Le dossier de la semaine

Tout en émotion cette semaine puisque pour sa dernière émission régulière, Mathieu nous parle – un chat (quantique?) dans la gorge – du chat de Schrödinger. Accrochez vos ceintures et préparez le paracétamol!

Retour sur les émissions passées

Avec nos excuses pour le peu de scientificité du dossier de la semaine dernière. Intéressant certes, mais pas aussi étayé que ce que nous proposons d’habitude. Nous nous arrangerons pour éviter cela à l’avenir

Du nouveau concernant les prochaines émissions

Comme Franck l’a annoncé sur le site, Podcast Science passe au live dès le prochain numéro, soit le mercredi 4 janvier 2012 à 20h30, rendez-vous sur la wiki-radio Neweez, on vous attend nombreux :)

Plugs

Notre ami Xavier Agnès nous indique que Marc Montangero, que nous avions reçu dans le Podcast (Episode 34 – La chimie pour les nuls) vient de publier un livre, disponible http://editions.chimie.ch pour une somme modique.

Et Xilrian se distingue en produisant une fois encore des épisodes formidables dans ses deux podcasts:
12minutes.com

Pour ce troisième épisode, encore une fois significativement plus long que les 12 minutes affichées (mais je me permet d’être plus long dès que j’ai un invité), 26 minutes de discussions  avec Stanislas Jourdan autours du revenu de vie.

David et son invité parlent des allocations universelles et des modèles économiques alternatifs pour cesser de laisser les gens sur le carreau. Super bien expliqué!

vie-artificielle.com, l’autre podcast de Xilrian, vaut le détour également: le dernier épisode porte sur les algorithmes génétiques, c’est juste fascinant!

5e épisode de vie artificielle sur les algorithmes génétiques. Fascinant:
http://www.vie-artificielle.com/

La quote de Mathieu

Shut up and calculate! - David Mermin

La quote pour Mathieu

Bonne chance Mathieu et que la science te garde – Charles Cauchon, auditeur du Podcast

Encore un immense MERCI à Mathieu de tout ce qu’il a fait jusqu’ici! Et le reste de l’équipe vous retrouve le mercredi 4 janvier prochain à 20h30 sur Neweez: http://bit.ly/PSneweez

D’ici là, nos meilleurs voeux pour les fêtes et une excellente année!

 

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L’expérience du chat de Schrödinger fut imaginée en 1935 par le physicien Erwin Schrödinger, afin de mettre en évidence des supposées lacunes dans l’interprétation de la physique quantique appliquée aux objets quotidiens faite par l’Ecole de Copenhague. L’Ecole Copenhague est un courant de pensée en physique qui a pris place au XXème siècle et qui présente la mécanique quantique comme un simple instrument de prédiction. De nombreux grands physiciens se sont inscrit dans ce courant comme Niels BohrWerner HeisenbergMax Born…Mais, Schrödinger, avec son expérience du chat, a voulu illustrer le problème qu’on appelle problème de la mesure, un problème qui trouve sa source dans l’interprétation purement prédicitive de la physique quantique telle que la décrit l’Ecole de Copenhague.

La physique quantique ou mécanique quantique est l’appellation générale d’un ensemble de théories physiques nées au XXème siècle qui décrivent le comportement des atomes et des particules. La mécanique quantique a donc pour but de décrire le monde microscopique et de l’infiniment petit. Cependant sa description du monde heurte le sens commun à plusieurs égards. Par exemple une propriété bizzare de la mécanique quantique est la dualité onde-particule, je vous renvoie à l’expérience des fentes de Young dont j’avais parlé dans mon dossier sur la lumière. Le problème de la mesure décrit par Schrödinger est en soi aussi une des nombreuses interprétations étranges que l’on peut faire de la mécanique quantique et il illustre bien les difficultés de corrélation entre les postulats fondamentaux de la mécanique quantique et le monde macroscopique tel qu’il nous apparaît et tel qu’il peut être mesuré.

Chat de Schrödinger

Superposition quantique

Un état quantique peut être vu comme un ensemble de propriétés qui permettent de décrire complètement un objet physique, comme par exemple une particule de matière. Par exemple, dans le cas d’un électron en mouvement, son état quantique est décrit par 4 propriétés ou nombres quantiques:

  • Nombre quantique 1: son énergie.
  • Nombre quantique 2: son spin
  • Nombre quantique 3: son moment angulaire
  • Nombre quantique 4: son moment magnétique.

En physique classique:

  • l’état d’un système physique détermine de manière absolue les résultats de mesure des grandeurs physiques.
  • les différents états d’un système physique classique sont mutuellement exlusifs (un système est très énergétique ou ne l’est pas)

En physique quantique:

  • la connaissance de l’état d’un système permet seulement de prévoir les probabilités respectives des différents résultats possibles lors d’une mesure. L’état quantique ne peut pas être assimilé à un ensemble de propriétés physiques qui évoluent au cours du temps. En mécanique quantique, l’état et les grandeurs physiques sont deux concepts séparés et sont représentés par deux objets mathématiques différents.
  • dans un système quantique les états mutuellement exclusifs existent aussi, on les appelle les états quantiques orthogonaux. Ce sont en quelques sortes les états de base d’un système quantique comparables à ceux de la physique classique. Mais la nouveauté en mécanique quantique, c’est que en plus de ces états orthogonaux mutuellement exclusifs, il en existe beaucoup d’autre, une infinité. Ils s’obtiennent en mélangeant les états quantiques de base. La mécanique quantique expose tous les états possibles du système, les états de base et aussi tous ceux qui peuvent s’obtenir en mélangeant, superposant, les états de base.

