LA PHYSIQUE QUANTIQUE (SERGE HAROCHE)
 

 

 

 

 

 

 

LA PHYSIQUE QUANTIQUE (SERGE HAROCHE)


"La théorie quantique, centrale à notre compréhension de la nature, introduit en physique microscopique les notions essentielles de superpositions d'états et d'intrication quantique, qui nous apparaissent comme "" étranges "" et contre-intuitives. Les interférences quantiques et la non-localité - conséquences directes du principe de superposition et de l'intrication - ne sont en effet pas observables sur les objets macroscopiques de notre expérience quotidienne. Le couplage inévitable de ces objets avec leur environnement détruit très vite les relations de phase entre les états quantiques. C'est le phénomène de la décohérence qui explique pourquoi autour de nous l'étrangeté quantique est généralement voilée. Pendant longtemps, superpositions, intrication et décohérence sont restés des concepts analysés à l'aide d'" expériences de pensée " virtuelles, dont celle du chat de Schrödinger à la fois mort et vivant est la plus connue. À la fin du XXe siècle, les progrès de la technologie ont rendu réalisables des versions de laboratoire simples de ces expériences. On peut maintenant piéger et manipuler des atomes et des photons un par un et construire des systèmes de particules suspendus entre deux états quantiques distincts qui apparaissent ainsi comme des modèles réduits de chats de Schrödinger. Au delà de la curiosité scientifique et du défi que constitue l'observation de l'étrangeté quantique pour ainsi dire in vivo, ces expériences éclairent la frontière entre les mondes classique et quantique et ouvrent des perspectives fascinantes d'applications. "

