Si vous êtes intéressé par les plus petites choses connues des scientifiques, il y a quelque chose que vous devriez savoir. Ils sont extraordinairement mal élevés. Mais c’est à prévoir. Leur maison est le monde quantique.

Ces morceaux de matière subatomiques ne suivent pas les mêmes règles que les objets que nous pouvons voir, sentir ou tenir. Ces entités sont fantomatiques et étranges. Parfois, ils se comportent comme des touffes de matière. Considérez-les comme des balles de baseball subatomiques. Ils peuvent également s’étaler comme des vagues, comme des ondulations sur un étang.,

bien qu’elles puissent être trouvées n’importe où, la certitude de trouver une de ces particules dans un endroit particulier est nulle. Les scientifiques peuvent prédire où ils pourraient être encore ils ne savent jamais où ils sont. (C’est différent de, disons, une base-ball. Si vous le laissez sous votre lit, vous savez qu’il est là et qu’il y restera jusqu’à ce que vous le déplaciez.,)

« l’essentiel est que le monde quantique ne fonctionne tout simplement pas comme le monde qui nous entoure”, explique David Lindley. ” Nous n’avons pas vraiment les concepts pour y faire face », dit-il. Formé en tant que physicien, Lindley écrit maintenant des livres sur la science (y compris la science quantique) de sa maison en Virginie.,

Voici un avant-goût de cette bizarrerie: si vous frappez une balle de baseball au-dessus d’un étang, elle navigue dans les airs pour atterrir sur l’autre rive. Si vous déposez une balle de baseball dans un étang, les vagues ondulent en cercles croissants. Ces vagues finissent par atteindre l’autre côté. Dans les deux cas, quelque chose voyage d’un endroit à un autre. Mais le baseball et les vagues se déplacent différemment. Une base-ball n’ondule pas et ne forme pas de pics et de vallées lorsqu’elle se déplace d’un endroit à l’autre. Les vagues ne.

mais dans les expériences, les particules du monde subatomique voyagent parfois comme des vagues. Et ils voyagent parfois comme des particules., Pourquoi les plus petites lois de la nature fonctionnent de cette façon n’est claire — pour personne.

considérez les photons. Ce sont les particules qui composent la lumière et le rayonnement. Ils sont minuscules paquets d’énergie. Il y a des siècles, les scientifiques croyaient que la lumière voyageait comme un flux de particules, comme un flux de petites boules brillantes. Puis, il y a 200 ans, des expériences ont démontré que la lumière pouvait voyager sous forme d’ondes. Cent ans après, de nouvelles expériences ont montré que la lumière pouvait parfois agir comme des ondes, et parfois comme des particules, appelées photons. Ces résultats ont causé beaucoup de confusion. Et les arguments. Et des maux de tête.,

d’Onde ou particule? Ni ou les deux? Certains scientifiques ont même proposé un compromis, en utilisant le mot « wavicle ». »La façon dont les scientifiques répondront à la question dépendra de la façon dont ils essaieront de mesurer les photons. Il est possible de mettre en place des expériences où les photons se comportent comme des particules, et d’autres où ils se comportent comme des ondes. Mais il est impossible de les mesurer en tant qu’ondes et particules en même temps.

C’est l’une des idées bizarres qui sort de la théorie quantique. Les Photons ne changent pas. Donc, la façon dont les scientifiques les étudient ne devrait pas avoir d’importance. Ils ne devraient pas seulement voir une particule quand ils cherchent des particules, et ne voir que des ondes quand ils cherchent des ondes.

« croyez-vous vraiment que la lune n’existe que lorsque vous regardez? »Albert Einstein a demandé célèbre. (Einstein, né en Allemagne, a joué un rôle important dans le développement de la théorie quantique.)

Il s’avère que ce problème ne se limite pas aux photons., Il s’étend aux électrons et aux protons et à d’autres particules aussi petites ou plus petites que les atomes. Chaque particule élémentaire a des propriétés à la fois d’une onde et d’une particule. Cette idée est appelée dualité onde-particule. C’est l’un des plus grands mystères de l’étude de la plus petite partie de l’univers. C’est le domaine connu sous le nom de physique quantique.

la physique quantique jouera un rôle important dans les technologies futures — dans les ordinateurs, par exemple. Les ordinateurs ordinaires exécutent des calculs en utilisant des milliards de commutateurs intégrés dans des puces électroniques. Ces commutateurs sont  » on  » ou  » off., »Un ordinateur quantique, cependant, utilise des atomes ou des particules subatomiques pour ses calculs. Parce qu’une telle particule peut être plus d’une chose en même temps — au moins jusqu’à ce qu’elle soit mesurée — elle peut être « activée” ou « désactivée” ou quelque part entre les deux. Cela signifie que les ordinateurs quantiques peuvent exécuter de nombreux calculs en même temps. Ils ont le potentiel d’être des milliers de fois plus rapides que les machines les plus rapides d’aujourd’hui.

