Des physiciens ont filmé des atomes entrant dans un état semblable à celui du chat de Schrödinger avec des détails sans précédent, révélant ainsi à quoi ressemblent les atomes qui existent dans deux états entièrement différents exactement au même moment.
L’équipe a mis au point une technique qui lui a permis de saisir des détails aussi petits que 0,3 ångström – soit moins que la largeur d’un atome – et aussi brefs que 30 millionièmes de milliardième de seconde. Ces images ont constitué la base du tout premier film d’animation d’un “état de chat” atomique.
Pour ceux d’entre vous qui ont besoin d’un petit rappel, voici un résumé de l’expérience de pensée du chat de Schrödinger.
Imaginée par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1935, l’expérience du chat de Schrödinger propose de placer (hypothétiquement) un chat dans une boîte contenant des explosifs vivants qui ont une chance sur deux d’exploser une fois le couvercle fermé.
Pour notre propos, il s’agit d’une boîte magique et antidéflagrante qui ne révèle rien de ce qui se passe réellement à l’intérieur, de sorte que jusqu’à ce que vous ouvriez la boîte, vous n’avez aucune idée de l’état dans lequel se trouve votre chat.
En d’autres termes, jusqu’à ce que vous ouvriez la boîte, votre chat occupe deux états simultanément : mort ou vivant (et une troisième option secrète : incroyablement énervé).
Ce qui est délicat dans ce scénario hypothétique, c’est que tant que vous gardez le couvercle de la boîte fermé, votre chat est dans ce qu’on appelle un état de superposition – il est à la fois mort et vivant, parce qu’il doit être l’un des deux et qu’il ne peut être ni l’un ni l’autre.
Alors que Schrödinger a imaginé cette expérience pour réfléchir à la nature de la réalité dans notre univers et pour démontrer à quel point la mécanique quantique est étrange, des décennies plus tard, les physiciens ont réalisé que les atomes peuvent réaliser une version réelle des états jumeaux du chat.
Comme l’explique Jennifer Ouellette pour Gizmodo, en 2005, des physiciens de l’Institut national américain des normes et de la technologie ont réussi à créer un “état de chat” en laboratoire, où six atomes se trouvaient simultanément dans des états de “spin up” et de “spin down”.
“Imaginez qu’ils tournent en même temps dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse”, explique-t-elle.
Le principe est devenu la base même des ordinateurs quantiques – qui sont annoncés comme la prochaine génération de technologie informatique qui fera voler en éclats nos ordinateurs actuels – et si les physiciens ont réussi à forcer les atomes à se mettre dans un état de superposition, jusqu’à présent, personne n’avait été capable de filmer clairement ce comportement.
Pour y parvenir, une équipe de l’université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère américain de l’énergie a créé une molécule d’iode à deux atomes.
Ils ont fait sauter cette molécule à l’aide d’un laser à rayons X, ce qui lui a fait absorber une brève décharge d’énergie. Cette décharge a incité la molécule à se scinder en deux versions d’elle-même – l’une excitée, l’autre non.
Lorsque cette molécule divisée a été frappée par une autre salve de laser à rayons X, les particules de lumière – ou photons – se sont dispersées sur les deux versions de la molécule et se sont recombinées pour former un hologramme à rayons X de l’action.
L’équipe a réalisé cette expérience à plusieurs reprises et est parvenue à enchaîner une série de clichés radiographiques pour créer le film radiographique le plus détaillé au monde de la machinerie interne d’une molécule.
“Notre film, qui est basé sur les images de milliards de molécules d’iode gazeux, montre toutes les façons possibles dont la molécule d’iode se comporte lorsqu’elle est excitée avec cette quantité d’énergie”, explique l’un des membres de l’équipe, Phil Bucksbaum, dans un communiqué de presse.
Vous pouvez voir les résultats ci-dessous :
Voici Bucksbaum qui explique ce que vous venez de voir :
“Nous le voyons commencer à vibrer, les deux atomes se rapprochant et s’éloignant l’un de l’autre comme s’ils étaient reliés par un ressort. Au même moment, nous voyons le lien entre les atomes se rompre, et les atomes s’envoler dans le vide.
Simultanément, nous les voyons toujours connectés, mais rester un moment à une certaine distance l’un de l’autre avant de se rapprocher à nouveau. Au fil du temps, les vibrations s’atténuent jusqu’à ce que la molécule soit à nouveau au repos. Tous ces résultats possibles se produisent en l’espace de quelques trillionièmes de seconde.”
Non seulement l’équipe a réussi à imager le comportement d’une molécule d’iode avec plus de détails que jamais auparavant, mais elle affirme que cette technique de tournage peut être appliquée rétroactivement aux données d’expériences passées.
“Notre méthode est fondamentale pour la mécanique quantique, nous sommes donc impatients de l’essayer sur d’autres petits systèmes moléculaires, y compris les systèmes impliqués dans la vision, la photosynthèse, la protection de l’ADN contre les dommages causés par les UV et d’autres fonctions importantes chez les êtres vivants”, déclare Bucksbaum.
L’étude a été acceptée pour publication dans une prochaine édition de Physical Review Letters, mais vous pouvez la lire dès à présent sur le site Web de préimpression, arXiv.org.
Et vous devez absolument regarder la vidéo explicative de l’expérience réalisée par l’équipe, car elle est glorieuse :