Texte de la 213ème conférence de l’Université de tous les savoirs donnée le 31 juillet 2000.
Une exploration au cœur du monde quantique par Serge Haroche
Cent ans de physique quantique
L’an 2000 marque le centenaire de la physique quantique. C’est en 1900 que Planck, pour comprendre les propriétés du rayonnement des corps chauffés, émit la fameuse hypothèse que les échanges d’énergie entre la matière et la lumière devaient se faire par quanta discrets, et non de façon continue. Einstein reprit cette notion de quanta cinq ans plus tard en montrant que la lumière elle-même était constituée de grains discrets, appelés par la suite photons, et en interprétant à l’aide de cette idée révolutionnaire l’effet photoélectrique, l’émission d’électrons par les métaux éclairés. Dans les vingt ans suivants, la théorie quantique, cherchant à comprendre le comportement de la nature à l’échelle atomique, se développa à partir d’hypothèses hardies et d’intuitions géniales, notamment grâce aux travaux de Niels Bohr. En 1925 et 1926, Heisenberg, Schrödinger et Dirac arrivèrent indépendamment à la formulation complète de la théorie, qui constitue sans nul doute une des plus grandes conceptions de l’esprit humain.
La théorie quantique sert en effet de cadre essentiel à notre compréhension de la Nature, de l’infiniment petit à l’infiniment grand. La physique des particules dites élémentaires, celle des atomes et des molécules, toute la chimie sont basées sur les lois quantiques. Les ensembles d’atomes que constituent les solides obéissent également à ces lois, qui seules peuvent expliquer, par exemple, la conductivité électrique, le magnétisme ou la supraconductivité de certains métaux aux basses températures. Même la vie, dans la mesure où elle dépend de processus physico-chimiques au niveau de la molécule d’ADN, ne pourrait être comprise en dehors des lois quantiques. Enfin, la cosmologie, la science qui s’attache à l’étude de l’évolution de l’univers, donne une grande importance aux phénomènes quantiques qui se sont produits au moment du big-bang initial.
Et pourtant, malgré ses succès éclatants, la physique quantique est souvent perçue comme étrange. Elle introduit en effet dans la description du monde des notions bizarres qui défient notre intuition classique. Il s’agit du principe de superposition des états qui implique qu’un système physique peut être comme suspendu entre différentes réalités, ou encore du concept d’intrication quantique qui introduit une notion troublante de non-localité en physique. Le caractère étrange de ces concepts provient en grande part de ce que nous n’en observons jamais les effets sur les objets macroscopiques qui nous entourent et que donc notre esprit n’est pas préparé à les comprendre. Cette étrangeté troublait les fondateurs de la théorie, et son interprétation a fait l’objet entre eux de discussions très animées. Ces débats se sont en particulier déroulés au cours des fameux Congrès Solvay, à l’époque de l’élaboration de la théorie. Les participants à ces congrès prirent l’habitude d’imaginer des expériences virtuelles dans lesquelles ils isolaient et manipulaient en pensée des particules obéissant aux lois quantiques pour essayer de mettre en évidence des contradictions internes de la théorie. Tous ces débats se conclurent par la victoire de la théorie quantique, à laquelle ni Einstein ni Schrödinger qui jouaient volontiers le rôle d’avocats du diable ne purent trouver de faille. L’intérêt de la majorité des physiciens se détourna alors de ces discussions sur des expériences infaisables, et se consacra à l’exploitation de la théorie pour comprendre la nature, avec le succès évoqué plus haut.
Depuis quelques années cependant, les progrès de la technologie ont permis de réaliser des versions simples des expériences de pensée des fondateurs de la théorie. On peut maintenant piéger des photons, des atomes ou des molécules un à un, les manipuler pour ainsi
dire in vivo à l’aide de faisceaux lasers et ainsi construire des objets étranges, relativement complexes, obéissant à la logique quantique. On peut alors aborder à nouveau, mais de façon concrète, l’étude des fondements de la théorie. On peut également commencer à envisager des applications fascinantes. C’est à ces expériences de pensée devenues réelles qu’est consacré cet exposé, brève exploration au cœur du monde quantique.
Superpositions, interférences quantiques et complémentarité
Commençons par une introduction au principe de superposition. La théorie quantique nous dit que, d’une certaine manière, toute particule microscopique possède un don d’ubiquité. Alors que classiquement elle doit à tout instant être en un point bien précis, quantiquement, elle peut se trouver comme « suspendue » dans une superposition des états correspondant à toutes les positions classiques possibles. À chacune de ces positions est associé un nombre appelé fonction d’onde de la particule au point considéré. Cette fonction a été introduite par de Broglie et c’est Schrödinger qui a établi l’équation qui décrit son évolution, jetant ainsi les bases des lois de la dynamique quantique. La fonction d’onde est en général un nombre complexe. Alors qu’un nombre réel peut être symbolisé par un segment sur une droite, un complexe est représenté par un vecteur dans un plan et possède donc une amplitude (la longueur du vecteur) et une phase (sa direction). C’est le physicien Max Born qui donna l’interprétation physique de la fonction d’onde. Le carré de son amplitude représente la probabilité de trouver la particule au point correspondant lorsqu’une mesure est effectuée. Ainsi, d’après la théorie, l’ambiguïté quantique, la superposition, ne subsiste que tant que l’on ne cherche pas à savoir où est la particule. Si on cherche à déterminer sa position, on force la nature à abandonner son étrangeté quantique, la particule apparaît bien en un point et en un seul, mais cette apparition ne peut être que prévue statistiquement et non déterminée de façon absolue comme en physique classique. C’est ce qui fit dire à Einstein que selon la physique quantique « Dieu joue aux dés », ce qu’il se refusait personnellement à admettre.
La physique atomique permet d’illustrer un aspect élémentaire du principe de superposition. Les chimistes représentent l’état d’un électron dans un atome – par exemple le plus simple d’entre eux, l’hydrogène – par un volume de l’espace qu’on appelle son orbitale (Figure 1a). Ce volume est, pour l’état fondamental de l’hydrogène, une petite sphère centrée sur le noyau de l’atome d’environ un Angström (soit 10-10 m) de diamètre. Il décrit la région de l’espace dans laquelle l’électron est délocalisé. Il se trouve en fait dans une superposition de toutes les positions possibles à l’intérieur de cette sphère. Lorsque l’on porte l’électron de l’atome dans un niveau électronique excité en lui fournissant de l’énergie lumineuse, la forme de l’orbitale change, elle s’étire en général pour occuper des régions plus éloignées du noyau comme le montre la figure 1b. Les états très excités de l’atome s’appellent des états de Rydberg. Dans certains de ces états, l’électron occupe une orbitale très étendue, en forme de tore, dont le rayon peut atteindre un millier d’Angströms (figure1c). Ces états excités géants ont des propriétés très intéressantes que nous retrouverons plus loin.
Abordons maintenant une conséquence essentielle du principe de superposition, l’existence d’interférences quantiques. Considérons la fameuse expérience des fentes de Young réalisée au début du XIXe siècle avec de la lumière, c’est-à-dire des photons, et au XXe siècle avec des électrons, et plus récemment avec des atomes et des molécules : des particules traversent une paroi percée de deux fentes avant d’atteindre un écran. Les particules sont détectées en des points discrets sur l’écran, comme le montre la figure 2a. Après avoir enregistré l’arrivée d’un grand nombre de particules, on constate que les points d’impact se regroupent suivant un réseau de franges « brillantes », séparées par des franges « noires » où les particules n’arrivent jamais. L’expérience se comprend bien en termes de fonction d’onde
des particules. Cette fonction possède en effet deux composantes, correspondant au passage de la particule par chacune des deux fentes. La fonction d’onde totale est la somme des deux composantes, au sens de l’addition des nombres complexes, ou encore des vecteurs qui les représentent. En certains points de l’écran, les ondes sont en phase, leurs vecteurs de même direction, et la probabilité de trouver la particule est importante. En d’autres points, les ondes sont en opposition de phase, leurs vecteurs opposés, et la particule a une probabilité nulle d’arriver. La figure d’interférence s’évanouit si on ferme une des deux fentes, puisque alors une des composantes de la fonction d’onde disparaît.
Cette interprétation ondulatoire est étrange si l’on note que l’expérience peut être faite dans des conditions de flux très faible, où il ne se trouve à chaque instant qu’une particule dans l’appareil. On obtient alors les mêmes franges, après un temps de moyen-âge très long. On peut alors se demander comment une particule, seule dans l’interféromètre, peut « savoir » si les deux trous sont ouverts, auquel cas elle doit éviter les franges noires, ou si un trou est bouché, auquel cas elle peut arriver n’importe où ! On a là un exemple typique de logique non-classique : un phénomène (arrivée de la particule en un point) est moins probable lorsque deux possibilités sont offertes à la particule que si une seule ne l’est ! Un physicien classique posera immédiatement des questions simples : par quel trou passe réellement la particule ? Est ce une onde (auquel cas on comprend les interférences mais pas l’arrivée discrète sur l’écran) ou une particule (auquel cas on comprend les impacts discrets mais plus les interférences). La mécanique quantique répond qu’en vertu du principe de superposition, la particule passe par les deux trous à la fois, aussi longtemps qu’on ne la force pas à choisir ! Notons enfin que de telles expériences, relativement faciles à réaliser avec des particules microscopiques, deviennent de plus en plus difficiles avec des particules de taille importante. C’est encore possible avec des molécules, mais pas avec des boules de billard ou un quelconque objet macroscopique !
Les interférences quantiques jouent un rôle capital en physique microscopique et l’on peut s’en servir pour des applications importantes. Considérons par exemple un atome possédant deux niveaux d’énergie, un niveau fondamental g d’énergie Eg, et un niveau excité e, d’énergie Ee. On sait qu’en absorbant de la lumière dont la fréquence ν satisfait la relation Ee – Eg = hν (où h est la constante de Planck) l’atome peut être porté du niveau g au niveau e en absorbant un photon. Si on excite l’atome par une impulsion lumineuse et si on ajuste la durée de cette impulsion, on peut s’arranger pour que l’atome se trouve excité « à mi-
chemin » entre e et g, dans une superposition de ces deux états. Appliquons maintenant à l’atome initialement dans l’état g deux impulsions identiques, séparées dans le temps, à deux instants t1 et t2. Chacune des impulsions superpose les deux états e et g. Mesurons enfin l’énergie de l’atome et, en recommençant l’expérience un grand nombre de fois, déterminons la probabilité de le trouver finalement dans l’état e. La fonction d’onde associée à l’atome va, comme dans le cas de l’expérience de Young, présenter deux termes. L’un correspond à l’excitation de l’atome de g à e à l’instant t1, l’autre à l’instant t2. À ces termes correspondent des amplitudes complexes qui interfèrent. Leur phase relative peut être variée en balayant la fréquence ν autour de la fréquence de résonance atomique. On observe alors que la probabilité de trouver l’atome dans l’état e oscille en fonction de ν. On obtient un signal d’interférence dit « de Ramsey », du nom du physicien qui a mis au point cette méthode interférométrique. Alors que dans l’expérience de Young l’interférence provient du fait que l’on ne sait pas par quelle fente la particule est passée, ici elle résulte de l’ambiguïté sur l’instant de l’excitation de l’atome. C’est en détectant de telles franges sur l’atome de Césium que l’on fait fonctionner l’horloge atomique qui définit actuellement la seconde.
Revenons un instant sur la question de savoir par quel chemin la particule est passée. L’interférence ne s’observe que si on n’a aucun moyen de connaître ce chemin. Si on cherche à le déterminer, il faut introduire un nouvel élément dans l’appareillage expérimental, par
exemple ajouter dans l’expérience des fentes d’Young une source lumineuse, un laser, qui éclaire les fentes (figure 2b). Lorsque la particule passe, elle diffuse de la lumière au voisinage de la fente correspondante et l’éclair lumineux peut être détecté pour déterminer le trajet de la particule. On constate bien alors que la particule passe aléatoirement par un trou ou par l’autre, mais aussi que les franges disparaissent : les points d’impact sont maintenant distribués de façon uniforme. En d’autres termes, la particule, en diffusant la lumière qui révèle son chemin a été perturbée de façon telle que les relations de phase existant entre les deux composantes de la fonction d’onde associée sont brouillées, entraînant la disparition des franges. Ce résultat exprime ce que Bohr a appelé le principe de complémentarité. L’existence des franges et l’information sur le chemin suivi sont deux aspect exclusifs l’un de l’autre et complémentaires de la réalité physique. Ils nécessitent l’utilisation d’appareils différents. On est sensible tantôt à l’aspect ondulatoire de la particule, si on utilise un appareil rendant les chemins indiscernables, tantôt à l’aspect corpusculaire, si on utilise un appareil permettant de distinguer les chemins.
Intrication quantique, chat de Schrödinger et décohérence
Venons-en maintenant à une autre conséquence essentielle du principe de superposition, observable dans des systèmes constitués d’au moins deux particules qui interagissent entre elles, puis se séparent. Pour fixer les idées, considérons la collision de deux atomes identiques. Chacun de ces atomes possède deux niveaux d’énergie e et g. Supposons qu’avant la collision, l’atome 1 est excité (état e) et l’atome 2 est dans son état fondamental (état g). Au cours de la collision deux événements différents peuvent survenir. Ou bien les atomes conservent leurs énergies initiales, ou bien ils les échangent. Classiquement, les atomes devraient « choisir » l’une de ces deux possibilités. La règle quantique est différente. Ils peuvent suivre les deux voies à la fois. Le système se trouve après la collision dans une superposition de l’état où l’atome 1 est dans e et 2 dans g et de l’état où 1 est dans g et 2 dans e. À chacun de ces états est associée une amplitude complexe. Les modules élevés au carré de ces amplitudes représentent les probabilités de trouver l’une ou l’autre de ces deux situations au cours d’une mesure effectuée sur les deux atomes. Notons que si le résultat de la mesure sur chaque atome est aléatoire, les corrélations entre les résultats des mesures sont certaines. Si l’atome1 est trouvé dans e, l’atome 2 est dans g et inversement. C’est cette corrélation parfaite, observable quel que soit le type de mesure effectué sur les atomes, que l’on appelle intrication (« entanglement » en anglais). Cette intrication subsiste même si les deux atomes se sont éloignés l’un de l’autre et se trouvent séparés après la collision par une distance arbitrairement grande. Elle décrit une non-localité fondamentale de la physique quantique. Une mesure de l’atome 1 peut avoir un effet immédiat à grande distance sur le résultat de la mesure de l’atome 2 ! Il y a donc entre les deux particules un lien quantique immatériel et instantané. C’est Einstein, avec ses collaborateurs Podolski et Rosen, qui a discuté le premier en 1935 cet aspect troublant de la théorie quantique. On l’appelle depuis le problème EPR. Pour Einstein, il s’agissait là d’un défaut grave de la théorie puisqu’elle prévoyait des effets qui lui paraissaient manifestement absurdes. Depuis, le problème a été repris par d’autres physiciens, notablement John Bell dans les années 60, et des expériences effectuées sur des photons intriqués ont montré que la nature se comportait bien comme la théorie quantique le prescrit. L’une des expériences les plus probantes a été effectuée dans les années 1980 par Alain Aspect et ses collègues à Orsay. Notons que la non-localité vérifiée par ces expériences ne contredit pas le principe de causalité. On ne peut se servir des corrélations EPR pour transmettre de l’information instantanément entre deux points.
Si l’intrication nous apparaît comme bizarre, c’est pour une bonne part parce que, comme les interférences quantiques, elle ne s’observe jamais sur des objets macroscopiques.
Ceci nous conduit à la métaphore fameuse du chat de Schrödinger. Réfléchissant sur le problème EPR, Schrödinger alla en effet plus loin. Qu’est ce qui empêcherait, se demanda-t- il, d’amplifier un phénomène d’intrication microscopique pour y impliquer un système macroscopique? Considérons un atome excité qui émet un photon en se désexcitant. La mécanique quantique nous apprend qu’avant que le photon n’ait été émis de façon certaine, le système se trouve dans une superposition d’un état où l’atome est encore excité et d’un état où il s’est déjà désexcité. Chacun de ces termes est affecté de son amplitude complexe dans l’expression de l’état global du système. Mais, remarque Schrödinger, un seul photon peut déclencher un événement macroscopique. Imaginons en effet notre atome enfermé dans une boîte avec un chat. Supposons que le photon émis par l’atome déclenche un dispositif qui tue le chat. Si l’atome est dans une superposition d’un état où il a émis un photon et d’un état où il ne l’a pas encore émis, quel est à cet instant l’état du chat ? Si l’on admet que le chat peut être décrit par un état quantique bien défini ( et l’on touche là, comme nous le montrons plus loin, à un aspect crucial du problème), on conclut immanquablement à l’existence d’une intrication du système « atome + chat » qui devrait se trouver dans une superposition du chat vivant associé à l’atome excité et du chat mort associé à l’atome désexcité. Une telle situation laissant le malheureux chat suspendu entre la vie et la mort, représentée sur la figure 2c, était jugée burlesque par Schrödinger. Ce problème a fait couler beaucoup d’encre. Certains ont dit que c’est au moment où on cherche à observer si le chat est vivant ou mort qu’un processus mental chez l’observateur « force » la nature à décider. D’autres se sont demandé s’il fallait tenir compte du processus mental du chat lui-même et la discussion a vite versé dans la métaphysique.
Si on veut éviter un tel débat, l’approche pragmatique de Bohr est utile. Pour savoir si la superposition d’états existe, il faut imaginer un dispositif d’observation spécifique. La superposition « chat vivant- chat mort » ne peut être prouvée que si l’on sait réaliser une expérience susceptible de révéler l’interférence des amplitudes complexes associées aux parties « vivante » et « morte » du chat. Schrödinger n’a pas poussé la discussion jusque-là, mais on peut par exemple songer à utiliser comme sonde de l’état du chat une souris
« quantique» à qui l’on demanderait de traverser la boîte. La probabilité que la souris s’échappe devrait alors être le carré de la somme de deux amplitudes, une correspondant au chat vivant, l’autre au chat mort. Verra-t-on dans la probabilité finale un terme
d’interférence ? C’est peu probable et fortement contraire à notre intuition.
La question qui se pose est alors : qu’est-il arrivé aux interférences, pourquoi ont-elles disparu ? La réponse fait intervenir la notion fondamentale de décohérence. La situation que nous avons schématisée à l’extrême a négligé un élément essentiel. Notre chat ne peut être isolé en présence d’un seul atome « décidant » de son sort. Le chat – comme en général tout système macroscopique - est en effet baigné par un environnement constitué de très nombreuses molécules, de photons thermiques, et son couplage avec cet environnement ne peut être négligé. Pour mieux comprendre ce qui se passe, revenons à l’expérience d’Young. Si l’on cherche à déterminer le chemin par lequel la particule est passée, on doit par exemple lui faire diffuser un photon (figure 2b). On intrique alors ce photon avec la particule et on obtient une espèce de paire EPR dont un élément est la particule et l’autre le photon. Si on mesure le photon dans un état, on sait que la particule est passée par un trou. L’autre état a alors disparu. Il n’y a plus d’interférence. On comprend ainsi mieux la complémentarité comme un effet d’intrication de la particule avec l’environnement (ici le photon) qui interagit avec elle. La situation de notre chat est similaire. Notons tout d’abord que le point de départ de notre raisonnement, l’existence d’un état quantique bien déterminé pour le chat à l’instant initial de l’expérience, doit être remis en question. Dès cet instant, le chat est déjà intriqué avec son environnement et ne peut donc pas être décrit par un état quantique qui lui est propre. En admettant même que l’on puisse le découpler du reste du monde à cet instant
