Sur l'éternel déséquilibre

Si vous mettez une bouteille de bière dans une grande baignoire remplie d'eau glacée, vous ne tarderez pas à déguster une bière bien fraîche. Les physiciennes et physiciens ont découvert comment cela fonctionne il y a plus de cent ans. L'échange de chaleur se fait à travers la bouteille en verre jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint.

Cependant, il existe d'autres systèmes, notamment les systèmes quantiques, qui ne trouvent pas l'équilibre. Ils ressemblent à une hypothétique bouteille de bière dans un bain d'eau glacée qui ne se refroidit pas toujours à la température de l'eau du bain, mais qui atteint différents états en fonction de sa propre température initiale. Jusqu'à présent, de tels systèmes ont laissé les scientifiques perplexes. Mais Nicolò Defenu, post-doctorant à l'Institut de physique théorique de l'ETH Zurich, a trouvé un moyen d'expliquer élégamment ce comportement.

Une influence plus lointaine

Plus précisément, nous parlons de systèmes dans lesquels les différents éléments constitutifs influencent non seulement leurs voisins immédiats, mais aussi des objets plus éloignés. Un bon exemple serait une galaxie: la force gravitationnelle de leurs étoiles individuelles et des systèmes planétaires agit non seulement sur les corps célestes voisins, mais bien au-delà – quoique toujours plus faiblement – sur les autres composants de la galaxie.

L'approche de Defenu commence par simplifier le problème en le ramenant à un monde à une seule dimension. Dans ce monde, il existe une seule particule quantique qui ne peut résider qu'à des endroits très précis le long d'une ligne. Ce monde ressemble à un jeu de société comme Ludo, où un petit jeton saute de case en case. Supposons qu'il existe un dé de jeu dont toutes les faces sont marquées «un» ou «moins un», et supposons que la ou le joueur dont c'est le jeton lance le dé encore et encore, successivement. Le jeton va sauter sur une case voisine, et de là, il va soit revenir, soit passer à la case suivante. Et ainsi de suite.

La question est la suivante: que se passe-t-il si le joueur lance le dé un nombre infini de fois ? S'il n'y a que quelques cases dans le jeu, le jeton reviendra de temps en temps à son point de départ. Cependant, il est impossible de prédire exactement où il se trouvera à un moment donné, car les lancers du dé sont inconnus.

Retour à la case départ

Il en va de même pour les particules soumises aux lois de la mécanique quantique: il est impossible de savoir exactement où elles se trouvent à un moment donné. Cependant, il est possible d'établir leur localisation à l'aide de distributions de probabilité. Chaque distribution résulte d'une superposition différente des probabilités pour les emplacements individuels et correspond à un état énergétique particulier de la particule. Il s'avère que le nombre d'états d'énergie stables coïncide avec le nombre de degrés de liberté du système et correspond donc exactement au nombre d'emplacements autorisés. Le point important est que toutes les distributions de probabilité stables sont non nulles au point de départ. Ainsi, à un moment donné, le jeton revient à sa case de départ.

Plus le nombre de cases est élevé, moins le jeton reviendra souvent à son point de départ; finalement, avec un nombre infini de cases possibles, il ne reviendra jamais. Pour la particule quantique, cela signifie qu'il existe un nombre infini de façons de combiner les probabilités des emplacements individuels pour former des distributions. Ainsi, elle ne peut plus occuper seulement certains états d'énergie discrets, mais tous les états possibles dans un spectre continu.

Rien de tout cela n'est nouveau. Il existe cependant des variantes du jeu ou des systèmes physiques dans lesquels le dé peut également contenir des nombres supérieurs à un et inférieurs à moins un, c'est-à-dire que les pas autorisés par coup peuvent être plus grands – pour être précis, même infiniment grands. Cela change fondamentalement la situation, comme Defenu a maintenant pu le montrer: dans ces systèmes, le spectre énergétique reste toujours discret, même lorsqu'il y a des carrés infinis. Cela signifie que, de temps à autre, la particule reviendra à son point de départ.

Phénomènes particuliers

Cette nouvelle théorie explique ce que les scientifiques ont déjà observé à de nombreuses reprises dans des expériences: les systèmes dans lesquels se produisent des interactions à longue portée n'atteignent pas un équilibre stable, mais plutôt un état méta-stable dans lequel ils reviennent toujours à leur position initiale. Dans le cas des galaxies, c'est l'une des raisons pour lesquelles elles développent des bras en spirale au lieu d'être des nuages uniformes. La densité d'étoiles est plus élevée à l'intérieur de ces bras qu'à l'extérieur.

Un exemple de systèmes quantiques pouvant être décrits avec la théorie de Defenu est celui des ions, qui sont des atomes chargés piégés dans des champs électriques. L'utilisation de tels pièges à ions pour construire des ordinateurs quantiques est actuellement l'un des plus grands projets de recherche au monde. Cependant, pour que ces ordinateurs puissent réellement apporter un changement radical en termes de puissance de calcul, il leur faudra un très grand nombre d'ions piégés simultanément – et c'est exactement à ce moment-là que la nouvelle théorie devient intéressante. «Dans les systèmes comportant une centaine d'ions ou plus, on observe des effets particuliers que nous pouvons maintenant expliquer», explique Nicolò Defenu, qui est membre du groupe du professeur Gian Michele Graf de l'ETH Zurich. Ses collègues de la physique expérimentale se rapprochent chaque jour un peu plus de l'objectif de pouvoir réaliser de telles formations. Et une fois qu'ils y seront parvenus, cela vaudra peut-être la peine de prendre une bière fraîche avec Defenu.