En mécanique quantique, le principe de superposition stipule que les propriétés qui caractérisent un état quantique d’une particule peuvent posséder plusieurs valeurs (position, spin, quantité de mouvement, etc…). Un système quantique se trouve dans un état superposé tant qu’il n’est pas observé ou mesuré. Cependant, la mécanique quantique stipule que le résultat d’une mesure d’un système donne toujours un des états de base mutuellement exclusifs, il n’est pas possible d’obtenir un état superposé lors d’une mesure. L’état superposé existe uniquement en absence d’observation. Pour expliquer ce phénomène, il faut faire appel à une nouvelle notion, la fonction d’onde.

La description du monde par la mécanique quantique repose sur une fonction d’onde (un courbe de forme ondulatoire) qui donne les probabilités de trouver une particule ou un objet quantique dans un état ou un autre. Pour cette raison, on a coutume de dire qu’un système quantique peut être dans plusieurs états à la fois, ou dans un état superposé. Il faut en réalité comprendre que le système est dans un état quantique unique, mais que les mesures peuvent donner plusieurs résultats différents, chaque résultat étant associé à sa probabilité d’apparaître lors de la mesure. Lors d’une opération dite de mesure, l’objet quantique sera trouvé dans un état de base déterminé. Il se produit ce que l’on appelle une réduction ou effondrement de la fonction d’onde: la particule ou l’objet quantique se matérialise dans un état donné, selon la probabilité indiquée par sa fonction d’onde. C’est comme si tout acte d’observation sélectionne instantanément un et un seul état parmi l’ensemble des états superposés possibles.

C’est la mesure qui perturbe le système quantique et le fait bifurquer d’un état quantique superposé vers un des états de base qui est mesuré. C’est un état qui ne préexiste pas avant la mesure, et qui à une probabilité d’advenir décrite par la fonction d’onde de la particule et c’est la mesure qui semble le faire advenir. En mécanique quantique, il n’est pas possible de connaître l’état d’un système avant son observation, tout simplement parce que cette information n’existe pas dans l’Univers. C’est comme si avant la mesure l’Univers n’aurait pas encore décidé quel en serait le résultat.

L’expérience du chat de Schrödinger

L’expérience consiste à enfermer un chat dans une boîte fermée avec un dispositif qui tue l’animal dès que le dispositif détecte la désintégration d’un atome d’un corps radioactif. On peut imaginer un détecteur de radioactivité comme un compteur Geiger, relié à un interrupteur qui peut provoquer la chute d’un marteau cassant une fiole de poison et libérant un gaz mortel pour le chat. L’interrupteur est activé et le chat empoisoné si l’atome radioactif se désintègre, au contraire l’interrupteur n’est pas activé et le chat reste vivant si l’atome ne se désintègre pas. Si les probabilités de la fonction d’onde de la particule radioactive indiquent qu’une désintégration a une chance sur deux d’avoir eu lieu au bout d’une minute, la mécanique quantique indique que, tant que l’observation n’est pas faite, l’atome est en superposition et simultanément dans deux états (intact et désintégré). Or le mécanisme de l’expérience imaginée par Erwin Schrödinger lie l’état du chat à l’état des particules radioactives (intact et désintégré), de sorte que le chat serait simultanément dans deux états (mort et vivant), jusqu’à ce que l’ouverture de la boîte (l’observation) déclenche le choix entre les deux états. Du coup, tant que l’on n’a pas ouvert la boîte, on ne peut absolument pas dire si le chat est mort ou non au bout d’une minute. En suivant scrupuleusement les règles quantiques, l’état superposé d’une particule (désintégrée/non désintégrée) devrait se propager à l’état du chat qui devrait également être dans un état superposé mort-vivant. Or, un tel état n’est et ne peux jamais être observé, d’où paradoxe et problème.

Chat de Schrödinger

La difficulté principale dans notre conceptualisation de cette expérience tient dans le fait que si l’on est généralement prêt à accepter ce genre de situation pour une particule quantique, l’esprit refuse d’accepter facilement une situation qui semble aussi peu naturelle quand il s’agit d’un sujet plus familier, macroscopique, à notre échelle comme un chat. En fait, le passage à l’échelle macroscopique que représente le chat par rapport aux particules radioactives est le principal intérêt de l’expérience. Il ne s’agit pas d’une question sur le vivant (vie/mort), car le rôle du chat peut être parfaitement remplacé et réalisé par le propre interrupteur (lui aussi un objet macroscopique) qui se trouverait dans deux états simultanés éteint et enclenché à la fois .

Cette expérience est plus une expérience de pensée qu’une expérience réalisable au sens physique du terme. On ne pourra en effet jamais mettre en évidence directement, ou mesurer, que le chat est à la fois mort et vivant car le fait d’essayer de connaître son état provoquera nécessairement l’effondrement de la fonction d’onde menant inéluctabalement à l’un des deux état mort ou vivant. D’ailleurs les expériences effectuées par les scientifiques sur la préservation de la superposition des états quantique peuvent s’appliquer à quelques particules ou molécules, mais les conditions techniques pour préserver l’état superposé du chat sont tout à fait irréalisables pour plus de quelques molécules.

