De l'éternel déséquilibre

Si vous placez une bouteille de bière dans une grande baignoire remplie d'eau glacée, vous pourrez bient?t savourer une bière bien fra?che. Des physiciens ont découvert comment cela fonctionne il y a plus de cent ans déjà. Un échange de chaleur a lieu à travers la bouteille en verre jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint.

Il existe cependant d'autres systèmes, notamment quantiques, qui ne parviennent pas à trouver un équilibre. Ils ressemblent à une hypothétique bouteille de bière qui, dans l'eau glacée, ne se refroidit pas toujours et inévitablement à la température de l'eau du bain, mais atteint des états différents en fonction de sa propre température initiale. Jusqu'à présent, de tels systèmes ont laissé les physiciens perplexes. Mais Nicolò Defenu, post-doctorant à l'Institut de physique théorique, a désormais trouvé un moyen d'expliquer leur comportement de manière élégante.

Influence plus lointaine

Concrètement, il s'agit de systèmes dans lesquels les différents éléments constitutifs n'influencent pas seulement leurs voisins directs, mais aussi des objets plus éloignés. Une galaxie en serait un exemple : la force gravitationnelle de ses différentes étoiles et systèmes planétaires n'agit pas seulement sur les corps célestes voisins, mais aussi, même si elle s'affaiblit, bien au-delà, sur les autres composants de la galaxie.

L'approche de Defenu commence par simplifier le problème à un monde à une seule dimension. Dans celui-ci, il y a une seule particule quantique qui ne peut se trouver qu'à des endroits très précis le long d'une ligne. Ce monde ressemble à un jeu de société comme H?te-toi lentement, où un pion saute de case en case. Supposons qu'il y ait un dé de jeu dont toutes les faces sont marquées "un" ou "moins un" et que le joueur à qui appartient la figurine lance le dé à plusieurs reprises de suite. La figurine se déplace alors vers une case voisine, puis revient sur ses pas ou se déplace vers la case suivante. Et ainsi de suite.

La question est maintenant la suivante : que se passe-t-il si le joueur lance le dé indéfiniment ? S'il n'y a que quelques cases de jeu, le personnage passe de temps en temps à son point de départ. Il n'est toutefois pas possible de prédire exactement où elle se trouvera à un moment donné, car on ne conna?t pas les lancers.

Retour au champ de départ

De même, on ne sait jamais exactement où se trouve une particule soumise aux lois de la mécanique quantique. On peut toutefois indiquer sa position à l'aide de distributions de probabilité. Chaque distribution résulte d'une superposition différente des probabilités pour les différents lieux et correspond à un état d'énergie particulier de la particule. Il s'avère que le nombre d'états d'énergie stables correspond au nombre de degrés de liberté du système et donc exactement au nombre de lieux autorisés. Le point essentiel est que toutes les distributions de probabilité stables ne sont pas nulles au point de départ. Le pion revient donc à un moment donné sur sa case de départ.

Cependant, plus il y a de cases, moins le pion reviendra au point de départ, et s'il y a une infinité de cases possibles, il finira par ne plus revenir. Pour la particule quantique, il existe alors une infinité de possibilités de combiner les probabilités des différents lieux pour former des distributions. Ainsi, elle ne peut plus seulement prendre quelques états d'énergie discrets, mais tous les états possibles dans un spectre continu.

Jusqu'ici, tout cela est connu. Il existe toutefois des variantes de jeu ou des systèmes physiques dans lesquels le dé comporte également des chiffres plus grands que un et plus petits que moins un, ce qui signifie que les étapes autorisées par coup peuvent être plus grandes - pour être précis, même infiniment grandes. Cela change fondamentalement la situation, comme Nicolò Defenu a pu le montrer : Dans ces systèmes, le spectre d'énergie reste toujours discret, même avec un nombre infini de champs. Cela signifie que la particule reviendra toujours de temps en temps à son point de départ.

Phénomènes étranges

Cette théorie permet désormais d'expliquer ce qui a déjà été observé à de nombreuses reprises dans des expériences : les systèmes dans lesquels ont lieu des interactions de grande portée n'atteignent pas un équilibre stable, mais plut?t 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 des bras spiraux se développent au lieu de nuages uniformes. La densité d'étoiles est alors 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, c'est-à-dire des atomes chargés qui sont piégés dans des champs électriques. La construction d'ordinateurs quantiques avec de tels pièges à ions fait actuellement partie des plus grands projets de recherche au monde. Mais pour que ces ordinateurs atteignent effectivement de nouveaux horizons en termes de puissance de calcul, il faut un très grand nombre d'ions piégés simultanément - c'est précisément là que la nouvelle théorie devient intéressante. "Avec des systèmes comportant une centaine d'ions ou plus, on verrait des effets étranges que nous pouvons maintenant expliquer", estime le chercheur du groupe du professeur ETH Gian Michele Graf. Les collègues de la physique expérimentale se rapprochent chaque jour un peu plus de l'objectif de pouvoir réaliser de telles formations. Et lorsqu'ils seront prêts, il pourrait être intéressant pour eux d'aller boire une bière bien fra?che avec Nicolò Defenu.