette page en particulier), tous le monde pourra comprendre la subtilité de cette histoire.

Sur le site xkcd, on peut trouver plusieurs comics:

-Dans le même style que la blague précédente:

-Au sujet de la téléportation quantique:

-Sur la transformée de fourier, très utilisée en physique quantique mais pas que:

Mais, pour répondre à ma première question, bien sûr qu’on a pas besoin d’être un geek pour rire de la physique quantique, la preuve avec Alexandre Astier et Muriel Bonnet: