L’étrangeté de la mécanique quantique a été testée pour la première fois au-delà de l’échelle des particules. Une variation d’une expérience de physique quantique a permis à des scientifiques d’observer avec précision et pour la toute première fois, le comportement onde-corpuscule des molécules.
Les résultats de l’expérience sont conformes à ce que la théorie couvrant les phénomènes quantiques complexes prédit, et comme dans la plupart des expériences quantiques de ce type, constater les implications d’une telle théorie est tout simplement impressionnant.
Des scientifiques des Universités de Vienne en Autriche et de Tel Aviv en Israël, se sont associés pour effectuer une variante de l’expérience classique de Clinton Davisson et de Lester Germer datant de 1927, nommée « expérience de Davisson-Germer ». En physique quantique, cette expérience a fourni la preuve qui a confirmé l’hypothèse de De Broglie, qui postule que les particules (comme les électrons), peuvent également se comporter comme des ondes (dualité onde-corpuscule).
Pour leur expérience, les scientifiques ont alors décidé de remplacer les minuscules particules (utilisées dans l’expérience d’origine en 1927), par des molécules plus grandes et organiques, dans le but de tester les limites des lois régissant leur comportement. « Cette idée est connue depuis plus de vingt ans », explique le chercheur Christian Brand du Vienna Center for Quantum Science and Technology, à l’Université de Vienne. « Mais ce n’est que maintenant que nous avons les moyens technologiques de réunir tous les composants et de créer une expérience capable de tester l’idée avec des molécules massives », ajoute-t-il.
Afin d’en comprendre pleinement la signification, il faut se pencher sur le premier quart du 20è siècle, lorsque les scientifiques luttaient avec ce qui semblait être deux univers complètement différents concernant les lois physiques. D’un côté, il y avait l’univers de Newton, où la chute des pommes et des météores se comportait de manière similaire (seulement à différentes échelles).
Et de l’autre côté il y avait Albert Einstein, qui suggérait que les formules inventées pour expliquer comment la lumière était absorbée et émise, n’étaient pas seulement un moyen pratique d’utiliser les nombres : mais que la lumière, était réellement composée d’éléments discrets appelés « quantas ».
Et comme l’idée que la lumière était en fait composée de ces minuscules éléments n’était pas suffisante, Prince Louis de Broglie, un physicien français, a décidé que l’une des manières pour démontrer la véracité des derniers modèles concernant les atomes, serait de décrire les électrons également comme des ondes.
Par la suite, d’autres physiciens célèbres comme Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger, ont trouvé différentes manières de prédire comment la structure d’un atome devrait se comporter. Tandis que l’un imaginait les électrons en tant qu’ondes continues, l’autre imaginait des éléments discrets. Mais le plus surprenant, est que les deux théories tenaient la route… Mais, comment est-ce qu’une chose pourrait être une onde et une particule de manière simultanée, n’est-ce pas ?
Les physiciens américains Clinton Davisson et Lester Germer se sont alors inspirés d’une expérience encore plus ancienne, qui avait démontré que la lumière était une onde. Leur version de l’expérience a montré qu’un faisceau d’électrons traversant une paire de fentes parallèles et étroitement alignées, pourrait produire un modèle d’onde similaire à celui de la lumière, appuyant de ce fait l’hypothèse de De Broglie. En physique, cette hypothèse est l’affirmation que toute matière est dotée d’une onde associée (qui donne alors lieu à la dualité onde-corpuscule).
Mais depuis lors, plusieurs variantes de l’expérience à double fente ont été menées, démontrant que de petits objets tels que les électrons et les photons, peuvent effectivement se comporter à la fois comme des particules et des ondes, selon la manière dont nous les mesurons. De plus, cela ne concerne pas uniquement les éléments minuscules. En 2012, un nouveau record a été établi, et ce dernier a démontré qu’une molécule (faisant la taille d’environ 800 atomes), possède également des propriétés ondulatoires.
Cette dernière expérience en date n’a quant à elle pas battu de records, mais les chercheurs ont également utilisé des particules massives (pesant l’équivalent de 515 unités de masse atomique, ou environ 42 atomes de carbone). Ce qui n’est finalement pas si petit, et loin d’être facile à gérer. L’objectif des chercheurs était de réussir à mettre des limites sur la nature ondulatoire d’éléments plus grands, tels que des molécules, en les faisant passer par plusieurs fentes.
Il serait facile d’imaginer ces ondes comme des amas de sphères sautillant de haut en bas. Mais en réalité, un objet tel qu’un électron, un photon, une molécule, ou simplement une personne dans sa totalité, peut être imaginée comme un mélange de propriétés en superposition, qui possède différents états et ce, en même temps.
Les probabilités de ces états, chacune décrivant leur position et leur énergie dans le temps et dans l’espace, est ce que nous appelons les ondes. Concernant les plus petites particules, cette probabilité peut être déduite des mesures reliées à ce que l’on appelle la règle de Born, qui interprète les coefficients linéaires du principe de superposition.
Des systèmes plus complexes, tels que les molécules, exigent une extension plus complexe de la formule. Il y a un peu plus de 20 ans, un physicien nommé Rafael Sorkin a déterminé qu’il ne suffisait que des mesures de deux chemins distincts (comme ceux qui sont pris par la lumière dans des fentes doubles), afin que certaines extensions de la règle de Born fonctionnent toujours. Le fait d’ajouter un troisième, un quatrième, ou même un centième chemin, ne devrait pas faire de différence.
Grâce aux résultats de cette expérience récente, nous avons la confirmation que la limite des « deux voies » est de rigueur pour les particules de taille moléculaire. « Il s’agit de la première fois qu’un test explicite de ce genre a été mené avec des particules massives », explique le chercheur Joseph Cotter, de l’Université de Vienne en Autriche. « Des essais précédents ont repoussé les frontières en utilisant des photons simples et des micro-ondes. Dans notre expérience, nous avons imposé des limites à l’interférence des objets massifs d’un ordre supérieur », a-t-il ajouté.
Cette expérience met en évidence une fois de plus l’étrangeté du monde de la mécanique quantique, où il est possible pour un élément d’être simultanément une particule et une onde, et que ce n’est pas uniquement possible pour des éléments extrêmement petits.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]