C’est pour faire apparaître le caractère paradoxal de la multiplicité des états possibles avant la mesure et de la matérialisation vers un état mesuré et observé après la mesure que Erwin Schrödinger a imaginé cette expérience du chat. Il voulait réfuter l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, qui conduisait à un chat à la fois mort et vivant, en soutenant l’idée que si l’on parvient à provoquer une dépendance ou un couplage direct entre l’état d’une particule et la vie d’un chat, on devrait pouvoir mettre le chat dans un état superposé, mort et vivant, jusqu’à l’observation, qui le réduira à un seul état. Shrödinger pensait que la possibilité du chat mort-vivant démontrait que l’interprétation de la fonction d’onde par l’Ecole de Copenhague et décrite orginellement par Max Born était incomplète. Comment concevoir que le chat n’ait pas d’état défini tant qu’on n’opère pas d’observation. Selon lui, le chat ne peut pas être mort et vivant à la fois !

L’interprétation orthodoxe de la physique quantique qui mène à un chat à la fois mort et vivant montre bien que la mécanique quantique semble obéir à des lois souvent contraires à notre intuition. On se rend compte alors que la question n’est plus tant de savoir « comment la superposition des états est-elle possible dans le monde quantique ? » mais plutôt « comment est-ce impossible dans le monde réel que l’on observe à notre échelle ? ».

Solutions du paradoxe

Pour en découdre avec ce paradoxe sur l’état mort-vivant simultané du chat, différentes pistes théoriques ont été mises en avant pour tenter d’apporter quelques éléments de réponse.

Chat de Schrödinger

Théorie de la décohérence

La théorie de la décohérence propose que l’état de superposition ne peut être maintenu qu’en l’absence d’interactions avec l’environnement qui déclenche le choix entre les deux états (mort ou vivant). La décohérence n’est pas provoquée par une action « consciente » de l’obervateur, qu’on interprète comme une « mesure », mais plutôt par des interactions physiques avec l’environnement, de sorte que la décohérence a lieu d’autant plus vite qu’il y a plus d’interactions. Chaque éventualité d’un état superposé interagit avec son environnement, mais la complexité des interactions est telle que les différentes possibilités deviennent rapidement incohérentes (d’où le nom de la théorie de la décohérence).

La théorie de la décohérence réconcilie d’une part le postulat de la réduction de la fonction d’onde avec d’autre part l’équation de Schrödinger qui autorise les superpositions d’états. L’équation de Schrödinger est une équation qui régit les états possibles d’une particule, c’est une équation linéaire, ce qui entraîne que pour deux états possibles d’une particule, la combinaison de ces deux états est également un état possible. L’état mort-vivant du chat doit être possible selon l’équation de Schrödinger, une réalité qui lui semblait à Schrödinger et qui nous semble difficilement acceptable. Comment donc les superpositions quantiques peuvent-elles disparaître à l’état macroscopique, alors que la linéarité de l’équation de Schrödinger mène naturellement à une préservation des états superposés aussi à l’échelle macroscopique? Alors heureusement la théorie de la décohérence peut démontrer mathématiquement que chaque interaction avec l’environnement déphase les fonctions d’onde des états les unes par rapport aux autres de telle manière que la probabilité d’observer un état superposé (mort-vivant) tend rapidement vers zéro. Seuls restent observables les états correspondant aux états observables macroscopiquement, l’état mort ou bien vivant du chat. Il n’y a alors pas de paradoxe : le chat se situe dans un état déterminé bien avant que la boîte ne soit ouverte et l’équation de Schrödinger est réconciliée avec la réduction de la fonction d’onde.

Les interactions et l’environnement dont il est question dans cette théorie ont des origines très diverses. Typiquement, le simple fait d’éclairer un système quantique suffit à provoquer une décohérence. Même en l’absence de tout éclairage, il restera toujours au minimum les quelques photons du fond diffus cosmologique qui provoquent également une décohérence, bien que bien plus lente. Et bien naturellement, le fait de mesurer volontairement un système quantique provoque des interactions nombreuses et complexes avec un environnement constitué par l’appareil de mesure. Dans ce cas, la décohérence est pratiquement instantanée et inévitable.

À l’échelle macroscopique, où on trouve des milliards de milliards de particules en intéraction avec l’environnement, la rupture de la cohérence (états superposés) se produit donc pratiquement instantanément. Autrement dit, l’état de superposition ne peut être maintenu que pour des objets de très petite taille constitués de quelques particules. Donc, pour la théorie de la décohérence, l’effondrement de la fonction d’onde n’est pas spécifiquement provoquée par un acte de mesure, mais peut avoir lieu spontanément, même en l’absence d’observation et d’observateurs. Ceci est une différence essentielle avec le postulat initial de réduction du paquet d’onde qui ne spécifie pas comment, pourquoi ou à quel moment a lieu la réduction, ce qui a ouvert la porte à des interprétations mettant en jeu la conscience et la présence d’un observateur conscient. La théorie de la décohérence prend le contre-pied de l’interprétation de Copenhague qui elle introduit l’observateur et la mesure intervenant au niveau le plus fondamental en physique.

