Les guillemets avaient la force de la tradition — et la tradition de la force — derrière eux.

Lorsque Herman Batelaan du Nebraska et ses collègues ont récemment soumis un document de recherche qui plaide en faveur de l'existence d'un non-newtonien, force quantique, le journal a demandé qu'ils placent "force" fermement entre les guillemets. L'équipe a compris et accepté la demande.

Après tout, le mot a longtemps appartenu à la physique newtonienne classique :réactions égales et opposées, électromagnétisme, la gravité et d'autres lois qui expliquent la chute des pommes, phénomènes hallucinants de l'expérience quotidienne.

Par contre, Batelaan et ses co-auteurs utilisaient le mot dans le contexte de la physique quantique qui décrit l'infiniment petit - où la position et la vitesse des particules subatomiques sont définies par des probabilités plutôt que par des valeurs précises, où les électrons se comportent simultanément comme des particules et des ondes, et où d'autres flous contre-intuitifs régissent le royaume.

Ce royaume est devenu encore plus flou en 1959, lorsqu'une expérience proposée suggérait que la simple proximité d'une force classique - plutôt que la force elle-même - pouvait s'imposer au monde physique. Dans l'expérience, deux flux d'électrons naviguent de part et d'autre d'une bobine dont le champ magnétique est totalement protégé de ces électrons.

Malgré le fait qu'aucun des flux d'électrons ne traverse le champ magnétique réel, les chercheurs ont déterminé que les probabilités quantiques des électrons subiraient des changements mesurables qui dépendent de la force du champ magnétique. Des expériences ultérieures ont confirmé la présence de ce qu'on appelle l'effet Aharonov-Bohm.

Mais si l'existence de l'effet étrange était indiscutable, la nature de celui-ci n'était pas. Anton Zeilinger, l'un des conseillers postdoctoraux de Batelaan, introduit un théorème suggérant que l'effet Aharonov-Bohm ne représente pas ou ne résulte pas d'une force. Au moment où les expériences ultérieures de Batelaan et d'autres ont confirmé que l'effet n'a rien fait pour retarder l'heure d'arrivée des électrons - quelque chose qu'une force serait censée faire - le théorème de Zeilinger avait obtenu un large soutien.

Des années après que Zeilinger ait proposé son théorème, bien que, les physiciens Andrei Shelankov et Michael Berry l'ont contré en affirmant que l'effet Aharonov-Bohm provient de l'équivalent quantique d'une force. Même si cette force n'a pas ralenti les électrons, Shelankov a prédit que cela pourrait modifier leurs trajectoires de vol en les déviant très légèrement.

"Par eux-mêmes, vous pouvez comprendre la dérivation de chaque théorie, " dit Batelaan, professeur de physique et d'astronomie au Nebraska. "Ils ont tous les deux l'air bien, mais ils sont en conflit les uns avec les autres. Nous nous sommes donc creusés la tête pour proposer une théorie qui donne les deux réponses. Nous avons compris qu'il devait y avoir un cadre plus large.

« Il implorait de résoudre le conflit théorique. Il implorait une expérience.

Alors Batelaan et ses collègues, dont l'ancienne doctorante Maria Becker, se sont fixés un objectif ambitieux :démontrer la prédiction de Shelankov tout en tenant compte du théorème de Zeilinger. Leur expérience, joué à l'Université d'Anvers, ressemblait à beaucoup de ceux qui l'avaient précédé :des faisceaux d'électrons naviguant vers une tige nanoscopique dont le champ magnétique était protégé des particules. Lorsque l'aimantation de la tige était nulle, les motifs ondulatoires que les électrons se sont formés après avoir rebondi dessus – des motifs semblables à des ondulations qui se chevauchent dans l'eau – étaient symétriques.

Pourtant, lorsque l'équipe a accéléré la magnétisation, ces motifs de diffraction sont devenus asymétriques, preuve indirecte d'une force non newtonienne poussant les électrons à gauche ou à droite. Et comme l'équipe s'y attendait, l'inversion du sens de l'aimantation a également inversé le sens de l'asymétrie, soutenant davantage l'idée d'un phénomène quantique qui peut affecter la matière de manière similaire aux forces newtoniennes classiques.

Quant au théorème de Zeilinger ? Selon l'analyse de l'équipe, les hypothèses théoriques qu'il a formulées ne s'appliquent pas au mouvement latéral impliqué par l'étude. Étant donné que, Batelaan a dit, l'étude n'invalide pas Zeilinger. Au lieu, l'équipe a montré mathématiquement que ses résultats prédits par Shelankov et le théorème de Zeilinger sont deux cas particuliers d'un théorème global.

Batelaan a grossièrement comparé la situation à celle dans laquelle une balle commence à rouler le long d'une plate-forme plate. Élever et abaisser lentement cette plate-forme peut changer la destination de la balle sur un plan même si sa vitesse et son heure d'arrivée restent les mêmes. Regardant vers le bas sur la plate-forme, un observateur pourrait manquer qu'un changement s'était produit ; cela pourrait n'apparaître qu'après avoir changé de perspective.

La question de la perspective éclaire également l'interprétation de l'étude, dit Batelaan. Les forces classiques opèrent localement, affectant uniquement la matière adjacente à ces forces. Mais la mécanique quantique, notamment l'intrication quantique, où les changements dans une particule se manifestent simultanément dans une autre particule enchevêtrée qui pourrait théoriquement résider à des années-lumière - n'est pas lié par la distance.

Batelaan a déclaré que les résultats de l'équipe pourraient être interprétés comme la preuve d'une force similaire non locale.

"Ici, nous avons une situation qui n'est pas locale mais contrairement à l'intrication quantique, " a déclaré Batelaan. " C'est un phénomène à une particule, pas un phénomène à deux particules. Alors, cette idée de choses se passant sans force peut-elle être appliquée dans un contexte différent ? C'est très rare. Il est très, très spécial. Je pense que ce dont nous parlons ici en est en effet un autre exemple.

"Je pense que cela souligne l'idée que la nature pourrait être non locale. C'est une grande question. Est-ce que les choses que je fais ici affectent les choses ailleurs, sans intermédiaire clair ?"

Le fait que Batelaan en ait trouvé des preuves ne veut pas dire qu'il doit l'aimer, bien que.

"Je trouve ça dégoûtant, " Batelaan a dit, en riant. "Je vis dans le monde classique. Tout ce que je vois autour de moi, je le vois se produire à cause des forces. S'il y a des choses qui se passent sans forces, pourquoi ne puis-je pas les utiliser ? Pourquoi n'y a-t-il pas plus d'exemples de cela?

« En tant que principe physique, ça doit être partout. Mais nous sommes (peut-être) trop aveugles pour le voir."

Les chercheurs ont rapporté leurs découvertes dans le journal Communication Nature .