initial, il serait impossible d’éviter son interaction avec l’environnement pendant qu’il interagit avec l’atome unique imaginé par Schrödinger. Dès qu’il serait placé dans un état de superposition, il interagirait aussi avec un bain de molécules et de photons qui se trouveraient rapidement dans des états quantiques différents suivant que le chat est vivant ou mort. Très vite, une information sur l’état du chat fuirait dans l’environnement, détruisant les interférences quantiques, de la même façon que le photon diffusé par la particule dans l’expérience de Young fait disparaître les franges. L’environnement agit comme un « espion » levant l’ambiguïté quantique.
Notons enfin que la décohérence se produit de plus en plus vite lorsque la taille des systèmes augmente. Ceci est dû au fait que plus le système est gros, plus il est couplé à un grand nombre de degrés de libertés de l’environnement. Il n’est pas nécessaire de considérer des systèmes aussi macroscopiques qu’un chat pour que la décohérence domine. C’est déjà le cas pour les systèmes microscopiques au sens de la biologie que sont les macromolécules, les virus ou les bactéries. Le fait que l’on aît raisonné sur des êtres vivants n’a non plus rien d’essentiel ici. La décohérence est tout aussi efficace sur un objet inerte constitué d’un grand nombre de particules (agrégat d’atomes, grain de poussière...). L’image du chat n’est qu’une métaphore extrême imaginée par Schrödinger pour frapper les esprits.
Des atomes et des photons dans une boîte
Passons à la description de quelques expériences récentes sur l’intrication quantique, véritables réalisations des expériences de pensée. Il existe essentiellement trois systèmes sur lesquels des manipulations relativement complexes d’intrication ont été réalisées. Les sources de photons intriqués se sont considérablement améliorées depuis les expériences d’Aspect. On réalise à présent des paires de photons intriqués en décomposant dans un cristal non-linéaire un photon ultraviolet en deux photons visibles ou infrarouge. De belles expériences sur ces paires de photons ont été récemment réalisées, à Innsbruck, à Genève et aux États-Unis. Dans certains cas, il est préférable de disposer de particules massives, qui restent un long moment dans l’appareil pour être manipulées, au lieu de photons qui s’échappent du système à la vitesse de la lumière. On peut alors utiliser des ions piégés dans un champ électromagnétique. Il s’agit d’atomes auxquels on a arraché un électron et qui possèdent ainsi une charge sensible aux forces électriques exercées sur elle par un jeu d’électrodes métalliques convenablement agencées. On peut ainsi piéger quelques ions observables par la lumière de fluorescence qu’ils émettent lorsqu’ils sont éclairés par un laser. D’autres lasers peuvent servir à manipuler les ions. De belles expériences d’intrication ont été ainsi faites à Boulder dans le Colorado.
Le troisième type d’expérience, réalisé à l’École Normale Supérieure à Paris, est intermédiaire entre les deux précédents. On y intrique à la fois des photons et des atomes. Les photons ne se propagent pas, mais sont piégés dans une cavité électromagnétique traversée par les atomes. La cavité est formée de miroirs métalliques en niobium supraconducteur à très basse température placés l’un en face de l’autre. Des photons micro-onde peuvent se réfléchir des centaines de millions de fois sur ces miroirs et rester ainsi piégés pendant un temps de l’ordre de la milliseconde. Des atomes, préparés dans un état de Rydberg très excité, traversent un à un la cavité, interagissent avec les photons et sont ensuite ionisés et détectés. La grande taille de ces atomes (figure 1c) les rend extrêmement sensibles au couplage avec le rayonnement de la cavité, une condition essentielle à l’observation des phénomènes d’intrication quantique.
Nous donnerons ici simplement un aperçu général sur quelques expériences récentes d’intrication atome-cavité. Pour simplifier, admettons que nos atomes possèdent essentiellement deux niveaux de Rydberg appelés comme précédemment e et g. La séparation des miroirs est, dans un premier temps, réglée pour que les photons de la cavité soient
résonnants avec la transition entre ces deux niveaux. Cela veut dire que si l’atome entre dans la cavité dans le niveau e, il peut, en conservant l’énergie, y émettre un photon en passant dans le niveau g et que s’il y entre dans g, il peut absorber un photon présent pour passer dans l’état e. Envoyons un atome dans e à travers la cavité initialement vide et réglons le temps de traversée de la cavité par l’atome pour que la probabilité d’émission d’un photon soit de
50 %. L’état final obtenu est une superposition d’un atome dans e avec une cavité vide et d’un atome dans g avec une cavité contenant un photon, ce qui constitue une intrication atome- photon. Cette intrication survit à la sortie de l’atome de la cavité.
Compliquons maintenant la situation en envoyant dans la cavité deux atomes, l’un dans e, l’autre dans g. Le premier atome a sa vitesse réglée pour émettre avec 50 % de probabilité un photon et le second interagit le temps qu’il faut pour absorber à coup sûr le photon s’il y en a un. Il s’agit donc d’un transfert d’énergie entre les deux atomes induit par la cavité. Si on se demande, après la traversée des deux atomes, si l’excitation a été transférée de l’un à l’autre, la théorie quantique nous donne une réponse ambiguë : oui et non à la fois. Le résultat est une paire d’atomes intriqués. Le schéma – illustré sur la figure 3 - se généralise avec un plus grand nombre de particules. On peut réaliser des situations où deux atomes et un photon, ou encore trois atomes, sont intriqués...
Une version de laboratoire du chat de Schrödinger
Envisageons maintenant une situation où la cavité est désaccordée par rapport à la fréquence de la transition atomique. La non-conservation de l’énergie interdit alors l’émission ou l’absorption de photons par l’atome. Cela ne veut pas dire cependant que les deux systèmes n’interagissent pas. La simple présence de l’atome dans la cavité modifie légèrement la fréquence du champ qu’elle contient. Cet effet dépend de l’état d’ énergie de l’atome. La fréquence du champ est augmentée ou diminuée, suivant que l’atome se trouve dans un niveau ou l’autre. Que se passe-t-il alors si l’atome est dans une superposition des deux états ? Les lois quantiques disent que l’on doit avoir en même temps une fréquence diminuée et augmentée. Cette réponse ambiguë conduit à la possibilité de créer un nouveau type d’intrication.
Commençons par injecter entre les miroirs un champ contenant quelques photons à l’aide d’une source micro-onde couplée à la cavité par un guide d’onde, puis coupons cette source. Nous piégeons ainsi quelques photons dans la cavité pendant un temps d’une fraction de milliseconde. Le champ électrique de l’onde qui leur est associée est une fonction périodique du temps. On peut représenter cette fonction par un nombre complexe dont le module et la phase correspondent à ceux du champ. Ce nombre complexe est associé à un vecteur (on retrouve la représentation des nombres complexes évoquée plus haut, introduite en optique par Fresnel). L’extrémité du vecteur se trouve dans un petit cercle d’incertitude qui reflète l’existence pour de tels champs contenant quelques photons des fluctuations quantiques d’amplitude et de phase. Envoyons à présent dans la cavité notre atome dans une superposition des états e et g (Figure 4a). Sa présence a pour résultat de changer de façon transitoire la période des oscillations du champ et donc de le déphaser, c’est-à-dire de déplacer les instants où il passe par ses maxima et minima (Figure 4b). De façon équivalente, le vecteur représentatif tourne dans le plan de l’espace des phases. Mais du fait que l’atome est dans une superposition de deux états produisant des effets de signes opposés, on a deux états de phases différentes, intriqués aux deux états atomiques, une situation qui rappelle celle du chat de Schrödinger (Figure 4c). On voit également que le champ est une espèce d’aiguille de mesure qui « pointe » dans deux directions différentes du plan de Fresnel suivant que l’atome est dans e ou g, jouant ainsi le rôle d’un appareil de mesure qui « observe » l’atome.
Cette remarque nous conduit à décrire une expérience de démonstration simple du principe de complémentarité. Nous avons vu qu’ en soumettant l’ atome à deux impulsions lumineuses mélangeant les états e et g, aux instants t1 et t2 (en appliquant à l’atome deux impulsions dans les « zones de Ramsey » indiquées par des flèches sur la Figure 5a), on obtient, pour la probabilité finale de trouver l’atome dans g, un signal de franges d’interférence. Ces franges ne s’observent que si rien dans le dispositif ne nous permet de savoir dans quel état se trouve l’atome entre les deux impulsions. Soumettons alors l’atome entre t1 et t2 à un petit champ non résonnant stocké dans une cavité. La phase de ce champ tourne d’un angle dépendant de l’état de l’atome. Le champ « espionne » l’atome et les franges vont donc s’effacer. C’est bien ce qu’on observe (figure 5b). Si la rotation de phase du champ est faible, on ne peut en déduire avec certitude l’état atomique et les franges subsistent avec un contraste réduit. Elles disparaissent par contre totalement dans le cas d’une rotation de phase importante, rendant certaine l’information sur le chemin suivi par l’atome. On modifie simplement la rotation de phase du champ en changeant le désaccord de fréquence entre l’atome et la cavité.
La décohérence quantique saisie sur le vif
L’expérience que nous venons de décrire s’intéresse à la superposition des états de l’atome, influencée par la présence du champ. Que peut-on dire de la superposition des états du champ lui-même ? Combien de temps cette superposition d’états survit-elle ? L’environnement du champ est constitué par l’espace qui entoure la cavité, qui peut se remplir de photons diffusés par les défauts de surface des miroirs. En fait, c’est ce processus de diffusion qui limite dans notre expérience la durée de vie du champ à un temps Tcav d’une fraction de milliseconde. Si la cavité contient en moyenne n photons, un petit champ contenant environ un photon s’échappe donc dans l’environnement en un temps très court, Tcav divisé par n. Ce champ microscopique emporte une information sur la phase du champ restant dans la cavité. Ainsi, au bout d’un temps Tcav/n, la cohérence quantique entre les deux composantes du champ dans la cavité a disparu. Ceci explique pourquoi des champs macroscopiques, pour lesquels n est très grand (de l’ordre d’un million ou plus), se comportent classiquement, la décohérence y étant quasi-instantanée. Dans notre expérience cependant, n est de l’ordre de 3 à 10. Le temps de décohérence est alors assez long pour permettre l’observation transitoire d’interférences quantiques associées aux deux composantes de notre « chat de Schrödinger ». Pour cette observation, nous envoyons dans la cavité, après le premier atome qui prépare le « chat », un second atome jouant le rôle de la « souris quantique » évoquée plus haut. Cet atome recombine les composantes du champ séparées par le premier atome de telle sorte qu’il apparaît, dans un signal de corrélation entre les résultats des détections des deux atomes, un terme sensible à l’interférence associée aux deux composantes du chat créé par le premier atome. Ce signal d’interférence (voir Figure 6) décroît lorsque le délai entre les deux atomes augmente. Ce phénomène est d’autant plus rapide que les deux composantes du « chat » sont plus séparées, ce qui illustre un des aspects essentiels de la décohérence, qui agit d’autant plus vite que le système est plus
« macroscopique ». Cette expérience constitue une exploration de la frontière entre les mondes quantique (dans lequel les effets d’interférences sont manifestes) et quantique (dans lequel ces effets sont voilés).
Vers une utilisation pratique de la logique quantique ?
En dehors de leur intérêt fondamental, quelles peuvent être les retombées pratiques de ces expériences et de celles qui sont effectuées sur des ions piégés ou des photons intriqués ?
La logique qui y est à l’œuvre peut être décrite dans le cadre d’une branche en plein développement de l’informatique, qui s’intéresse à la façon dont on peut transmettre et manipuler de l’information en exploitant les lois quantiques. On peut en effet considérer les systèmes à deux états que nous avons considérés (atome à deux niveaux, cavité avec 0 ou 1 photon, champ présentant deux phases possibles) comme des « porteurs » d’information, des « bits » à l’aide desquels on peut coder deux valeurs, 0 ou 1. Nos expériences peuvent être vues comme des opérations sur ces bits, qui les couplent suivant une dynamique conditionnelle. On peut par exemple considérer que le champ (0 ou 1 photon) est un bit
« contrôle » et que l’atome est un bit « cible ». On peut réaliser l’expérience en cavité de sorte que si le bit contrôle est dans l’état 0, le bit cible ne change pas, et que par contre il change d’état si le bit contrôle est dans l’état 1. On obtient alors une porte conditionnelle analogue aux portes utilisées dans les ordinateurs classiques. La nouveauté de cette porte par rapport à celles des ordinateurs usuels est que les bits peuvent être mis dans des superpositions d’états. On manipule ainsi non pas seulement les valeurs 0 ou 1, mais aussi des superpositions de ces valeurs. On parle alors de bits quantiques ou « qubits ». Si on prépare le qubit contrôle dans une superposition de 0 et de 1, le fonctionnement de la porte conditionnelle génère en sortie deux bits intriqués. Cette intrication élémentaire peut être amplifiée en se servant de la sortie d’une porte comme entrée d’une porte en cascade et ainsi de suite. On peut construire de la sorte des combinaisons complexes d’opérations. L’intrication ainsi réalisée permettrait en principe d’obtenir des situations équivalentes à la superposition cohérente d’un grand nombre d’ordinateurs classiques, travaillant en parallèle et interférant entre eux. Pour certains types de calculs (comme la factorisation des grands nombres), on devrait gagner énormément en vitesse d’exécution par rapport à ce que permettent les algorithmes de calcul classiques.
Cette constatation explique en grande part l’engouement actuel pour ce type de recherche. Il faut cependant faire ici une réserve importante. La décohérence est un problème très sérieux pour ce genre de système. Ce que l’on cherche à construire ainsi n’est autre qu’un super chat de Schrödinger dont nous venons de voir la sensibilité extraordinaire au couplage avec l’environnement. Dès qu’un quantum s’échappe de l’ « ordinateur », la cohérence quantique est perdue. Certains espèrent résoudre la difficulté en ajoutant des dispositifs correcteurs d’erreurs quantiques. Il s’agit de processus complexes, dont la mise en œuvre efficace est loin d’être évidente. L’ avenir de l’ordinateur quantique reste – et c’est un euphémisme – bien incertain. D’autres applications de la logique quantique, moins sensibles à la décohérence, sont plus prometteuses. Le partage entre deux observateurs de paires de particules intriquées ouvre la voie à une cryptographie quantique permettant l’échange d’informations secrètes, suivant une procédure inviolable. Des expériences très encourageantes ont été réalisées en ce domaine. La téléportation quantique permet de reproduire à distance, en se servant des propriétés de l’intrication, l’état d’une particule quantique. Cet effet pourrait lui aussi être utilisé dans des dispositifs de traitement quantique de l’information.
Conclusion : la « gloire et la honte du quantum »
Au terme de cette brève exploration de la physique quantique, concluons sur un mot du physicien Archibald Wheeler, l’un des derniers survivants de la génération des fondateurs de la théorie. Réfléchissant sur ce siècle des quanta, il a parlé sous une forme lapidaire de « la gloire et de la honte du quantum ». La gloire c’est bien sûr l’immense succès de cette théorie pour nous faire comprendre la nature. La honte, c’est qu’au fond, on ne « comprend » pas la théorie. En essayant d’utiliser un langage issu de notre monde classique, on arrive à des problèmes d’interprétation troublants. En fait, beaucoup de physiciens ne se posent pas ces problèmes. La nature est ce qu’elle est, quantique sans doute, et ils l’admettent sans états
d’âme, obéissant à l’injonction de Bohr à Einstein : « arrête de dire à Dieu ce qu’il doit
faire » ! Pour d’autres, il manque encore une formulation de la théorie qui réconcilierait notre intuition avec le monde tel qu’il est. La nouveauté de cette fin de siècle est que ce problème, longtemps réservé aux théoriciens et aux « imagineurs » d’expériences de pensée, s’ouvre maintenant aux expériences réelles.
Réaliser ces expériences de pensée est un défi amusant et excitant. C’est un plaisir rare de pouvoir suivre in vivo la danse des atomes et des photons qui obéissent de façon si parfaite aux injonctions de la théorie quantique. Il faut cependant constater que ces expériences deviennent de plus en plus difficiles lorsqu’on augmente la taille du système. Maintenir ne serait-ce qu’un modèle réduit de chat de Schrödinger suspendu dans une superposition cohérente d’états est vraiment difficile. Même si l’ordinateur quantique n’est pas vraiment en vue, ce domaine de recherche nous réserve cependant encore bien des surprises. Il y aura sans doute des applications de toute cette physique, et, comme c’est souvent le cas, ce ne seront vraisemblablement pas celles que l’on prévoit.
RÉFÉRENCES :
Sur l’intrication quantique et la décohérence :
W. ZUREK, « Decoherence and the transition from quantum to classical », Physics Today, Vol 44, No 10, p36 (1991).
Sur les expériences d’atomes en cavité :
P.R. BERMAN (éditeur) : « Cavity Quantum Electrodynamics », Academic Press, Boston (1994)
S. HAROCHE, J.M. RAIMOND et M. BRUNE, « Le chat de Schrödinger se prête à l’expérience », La Recherche, 301, p50, Septembre 1997.
Sur l’information quantique :
D. BOUWMEESTER, A. EKERT et A. ZEILINGER (éditeurs) « The physics of quantum information », Springer Verlag, Berlin, Heidelberg (2000).
Légendes des figures :
Figure 1. Représentation des orbitales de l’état fondamental (a), du premier état excité (b) et d’un état de Rydberg très excité (c) de l’électron de l’atome d’hydrogène. La figure (c) n’est pas à l’échelle (une orbitale de Rydberg peut avoir un diamètre mille fois plus grand que celui d’un état fondamental).
Figure 2. Interférences quantiques : (a) Expérience d’Young : chaque particule traverse l’interféromètre suivant deux chemins indiscernables et les points d’impact sur l’écran reproduisent une figure de franges. (b) Si on cherche à déterminer le chemin suivi, l’interférence disparaît (complémentarité). (c) quand on essaye de superposer deux états distincts d’un système macroscopique (superposition symbolisée par le signe + d’un « chat vivant » et d’un « chat mor t » dans une boîte), l’environnement (molécules dans la boîte) s’intrique avec le système, supprimant très rapidement les effets d’interférence (décohérence).
Figure 3. Expérience préparant une paire d’atomes intriqués : deux atomes, le premier dans l’état e, le second dans g sont envoyés dans une cavité initialement v ide, formée de deux miroirs se faisant face. Si les temps d’interaction atome-champ sont convenablement réglés, les deux atomes émergent dans une superposition d’états.
Figure 4 : Principe de la préparation d’un état « chat de Schrödinger » du champ dans la cavité : (a) un atome dans une superposition de deux états traverse la cavité. (b) il donne au champ deux phases à la fois. (c) Chaque composante de phase est représentée par un vecteur pointant dans une direction donnée.
Figure 5 : Expérience de complémentarité : (a) Principe : l’atome suit deux
« chemins » entre les zones de Ramsey et la phase du champ dans la cavité fournit une information levant l’ambiguité. (b) Signal : La probabilité de détecter l’atome dans le niveau g est enregistrée en fonction de la fréquence appliquée dans les zones de Ramsey, pour trois valeurs du déphasage du champ. Les franges sont d’autant moins visibles que les deux composantes du champ dans la cavité sont plus séparées.
Figure 6. Expérience de décohérence : (a) Principe : l’atome 1 prépare la superposition d’états de phases différentes du champ dans la cavité et l’atome 2 la sonde après un délai variable. (b) Signaux de corrélation à deux atomes en fonction du délai entre eux, obtenus en moyennant les résultats d’un grand nombre de réalisations. Le nombre moyen de photons est 3,3. L’expérience est effectuée pour deux séparations différentes des composantes du champ (cercles et triangles expérimentaux). Les courbes sont théoriques.

