Une expérience présentée par une équipe de scientifiques britanniques et indiens dirigée par l'UCL (University College London) pourrait tester si des masses relativement grandes ont une nature quantique, résolvant ainsi la question de savoir si la description mécanique quantique fonctionne à une échelle beaucoup plus grande que celle des particules. et des atomes.
La théorie quantique est généralement considérée comme décrivant la nature aux plus petites échelles, et aucun effet quantique n'a été observé en laboratoire pour des objets plus massifs qu'environ un quintillionième de gramme, ou plus précisément 10 -20 . g.
La nouvelle expérience, décrite dans un article publié dans Physical Review Letters et impliquant des chercheurs de l'UCL, de l'Université de Southampton et de l'Institut Bose de Calcutta, en Inde, pourrait, en principe, tester le caractère quantique d'un objet quelle que soit sa masse ou son énergie.
L'expérience proposée exploite le principe de la mécanique quantique selon lequel l'acte de mesurer un objet peut changer sa nature. (Le terme mesure englobe toute interaction de l'objet avec une sonde, par exemple si la lumière l'éclaire ou s'il émet de la lumière ou de la chaleur).
L'expérience se concentre sur un objet semblable à un pendule oscillant comme une balle sur une corde. Une lumière est projetée sur la moitié de la zone d'oscillation, révélant des informations sur l'emplacement de l'objet (c'est-à-dire que si aucune lumière diffusée n'est observée, on peut alors conclure que l'objet ne se trouve pas dans cette moitié). Une deuxième lumière est allumée, indiquant l'emplacement de l'objet plus loin sur son oscillation.
Si l'objet est quantique, la première mesure (le premier éclair de lumière) perturbera son chemin (par effondrement induit par la mesure - une propriété inhérente à la mécanique quantique), modifiant ainsi la probabilité de savoir où il se trouvera au deuxième éclair de lumière, alors que s'il est classique, alors l'acte d'observation ne fera aucune différence. Les chercheurs peuvent ensuite comparer des scénarios dans lesquels ils éclairent deux fois avec ceux dans lesquels seul le deuxième éclair de lumière se produit pour voir s'il y a une différence dans les distributions finales de l'objet.
L'auteur principal, le Dr Debarshi Das (UCL Physics &Astronomy et Royal Society) a déclaré :« Une foule lors d'un match de football ne peut pas affecter le résultat du match simplement en la regardant fixement. Mais avec la mécanique quantique, l'acte d'observation ou de mesure lui-même change. le système."
"L'expérience que nous proposons peut tester si un objet est classique ou quantique en voyant si un acte d'observation peut conduire à un changement dans son mouvement."
Selon les chercheurs, la proposition pourrait être mise en œuvre avec les technologies actuelles utilisant des nanocristaux ou, en principe, même en utilisant des miroirs du LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) aux États-Unis, qui ont une masse effective de 10 kg.
Les quatre miroirs LIGO, qui pèsent chacun 40 kg mais vibrent ensemble comme s'ils étaient un seul objet de 10 kg, ont déjà été refroidis à l'état d'énergie minimale (une fraction au-dessus du zéro absolu) qui serait requis dans toute expérience cherchant à détecter un comportement quantique. .
L'auteur principal, le professeur Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy) a déclaré :« Notre système a de larges implications conceptuelles. Il pourrait tester si des objets relativement grands ont des propriétés définies, c'est-à-dire que leurs propriétés sont réelles, même lorsque nous ne les mesurons pas. le domaine de la mécanique quantique et vérifier si cette théorie fondamentale de la nature n'est valable qu'à certaines échelles ou si elle est également vraie pour des masses plus importantes.
"Si nous ne rencontrons pas de limite de masse en mécanique quantique, cela rend encore plus aigu le problème de la réconciliation de la théorie quantique avec la réalité telle que nous la vivons."
En mécanique quantique, les objets n’ont pas de propriétés définies tant qu’ils ne sont pas observés ou n’interagissent pas avec leur environnement. Avant l'observation, ils n'existent pas dans un emplacement défini mais peuvent se trouver à deux endroits à la fois (état de superposition). Cela a conduit à la remarque d'Einstein :"La lune est-elle là quand personne ne la regarde ?"
La mécanique quantique peut sembler en contradiction avec notre expérience de la réalité, mais ses connaissances ont contribué au développement des ordinateurs, des smartphones, du haut débit, du GPS et de l'imagerie par résonance magnétique.
La plupart des physiciens pensent que la mécanique quantique est valable à plus grande échelle, mais qu’elle est simplement plus difficile à observer en raison de l’isolement requis pour préserver un état quantique. Pour détecter le comportement quantique d’un objet, sa température ou ses vibrations doivent être réduites à leur niveau le plus bas possible (son état fondamental) et il doit être dans le vide afin que presque aucun atome n’interagisse avec lui. En effet, un état quantique s'effondrera, un processus appelé décohérence si l'objet interagit avec son environnement.
La nouvelle expérience proposée est le développement d'un test quantique antérieur conçu par le professeur Bose et ses collègues en 2018. Un projet visant à mener une expérience utilisant cette méthodologie, qui testera la nature quantique d'un nanocristal comptant un milliard d'atomes, est déjà en cours, mené par l'Université de Southampton.
Ce projet vise déjà un saut en termes de masse, avec des tentatives précédentes pour tester la nature quantique d'un objet macroscopique limité à des centaines de milliers d'atomes. Le projet récemment publié, quant à lui, pourrait être réalisé avec les technologies actuelles utilisant un nanocristal contenant des milliards d'atomes.
Plus d'informations : Debarshi Das et al, Schéma indépendant de la masse pour tester le caractère quantique d'un objet massif, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.030202
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique
Fourni par l'University College London
