PQT S02 E02

De Vents & Jardins
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Série PQT : La physique quantique en touriste
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Deux expériences de pensée

Dans cet épisode, nous allons aller un peu au delà de l'expérience historique de Stern et Gerlach et nous allons découvrir deux dispositifs imaginaires :

  • D'abord, le dispositif imaginé par Richard Feynman et qu'il appelait un "dispositif de Stern et Gerlach amélioré".
  • Ensuite une proposition de fonctionnement pour l'appareil imaginaire avec lequel Leonard Susskind mesure les spins dans le célèbre cours qu'il a donné à Stanford en 2012.

Vous allez me dire «mais à quoi ça sert de faire des expériences imaginaires avec des appareils imaginaires»?

Et bien en fait, c'est très pratique, mais ça nécessite de faire un peu confiance à celui qui parle de l'expérience imaginaire.

C'est très pratique parce que les expériences imaginaires sont beaucoup plus simples que les expériences du monde réel. On en a vu un exemple évident dans la saison précédente avec l'expérience de Stern et Gerlach.

Mais la contrepartie, c'est qu'il faut faire confiance à celui qui l'explique. Ce genre d'expérience, qu'on appelle aussi des «expériences de pensée» ne sert qu'à exposer la logique de quelque chose. Ca montre comment on pourrait la faire en principe. Mais évidemment, ça ne démontre rien physiquement. Dans notre cas, ça n'a d'intérêt que parce que les physiciens ont fait énormément d'autres expériences, considérablement plus compliquées, et qu'ils sont tout à fait certains que si on réussissait à construire un dispositif concret aussi épuré que leur expérience de pensée, on obtiendrait le résultat annoncé.

Contrairement à ce qu'on croit parfois, la science est toujours un sport collectif. Personne ne peut tout vérifier par lui-même, et il y a toujours un moment où on est obligé de faire confiance aux copains.

Le dispositif «amélioré» de Feynman

Le «dispositif amélioré» de Feynman

Commençons par le dispositif imaginé par Richard Feynman. Vous reconnaissez à gauche le four d'où sortent les atomes d'argent, avec des spins orientés totalement au hasard[1].

Vous reconnaissez ensuite les aimants bizarres de l'expérience de Stern et Gerlach, sauf qu'ils sont devenus un peu plus compliqués.

Et surtout à la sortie, vous voyez que tous les atomes se retrouvent avec le même état de Spin, orienté vers le haut. C'est là tout l'intérêt du dispositif "amélioré" de Feynman. Pour en comprendre le principe et vérifier qu'il n'y a pas de loi physique qui nous empêcherait de le réaliser, nous allons maintenant le décortiquer.

Premier élément

Le premier élément du «dispositif amélioré» est en fait un dispositif de Stern et Gerlach tout à fait ordinaire. Si vous n'êtes pas familier avec cette chose là, je vous invite à consulter les vidéos de la première saison pour vous rafraîchir les idées.

Cet élément du dispositif sépare le faisceau d'atomes d'argent en deux parties: une dont les spins sont orientés vers le haut et une autre dont les spins sont orientés vers le bas. Là aussi, nous avons simplifié certaines choses, notamment en ce qui concerne la "trajectoire" des faisceaux d'atomes, chaque chose viendra en son temps.

Élément central, avec l'écran

Pour comprendre le fonctionnement du deuxième élément du dispositif, j'ai fait disparaître le premier, celui qui positionnait les atomes dans un sens ou dans l'autre.

On voit à gauche un atome «penché» qui arrive dans le premier élément, désormais invisible, puis les deux faisceaux d'atomes qui se séparent. Il y a une plaque de métal qui bloque les atomes qui vont vers le bas. Ne passent que ceux dont le spin est tourné vers le haut et qui vont vers le haut.

En regardant bien, on s'aperçoit que les aimants de ce deuxième élément sont inversés par rapport au premier. Résultat, les atomes qui avaient été déviés vers le haut par le premier élément vont maintenant être renvoyés vers le bas.

Une chose importante à comprendre ici, c'est que cette interaction avec un deuxième électroaimant ne va pas modifier la direction des spins. La directions des spins reste la même, parce que les spins qui sont parfaitement dans l'axe ne «basculent» pas. Pourquoi? Nous reviendrons longuement sur ce sujet plus tard et tout deviendra plus clair. Pour le moment, je vous demande juste de me croire.

Élément central, vue arrière



Et voici le même élément vu de derrière, avec son écran qui bloque les atomes dont le spin est tourné vers le bas. Il renvoie vers le bas les atomes qui allaient vers le haut.