Théorie de la décohérence avec paramètres cachés

La théorie de la décohérence avec paramètres cachés est une variante de la théorie de la décohérence classique. Comme pour la théorie classique, la décohérence se produit toujours indépendamment de la présence d’un observateur, ou d’une mesure, mais la théorie de la décohérence avec paramètres cachés stipule aussi que les lois quantiques ne seraient pas capables à elles seules d’expliquer la décohérence. Elle introduit des paramètres physiques supplémentaires dans les lois quantiques (par exemple: action de la gravitation) pour expliquer la décohérence.
L’inconvénient est que ces paramètres supplémentaires, bien que compatibles avec les expériences connues, ne correspondent à aucune théorie complète et bien établie à ce jour.

Approche relationnelle

L’interprétation relationnelle ne fait aucune distinction fondamentale entre l’expérimentateur humain, le chat, l’appareil de mesure, objets animés conscients ou inanimés. Tous sont des systèmes quantiques gouvernés par les mêmes lois de l’évolution de la fonction d’onde, et tous peuvent être considérés comme des “observateurs”. L’interprétation relationnelle autorise que différents observateurs peuvent avoir différents points de vue d’une même série d’événements, selon l’information dont ils disposent sur le système.

Par exemple, le chat peut être considéré comme un observateur de l’appareil de mesure, alors que l’expérimentateur lui peut être considéré comme un autre observateur du système se trouvant dans la boîte (chat + appareil de mesure). Avant que la boîte soit ouverte, le chat, selon qu’il soit vivant ou mort, dispose de l’information sur l’état de l’appareil (l’atome s’est désintégré ou non). Mais l’expérimentateur lui ne dispose pas encore de l’information sur l’état du contenu de la boîte (chat + appareil). Ainsi les deux observateurs ont simultanément deux points de vue différents sur la situation:

  • Pour le chat, la fonction d’onde de l’appareil apparaît comme réduite.
  • Pour l’expérimentateur, le contenu (chat + appareil de mesure) semble toujours être en superposition.

C’est seulement quand la boîte est ouverte que les deux observateurs (chat et expérimentateur) ont la même information sur ce qui s’est passé, c’est seulement à ce moment que pour les deux observateurs le système s’est réduit à un état défini (le chat est soit vivant ou soit mort).

En conséquence, l’approche relationnelle de la mécanique quantique argumente que la notion d’”état” ne décrit pas le système observé en lui-même, mais plutôt la relation, ou corrélation, que le système entretien avec l’observateur. Cette approche ne se centre donc pas sur les objets eux-même, mais plutôt sur les relations qu’il y a entre eux.

Approche positiviste

L’approche positiviste pense que la fonction d’onde ne décrit pas la réalité en elle-même, mais uniquement ce que nous connaissons de celle-ci. Autrement dit, les lois quantiques ne sont utiles que pour calculer et prédire le résultat d’une expérience, mais pas pour décrire la réalité. Les problèmes ou paradoxes qui peuvent potentiellement émerger deviennent dépourvus de sens, car ces problèmes ne concernent alors plus la réalité en elle-même, qui est finalement « telle qu’elle est » et qui n’aurait pas à justifier de ses incohérences tant qu’elle donne des résultats qui sont, à toutes fins utiles ou corrects. Dans cette hypothèse, l’état superposé mort-vivant du chat n’est pas un état « réel » et il n’y a pas lieu de philosopher à son sujet. De même, la décohérence ou l’effondrement de la fonction d’onde n’a aucune réalité en elle-même, et elle décrit simplement le changement de connaissance que nous avons du système. Le paradoxe, dans cette approche, est donc évacué. Cette approche positiviste repose sur la conviction que la mécanique quantique n’est qu’une description de tout ce que nous pouvons connaître de la réalité, mais ne décrit pas la réalité en elle-même.

Approche réaliste et théorie des univers parallèles

L’apporche réaliste prend le contre-pied de l’approche positiviste et stipule que la fonction d’onde décrit la réalité, et toute la réalité. L’approche réaliste pense que les postulats de la mécanique quantique nous disent quelque chose à propos de la réalité physique et recherchent donc la cohérence et leur adéquation avec la réalité elle-même.

Par exemple la théorie des univers parallèles (ou multivers), initiée par Hugh Everett en 1957, s’inscrit dans ce courant de pensée réaliste. La théorie des univers parallèles permet de décrire séparément les deux états simultanés mort-vivant du chat et leur donne une double réalité, c’est-à-dire deux réalités dans deux univers parallèles.  Cela signifie que, quand une mesure quantique peut donner plusieurs résultats différents, l’ensemble des superpositions de toutes les valeurs possibles de la mesure coexistent dans un multivers, mais nous n’aurions conscience que d’une seule éventualité car notre conscience (qui est par hypothèse, dans cette théorie, un phénomène purement physique) se retrouve quantiquement intriquée avec un et un seul résultat de la mesure. Il est donc impossible, pour un état de conscience donné, de percevoir l’ensemble des états superposés, pourtant réels d’après cette théorie. A chaque observation la réalité se scinderait en autant d’univers que d’observations physiquement possibles. Selon cette théorie, le chat serait à la fois mort et vivant de façon totalement indépendante à l’ouverture ou non de la boîte, les états mort et vivant subsisteraient après l’ouverture de la boîte. Les états “mort” et “vivant” seraient deux états réels qui ne peuvent pas intéragir l’un avec l’autre et dont leur histoire se déroule dans différentes branches indépendantes de l’univers.

Chat de Schrödinger

Conclusion

Où mettre la limite entre objets “classiques” (chat, appareils de mesure) et “quantiques”? Comment passe-t-on de et (états superposés) à ou?