 

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  LA COSMOLOGIE MODERNE : LES NOUVEAUX OUTILS D'OBSERVATION DE L'UNIVERS
 

 

 

 

 

 

 

LA COSMOLOGIE MODERNE : LES NOUVEAUX OUTILS D'OBSERVATION DE L'UNIVERS


La nuit semble être noire. Il n'en est rien. L'univers baigne dans un rayonnement aux multiples origines. Dès le 17e siècle, le physicien Olberg montre tout le parti pouvant être tiré de la brillance du ciel. Si l'univers était uniforme et infini, la brillance du ciel due à la superposition de l'émission de toutes les sources qui le composent, devrait être infinie. Le fait qu'elle ne le soit pas, montre que l'univers n'est ni uniforme, ni infini. Il faut attendre le début du XXe siècle pour comprendre les implications profondes du paradoxe de Olberg. Grâce aux observatoires spatiaux, les astrophysiciens modernes élargissent leur champ d'investigation à tout le domaine du rayonnement électromagnétique. Les satellites américains permettent d'achever la mesure complète du spectre du rayonnement présent dans l'univers. Ces observatoires permettent également d'identifier les origines de ce rayonnement. Le recensement de l'univers est en passe d'être achevé. C'est en soi un résultat spectaculaire, qui marque la fin d'une recherche qui a commencé il y a plus de deux mille ans. Les résultats obtenus montrent que comme l'a supposé Olberg, l'univers n'est ni uniforme, ni infini, mais qu'en plus lui et ses constituants ont évolué très fortement depuis leur origine. La prochaine génération de télescopes, au sol, et dans l'espace va s'attaquer à la compréhension de cette évolution. Mais l'univers n'est pas fait que de rayonnement. Il contient aussi des particules. Depuis les années 1930 on sait que plus de 90% de cette matière échappe à la détection. Des recherches sont activement poursuivies par les astrophysiciens et les physiciens des particules pour élucider ce problème. Par contre des progrès spectaculaires ont été très récemment obtenus sur la répartition de cette matière dans l'univers, en utilisant la propriété de déflexion de la lumière par une masse gravitationnelle prédite par la relativité générale d'Einstein. L'univers lointain nous apparaît déformé car la lumière émise par les galaxies lointaines ne se propage pas en ligne droite. Son parcours s'infléchit en passant à proximité de masses importantes. Les astrophysiciens ont mis au point des techniques permettant de calculer ces déformations, et donc de calculer la distribution de la matière noire responsable de ces déformations. C'est un domaine en plein développement.

Texte de la 184ème conférence de l’Université de tous les savoirs donnée le 2 juillet 2000.
La cosmologie moderne : les nouveaux outils d’observations de l’Univers par Laurent Vigroux
La nuit semble être noire. Il n’en est rien. Avec les instruments d’observations modernes, la nuit est brillante. Mais le paradoxe est qu’elle ne soit ni noire, ni infiniment claire. Brillante certes, mais pourquoi si peu ? Dès le XVIIe siècle, le physicien Danois Olberg avait montré tout le parti que l’on peut tirer de la brillance du ciel. Si l’Univers était uniforme et infini, la brillance du ciel due à la superposition de l’émission de toutes les sources qui le composent devrait être infinie. Heureusement pour la vie sur Terre, il n’en est rien. Il a fallu attendre le milieu du vingtième siècle pour comprendre les implications profondes de ce paradoxe. Le cadre de cette compréhension a été fourni par Einstein avec sa théorie de la gravitation. Les observations de Hubble dans les années 1920-1930 ont montré que l’Univers était en expansion. On sait maintenant que les constituants de l’Univers ne sont pas immuables, ils évoluent dans le temps. On sait qu’ils ne sont pas répartis de manière uniforme dans l’espace, et on sait que l’Univers observable est fini. C’est pourquoi la nuit n’est que grise. Notre compréhension de la cosmologie a fait des progrès spectaculaires ces vingt dernières années. Cela tient aux progrès des observations, grâce surtout aux observatoires spatiaux, mais aussi aux progrès spectaculaires de la théorie et des simulations numériques. Quels sont ces progrès, c’est ce que nous allons passer en revue dans la suite de cette conférence.

