Imaginez une barre de métal qui a été chauffée à une extrémité. Au lieu que la chaleur se répande progressivement sur toute sa longueur, le bar finit par redevenir chaud à l'endroit où il se trouvait à l'origine. Le fait que, paradoxalement, un système complexe retourne à son état d'origine au lieu d'évoluer vers l'équilibre a attiré l'attention des physiciens depuis plus de 60 ans. Grâce à une série d'avancées dans les fibres optiques, beaucoup plus riche et complet qu'avant, notre équipe de chercheurs franco-italienne vient de franchir une étape cruciale pour mieux comprendre ce phénomène.
Notre édition, qui décrit ses progrès, figurait sur la couverture de Photonique de la nature . Ce sont non seulement des résultats de premier plan en physique fondamentale mais aussi d'un intérêt primordial pour le grand public – le processus en question est au cœur de phénomènes tels que la formation d'ondes océaniques scélérates ou la conception d'horloges optiques de haute précision.
Le projet Manhattan à l'origine du paradoxe
Le paradoxe a été découvert pour la première fois en 1954 par d'éminents scientifiques, dont certains ont été impliqués dans le projet Manhattan, qui fournirait aux États-Unis la bombe atomique. C'étaient Stanislaw Ulam, John Pasta, et Marie Tsingou, et Enrico Fermi, lauréat du prix Nobel de physique en 1938. Fermi a l'idée d'utiliser l'un des tout premiers ordinateurs pour explorer de nouveaux phénomènes physiques complexes dont la résolution n'était pas possible par le calcul. C'est le début d'une révolution – les simulations numériques – devenue incontournable dans tous les domaines de la physique.
Mais pour Fermi et ses collègues, les résultats du premier test informatique ont révélé un comportement complètement inattendu :le système qu'ils étudiaient est revenu à son état initial.
Diffusion de la lumière dans une fibre optique.
Depuis, le problème a été étudié et écrit abondamment. Les efforts répétés des physiciens pour le résoudre ont été particulièrement fructueux pour de nombreuses branches de la physique où il peut être observé. En particulier, ils ont conduit à la découverte de la théorie des solitons, des impulsions qui se propagent sans déformation que l'on peut observer dans les océans, physique des plasmas et optique.
Certains modèles ont prédit que le Fermi, Le phénomène Pasta and Ulam était en fait cyclique – le système retournant plusieurs fois à son état initial. Mais les expériences qui l'avaient mis en évidence n'avaient jamais détecté qu'un retour à l'état d'origine :les pertes intrinsèques du système en atténuent trop rapidement les manifestations.
Les fibres optiques observent le paradoxe
Notre équipe de recherche, basé au Laboratoire PHLAM de l'Université de Lille et associé à un théoricien italien de l'Université de Ferrare, a réussi à trouver un moyen de compenser ces pertes sur plus de 8 kilomètres de fibre optique en ajoutant une source lumineuse d'une couleur très différente qui a servi de réservoir d'énergie. Ce processus inédit nous a permis d'observer pour la première fois un second retour à l'état initial. L'expérimentation s'est déroulée sur le site FiberTech Lille, partie de l'institut de recherche IRCICA.
Plusieurs récidives de Fermi-Pasta-Ulam, avec alternance de maxima (rouge) et de minima (bleu clair)
Grâce à un dispositif ingénieux qui a regardé la diffusion de la lumière par les impuretés au sein de la fibre, connue sous le nom de diffusion de Rayleigh, nous avons pu mesurer non seulement l'intensité de la lumière mais aussi ce que les opticiens appellent sa phase, et ce sur toute la longueur de la fibre. On observe alors un comportement inédit :passages récurrents d'un cycle à l'autre, les maxima prenant la place des minima.
Ce résultat, prédit par certains modèles, ouvre une nouvelle voie dans la compréhension de ce phénomène, qui est à l'origine de bien d'autres processus complexes :les peignes de fréquence. Ces "règles laser", avançant rapidement ces dernières années, éclairer un grand nombre de nouvelles applications, allant de la mesure de distance pour les voitures autonomes à la découverte d'exoplanètes, pour en nommer quelques uns.
Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original. 