Pour conclure, on voit que le paradoxe du chat prend sa source dans la formulation même des lois quantiques. Si une théorie alternative, formulée différemment, peut être établie, alors le paradoxe disparaîtrait de lui-même. Dans une telle nouvelle théorie, s’il n’existe ni superposition des particules ni décohérence, alors le prétendu paradoxe du Chat de Schrödinger se réduit à un simple artefact d’une théorie orginellement mal formulée. D’ailleurs la mécanique quantique se fonde sur 6 postulats fondamentaux qui sont considérés comme exacts. Certains considèrent que de véritables solutions au problème de la mesure ne peuvent être apportées qu’en remettant plus ou moins fondamentalement en cause ces postulats.

Encore quelques petites vidéos qui expliquent bien l’expérience et le paradoxe qui en découle:

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Sources:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Chat_de_Schr%C3%B6dinger

http://en.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%B6dinger’s_cat

http://www.xatakaciencia.com/fisica/el-gato-de-schrodinger

http://www.xatakaciencia.com/fisica/el-gato-de-schodinger-i

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Podcast science 38 – La lumière

On 26.05.2011, in Notes d'émission, by Podcast Science
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Bonjour à toutes et à tous!

Un peu de housekeeping d’abord, concernant notre virée au CERN le samedi 9 juillet à 14h : merci de nous confirmer

  1. votre venue (il y a des gens sur liste d’attente, si jamais votre place devait se libérer, elle ne serait pas perdue pour tout le monde)
  2. votre taille de t-shirt (S, M, L, XL, XXL ou autre)

Via les moyens habituels siouplait, soit

Là, maintenant, tout de suite please. Merci :)

Le dossier de la semaine

Retour sur le dossier de la semaine dernière

Le commentaire avisé de Pierre Kerner:

J’ai beaucoup aimé cet épisode (que j’ai mis du temps à écouter, mais voilà chose faite). Alan c’est lancé sur un gros morceau digne des dossiers épique de Mathieu, chapeau donc! Pas de grosses critiques à faire. Je vous dirige juste sur l’excellent blog de Christie Wilcox d’Observations of a Nerd qui a publié un billet du même acabit à l’occasion de l’identification du corps d’Osama ben Laden (en Anglais : http://goo.gl/G4m7R ). 

Sinon je reviens sur une remarque de Mathieu que je ne peux pas laisser passer: Il a réagi sur le fait que les 4 “lettres” (les bases azotées) se retrouvaient chez tous les animaux, de la plus simple bactérie aux animaux les plus évolués… Alors bon, d’abord, il faut savoir qu’il fallait remplacer “animaux” dans sa phrase par “organismes” (vu que les bactéries ne sont pas des animaux et qu’au passage on oublie les plantes, les algues, les champignons, les archées, les protozoaires et j’en oublie…). Ensuite, je tilte (faut pas le prendre mal, c’est le mode enseignant qui s’enclenche), sur les formules: animaux les plus évolués. Dans la première partie d’un de mes articles sur les poissons amphibies (http://goo.gl/KPop9 ) je poussais un coup de gueule sur la vue trop répandue d’une échelle de la complexité que les organismes vivants se mettraient à gravir durant l’évolution, et où chaque barreau représenterait un stade évolutif où s’arrêteraient certaines lignées tandis que d’autres continueraient vers l’apogée où, bien entendu, nous les humains, résiderions… Et beh non: les bactéries qui vivent à l’heure actuelle sont “aussi” évoluées que les humains. Ce qui signifie qu’elles sont le résultat d’autant de milliards d’années d’évolution durant lesquelles elles ont accumulées des modifications qui ajoutent à la divergence entre leur lignée et celle qui a mené jusqu’à notre émergence. A vrai dire, si on jaugeait l’évolution par le nombre de modifications accumulées dans un génome, ce sont les bactéries qui devraient être targuées comme ‘plus évoluées’… La confusion vient du fait qu’on associe volontiers les processus d’accumulation de complexité avec les mécanismes évolutifs. Mais ceux-ci s’associent seulement au grès de la sélection naturelle. Et si un jour, une lignée se voit condamnée par une trop grande complexité pour s’adapter à leur milieu ou pour mieux se reproduire, les individus qui perdraient cette complexité viendraient facilement à prédominer la population locale et entrainerait une dé-complexification (encore une fois mal interprétée quand on entend parler de dé-évolution…).

Précision importante, en effet, nous allons d’ailleurs consacrer une émission entière à l’évolution dans deux semaines, juste après avoir consacré une émission entière à un thème non moins important: notre ami Taupo/Pierre Kerner, justement.

Enfin la quote de Mathieu:

“I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics”. – Richard Feynman
Traduction libre: “Je peux affirmer sans risque que personne ne comprend la mécanique quantique” (Richard Feynman était sans doute l’autorité la plus respectée du domaine… de la mécanique quantique!)

Prochain enregistrement en direct du World Science Festival de New York (et bien sûr de Barcelone), rien que ça! Bonne semaine!

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Dossier – La Lumière

On 26.05.2011, in Dossiers, by Mathieu
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Il n’est pas facile de définir la lumière, car elle peut être représentée de deux façon différentes:

  • Nature ondulatoire.
  • Nature corpusculaire (particule).