Le rayonnement
La principale source d’information sur l’Univers et ses constituants provient de la lumière. Par lumière, on entend l’ensemble du spectre des ondes électromagnétiques, qui s’étend des rayons gamma et X, à haute énergie, jusqu’aux ondes micro-ondes et radios à basse énergie, en passant par la lumière visible, à laquelle nous sommes plus habitués. Le véhicule d’information de la lumière est une particule appelée photon, et, dans les théories de physique moderne, on peut décrire la propagation de la lumière aussi bien en termes d’ondes, que de photons. En général, à basse énergie, le nombre de photons reçus par un télescope moderne est très élevé, de l’ordre de plusieurs centaines de milliers par seconde, et on préfère décrire les phénomènes en termes d’ondes. A haute énergie, les photons sont plus rares, de l’ordre de quelques photons par seconde en rayons X, et de quelques photons par jour dans les gammas de très grande énergie, et on préfère décrire les phénomènes en terme de photons. Mais la physique sous-jacente reste la même. L’avantage principal de la lumière est qu’elle se propage en ligne droite sans être trop absorbée. Elle permet donc d’observer des sources très lointaines et de les localiser. Depuis des temps immémoriaux, la lumière a été le principal, sinon le seul, moyen d’observation du ciel. Les deux principales sources de lumière sont un rayonnement fossile lié aux premières étapes de l’évolution de l’Univers, et la somme des rayonnements émis par les constituants de l’Univers, étoiles, galaxies et amas de galaxies.
Le rayonnement fossile
Contrairement aux rêves des technocrates, les plus grandes découvertes sont le fruit d’actions non préméditées. Il en est ainsi de la découverte du rayonnement fossile. La guerre de

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39-45 a eu de nombreux effets négatifs. Elle a néanmoins entraîné un progrès notable des techniques. Hiroshima a montré que ce n’était pas toujours pour le meilleur. Mais les progrès des techniques des radars ont été à l’origine des progrès spectaculaires de la radioastronomie après guerre. Le relais fut pris ensuite par le développement des télécommunications. C’est ainsi que deux ingénieurs de la Bell Telephone, Penzias et Wilson, en essayant de régler une antenne très sensible, ont buté sur un bruit de fond isotrope et continu. L’étude de ce bruit de fond a permis de l’identifier à un rayonnement prédit dans le cadre des théories d’expansion de l’Univers. Contrairement à ce que l’on affirme souvent, ce rayonnement n’est pas lié au big-bang. Il est produit bien après l’explosion initiale. Il existe dans n’importe quelle théorie d’expansion qui prédit que l’Univers est passé dans des phases suffisamment chaudes et denses pour que les atomes soient entièrement ionisés. Dans ces conditions, l’Univers est rempli de protons, de noyaux, d’électrons et de photons. Les photons interagissent avec les électrons. Ils sont en équilibre avec eux, et ne peuvent pas se propager sur de grandes distances. A cause de l’expansion de l’Univers, la matière se refroidit, jusqu’au moment où les atomes se forment. Les électrons se combinent avec les noyaux pour former des atomes. L’Univers devient alors transparent pour les photons, qui n’ont plus rien pour interagir. Le spectre d’énergie des photons est alors celui d’un corps noir à la température de l’Univers à l’époque de la recombinaison. Par la suite, la température de ce corps noir se refroidit du fait de l’expansion de l’Univers. Il est à l’heure actuelle voisin de 2,7°K, c’est à dire -270,3°C. C’est pour cela que l’on ne l’observe que dans le domaine des micro-ondes et des ondes radio. Le pic de l’émission se trouve vers 1,4 mm. Depuis la découverte initiale, il aura fallu trente ans pour que l’on puisse mesurer ce spectre d’émission de corps noir cosmologique avec une grande précision. Cela fut effectué au moyen du satellite américain COBE lancé en 1989. On peut maintenant affirmer avec certitude que cette émission est bien d’origine cosmologique.
Ce rayonnement est isotrope et uniforme avec une très grande précision. On peut néanmoins déceler des petites déviations, qui, traduites en termes de température, correspondraient à des fluctuations de quelques micro kelvin. C’est-à-dire des fluctuations de quelques parties par million. Ces fluctuations dans le spectre des photons correspondent à des fluctuations de densité des électrons à l’époque de la recombinaison. L’Univers était alors presque homogène, mais pas tout à fait. Ces fluctuations de densité ont par la suite donné naissance aux galaxies et aux amas de galaxies. Mesurer les fluctuations de température du corps noir cosmologique revient à déterminer les fluctuations de densité pratiquement à l’origine du monde. COBE fut le premier observatoire qui permit de prouver l’existence de ces fluctuations. Malheureusement, ce résultat est peu contraignant pour les modèles cosmologiques, car les échelles angulaires auxquelles COBE avait accès sont sans commune mesure avec la taille des galaxies et des amas que l’on observe aujourd’hui. COBE a prouvé que l’Univers n’était pas complètement homogène ; il n’a pas permis de déterminer dans quel type d’univers nous vivons. Pour progresser, il faut réaliser des instruments qui ont une résolution angulaire voisine de quelques minutes d’arc, bien mieux que les 7 degrés de COBE. BOOMERANG, un télescope américain italien, lancé en 1999 par un ballon dans un vol circum-antarctique de quinze jours, a réussi pour la première fois à fournir une carte des fluctuations à des échelles angulaires de l’ordre de la vingtaine de minutes d’arc. L’analyse de ces fluctuations a montré qu’elles impliquaient un univers de type plat. Rappelons qu’il y a trois types de géométries possibles dans les modèles d’univers compatibles avec la relativité générale d’Einstein. Ces univers sont définis par leur courbure, positive, négative ou nulle. Les résultats de BOOMERANG semblent montrer que nous sommes dans ce dernier cas, c’est-à-dire le modèle le plus simple, le plus banal. Tant
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pis. Pour être tout à fait certain de ces résultats, il faudra attendre le satellite européen PLANCK Surveyor, qui sera lancé en 2007 par l’Agence Spatiale Européenne. Ce satellite aura une meilleure résolution angulaire que BOOMERANG et les instruments similaires qui sont en cours de réalisation dans divers pays, dont la France, et surtout, il effectuera une cartographie complète du ciel, ce que ne feront pas les autres projets. Vous voulez savoir dans quel univers vous vivez ? Attendez 2007 et vous aurez la réponse.
L’Univers et ses constituants
L’étude du corps noir cosmologique permet de voir quelle était la structure de l’Univers à ses débuts. Cela n’indique en rien comment se sont formés les objets, galaxies, ou amas de galaxies, que nous observons dans notre environnement proche. Heureusement, nous pouvons utiliser une loi physique bien connue pour remonter le temps : la vitesse finie de la lumière. Observer une galaxie située à un milliard d’années lumière, c’est l’observer telle qu’elle était il y a un milliard d’années. La pêche aux galaxies jeunes consiste à aller rechercher les plus lointaines. Malheureusement, une autre loi de la physique vient contrarier ce plan : la luminosité apparente d’un objet diminue comme le carré de la distance de cet objet ; c’est-à-dire très rapidement. Projetons une galaxie dix fois plus loin, elle nous apparaîtra cent fois plus faible. Pour donner un ordre de grandeur, une galaxie comme la nôtre située à 5 milliards d’années lumière, soit à la moitié de son âge actuel, nous apparaît cent fois moins brillante que le ciel d’une nuit noire. Autant dire que la recherche des galaxies jeunes nécessite de très grands télescopes, qui sont les seuls à avoir un pouvoir collecteur suffisant pour détecter les galaxies les plus lointaines. C’est pourquoi, cette recherche ne s’est avérée fructueuse qu’après la mise en service des grands télescopes de la classe 8-10 m de diamètre. Les premiers furent les télescopes Keck situé au sommet du Mauna Kea dans l’île d’Hawaii. L’Europe n’est pas en reste avec les quatre télescopes de 8 m situés dans le désert d’Atacama, et qui constituent le Very Large Telescope. En fait la recherche a commencé avec le Hubble Space Telescope, satellite de la NASA avec une forte participation de l’ESA. Le fait d’être dans un satellite, au-dessus de l’atmosphère terrestre, permet d’avoir des images beaucoup plus piquées qu’au sol. C’est un atout indispensable pour détecter les objets les plus faibles. La stratégie qui a été suivie ces dix dernières années a consisté à détecter des galaxies lointaines avec le Hubble Space Telescope, puis à les caractériser avec les télescopes géants au sol. Cette méthode s’est révélée payante, puisque entre 1996 et 1998, plusieurs groupes ont réussi à démontrer que les galaxies lointaines étaient différentes des galaxies locales. Si on retrouve bien le pendant des galaxies proches, on trouve aussi pléthore de galaxies plus petites, et qui ont des couleurs plus bleues que les galaxies locales. Cette couleur est due à la présence d’étoiles jeunes. Ces petites galaxies sont donc dans des phases intenses de formation d’étoiles, environ trois fois le taux observé dans les galaxies proches.
Chercher des galaxies jeunes en utilisant la lumière visible, est-ce la bonne approche ? Pour répondre à cette question, il faut savoir quels sont les mécanismes d’émission de lumière par les galaxies. La source principale d’énergie est la gravitation. C’est elle qui permet à la galaxie d’exister en tant qu’objet individuel. C’est elle aussi, qui permet aux étoiles de se former et d’atteindre en leur centre des densités et des températures suffisantes pour que les réactions nucléaires se déclenchent. La source principale de rayonnement d’une galaxie est due aux étoiles qui la peuplent. Une galaxie normale contient quelques centaines de milliards d’étoiles. L’énergie nucléaire dégagée en leur sein se transforme en rayonnement. Le soleil nous éclaire à l’énergie

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nucléaire. Paradoxe amusant sur les énergies propres. Une galaxie n’est pas composée seulement d’étoiles. Elle est aussi remplie de gaz et de poussières. Ces poussières interstellaires sont des grains allant de quelques centaines d’atomes, jusqu’à des grains microscopiques de quelques microns de longueur. Ils se décomposent en deux grandes familles, des grains carbonés, et des silicates. Ces grains absorbent une grande partie du rayonnement des étoiles. Du coup, ils sont chauffés et émettent eux-mêmes de la lumière. Certes, c’est un chauffage modeste, puisque la température moyenne des grains interstellaires est voisine de 20°K, soit -250°C. Cela est néanmoins suffisant pour que cette émission soit mesurable dans l’infrarouge. Ce processus de transformation de l’énergie, absorption du rayonnement des étoiles, chauffage des poussières et ré-émission dans l’infrarouge peut être si efficace que dans des cas extrêmes, des galaxies rayonnent presque 100 % de leur énergie dans l’infrarouge. Cela fut une des grandes découvertes du satellite IRAS lancé en 1983 et réalisé en partenariat américain, anglais et hollandais. Ce satellite a été à l’origine d’une lignée de satellites dédiés à l’étude du ciel en infrarouge : ISO, européen lancé en 1995, SIRTF américain qui sera lancé en 2002 et FIRST, européen, qui sera lancé en 2007. Chacun d’eux représente un gain en termes de sensibilité, couverture en longueur d’onde et résolution spatiale. En combinant les observations d’ISO, et celles de COBE, on a pu montrer que les galaxies émettent globalement 3 fois plus d’énergie dans l’infrarouge que dans le visible et l’ultraviolet. ISO a montré que, lorsqu’elles avaient la moitié de leur âge actuel, les galaxies étaient beaucoup plus souvent de forts émetteurs infrarouges. Si seulement 3 % des galaxies actuelles émettent plus d’énergie dans l’infrarouge que dans le visible, elles étaient 30 % dans ce cas il y a 5 milliard d’années. Quelle est l’origine de ce phénomène ? Selon toute vraisemblance, il s’agit d’épisodes de formation d’étoiles intenses qui se sont déroulées dans le passé. Par l’étude des galaxies ultra lumineuses en infrarouge, découvertes par IRAS, on sait que ces galaxies sont en interaction avec d’autres galaxies et qu'elles subissent des flambées de formation d’étoiles très intenses, à la suite de ces interactions. Les observations dans le visible ont montré qu’il y avait, il y a quelque 5 milliards d’années, une population de petites galaxies qui n’ont pas leur équivalent de nos jours ; les observations en infrarouge montrent que les grandes galaxies de l’époque subissaient des flambées de formation d’étoiles liées à des interactions entre galaxies. La tentation est forte de réconcilier ces deux observations dans un scénario où les petites galaxies sont progressivement avalées par les grosses, entraînant ces épisodes de forte émission infrarouge. La vie des galaxies n’est pas plus tranquille que celle des êtres vivants. Les gros mangent les petits. Ce processus de fusion hiérarchique est prédit par les modèles cosmologiques. La rapidité avec laquelle il se déroule dépend fortement des paramètres du modèle. On peut donc par l’étude des galaxies lointaines contraindre les modèles et la valeur de leurs paramètres. SIRTF, et surtout FIRST permettront d’affiner cette vision, et surtout de pouvoir retracer dans le temps cette évolution. ISO n’a pu que décrire ce qui s’est passé lors des cinq derniers milliards d’années, FIRST permettra de remonter presque jusqu’au début de l’histoire des galaxies.
ISO, SIRTF et FIRST permettent de détecter ces galaxies lointaines ; ils permettent d’en mesurer le flux en fonction de leur longueur d’onde ; leur faible résolution angulaire ne leur permet pas d’en réaliser de véritables images. Pour ces observatoires, les galaxies sont des points. Pour en réaliser des images, il faut utiliser un autre principe. Même dans l’espace, la résolution angulaire d’un télescope est limitée par un phénomène appelé diffraction. Il est impossible de résoudre deux sources qui ont séparées par des angles plus petit qu’un angle limite égal au diamètre du télescope divisé par la longueur d’onde de l’observation. Pour un télescope de 2 m en orbite, le pouvoir séparateur est limité dans le visible à 0.1 seconde d’arc, soit 1/36000 de

