Un physicien de l’UW prépare une visite sans mathématiques de la mécanique quantique et de la technologie

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8 février 2021

Tôt dans la vie, nous commençons à apprendre les règles de ce monde. Nous mémorisons des leçons simples – comme «ce qui monte, doit redescendre» – qui nous aident à commencer à donner un sens à notre monde. Avec le temps, on n’est plus surpris que la pluie soit humide, que la nourriture puisse se gâter ou que le soleil se lève à l’est et se couche à l’ouest.

Mais il y a plus d’un siècle, les scientifiques ont commencé à apprendre que toutes ces règles, modèles et leçons reposent sur une base qui, pour nous, peut sembler remplie de contradictions, de confusion et de hasard. Ce fondement est la mécanique quantique. Il décrit comment tout le matériel de l’univers, des étoiles et des galaxies aux brins d’herbe et aux gaufres belges, se comporte au niveau subatomique.

À cette échelle, la matière a ses propres règles, qui sont si complexes qu’elles peuvent sembler séparées de la réalité plus large que nous vivons. Par exemple, les particules peuvent agir comme des ondes. Cette déconnexion potentielle, entre la façon dont nous expérimentons la matière à une échelle humaine volumineuse et la façon dont la matière se comporte à une échelle minuscule et subatomique, a gardé la mécanique quantique hors de la vue du public. Cela doit changer, soutient Miguel Morales, professeur de physique à l’Université de Washington, car nous sommes entrés dans une ère où la mécanique quantique joue un rôle de plus en plus important dans nos vies.

Morales est l’auteur d’une série en sept parties pour Ars Technica sur la mécanique quantique destinée au grand public. Un article de la série sort chaque semaine du 10 janvier au 21 février. Morales s’est entretenu avec UW News pour parler de la série, de la mécanique quantique et de ce qu’il espère que le public pourra apprendre sur ce domaine apparemment étrange et peut-être intimidant de science.

Parmi tous les sujets possibles, pourquoi avez-vous voulu rédiger une série d’articles sur la mécanique quantique pour un grand public?

MM: Je crois qu’il est important pour notre société de posséder des connaissances technologiques, que nous ayons une certaine connaissance commune de la technologie qui joue un rôle si vital dans nos vies. Et c’est ce que nous avons vu dans l’histoire. Il y a cent ans, l’électronique était à la fine pointe de la science. C’est ce domaine incroyablement spécialisé que seule une poignée d’experts a compris. Maintenant, nous avons des départements universitaires qui se consacrent à son enseignement tandis que les élèves du collège câblent des circuits.

Notre connaissance de la mécanique quantique doit évoluer de la même manière, car elle commence à envahir nos vies et cette tendance ne fera que croître avec le temps. La mécanique quantique doit quitter le bâtiment de la physique et commencer à être comprise plus largement, car sinon le public va simplement lever la main et dire que les machines de nos vies sont magiques. Ce n’est pas magique. Il y a une vraie science derrière cela, et elle peut être rendue accessible à un public général. La série d’articles est ma tentative d’aller dans cette direction.

Comment la mécanique quantique joue-t-elle un plus grand rôle dans nos vies?

MM: Il existe de nombreux exemples. Un appareil IRM dans un hôpital est un appareil entièrement quantique. Il possède des aimants supraconducteurs qui polarisent tous les protons dans les atomes d’hydrogène pour aider à générer les images détaillées et informatives que votre médecin peut utiliser. Cette idée de polariser une particule comme un proton vient directement de la mécanique quantique. Le disque dur de votre bureau ne fonctionne pas sans la mécanique quantique. Vous pouvez maintenant acheter un téléviseur contenant des points quantiques. Et il y a d’autres exemples qui arrivent, probablement plus rapidement que nous ne le pensons – comme l’informatique quantique et la cryptographie quantique.

Qu’est-ce qui fait de la mécanique quantique un obstacle pour les personnes qui ne sont pas des experts dans ce domaine?