Troisième élément du dispositif


Pour terminer j'ai rendu invisibles les deux premiers éléments et fait apparaître le dernier. C'est un dispositif de Stern et Gerlach tout à fait classique, comme le premier. Il n'agit que sur des atomes qui sont déjà préparés avec des spins tournés vers le haut. Son seul rôle est de corriger une dernière fois leur "trajectoire"[2] pour les replacer dans l'axe de départ.


Voici maintenant un éclaté d'ensemble du dispositif.

Vue d'ensemble


Préparation de spins "up"



Voici maintenant le dispositif "compacté".


Préparation de spins "penchés"


Un des très gros avantages avec ce dispositif de Stern et Gerlach amélioré par Feynman, c'est que nous pouvons maintenant produire des faisceaux d'atomes dont les spins sont orientés dans la direction que nous voulons. Ici, ils sont tous un peu penchés.


Préparation de spins "left"



Et là, ils sont tous penchés à 90°, vers la gauche[3] par rapport à la direction du jet, ce qui va s'avérer bien utile pour nos expériences suivantes.

L'appareil «mystérieux» de Leonard Susskind

L'appareil « mystérieux » de Susskind


Venons-en maintenant à l'appareil « mystérieux » de Leonard Susskind[4].

Je l'appelle « mystérieux » parce qu'en fait, Leonard Susskind ne dit rien de son fonctionnement interne. Il se contente de postuler l'existence d'un appareil qui mesure le spin en donnant deux résultats possibles:

  • +1 si le spin est aligné avec l'appareil et orienté vers le haut de l'appareil
  • -1 s'il est orienté dans le sens opposé.

C'est suffisant pour les explications qu'il donne dans la vidéo de son cours.

Toutefois, pour nos explications à nous, qui seront plus détaillées et plus vulgarisées, c'est un peu abstrait.

Un spin approche de l'appareil



Alors j'ai imaginé une possibilité de mécanisme interne de cet appareil.

Je le vois composé d'un aimant, d'un ressort et de deux contacts électriques, capables d'allumer les indications "+1" ou "-1".


Si le spin a été préparé comme ici, par un "dispositif amélioré" comme on l'a vu plus haut, il a 75% de chances de « basculer » dans l'état "up", c'est à dire avec son spin aligné avec l'appareil et pointant vers le haut.

Un spin "up", action et réaction



Ce faisant, il se comportera comme un petit aimant dont le pôle sud repousse le pôle sud de l'aimant de l'appareil.

Mouvements et affichage du résultat "+1"



L'atome est donc poussé vers le haut et l'aimant de l'appareil vers le bas, où il rencontre le contact électrique, ce qui allume la lampe et l'indication "+1".

Un spin "down" dans 25% des cas


Evidemment, comme le spin est arrivé "penché", il ne "bascule" vers le haut que dans 75% des cas, et il bascule vers le bas dans les 25% de cas restants. (Nous apprendrons plus tard comment calculer ces pourcentages)

Mouvement opposé et résultat "-1"



Les mouvements et le résultat correspondants sont alors bien entendu inversés. L'atome est attiré vers le bas, l'aimant de l'appareil est attiré par réaction vers le haut, et c'est le témoin "-1" qui s'allume.

Vers le prochain épisode

Nous avons maintenant:

  • un dispositif qui produit des spins dans l'état que nous voulons.
  • un appareil de mesure qui permet de regarder comment ils réagissent avec un aimant.

Nous pouvons donc passer à l'observation de toutes sortes de mesures, dans toutes sortes de directions différentes, pour essayer d'en apprendre un peu plus sur le comportement des spins.

C'est ce que nous ferons dans le prochain épisode.

Notes et références

  1. Bon, déjà là, quelques puristes pourraient trouver à y redire, mais souvenez-vous, ici, on fait de la vulgarisation et on n'approchera la "réalité", quoi que puisse signifier ce mot, que par approximations successives. Donc admettons pour le moment que tout ces atomes aient "réellement", dès la sortie du four, un spin orienté d'une manière bien définie, au hasard.
  2. Pour autant qu'il y ait encore des "trajectoires" en physique quantique, mais chaque chose en son temps, c'est l'idée générale et on la précisera plus tard
  3. J'écrirai «vers la gauche» en français mais je noterai «left» en anglais puis |L> plus tard, dans les formules mathématiques. C'est un choix critiquable sans doute, mais je l'assume. Mon objectif ici est seulement de faire de la vulgarisation scientifique, avec les notations les plus utilisées dans le monde entier. Mais comme d'habitude, si vous n'êtes pas un touriste mais un étudiant sérieux qui s'est égaré ici, ne le faites PAS dans vos copies !
  4. Dans le premier cours de physique quantique de sa célèbre série "Theoretical minimum".