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degré. Cela peut paraître peu, mais c’est déjà trop pour réaliser des véritables images d’objets qui ne font que quelques secondes d’arc de diamètre, comme les galaxies qui nous intéressent. Le diamètre des télescopes en orbite est limité par les capacités de lancement. Même si les USA et l’Europe envisagent de lancer vers 2010 un télescope de 8 m de diamètre en orbite, le New Generation Space Telescope, cela restera encore très loin de ce qu’il faut pour pouvoir faire des images de ces galaxies. Sur terre, à ce phénomène de diffraction se rajoute une déformation des images due à la turbulence atmosphérique ; les images ont des résolutions de l’ordre de la seconde d’arc, les bonnes nuits. La seule solution pour s’affranchir, soit de la diffraction, soit de la turbulence atmosphérique, c’est d’utiliser un autre principe d’imagerie : les interférences. Comme on l’apprend dans les classes de physique, si l’on combine la lumière captée par deux télescopes, on obtient un système de franges noires et brillantes, qui dépend de la phase respective des ondes lumineuses qui arrivent sur les deux télescopes. En analysant le système de frange, on peut calculer le déphasage des deux ondes, et donc en déduire leur direction d’origine. L’avantage de cette méthode est que l’interfrange entre les franges brillantes et sombres dépend du rapport entre la distance entre les deux télescopes et la longueur d’onde de l’observation. En combinant deux télescopes distants de 100 m, on peut obtenir le même pouvoir séparateur qu’avec un télescope monolithique de 100 m de diamètre, et ce, quelque soit le diamètre des télescopes de l’interféromètre. Ce principe est utilisé depuis de nombreuses années en radioastronomie. Il commence à être utilisé dans le visible. Le Very Large Telescope européen aura un mode interféromètrique combinant la lumière reçue par les quatre télescopes qui le composent. Mais l’instrument privilégié pour l’étude des galaxies lointaines sera ALMA. L’Atacama Large Millimeter Array sera un réseau de 64 antennes de 12 m de diamètre chacune, qui sera installé de manière conjointe par les américains et les européens dans le désert de l’Atacam à 5000 m d’altitude, au Chili. Il fonctionnera dans l’infrarouge lointain et le submillimétrique. Sa mise en service est prévue vers 2010. Il permettra d’obtenir des images avec une résolution angulaire meilleure qu'un centième de seconde d’arc. Enfin, nous pourrons réellement voir à quoi ressemble une galaxie jeune.

La matière
L’Univers n’est pas constitué que de rayonnement, il est aussi matériel. Les étoiles, les galaxies ont été découvertes il y a longtemps. Mais cela ne fait pas le compte. Dès 1935, l’astronome Zwycky, en utilisant le télescope du mont Palomar, avait montré qu’il devait y avoir une quantité de matière importante qui n’avait pas encore été découverte. Il était arrivé à cette conclusion en mesurant les vitesses des galaxies dans les amas de galaxies. Depuis Newton, on sait qu’il existe une relation entre l’accélération des corps et la masse gravitationnelle. Si on augmentait la masse du soleil, la terre tournerait plus vite autour du soleil. Inversement, si on connaît la distance de la terre au soleil et la vitesse de rotation de la terre, on peut en déduire la masse du soleil. Il en est de même avec les galaxies dans un amas. La mesure de la vitesse des galaxies dans un amas permet de calculer la masse de l’amas. Comme on connaît la masse des galaxies, de par leur luminosité, il est facile de comparer les deux estimations. Problème : la masse estimée par la dynamique est dix fois plus grande que celle identifiée dans les galaxies. On a trouvé par la suite que les galaxies tournaient également trop vite pour leur masse identifiée dans les étoiles. Il existe donc une composante de matière cachée, qui représente presque 90 % de la masse de l’Univers. Bien que les étoiles et les galaxies soient des objets brillants et

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remarquables, elles ne représentent qu’une infime partie de l’Univers. Qu’est ce que cette masse cachée ?
Depuis une cinquantaine d’années, les astrophysiciens l’ont cherché sous toutes les formes possibles. D’abord de la matière entre les étoiles ; on a trouvé un milieu interstellaire composé de gaz et de poussières, mais il ne représente qu’un dixième de la masse des galaxies. On a postulé un milieu gazeux dans les amas de galaxies, entre les galaxies. On l’a trouvé. Il s’agit d’un gaz très peu dense, un noyau par litre, et très chaud, quelques dizaines de millions de degrés. Ce milieu a été découvert dans les années 70 grâce à son émission dans les rayons X. Mais là encore, cela ne suffit pas, bien que ce gaz représente une masse supérieure d’un facteur 2 à la masse présente dans les galaxies. On l’a cherché sous la forme d’étoiles isolées de très faible masse, des gros Jupiter en somme. Ces étoiles sont trop petites pour que des réactions nucléaires s’y déclenchent. Elles restent donc sombres, d’où leur nom de naines brunes. On en a trouvé, mais pas assez. Les recherches se poursuivent. Les physiciens des particules se sont mis de la partie, en cherchant des particules inconnues. Bien que les théories dites supersymétriques qui tentent de concilier la gravitation et la mécanique quantique, prédisent l’existence de nouvelles particules, il n’est pas évident de chercher des particules dont on ignore tout. Pour l’instant, les recherches sont vaines. La nature de cette matière noire reste la grande énigme de la cosmologie.
Mais la matière noire devient de moins en moins noire. On arrive par des moyens détournés à en réaliser des images. Le gaz des amas est un outil privilégié d’analyse. Ce gaz est maintenu dans l’amas par l’attraction gravitationnelle exercée par la matière noire. Si l’on connaît la répartition de ce gaz, on peut en déduire la répartition de la matière en résolvant les équations de la dynamique. Cette méthode avait été mise au point depuis quelques années, mais on manquait d’une information essentielle : le profil de température du gaz en fonction de la distance à l’amas. Le gaz est en effet en équilibre entre sa pression interne, liée à sa température, et l’attraction gravitationnelle. Sans profil de température, on ne peut pas résoudre les équations de l’équilibre. C’est maintenant chose faite grâce à l’observatoire en rayon X européen XMM- Newton. Ce satellite, lancé à la fin de 1999, vient de permettre pour la première fois de déterminer de manière précise le profil de température du gaz dans un amas. Cela a permis d’en déduire le profil de densité de la matière noire. De là, on peut calculer quelques grandeurs typiques de cette matière noire comme sa température, sa pression interne, ou sa compressibilité. Heureusement pour les théoriciens, ces résultats ne sont en accord avec aucune des théories qui avaient été développées jusque-là. Il leur reste du travail pour encore quelques années. Plus directement, la matière noire fournit elle même les outils pour l’observer. Dans la gravitation générale d’Einstein, la lumière ne se propage pas en vrai ligne droite. Elle se propage le long de lignes qui sont déformées au passage d’une masse gravitationnelle. Cette prédiction a été vérifiée de manière éclatante au début du siècle en observant comment la position d’une étoile sur le ciel semblait changer, au fur et à mesure que les rayons lumineux entre elle et nous passaient près du soleil. De la même manière, si nous observons une galaxie située derrière un amas de galaxies, l’image de cette galaxie nous apparaîtra déformée à cause de son passage dans le champ gravitationnel de l’amas. La matière noire déforme les images de l’Univers lointain. Cet effet de lentille gravitationnelle est connu depuis longtemps. Mais ce n’est que depuis quelques années que nous disposons d’instrument d’imagerie suffisamment sensible et fiable pour pouvoir l’utiliser de manière systématique pour étudier la distribution de la matière noire dans les amas. L’image des galaxies déformées par un effet de lentille gravitationnelle se présente sous la forme d’un arc. Le premier arc gravitationnel a été trouvé grâce à des observations menées sur le télescope Canada-France-Hawaii en 1985. Depuis, en particulier grâce au télescope spatial

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Hubble, on en a trouvé dans presque tous les amas observés. De la forme de l’arc, on peut en déduire la perturbation des rayons lumineux, et donc la distribution de la matière noire. La problématique de l’observation est renversée. D’habitude, on a une source, un télescope et on étudie l’image. Dans ce cas-là, on dispose d’une source, d’une image, et on calcule le télescope qui a produit cette image. Le télescope à matière noire est le plus gros instrument dont nous disposions ; chaque amas de galaxie représente un télescope de plusieurs centaines de millions d’années lumières de diamètre et de plusieurs dizaines de milliers de milliards de masses solaires de masse ! Heureusement que la nature nous l’offre. Le télescope à matière noire a déjà permis de faire des cartes de la matière noire dans les amas. Très récemment, encore, grâce à des observations effectuées avec le télescope Canada-France-Hawaii, il a été possible d’étendre cette méthode à des échelles dépassant la taille des amas classiques. Ce sera le domaine privilégié de recherches de MEGACAM, la prochaine grande caméra d’imagerie qui sera installée sur le télescope CFH à la fin 2001.