MM: C’est probablement le calcul, pour être franc. De nombreuses mathématiques complexes sous-tendent les principes de la mécanique quantique. Les étudiants en physique sont introduits à ce domaine en grande partie à travers une lentille mathématique, ce qui est formidable – ils ont besoin de cette perspective. Mais, je dirais qu’un non-expert ne le fait pas. Et c’est ce que j’essaye de faire dans cette série d’articles. J’abandonne entièrement les mathématiques.

Alors, comment parler de mécanique quantique sans utiliser les mathématiques?

MM: Je pense qu’en tant que domaine, nous essayons toujours de comprendre comment! Pour chacun de ces articles, ma démarche a été de me concentrer sur un thème alors que nous nous lançons dans cette promenade à travers les bois de la mécanique quantique. À chaque visite, j’utilise des exemples concrets pour illustrer un effet de mécanique quantique – et donner un modèle précis, sans mathématiques, de ce qui se passe. Je n’essaye pas de me concentrer sur le «mystère» de la mécanique quantique. J’essaie d’illustrer par l’exemple, en utilisant des choses que nous rencontrons dans le monde et qui sont également étayées par des milliers d’expériences en laboratoire. Puis à la fin de chaque visite nous revenons au centre d’accueil et parlons d’applications qui commencent à apparaître dans nos vies.

Quels sont certains de ces concepts de la mécanique quantique dont vous parlez dans la série?

MM: Nous commençons par « Les particules se déplacent comme des vagues mais frappent comme des particules. » Cela signifie que lorsqu’une particule est en mouvement, elle se déplace comme une vague. Mais quand il frappe quelque chose, comme un détecteur, il apparaît comme un point. Cela est vrai de toutes les particules, tout le temps. Les neutrons, qui sont constitués de trois quarks, font cela. Il en va de même pour les molécules constituées de centaines de particules composites. C’est un fondement de la mécanique quantique. Si vous enseignez à un physicien, vous passerez par les étapes mathématiques qui prouvent ce concept. Mais sans les mathématiques, vous pouvez utiliser une image mentale comme ce que je viens de décrire: se déplacer comme une vague et frapper comme une particule.

Un autre concept dans lequel j’entre est qu’une particule a une gamme de «couleurs», ou d’énergie, et cela est étroitement lié à la taille d’une particule. Si vous prenez des photons et les insérez au hasard dans un câble à fibre optique, lorsque nous les voyons à l’autre bout, nous voyons qu’ils se sont «tenus la main» en cours de route. Toutes les particules peuvent être classées comme «introvertis», comme les photons qui se regroupent, ou «extravertis», comme les électrons qui s’évitent les uns les autres. La taille d’une onde de particule en mouvement peut alors être étendue pour comprendre les télescopes interférométriques qui traversent la Terre.

Ce sont un certain nombre de concepts qui ne sont pas beaucoup discutés dans les médias populaires, et j’essaie de les approfondir ici, car ces principes joueront un rôle dans les technologies quantiques du futur.

Quelles sont certaines de ces technologies?

MM: Trop de noms! Notre connaissance de la mécanique quantique et les progrès des méthodes de fabrication nous permettent de fabriquer des dispositifs avec des propriétés inconnues dans la nature, mais basées sur des concepts de mécanique quantique. C’est vraiment révolutionnaire. C’est presque comme si nous avions découvert une nouvelle superpuissance. L’électronique quantique en est un exemple. Ce champ utilise les propriétés ondulatoires des particules et a révolutionné nos observations du fond cosmique des micro-ondes et de l’univers primitif.

Les horloges optiques sortiront probablement bientôt du laboratoire et offriront un niveau de précision inégalé en matière de chronométrage. Un niveau de précision antérieur – celui des horloges atomiques – nous a donné le GPS. C’est pourquoi le smartphone dans votre poche sait où il se trouve. Je m’attends à ce que ces technologies basées sur les quantiques provoquent leurs propres révolutions dans la façon dont nous vivons nos vies.

Et cela pour moi, c’est pourquoi je pense qu’il est si important pour nous d’essayer de nous familiariser avec la mécanique quantique. J’espère que cette série peut être une chance pour les gens d’explorer, même pendant la pandémie, et de prendre quelque chose de nouveau dans un format qui, espérons-le, est amusant et accessible.

Pour plus d’informations, contactez Morales à miguelfm@uw.edu.

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