La récurrence peut être démontrée avec des balles dans une boîte :lorsqu'elles démarrent dans un état ordonné, ils deviendront plus désordonnés. Mais à un moment donné, ils reviendront à l'état initial - cela peut prendre un certain temps. Crédit :TU Vienne
C'est l'un des résultats les plus étonnants de la physique :lorsqu'un système complexe est laissé seul, il reviendra à son état initial avec une précision presque parfaite. Particules de gaz, par exemple, tourbillonnant chaotiquement dans un conteneur, reviendront presque exactement à leur position de départ après un certain temps. Le théorème de récurrence de Poincaré est le fondement de la théorie moderne du chaos. Depuis des décennies, les scientifiques ont étudié comment ce théorème peut être appliqué au monde de la physique quantique. Maintenant, des chercheurs de la TU Wien (Vienne) ont démontré avec succès une sorte de récurrence de Poincaré dans un système quantique multiparticulaire. Les résultats ont été publiés dans la revue Science .
A la fin du 19ème siècle, le scientifique français Henri Poincaré a étudié des systèmes qui ne peuvent pas être entièrement analysés avec une précision parfaite, par exemple, systèmes solaires constitués de nombreuses planètes et astéroïdes, ou des particules de gaz qui ne cessent de se heurter. Son résultat surprenant :chaque état physiquement possible sera occupé par le système à un moment donné, du moins à un très bon degré d'approximation. Si nous attendons juste assez longtemps, à un moment donné, toutes les planètes formeront une ligne droite, juste par coïncidence. Les particules de gaz dans une boîte créeront des motifs intéressants, ou revenir à l'état dans lequel ils se trouvaient au début de l'expérience.
Un théorème similaire peut être démontré pour les systèmes quantiques. Là, cependant, des règles complètement différentes s'appliquent :« En physique quantique, nous devons trouver une toute nouvelle façon de résoudre ce problème, " déclare le professeur Jörg Schmiedmayer de l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. "Pour des raisons très fondamentales, l'état d'un grand système quantique, constitué de plusieurs particules, ne peut jamais être parfaitement mesuré. Mis à part cela, les particules ne peuvent pas être vues comme des objets indépendants, nous devons tenir compte du fait qu'ils sont enchevêtrés de manière quantique."
La puce atomique, utilisé pour contrôler les nuages d'atomes ultra froids. Crédit :TU Vienne
Il y a eu des tentatives pour démontrer l'effet de la "récurrence de Poincaré" dans les systèmes quantiques, mais jusqu'à présent cela n'était possible qu'avec un très petit nombre de particules, dont l'état a été mesuré le plus précisément possible. C'est extrêmement compliqué et le temps qu'il faut au système pour revenir à son état d'origine augmente considérablement avec le nombre de particules. L'équipe de Jörg Schmiedmayers à la TU Wien, cependant, a choisi une approche différente :« Nous ne sommes pas tellement intéressés par l'état intérieur complet du système, qu'on ne peut pas mesurer de toute façon, " dit Bernhard Rauer, premier auteur de la publication. "Au lieu de cela, nous voulons demander :quelles quantités pouvons-nous observer, qui nous disent quelque chose d'intéressant sur le système dans son ensemble? Et y a-t-il des moments où ces quantités collectives reviennent à leur valeur initiale ?"
L'équipe a étudié le comportement d'un gaz ultrafroid, constitué de milliers d'atomes, qui est maintenu en place par des champs électromagnétiques sur une puce. "Il existe plusieurs quantités différentes décrivant les caractéristiques d'un tel gaz quantique, par exemple les longueurs de cohérence dans le gaz et les fonctions de corrélation entre différents points de l'espace. Ces paramètres nous disent :à quel point les particules sont liées par des effets de mécanique quantique, " dit Sébastien Erne, qui était responsable des calculs théoriques nécessaires au projet. "Notre intuition quotidienne n'est pas habituée à traiter ces quantités, mais pour un système quantique, ils sont cruciaux."
Récurrence découverte — en quantités collectives
En mesurant de telles quantités, qui ne se réfèrent pas à des particules simples, mais caractériser le système dans son ensemble, il a en effet été possible d'observer la récurrence quantique tant recherchée. Et pas seulement :"Avec notre puce atomique, nous pouvons même influencer le temps qu'il faut au système pour revenir à un état particulier, " explique Jörg Schmiedmayer. " En mesurant ce genre de récidive, nous en apprenons beaucoup sur la dynamique collective des atomes, par exemple sur la vitesse du son dans le gaz ou sur les phénomènes de diffusion des ondes de densité."
La vieille question, si les systèmes quantiques présentent des récurrences, peut enfin être répondu :Oui, ils le font, mais le concept de récurrence doit être légèrement redéfini. Au lieu d'essayer de cartographier l'état quantique interne complet d'un système, qu'on ne peut pas mesurer de toute façon, il est plus logique de se concentrer sur les quantités qui peuvent être mesurées dans les expériences quantiques. On peut observer que ces quantités s'éloignent de leur valeur initiale et reviennent éventuellement à leur état initial.