Insérer ici les trois figures
Un univers plat, des galaxies qui se forment par fusion hiérarchique, de la matière noire qui sert de télescope, les progrès accomplis ces dernières années ont profondément bouleversé notre connaissance de l’Univers et de ses constituants. En combinant les observations à toutes les longueurs d’onde, grâce aux observatoires spatiaux, nous avons pratiquement identifié toutes les sources qui sont à l’origine de la brillance du ciel. Le recensement de l’Univers est maintenant pratiquement achevé. C’est en soi un résultat spectaculaire. L’aboutissement de recherches commencées il y a plus de deux milles ans. Mais l’aventure continue. Il nous faut maintenant comprendre la physique de ces objets, leurs interactions et leur évolution. Il faut préciser le type d’univers dans lequel nous vivons. La génération actuelle des grands télescopes au sol, et la prochaine génération d’observatoires spatiaux permettra d’atteindre tout ou partie de ces objectifs. La grande inconnue reste la nature de la matière noire. Toutes les recherches ont été vaines. Dans quelles directions chercher maintenant ? Des pistes existent. Seront-elles fructueuses ? Bien malin qui peut le prédire. On ne peut qu’espérer que la solution sera trouvée un jour. Ce sera probablement par une découverte fortuite comme l’a été la découverte du rayonnement fossile.

 

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  CORDES, LES INSTRUMENTS DE L'ULTIME
 

 

 

 

 

 

 

CORDES, LES INSTRUMENTS DE L'ULTIME


La théorie des cordes occupe aujourd'hui une fraction importante de la communauté internationale de physique théorique. Les institutions les plus prestigieuses y sont représentées et de nombreux jeunes et brillants étudiants rejoignent chaque année ses rangs. Après avoir été introduites dans les années 60 pour décrire les « interactions fortes » (forces de cohésion nucléaire), les cordes ont été élevées au rang de candidats à la description unifiée de toutes les interactions possibles entre particules. Mais que sont vraiment les cordes ? Comment apparaissent-elles en physique des particules élémentaires ? Quelles notions véhiculent-t-elles dans cette physique ? Et quelles sont leurs ambitions ? Au cours de mon exposé, j'essaierai de donner quelques éléments de réponse à toutes ces questions, et à toutes celles que l'on peut se poser au vu de la diversité du sujet. J'expliquerai ce qui dans les cordes conduit à la notion d'unification des forces, comment s'introduit la gravitation ou encore pourquoi on parle de « nouvelles dimensions » d'espace-temps. Enfin j'évoquerai l'importance grandissante du sujet dans la compréhension de l'évolution de l'univers.

Texte de la 530e conférence de l'Université de tous les savoirs donnée le 17 juin 2004
Cordes, les instruments de l'ultime
Marios Petropoulos
Les cordes sont apparues en physique théorique des hautes énergies il y a plus de trente ans. Elles étaient à l'époque l'exclusivité d'une poignée de chercheurs. Au cours de toutes ces années le sujet s'est développé, ramifié vers les mathématiques ou la cosmologie et occupe aujourd'hui une fraction importante de la communauté internationale de physique théorique. Les institutions les plus prestigieuses y sont représentées et de nombreux jeunes et brillants étudiants rejoignent chaque année ses rangs.
Après avoir été introduites pour décrire les « interactions fortes » (forces de cohésion nucléaire), les cordes ont été élevées au rang de candidats à la description unifiée de toutes les interactions possibles entre particules.
Mais que sont vraiment les cordes ? Comment apparaissent-elles en physique des particules élémentaires ? Quelles notions véhiculent-t-elles dans cette physique ? Et quelles sont leurs ambitions ?

Cordes et l'école de Pythagore
Une façon de comprendre le rôle des cordes dans son principe est de se rappeler les observations de l'école de Pythagore (580 - 510 av. J.C.) sur la consonance des intervalles musicaux. Leur portée reste considérable, même au 21ème siècle.

Une fois sollicitées, des cordes approximativement identiques, tendues avec la même force, mais dont les longueurs sont dans des rapports entiers, émettent des sons qui s'accordent agréablement. Ce phénomène, qualifié de « juste proportion » par les Pythagoriciens, est une manifestation du phénomène de résonance, que ces derniers avaient mis en évidence de manière empirique, grâce à l'ouie humaine. L'apparition de nombres entiers dans le domaine de la musique, vecteur de sensations fortes, avait suscité une vive émotion et avait conduit naturellement à étayer la thèse de l'harmonie universelle, principe philosophique récurrent depuis Pythagore.
On peut êtr18e plus précis et examiner ces notions à la lueur de ce que l'on connaît aujourd'hui sur les spectres de cordes tendues. L'excitation d'une corde produit des vibrations. Ces vibrations apparaissent avec des fréquences propres. La fréquence fondamentale, qui est celle dont l'amplitude est la plus grande, va comme l'inverse de la longueur de la corde :
Dans cette expression, est la longueur de la corde, sa tension et sa densité linéique. Cette loi s'applique à toutes les cordes : haubans de mâtures de bateaux, de ponts suspendus ou cordes d'instruments de musique. Dans ce dernier cas, la fréquence fondamentale (la plus intense) définit la note. Le timbre résulte des harmoniques, vibrations de moindre amplitude qui accompagnent le fondamental et dont l'intensité dépend de la nature de la corde et de son environnement. Leurs fréquences, en revanche, ne sont pas affectées par ces facteurs ; ce sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale :
Pour fixer les idées et les ordres de grandeur, le la du diapason officiel est une vibration de 440 Hertz (cycles par seconde). Elle est obtenue par exemple au moyen d'une corde d'acier, longue de 30 cm et tendue à 172 Kgf (kilogramme-force).
Ce qui précède permet de comprendre l'origine de la consonance des sons émis par des cordes dont les longueurs sont dans des rapports entiers. On représente dans le tableau suivant les spectres des fréquences propres de cordes de longueur et /2 jusqu'à la 3ème harmonique (le nombre d'harmoniques est infini et elles sont toutes obtenues comme multiples de la fréquence fondamentale).
Fréquences propres de cordes de longueur et /2 jusqu'à la 3ème harmonique.
(les fréquences ν0 et 3ν0 n'apparaissent pas dans le spectre de la corde /2)
Comme la fréquence fondamentale est inversement proportionnelle à la longueur de la corde, la corde de longueur /2 a une fréquence fondamentale double de celle de la corde de longueur . De façon similaire, en doublant chacune des harmoniques du spectre de la corde de longueur on obtient le spectre des harmoniques de la corde de longueur /2.
On observe donc que le spectre complet (fréquences fondamentale et harmoniques) de la corde de longueur /2 est entièrement inclus dans celui de la corde de longueur . L'ensemble des fréquences propres de la corde de longueur /2 couvre la « moitié »1 des fréquences apparaissant dans la corde de longueur et cela explique pourquoi les sons émis par ces cordes sont si consonants. Ils le sont à ce point que le nom de la note qui leur correspond est le même. On dit de ces notes qu'elles sont séparées par une octave, qui est l'intervalle musical le plus consonant. L'octave supérieure est obtenue en divisant à nouveau la longueur par deux, ce qui revient à doubler encore une fois la fréquence fondamentale. Et ainsi de suite.
Des conclusions similaires sont obtenues en comparant les spectres de cordes dont les longueurs sont dans un rapport 1/3. Dans ce cas, le spectre de la corde de longueur /3 couvre le « tiers » seulement de celui de la corde de longueur . La consonance, quoique bien présente, est ici moins marquée et les notes correspondantes ont des noms différents. L'intervalle musical est la quinte.
On peut poursuivre ce raisonnement. Commençant par un sol réalisé au moyen d'une corde de longueur , on obtient le sol de l'octave supérieure en divisant la longueur par 2, le sol suivant en divisant la longueur par 4 etc. Si l'on divise la longueur par 3 on obtiendra le ré de l'octave supérieure, séparé du sol correspondant par une quinte et du sol suivant par une quarte. La division par 5 conduira au si d'une octave encore supérieure faisant apparaître cette fois la tierce mineure et la tierce majeure. Tout ceci est schématisé dans le tableau suivant.
Ce procédé peut être répété à l'infini. En divisant par 6, 7 ... la longueur de la corde initiale, on obtient d'autres notes et d'autres intervalles consonants. Par itérations successives on engendre ainsi la gamme pythagoricienne complète avec tous ses intervalles musicaux.
Gamme pythagoricienne et ses intervalles à partir d'un seul paramètre : la longueur .

Un univers conforme à une raison mathématique
La leçon à tirer de l'opération décrite ci-dessus est la suivante : moyennant un nombre limité de paramètres comme la longueur de la corde ou sa tension, on reconstruit de proche en proche un spectre complet : les lois de la nature y sont rigides et laissent peu de liberté.
Le « trait de génie » des Pythagoriciens était d'imaginer que leurs observations pussent transcender le cadre des cordes, que l'univers tout entier pouvait - devait - être régi par des lois simples et itératives où les nombres entiers joueraient un rôle privilégié. L'harmonie universelle ne pouvait résulter de la seule interprétation des sons et de leur consonance. Ces derniers étaient la création de l'homme, tout comme les instruments de musique qui les produisaient. L'harmonie universelle devait se trouver dans la nature.
La recherche de rapports numériques simples dans les phénomènes naturels s'est poursuivie jusqu'à la renaissance. Le mouvement des astres et des planètes et les observations précises de Tycho Brahé (1546 - 1601) ont pendant longtemps défini le cadre idéal pour ces investigations. Johannes Kepler (1571 - 1630) a lui-même adhéré à ce mode de pensée. Paradoxalement, les trois lois qu'il a énoncées ont permis a Isaac Newton (1642 - 1727) de formuler la théorie moderne de la gravitation, renvoyant dans les chimères toute la philosophie pythagoricienne sur l'harmonie universelle et ouvrant la voie vers la physique moderne.
Il a fallu attendre le 20ème siècle pour voir resurgir la notion d'universalité mise en évidence par l'école de Pythagore et voir reparaître les cordes dans la physique moderne des hautes énergies comme constituants élémentaires de la nature.
La physique des particules élémentaires
La physique des particules élémentaires est l'étude d'objets microscopiques - ou encore corpusculaires. Certains d'entre eux ont une structure interne : ils sont composites ; d'autres sont réputés pour ne pas en avoir et sont considérés comme élémentaires.
Les caractéristiques des corpuscules sont les suivantes : la masse, le spin et les charges (électrique, magnétique ...). Les deux premiers sont des caractéristiques de nature cinématique. La masse traduit l'inertie de l'objet c'est-à-dire la « résistance » qu'il oppose aux variations de son état de mouvement. Le spin est une notion plus difficile à appréhender. Pour des objets macroscopiques comme les planètes, le spin pourrait être comparé au mouvement de rotation propre. Transposée dans le domaine microscopique, cette comparaison est cependant limitée et on manque d'intuition pour comprendre pourquoi le spin est un multiple demi-entier d'une unité indivisible.
Le spin d'une particule : une forme de rotation propre autour d'un axe virtuel.
Enfin, il y a les charges. On connaît la charge électrique, la charge chromo-électrique ou chromo-magnétique, l'hypercharge ... Toutes ces charges caractérisent la manière dont les particules interagissent entre elles : comment elles se désintègrent si elles ne sont pas stables, comment de nouvelles particules sont créées lors de collisions, etc.