La métaphore du cylindre est l’exemple d’un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables. Il serait à première vue incongru d’affirmer qu’un objet a à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle; sur un plan (au sens géométrique), un objet est soit un cercle, soit un rectangle. Mais si l’on considère un cylindre : une projection dans l’axe du cylindre donne un cercle (source lumineuse dans l’axe projette une ombre en cercle sur un mur), et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle (source lumineuse perpendiculaire à l’axe projette un ombre rectangle sur un mur). On a donc bien un objet ayant les propriétés d’un cercle et d’un rectangle (mais il n’est ni l’un, ni l’autre).

Dualité

Quand on dit que la lumière est à la fois onde et particule, ce sont des manières de voir les choses et non pas les choses en elles-même, ce sont des représentations.

Nature ondulatoire

La lumière visible est composée de l’ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l’oeil humain, c’est-à-dire comprises dans des longueurs d’onde situées entre le violet et le rouge.

Outre la lumière visible, par extension, on appelle aussi parfois « lumière » d’autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines de fréquences de l’ultraviolet et de l’infrarouge.

Spectre optique

Ce sont les travaux sur l’életromagnétisme de James Clerk Maxwell aboutis en 1873 qui permettent d’expliquer le phénomène ondulatoire de la lumière. Il définit la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d’un rayonnement électromagnétique (le rayonnement électromagnétique est une variation des champs électriques et magnétiques). Maxwell a montré que la lumière peut être modélisée par un champ électromagnétique (qui se propage dans une direction perpendiculaire à lui-même). Lorsque ce champ a une fréquence bien déterminée, l’onde associée peut être caractérisée par sa longueur d’onde qui dépend, d’ailleurs, du milieu où elle se propage. Dans le cas de la lumière visible, la couleur perçue par le cerveau, via l’œil, est la manifestation de la fréquence et non de la longueur d’onde (la diffraction, les interférences ou la polarisation nécessitent de prendre en compte la nature ondulatoire de la lumière).

Le spectre du rayonnement lumineux visible n’est qu’une partie de l’ensemble du rayonnement électromagnétique, beaucoup plus large : infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons X, les rayons γ

Spèctre

Ce sont les fameuse équations de Maxwell qui permettent de développer une théorie générale de l’électromagnétisme. Elles permettent d’expliquer aussi bien la propagation de la lumière que le fonctionnement d’un électroaimant. Ces équations de Maxwell constituent des lois fondamentales de la physique et sont des postulats de base de l’électromagnétisme. Elles décrivent la force électromagnétique, qui est l’une des 4 forces fondamentales de l’Univers.

Nature corpusculaire

C’est Newton qui avait développé au départ une théorie purement corpusculaire de la lumière. Plus tard, la physique du XXéme siècle a montré que l’énergie transportée par la lumière est quantifiée grâce à des particules qu’on appelle photons. Le concept de photon a été développé par Albert Einstein entre 1905 et 1917 pour expliquer des observations expérimentales qui ne pouvaient être comprises dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière. Il a ainsi montré que parallèlement à son comportement ondulatoire — interférences et diffraction —, la propagation du champ électromagnétique présente simultanément des propriétés corpusculaires. On appelle photon:

  • le quantum d’énergie, c’est à dire la plus petite quantité d’énergie, indivisible, qui compose la lumière.
  • le photon peut être représenté comme une particule porteuse d’énergie, mais dépourvue de masse!

Le pénomène de rayonnement ou radiation en physique désigne le processus d’émission ou de transmission d’énergie impliquant une particule porteuse. Le rayonnement électromagnétique a comme vecteur le photon. À chaque type de radiation correspond sa particule porteuse : le photon pour le rayonnement électromagnétique, ou les particules alphabêta ou neutron pour respectivement les rayonnement alphabêta ou neutronique

Dualité onde-particule

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence. Or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. En 1905, Albert Einstein réconcilia la théorie de Maxwell avec celle de Newton : il expliqua l’effet photoélectrique, un effet dans lequel la lumière n’agit pas en tant qu’onde, mais en postulant l’existence des photons. L’effet laser s’explique aussi en terme de photons. Einstein postula que la fréquence ν de la lumière, est liée à l’énergie E des photons.

Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en termes de fréquence ν (ou période T), de longueur d’onde λ associée ou d’énergie des photons E.

Spectre onde electromagnetique

Mise en évidence de la dualité grâce aux fentes de Young

Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l’expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d’abord mis clairement en évidence l’aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule de la lumière.

L’expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d’émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l’écran enregistre la lumière issue des deux fentes.

Fentes de Young

 

Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique des franges lumineuses que l’on appelle une figure d’interférence. Cette figure est caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière. Si l’expérience en reste à ce niveau, l’aspect corpusculaire n’apparaît pas.

Interférences

En fait, il est possible de diminuer l’intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule. Si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes, donc de “vraies” particules, on n’obtient aucune figure d’interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes, correspondant aux impacts des micro-billes. Or, dans le cas d’une émission lumineuse de faible intensité et envoyée par une sorte de canon à photons, on constate que l’impact de la lumière sur l’écran est marqué de la même manière que les micro-billes. Au fur et à mesure que les impacts augmentent sur la plaque photographique, on retrouve petit à petit une figure d’interférence reconstituée par l’ensemble des impacts des photons. On retrouve donc une figure d’interférence caractéristique des ondes, en même temps qu’un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique.