IBM et Google, deux grandes entreprises technologiques, développent déjà des ordinateurs quantiques ultra-rapides. IBM permet même à des personnes extérieures à l’entreprise d’exécuter des expériences sur son ordinateur quantique.,

des expériences basées sur la connaissance quantique ont produit des résultats étonnants. Par exemple, en 2001, des physiciens de L’Université Harvard, à Cambridge, Massachusetts., a montré comment arrêter la lumière dans ses pistes. Et depuis le milieu des années 1990, les physiciens ont trouvé de nouveaux états de matière bizarres qui ont été prédits par la théorie quantique. L’un d’entre eux — appelé condensat de Bose-Einstein — ne se forme que près du zéro absolu. (Cela équivaut à -273.15 ° Celsius, ou -459.67° Fahrenheit.) Dans cet état, les atomes perdent leur individualité. Soudain, le groupe agit comme un grand méga-atome.,

La physique quantique n’est pas seulement une découverte cool et originale, cependant. C’est un ensemble de connaissances qui va changer de manière inattendue la façon dont nous voyons notre univers — et interagissons avec lui.

une recette quantique

la théorie quantique décrit le comportement des choses — particules ou énergie — à la plus petite échelle. En plus des ondulations, il prédit qu’une particule peut être trouvée dans de nombreux endroits en même temps. Ou il peut percer un tunnel à travers les murs. (Imaginez si vous pouviez le faire!) Si vous mesurez l’emplacement d’un photon, vous pourriez le trouver à un endroit — et vous pourriez le trouver ailleurs., Vous ne pouvez jamais savoir où il est.

aussi bizarre: grâce à la théorie quantique, les scientifiques ont montré comment des paires de particules peuvent être liées — même si elles se trouvent de différents côtés de la pièce ou de côtés opposés de l’univers. Les particules connectées de cette manière sont dites emmêlées. Jusqu’à présent, les scientifiques ont pu enchevêtrer des photons distants de 1 200 kilomètres (750 miles). Maintenant, ils veulent étirer la limite d’enchevêtrement éprouvée encore plus loin.

La théorie quantique fait vibrer les scientifiques — même si elle les frustre.

ça les fait vibrer parce que ça marche., Les expériences vérifient la précision des prédictions quantiques. Il a également été important pour la technologie depuis plus d’un siècle. Les ingénieurs ont utilisé leurs découvertes sur le comportement des photons pour construire des lasers. Et la connaissance du comportement quantique des électrons a conduit à l’invention des transistors. Cela a rendu possible les appareils modernes tels que les ordinateurs portables et les smartphones.

Mais lorsque les ingénieurs construisent ces appareils, ils le font en suivant des règles qu’ils ne comprennent pas complètement. La théorie quantique est comme une recette. Si vous avez les ingrédients et suivez les étapes, vous vous retrouvez avec un repas., Mais utiliser la théorie quantique pour construire une technologie, c’est comme suivre une recette sans savoir comment les aliments changent pendant la cuisson. Bien sûr, vous pouvez mettre ensemble un bon repas. Mais vous ne pouviez pas expliquer exactement ce qui est arrivé à tous les ingrédients pour rendre ce goût de nourriture si grand.

Les scientifiques utilisent ces idées « sans aucune idée de la raison pour laquelle ils devraient être là”, note le physicien Alessandro Fedrizzi. Il conçoit des expériences pour tester la théorie quantique à L’Université Heriot-Watt à Édimbourg, en Écosse. Il espère que ces expériences aideront les physiciens à comprendre pourquoi les particules agissent si étrangement sur les plus petites échelles.,

le chat va-t-il bien?

Si la théorie quantique vous semble étrange, ne vous inquiétez pas. Vous êtes en bonne compagnie. Même des physiciens célèbres se grattent la tête dessus.

rappelez-vous Einstein, le génie allemand? Il a aidé à décrire la théorie quantique., Et il disait souvent qu’il n’aimait pas ça. Il en a discuté avec d’autres scientifiques pendant des décennies.

