Dans le monde de la physique, la loi fondamentale connue sous le nom de « principe de moindre action » a été démontrée pour la première fois à l’aide d’objets quantiques, marquant une avancée significative dans notre compréhension de l’univers quantique. Cette loi, qui a été un pilier de la physique depuis le 18e siècle, a été observée directement dans le domaine quantique grâce à une expérience novatrice utilisant les particules de lumière, les photons. C’est un concept profond qui lie la physique classique et la physique quantique. Sa démonstration expérimentale est une réalisation majeure dans notre compréhension de la physique quantique.
Le principe de moindre action est une loi fondamentale de la physique qui stipule que la nature choisit toujours le chemin qui nécessite le moins d’énergie. En d’autres termes, pour tout système physique, l’action (une quantité qui combine l’énergie, le temps et l’espace) est minimisée.
Dans le monde quantique, les choses sont un peu plus compliquées en raison de la nature probabiliste de la mécanique quantique. Un photon unique n’a pas une seule trajectoire définie, mais plutôt une superposition de toutes les trajectoires possibles qu’il pourrait prendre. Chaque trajectoire possible a une certaine probabilité, et ces probabilités peuvent interférer les unes avec les autres de manière constructive ou destructive, en fonction de la phase quantique associée à chaque trajectoire.
Récemment, ce principe fondamental a été démontré par une équipe de chercheurs dirigée par Shi-Liang Zhu de la South China Normal University. L’équipe a utilisé des photons pour le tester à un niveau quantique, une première dans le domaine de la physique. Leur étude est publiée dans la revue Nature Photonics.
Les lois de la quantique et les photons
Il faut savoir que lorsqu’on applique le principe de moindre action à un photon unique, on calcule l’action pour toutes les trajectoires possibles. Dans leurs travaux, les auteurs de l’étude se sont basés sur une précédente avancée significative de 2011 pour mener à bien leur expérience.
Jeff Lundeen de l’Université d’Ottawa au Canada et ses collaborateurs ont développé une technique novatrice qui permet d’observer directement la fonction d’onde, une distribution complexe utilisée pour décrire complètement un système quantique. Cependant, elle est généralement introduite comme un élément abstrait de la théorie, sans définition explicite.
Dans cette étude, les chercheurs proposent une méthode pour mesurer directement la fonction d’onde en effectuant une séquence de deux mesures sur le système. La première mesure est effectuée de manière « douce » (c’est-à-dire une mesure faible) afin de ne pas invalider la seconde. Le résultat est que les composantes réelles et imaginaires de la fonction d’onde apparaissent directement sur l’appareil de mesure.
Cette technique a été démontrée en mesurant la fonction d’onde spatiale transversale d’un seul photon, traduisant ses nombres imaginaires en quantités mesurables, comme la polarisation de la lumière. Afin de tester le principe de moindre action à un niveau quantique, Zhu et ses collègues ont ainsi mis au point une expérience similaire, mais plus complexe, dans laquelle des photons uniques se déplaçaient dans un labyrinthe de minuscules miroirs, lentilles et cristaux, chacun manipulant leurs propriétés.
Ils ont construit ce labyrinthe de sorte qu’à sa sortie, les propriétés mesurables des photons correspondent à des parties imaginaires de leurs fonctions d’onde et de leurs propagateurs en plus des parties de l’état quantique qui peuvent habituellement être mesurées, s’agissant de nombres réels. Il faut savoir que les états quantiques et les fonctions d’onde changent lorsqu’ils interagissent avec n’importe quel appareil de mesure.
À partir de lectures de détecteurs et de caméras dans le laboratoire, qui ont mesuré la polarisation et la position de chaque photon, ils ont reconstruit leurs fonctions d’onde à différents points du labyrinthe et les propagateurs responsables des différences entre ces fonctions d’onde.
Ils ont étudié deux situations : l’une était l’équivalent quantique d’une balle roulant sur un sol plat sans frottement et l’autre d’une balle coincée au fond d’un bol rond. Les résultats ont confirmé que même à l’échelle quantique, la nature semble suivre le chemin de moindre résistance.
Unifier la physique fondamentale et la mécanique quantique
Ces résultats ont des implications profondes pour notre compréhension de l’univers quantique. Ils confirment que les lois de la physique que nous observons à l’échelle macroscopique s’appliquent également à l’échelle quantique, ce qui renforce notre confiance dans la validité de ces lois à travers toutes les échelles de l’univers.
Cependant, cette avancée ne signifie pas que nous avons résolu tous les mystères de l’univers quantique. Au contraire, elle ouvre la porte à de nouvelles questions et à de nouvelles voies de recherche. Comment d’autres lois fondamentales de la physique se comportent-elles à l’échelle quantique ? Y a-t-il des limites à l’applicabilité du principe de moindre action dans l’univers quantique ?
Cette recherche n’est qu’une étape importante pour comprendre l’univers à son niveau le plus fondamental. Elle démontre que, malgré les comportements atypiques des particules, l’univers quantique se rapproche de l’univers que nous connaissons et comprenons.