L’interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d’impacts sur la plaque photographique sont inexplicables; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d’interférence, puis la voire de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s’expliquent aisément, mais la figure d’interférence qui se crée peu à peu ne s’explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d’autres interdites à ces particules ?

L’existence du photon ne contredit pas la théorie ondulatoire, au contraire : en mécanique quantique, la dualité onde-particule (ou onde-corpuscule) dit qu’à chacune des particules est associée une onde. Cette onde est appelée fonction d’onde de la particule, et c’est elle qui code la densité de probabilité des variables mesurables de la particule.  Si on considère le déplacement d’un unique photon (la position du photon est l’une des variables de la particule), les points d’arrivée possibles sont donnés sous forme de probabilités par l’onde associée. Sur un très grand nombre de photons, chaque lieu d’arrivée est illuminé avec une intensité proportionnelle à la probabilité de chacun des photons… ce qui correspond au résultat de la figure d’interférence de la théorie classique ondulatoire.

Sur la plaque photographique de l’expérience des fentes de Young, il se produit ce que l’on appelle une réduction du paquet d’onde, ou une décohérence de la fonction d’onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d’onde: élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d’autres (franges sombres).

Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique:

  • Jusqu’à ce qu’une observation soit faite, la position d’une particule est décrite en termes d’ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

La lumière est donc considérée comme constituée de photons qui se comportent comme:

  • des corpuscules dans leurs interactions avec la matière.
  • des ondes pour leur propagation.

Optique Géométrique

L’optique géométrique est une approche complémentaire de l’optique ondulatoire et de l’optique quantique. Elle est en revanche plus ancienne, ayant été développée dès l’antiquité. C’est l’optique géométrique, qui reste l’outil le plus flexible et le plus efficace pour expliquer un certain nombre de phénomènes simples liés à la lumière. Par exemple, la lumière incidente sur l’interface entre deux milieux peut être réfléchieréfractée (dispersée) ou absorbée.

Réflexion-Réfraction

Réflexion

La lumière se déplace en ligne droite dans tout milieu transparent, en particulier dans le vide ou l’air. Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse fixe et indépassable d’environ 300’000 km/s. La lumière est un peu plus lente dans l’air, et notablement plus lente dans l’eau.

Le phénomène de réflexion est dû au fait que les rayons lumineux sont déviés (réfléchis) lors de la rencontre d’une surface réfléchissante (miroir). Les rayons lumineux réfléchis le sont tels que l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence sur la surface réfléchissante.

Réfraction

La réfraction survient généralement à l’interface entre deux milieux, ou lors d’un changement de densité du milieu. Les rayons lumineux peuvent changer de trajectoire lors du passage d’un milieu à un autre. Tout milieu homogène dans lequel se propage un rayon lumineux possède un indice de réfraction. En tombant sur une surface (dioptre) séparant le milieu où il se propage (milieu d’incidence) d’un autre milieu possédant un autre indice de réfraction, ça donne naissance, dans ce second milieu, à un rayon qui n’est pas dans son prolongement, qui est dévié: c’est le rayon réfracté. Le fonctionnement des lentilles est basé sur ce phénomène de réfraction de la lumière.

Refraction Verre

Dans l’approche ondulatoire, la réfraction est un phénomène de déviation d’une onde lorsque sa vitesse change entre deux milieux. La vitesse de la lumière n’est pas la même dans les deux milieux. Ce changement de valeur suffit à interpréter le changement de direction de l’onde.

Lorsque la lumière incidente est monochromatique, on parle de simple pénomène de réfraction. Dans le cas de la lumière polychromatique, la réfraction conduit alors à un phénomène plus étendu et généralisé qu’on appelle de dispersion.

Dispersion

La dispersion est le phénomène affectant une onde dans un milieu dans lequel les différentes fréquences constituant l’onde ne se propagent pas à la même vitesse. L’indice de réfraction du milieu n’est pas le même pour toutes les composantes ondulatoires d’un rayon lumineux polychrome. L’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde des composantes de la lumière.

Dispersion

Les arcs-en-ciel sont une manifestation de la dispersion induite par réfraction des rayons du soleil par les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air.

La lumière blanche peut aussi se décomposer en arc-en-ciel à l’aide d’un prisme de verre. La décomposition de la lumière génère des raies spectrales qui correspondent aux différentes longueurs d’ondes émises. Le terme spectre fut employé pour la première fois en 1666 par Isaac Newton pour se référer à ce phénomène par lequel un prisme de verre peut séparer les couleurs contenues dans la lumière du Soleil. Chaque « couleur spectrale » de cette décomposition correspond à une longueur d’onde précise. Etant donné que l’indice de réfraction n’est pas le même pour les différentes longueurs d’onde d’un faisceau de lumière blanche: le bleu est plus dévié que le jaune, lui-même plus dévié que le rouge…

Dans les expériences du prisme, du point de vue de l’optique géométrique, un prisme est l’association de deux dioptres plans non parallèles (air-verre-air).

prisme

Absorption

L’absorption, en électromagnétisme, désigne un processus physique par lequel l’énergie électromagnétique est transformée en une autre forme d’énergie.