« Si vous pouvez penser à la théorie quantique sans avoir le vertige, vous ne l’obtenez pas”, a écrit un jour le physicien danois Niels Bohr. Bohr était un autre pionnier dans le domaine. Il avait des arguments célèbres avec Einstein sur la façon de comprendre la théorie quantique. Bohr a été l’une des premières personnes à décrire les choses étranges qui sortent de la théorie quantique.

« je pense que je peux dire en toute sécurité que personne ne comprend le quantique”, a déclaré Un jour le physicien américain Richard Feynman., Et pourtant, son travail dans les années 1960 a aidé à montrer que les comportements quantiques ne sont pas de la science-fiction. Ils arrivent vraiment. Des expériences peuvent le démontrer.

La théorie quantique est une théorie, ce qui signifie dans ce cas qu’elle représente la meilleure idée des scientifiques sur le fonctionnement du monde subatomique. Ce n’est pas une intuition, ou une supposition. En fait, c’est basé sur de bonnes preuves. Les scientifiques étudient et utilisent la théorie quantique depuis un siècle. Pour aider à le décrire, ils utilisent parfois des expériences de pensée. (Une telle recherche est connue comme théorique.,)

en 1935, le physicien autrichien Erwin Schrödinger a décrit une telle expérience de pensée sur un chat. Tout d’abord, il a imaginé une boîte scellée avec un chat à l’intérieur. Il a imaginé la boîte contenait également un dispositif qui pourrait libérer un gaz toxique. S’il était libéré, ce gaz tuerait le chat. Et la probabilité que l’appareil ait libéré le gaz était de 50%. (C’est la même chose que la chance qu’une pièce retournée tournerait les têtes.)

pour vérifier l’état du chat, vous ouvrez la case.

Le Chat est vivant ou mort. Mais si les chats se comportaient comme des particules quantiques, l’histoire serait plus étrange. Un photon, par exemple, peut être une particule et une onde. De même, Le Chat de Schrödinger peut être vivant et mort en même temps dans cette expérience de pensée. Les physiciens appellent cela  » superposition.,” Ici, le chat ne sera pas l’un ou l’autre, morts ou vivants, jusqu’à ce que quelqu’un ouvre la boîte et jette un coup d’oeil. Le sort du chat, puis, dépendra de l’acte de faire l’expérience.

Schrödinger utilisé cette expérience de pensée pour illustrer un énorme problème. Pourquoi la façon dont le monde quantique se comporte devrait-elle dépendre du fait que quelqu’un regarde?

Bienvenue dans le multivers

Anthony Leggett réfléchit à ce problème depuis 50 ans. Il est physicien à L’Université de L’Illinois à Urbana-Champaign., En 2003, il a remporté le prix Nobel de physique, le prix le plus prestigieux dans son domaine. Leggett a aidé à développer des moyens de tester la théorie quantique. Il veut savoir pourquoi le plus petit monde ne correspond pas à l’ordinaire que nous voyons. Il aime appeler son travail  » construire le Chat de Schrödinger dans le laboratoire. »

Leggett voit deux façons d’expliquer le problème du chat. Une façon est de supposer que la théorie quantique finira par échouer dans certaines expériences. « Il se passera quelque chose qui n’est pas décrit dans les manuels standard”, dit-il. (Il n’a aucune idée de ce que quelque chose pourrait être.,)

L’autre possibilité, dit-il, est plus intéressant. Comme les scientifiques mènent des expériences quantiques sur de plus grands groupes de particules, la théorie tiendra. Et ces expériences dévoileront de nouveaux aspects de la théorie quantique. Les scientifiques apprendront comment leurs équations décrivent la réalité et pourront remplir les pièces manquantes. Finalement, ils seront en mesure de voir plus de l’ensemble de l’image.

en termes simples, Leggett espère: « des choses qui semblent fantastiques seront possibles. »

certains physiciens ont proposé des solutions encore plus sauvages au problème du” chat ». Par exemple: Peut-être que notre monde est l’un des nombreux. Il est possible qu’une infinité de mondes existent. Si c’est vrai, alors dans l’expérience de pensée, Le Chat de Schrödinger serait vivant dans la moitié des mondes — et mort dans le reste.

La théorie quantique décrit des particules comme ce chat., Ils peuvent être une chose ou une autre en même temps. Et cela devient plus étrange: la théorie quantique prédit également que les particules peuvent être trouvées à plus d’un endroit à la fois. Si l’idée de plusieurs mondes est vraie, alors une particule pourrait être à un endroit dans ce monde, et ailleurs dans d’autres mondes.

