Certains systèmes physiques, surtout dans le monde quantique, n'atteignent pas un équilibre stable même après une longue période. Un chercheur de l'ETH a maintenant trouvé une explication élégante à ce phénomène.

Si vous mettez une bouteille de bière dans une grande baignoire remplie d'eau glacée, il ne faudra pas longtemps avant de pouvoir déguster une bière fraîche. Les physiciens ont découvert comment cela fonctionnait il y a plus de cent ans. L'échange de chaleur a lieu à travers la bouteille en verre jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint.

Cependant, il existe d'autres systèmes, en particulier les systèmes quantiques, qui ne trouvent pas l'équilibre. Ils ressemblent à une hypothétique bouteille de bière dans un bain d'eau glacée qui ne refroidit pas toujours et inévitablement à la température de l'eau du bain, mais atteint plutôt des états différents en fonction de sa propre température initiale. Jusqu'à maintenant, de tels systèmes ont intrigué les physiciens. Mais Nicolò Defenu, un post-doctorat à l'Institut de physique théorique de l'ETH Zurich, a maintenant trouvé un moyen d'expliquer élégamment ce comportement.

Une influence plus lointaine

Spécifiquement, nous parlons de systèmes dans lesquels les éléments constitutifs individuels influencent non seulement leurs voisins immédiats, mais aussi des objets plus éloignés. Un exemple serait une galaxie :les forces gravitationnelles des étoiles individuelles et des systèmes planétaires n'agissent pas seulement sur les corps célestes voisins, mais bien au-delà, quoique de plus en plus faiblement, sur les autres composantes de la galaxie.

L'approche de Defenu commence par simplifier le problème à un monde à une seule dimension. Dedans, il existe une seule particule quantique qui ne peut résider qu'à des emplacements très spécifiques le long d'une ligne. Ce monde ressemble à un jeu de société comme Ludo, où un petit jeton saute de carré en carré. Supposons qu'il y ait un dé de jeu dont les faces sont toutes marquées « un » ou « moins un », et supposons que le joueur lance le dé encore et encore à la suite. Le jeton sautera sur une case voisine, et à partir de là, il reviendra ou passera au carré suivant. Etc.

La question est, Que se passe-t-il si le joueur lance le dé un nombre infini de fois ? S'il n'y a que quelques cases dans le jeu, le jeton reviendra à son point de départ de temps en temps. Cependant, il est impossible de prédire exactement où il se trouvera à un moment donné car les lancers de dé sont inconnus.

Retour à la case départ

C'est une situation similaire avec les particules soumises aux lois de la mécanique quantique :il n'y a aucun moyen de savoir exactement où elles se trouvent à un moment donné. Cependant, il est possible d'établir leur localisation à l'aide de distributions de probabilité. Chaque distribution résulte d'une superposition différente des probabilités pour les emplacements individuels et correspond à un état d'énergie particulier de la particule. Il s'avère que le nombre d'états d'énergie stables coïncide avec le nombre de degrés de liberté du système et correspond donc exactement au nombre d'emplacements autorisés. Le point important est que toutes les distributions de probabilité stables sont non nulles au point de départ. Alors à un moment donné, le jeton retourne à sa case de départ.

Plus il y a de carrés, moins le jeton reviendra à son point de départ; finalement, avec un nombre infini de carrés possibles, il ne reviendra jamais. Pour la particule quantique, cela signifie qu'il existe un nombre infini de façons dont les probabilités des emplacements individuels peuvent être combinées pour former des distributions. Ainsi, il ne peut plus occuper seulement certains états d'énergie discrets, mais tous les possibles dans un spectre continu.

Rien de tout cela n'est une nouvelle connaissance. Il y a, cependant, des variantes du jeu ou des systèmes physiques où le dé peut également contenir des nombres supérieurs à un et inférieurs à moins un, c'est-à-dire que les étapes autorisées par mouvement peuvent être plus grandes - pour être précis, même infiniment grand. Cela change fondamentalement la donne, comme Defenu a maintenant pu le montrer :dans ces systèmes, le spectre d'énergie reste toujours discret, même quand il y a des carrés infinis. Cela signifie que de temps en temps, la particule reviendra à son point de départ.

Phénomènes particuliers

Cette nouvelle théorie explique ce que les scientifiques ont déjà observé à maintes reprises dans des expériences :les systèmes dans lesquels se produisent des interactions à longue distance n'atteignent pas un équilibre stable, mais plutôt un état méta-stable dans lequel ils reviennent toujours à leur position initiale. Dans le cas des galaxies, c'est l'une des raisons pour lesquelles ils développent des bras spiraux plutôt que d'être des nuages ​​uniformes. La densité d'étoiles est plus élevée à l'intérieur de ces bras qu'à l'extérieur.

Un exemple de systèmes quantiques qui peuvent être décrits avec la théorie de Defenu sont les ions, qui sont des atomes chargés piégés dans des champs électriques. L'utilisation de tels pièges à ions pour construire des ordinateurs quantiques est actuellement l'un des plus grands projets de recherche au monde. Cependant, pour que ces ordinateurs offrent vraiment un changement radical en termes de puissance de calcul, ils auront besoin d'un très grand nombre d'ions piégés simultanément - et c'est exactement le point où la nouvelle théorie devient intéressante. "Dans les systèmes avec une centaine d'ions ou plus, vous verriez des effets particuliers que nous pouvons maintenant expliquer, " dit Defenu, qui est membre du groupe du professeur de l'ETH Gian Michele Graf. Ses collègues en physique expérimentale se rapprochent chaque jour de l'objectif de pouvoir réaliser de telles formations. Et une fois là-bas, cela pourrait valoir la peine de prendre une bière fraîche avec Defenu.