Au niveau des photons, l’absorption représente le phénomène par lequel l’énergie d’un photon est capturée par une autre particule, par exemple par les électrons qui se traduit par une transition entre 2 niveaux d’énergie électronique. Le photon est alors détruit par l’opération, l’énergie électromagnétique est absorbée et transformée en énergie électronique. On voit donc que l’absorption d’un photon peut provoquer des transitions atomiques, c’est-à-dire d’exciter un atome dont l’énergie augmente par la modification de l’orbite d’un de ses électrons. Cette énergie absorbée peut par la suite être:

  • re-transformée en énergie électromagnétique par l’émission de nouveau(x) photon(s). Lorsqu’un atome excité revient à son état d’énergie fondamental, il émet un photon dont l’énergie (et donc la fréquence) correspond à une différence entre deux états d’énergie de l’atome.
  • transformée en agitation particulaire (augmentation de la vitesse de la particule) ce qui se traduit au niveau macroscopique par une augmentation de la température (l’énergie électromagnétique a été transformée en chaleur).

C’est Niels Bohr qui interpréta l’émission de lumière par l’émission d’un photon lorsque l’atome passe d’un niveau d’énergie à un autre. Le spectre d’émission de n’importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l’élément. Les photons sont ainsi des « paquets » d’énergie élémentaires, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière.

Pour la plupart des substances, le taux d’absorption varie avec la longueur d’onde de la lumière incidente, menant à l‘apparence de couleur dans les pigments qui absorbent certaines longueurs d’onde mais pas d’autres. Par exemple, avec une lumière blanche incidente, un objet qui absorbe les longueurs d’onde dans le bleu, vert et jaune, apparaîtra de couleur rouge. Un matériau de couleur noire absorbe toutes les longueurs d’onde (converties en chaleur), alors qu’un matériau de couleur blanche les réfléchit.

Diffraction

L’optique géométrique qui explique bien la grande partie des phénomènes de réflexion et réfraction ne permet pas d’expliquer tous les phénomènes lumineux. En particulier, elle ne tient pas compte du fait que la lumière est de nature ondulatoire. Lorsque tous les objets qui interagissent avec la lumière ont des tailles caractéristiques grandes devant la longueur d’onde du rayon lumineux alors il est convenable et plus simple d’utiliser l’optique géométrique pour décrire son comportement avec une bonne précision. Mais quand la lumière passe à travers des objets dont la taille est du même ordre de grandeur (voire plus petits) que sa longueur d’onde, alors il n’est plus possible de négliger l’aspect ondulatoire et on entre dans le domaine de l’optique ondulatoire. Deux phénomènes caractéristiques de l’optique ondulatoire, inexplicables dans le contexte de l’optique géométrique, sont les interférences lumineuses (Fentes de Young) et la diffraction.

La diffraction est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, est dévié dans de multiples directions par une interaction avec d’autres objets ou un obstacle. La diffraction décrit donc le comportement des ondes lorsqu’elles rencontrent un obstacle. Elle se manifeste par le fait qu’après la rencontre d’un objet, la densité de l’onde n’est pas conservée selon les lois de l’optique géométrique. La diffraction s’observe avec la lumière, mais également avec le son, les vagues, les rayons X…. Elle est une signature de la nature ondulatoire d’un phénomène.

On parle d’interférence lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l’une avec l’autre. La diffraction est le résultat de l’interférence des ondes diffusées par chaque point.

Diffraction

Exemple Pratique: Miroir et Photon

Soit un miroir avec un pouvoir réflecteur de 90 % (on considère qu’on reste dans le cadre la lumière visible humaine). Une source envoie simultanément 100 photons à la même fréquence contre ce miroir. Que va-t-il se passer?

  • Le miroir va réfléchir 90 photons et en absorber 10 (l’absorption des 10 photons pourrait se traduire par une petite augmentation de chaleur du miroir).

Sur quel critère 10% des photons vont passer à la “trappe” et vont être absorbé s’ils sont tous semblables. Qu’est ce qui va etre déterminant sur le choix des photons à réfléchir et ceux qui vont être absorbé ?

  • Sur la base de la nature corpusculaire de la lumière dont l’essence est intrinséquement probabiliste selon la mécanique quantique, le photon aura 9 chances sur 10 d’être réfléchi et 1 chance sur 10 d’être absorbé.

Un autre question plus tordue: un seul photon est émis, et envoyé à la rencontre du miroir. Celà voudrait-il dire que 0,9 photon est réfléchi et 0,1 est absorbé? Qu’est ce que 0,9 photon?

  • A nouveau, le photon aura 9 chances sur 10 d’être réfléchi, et 1 chance sur 10 d’être absorbé.

Ce qu’il faut savoir c’est que en réalité, ça n’a même pas de sens de se demander “lesquels” des 100 photons sont réfléchis et lesquels sont absorbés, parce qu’on ne peut pas les individualiser. Il faut plutot imaginer l’état d’un champ composés de 100 photons. Ce champs va évoluer vers un nouvel état composés de 90 photons réfléchis, l’énergie manquante ayant été absorbée. La même idée peut être expliqué dans le fonctionnement des comptes bancaires: c’est comme si la banque prélevait 10 euros de frais et commission sur 100 euros déposés sur un compte… on ne se pose pas la questions sur quels sont les euros parmi les 100 qui ont été prélevés!

Sources:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dualit%C3%A9_onde-particule

http://fr.wikipedia.org/wiki/Optique_g%C3%A9om%C3%A9trique

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9fraction_des_ondes

http://fr.wikipedia.org/wiki/Absorption_(optique)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dispersion

http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffraction

http://forums.futura-sciences.com/physique/268537-miroir-photon-oeoeoeoemoi-2-autres-menervent.html

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