Ce matin, vous avez probablement choisi quelle chemise porter et quoi manger pour le petit déjeuner. Mais selon l’idée de nombreux mondes, il y a un autre monde où vous avez fait des choix différents.

Cette idée étrange s’appelle l’interprétation « multi-monde” de la mécanique quantique., C’est passionnant à penser, mais les physiciens n’ont pas trouvé de moyen de vérifier si c’est vrai.

Empêtré dans des particules

la théorie Quantique comprend d’autres idées fantastiques. Comme cet enchevêtrement. Les particules peuvent être enchevêtrées — ou connectées-même si elles sont séparées par la largeur de l’univers.

imaginez, par exemple, que vous et un ami aviez deux pièces avec une connexion apparemment magique. Si l’un montrait des têtes, l’autre serait toujours des queues. Vous prenez chacun vos pièces à la maison, puis les retourner en même temps., Si le vôtre monte en tête, alors au même moment, vous savez que la pièce de votre ami vient de monter en queue.

Les particules enchevêtrées fonctionnent comme ces pièces de monnaie. Dans le laboratoire, un physicien peut enchevêtrer deux photons, puis envoyer l’un des deux dans un laboratoire d’une ville différente. Si elle mesure quelque chose sur le photon dans son laboratoire — comme la vitesse à laquelle il se déplace — alors elle connaît immédiatement les mêmes informations sur l’autre photon. Les deux particules se comportent comme si elles envoyaient des signaux instantanément. Et cela tiendra même si ces particules sont maintenant séparées par des centaines de kilomètres.,

l’Histoire continue ci-dessous la vidéo.

comme dans d’autres parties de la théorie quantique, cette idée pose un gros problème., Si les choses enchevêtrées s’envoient des signaux instantanément, alors le message peut sembler voyager plus vite que la vitesse de la lumière-qui, bien sûr, est la limite de vitesse de l’univers! De sorte que ne peut pas se produire.

en juin, des scientifiques en Chine ont signalé un nouveau record d’enchevêtrement. Ils ont utilisé un satellite pour emmêler six millions de paires de photons. Le satellite a envoyé les photons au sol, envoyant un de chaque paire à l’un des deux laboratoires. Les laboratoires étaient distants de 1 200 kilomètres (750 miles). Et chaque paire de particules est restée empêtrée, ont montré les chercheurs., Quand ils ont mesuré l’un d’une paire, l’autre a été touché immédiatement. Ils ont publié ces résultats dans Science.

Les scientifiques et les ingénieurs travaillent maintenant sur des moyens d’utiliser l’enchevêtrement pour relier les particules sur des distances toujours plus longues. Mais les règles de la physique les empêchent toujours d’envoyer des signaux plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Pourquoi s’embêter?

Si vous demandez à un physicien ce qu’est vraiment une particule subatomique, « Je ne sais pas que quelqu’un peut vous donner une réponse”, dit Lindley.

beaucoup de physiciens se contentent de ne pas savoir., Ils travaillent avec la théorie quantique, même s’ils ne la comprennent pas. Ils suivent la recette, ne sachant jamais vraiment pourquoi cela fonctionne. Ils peuvent décider que si cela fonctionne, pourquoi s’embêter à aller plus loin?

D’autres, comme Fedrizzi et Leggett, veulent savoir pourquoi les particules sont si étranges. ” Il est beaucoup plus important pour moi de découvrir ce qui se cache derrière tout cela », dit Fedrizzi.

Il y a quarante ans, les scientifiques étaient sceptiques quant à la possibilité de faire de telles expériences, note Leggett. Beaucoup pensaient que poser des questions sur le sens de la théorie quantique était une perte de temps., Ils avaient même un refrain: « Tais – toi et calcule! »

Leggett compare cette situation passée à l’exploration des égouts. Entrer dans les tunnels d’égout peut être intéressant mais ne vaut pas la peine d’être visité plus d’une fois.

« Si vous deviez passer tout votre temps à fouiller dans les entrailles de la terre, les gens penseraient que vous étiez plutôt étrange”, dit-il. « Si vous passez tout votre temps sur les fondements du quantum , les gens penseront que vous êtes un peu bizarre.”

Maintenant, dit-il, « le pendule est allé dans l’autre sens. »Étudier la théorie quantique est redevenu respectable., En effet, pour beaucoup, il est devenu une quête de toute une vie pour comprendre les secrets du plus petit monde.

« Une fois que le sujet vous accroche, il ne vous laissera pas partir”, explique Lindley. Il a, par ailleurs, est accroché.