Elémentarité et taille des constituants
L'élémentarité est un concept relatif qui dépend des échelles de longueur auxquelles la matière est sondée. Celles-là sont fonction des énergies disponibles dans les faisceaux des collisionneurs. Avec le temps, notre perception de l'élémentaire et du complexe s'affine.
Pendant très longtemps l'atome a été considéré comme élémentaire. Les expériences de diffusion de Rutherford (1911) ont ébranlé ce concept : elles ont mis en évidence l'existence d'un noyau, occupant un volume très petit au centre de l'atome, et d'électrons en orbite autour du noyau. La taille du noyau est de l'ordre de 10 fm (fermi) ; celle de l'atome d'hydrogène par exemple est de l'ordre de 1/2 Å (angström), soit 5.000 fois supérieure environ. Dans cette révolution qui a conduit à l'avènement de la mécanique ondulatoire, au cours des années 1910, le mot « orbite » a dû être abandonné et remplacé par « orbitale ». Cette mécanique, encore appelée mécanique quantique, régit les lois de la physique microscopique et restitue la mécanique de Newton aux échelles macroscopiques. L'atome y apparaît comme un noyau dense au centre d'un nuage électronique dilué.
Unités de longueur et d'énergie microscopiques.
Le noyau lui-même n'est pas élémentaire. Il est composé de protons et de neutrons que l'on appelle nucléons et dont la taille est de l'ordre du fermi. En revanche, depuis sa découverte par Thomson, l'électron apparaît toujours dépourvu de structure interne et fait partie des leptons, particules élémentaires « légères ». Sa masse est de 0,511 MeV soit environ 2.000 fois inférieure à celle du proton qui est de 939 MeV.

Comme cela a été mentionné ci-dessus, la structure composite d'un corpuscule apparaît lorsque la résolution de l'instrument d'observation devient suffisante. Celle-ci va de 1/100 cm pour l'œil à 10-18 cm pour la prochaine génération de collisionneurs.
Quelques instruments d'observation : énergies et résolutions.
Les interactions et leurs intensités
Les interactions entre particules sont la manifestation des forces que l'une peut exercer sur l'autre au niveau microscopique. On en distingue quatre de propriétés très différentes. Les ordres de grandeur de leurs intensités sont reportés dans le tableau ci-dessous.
Interaction gravitationnelle
La force gravitationnelle est universelle et s'exerce entre tous les corps. Elle maintient la lune en orbite autour de la terre, engendre les marées, assure la cohésion des planètes dans le système solaire etc. Contrairement à notre intuition, cette force est très petite.
Interaction faible
Par ordre croissant d'intensité, on rencontre ensuite l'interaction faible. Le quotidien ne nous apprend rien à son sujet. Elle est responsable de la désintégration « b » de certaines particules instables en physique nucléaire. Elle n'est pas universelle : seuls certains corpuscules, porteurs d'une « hypercharge » sont vecteurs de cette force.
Interaction électromagnétique
L'interaction électromagnétique est celle qu'on enseigne au lycée : les forces électrostatiques, l'attraction ou la répulsion magnétique, les ondes radio, la lumière, etc. Seules les particules chargées électriquement ou les courants électriques participent à cette interaction.
Interaction forte
Enfin, l'interaction forte permet d'expliquer la cohésion nucléaire : elle est 100 fois plus intense que la force électrostatique, qu'elle compense entre les protons au sein des noyaux. Elle agit indifféremment entre neutrons et protons, et plus généralement entre hadrons. Les leptons, comme l'électron, sont insensibles à cette force.
Intensités des quatre forces entre deux protons distants de 5 fermi.

Lois du monde microscopique : particules et interactions
La mécanique de Newton, ou encore de Lagrange et d'Hamilton, ne peut décrire les phénomènes physiques du monde microscopique. Il ne suffit pas d'un changement d'échelle pour passer du mouvement des planètes autour du soleil à celui des électrons autour du noyau. Cette conclusion du début du 20ème siècle était le fruit d'une variété d'observations, dont l'essence se résumait à l'apparition d'une nouvelle constante universelle : la constante de Planck :
petite mais pas nulle. Cette propriété donne aux lois du monde microscopique leur caractère si particulier et si difficile à concilier avec l'intuition quotidienne. Ces lois sont celles de la mécanique quantique ou mécanique ondulatoire.
La constante de Planck matérialise la notion de dualité onde corpuscule. L'électron est certes un corpuscule. Cependant, il peut dans certaines circonstances se comporter comme une onde, donner lieu par exemple à des phénomènes de diffraction. Cette onde se caractérise par sa pulsation et sa longueur . L'une et l'autre sont reliées, par le biais de la constante de Planck, à des quantités naturelles pour un corpuscule : l'énergie et la quantité de mouvement (autrement dit l'impulsion) c'est-à-dire le produit de la masse par la vitesse.
Dualité onde corpuscule : relations de Planck et de de Broglie.
Pourquoi les objets macroscopiques qui nous entourent ne se comportent-ils pas comme des ondes ? Autrement dit, pourquoi obéissent-ils aux lois de la mécanique newtonienne plutôt qu'à celles de la mécanique quantique ? La réponse est simple. Au dénominateur de l'expression qui fournit la longueur d'onde de de Broglie apparaît la masse de la particule. Pour un objet macroscopique la masse est grande ; la longueur d'onde associée est infiniment petite comparativement aux dimensions de l'objet lui-même, qui « masque » donc son onde. On est alors dans le régime classique. A l'opposé, dès que les échelles de longueur de l'objet ou de son environnement sont petites vis-à-vis de la longueur d'onde de de Broglie, celle-ci est « libérée » et on parle de régime quantique. Cela peut se produire pour un électron, dont la masse est très faible et par conséquent la longueur d'onde très grande. Il donne alors lieu à des franges d'interférences si les fentes d'Young sont de taille comparable à la longueur d'onde.

La notion de dualité onde corpuscule n'est pas limitée aux seules particules, c'est-à-dire à la matière. Elle s'applique aussi aux interactions, aux forces dont il a été question ci-dessus. L'attraction ou la répulsion de charges électriques est le fait de l'existence d'un champ électrostatique ou électromagnétique. Ce champ se propage et apparaît en définitive comme le médiateur des interactions électromagnétiques. La propagation du champ électromagnétique dans le monde de l'infiniment petit est différente de celle des ondes (hertziennes, micro-ondes, lumineuses ...) dans les milieux macroscopiques. Le champ se manifeste comme une collection de quanta. Les interactions entre particules chargées ont lieu par échange de véritables corpuscules, les photons , quanta du champ électromagnétique. Il en est de même pour les interactions faible, forte et gravitationnelle : les bosons de jauge massifs, les gluons et le graviton sont les quanta qui y sont associés.
Interaction entre deux électrons par échange d'un photon.
Comme pour particules de matière, on peut définir un régime classique et un régime quantique pour les interactions. Selon les circonstances celles-ci se manifestent par un champ - une onde - ou par une collection de quanta. Ces circonstances varient d'une interaction à l'autre.
Interactions faible et forte
L'interaction faible et l'interaction forte sont de courte portée (pour des raisons différentes). Elles ne se manifestent donc qu'à des échelles de longueur beaucoup plus petites que les longueurs d'ondes des particules entre lesquelles elles agissent. On se trouve donc toujours dans un régime quantique. La notion d'onde ou de champ classique n'a jamais de sens ; seuls les quanta qui sont les médiateurs de ces interactions ont une existence : les bosons de jauge massifs pour l'interaction faible et les gluons pour l'interaction forte.
Interaction électromagnétique
Les interactions électromagnétiques sont de longue portée. Elles sont présentes à la fois dans le monde macroscopique où leur comportement est classique et dans le monde atomique ou subatomique où la notion de champ ou d'onde électromagnétique doit être abandonnée et remplacée par le concept d'interaction par échange de photon.

L'électrodynamique est l'étude des électrons en interaction électromagnétique. On définit un paramètre naturel, la longueur d'onde de Compton :
Il y apparaît la masse de l'électron et la vitesse de la lumière. C'est donc la longueur d'onde de de Broglie pour un électron se déplaçant à la vitesse de la lumière. Ce paramètre fournit le critère du régime de l'électrodynamique. L'électrodynamique est quantique et décrit les électrons et les photons à des échelles de longueur inférieures à la longueur d'onde de Compton. Autrement, elle est classique.
Interaction gravitationnelle
Comme l'électromagnétisme, la gravitation est de longue portée. Elle est donc classique ou quantique selon les échelles de longueur. La gravitation de Newton est née d'observations réalisées dans le système solaire c'est-à-dire pour des distances « moyennes » inférieures à 150.000.000 Km. Elle a été vérifiée en laboratoire à des échelles de l'ordre du millimètre.
Loi d'attraction universelle de Newton.
La loi de Newton est en réalité une approximation. La véritable théorie de la gravitation est celle de la relativité générale d'Einstein dans laquelle la gravitation résulte de la courbure de l'espace-temps. Cette courbure est engendrée par la présence d'un corps massif ou d'énergie.
Représentation naïve de la courbure de l'espace-temps engendrée par un corps.
La relativité générale permet d'affiner l'interprétation de certaines mesures au sein du système solaire (corrections post-newtoniennes), prévoit l'existence de trous noirs et d'ondes gravitationnelles (encore inobservés) et décrit l'évolution de l'univers dans son ensemble à des échelles cosmologiques (108 années-lumière2).
A l'instar de l'électrodynamique, la gravitation doit présenter un régime quantique lorsque les échelles de longueur sont suffisamment petites ou les énergies suffisamment élevées. A la notion d'onde gravitationnelle classique succède alors le graviton, quantum élémentaire médiateur de l'interaction gravitationnelle entre particules et qui est à la gravitation ce que le photon est à l'électromagnétisme.
Quel est le critère quantitatif qui définit la frontière entre les régimes classique et quantique de la gravitation ?
Il existe pour la gravitation une échelle de longueur naturelle, définie au moyen des trois paramètres qui sont les constantes universelles de Newton et de Planck, et la vitesse de la lumière :
Il s'agit de la longueur de Planck, qui joue pour la gravitation le même rôle que la longueur d'onde Compton pour l'électrodynamique. Les effets quantiques de la gravitation doivent être pris en compte à toute échelle voisine ou inférieure à la longueur de Planck.
La longueur de Planck est infiniment plus petite que la longueur d'onde de Compton. Cela résulte de la faible intensité de la force gravitationnelle. Pour observer les effets quantiques de la gravitation il faudrait sonder la matière à des distances inférieures à 10-33 cm. De telles échelles n'ont jamais été atteintes3. C'est pourquoi le graviton, essence même des effets quantiques de la gravitation, reste une particule hypothétique.
Doit-on conclure que la gravitation quantique est hors de portée parce que l'énergie de Planck4 ne sera jamais atteinte dans les accélérateurs de particules ?
Modèle standard cosmologique : le Big-bang
Non ! Car bien que les conditions du régime quantique de la gravitation ne puissent être créées artificiellement en laboratoire, elles ont existé dans la nature au moment du Big-bang.
La notion de Big-bang est issue du modèle standard cosmologique. Ce dernier, fondé sur la relativité générale et le modèle standard des particules5, décrit l'évolution de l'univers dans son ensemble. Il permet d'expliquer son expansion, découverte par Hubble en 1930, et prédit l'existence d'un « instant initial » de densité d'énergie et de température infinies. Cet instant singulier, le Big-bang, remonte à 13,7 milliards d'années. L'univers était alors confiné dans un volume de dimensions infinitésimales. Son évolution ultérieure a été une succession de recombinaisons de particules formant des structures de plus en plus grandes, et libérant en particulier un rayonnement électromagnétique, le fond diffus cosmologique, 380.000 ans après l'instant initial. Ce reliquat de lumière, prédit par Gamow en 1946, a été observé et mesuré en 1965 par Penzias et Wilson.
Les conditions d'énergie extrêmes au voisinage de la singularité initiale nécessitent le traitement quantique de la gravitation. Depuis quelques années, les observations sur terre et dans l'espace ne cessent de repousser les limites des connaissances sur l'univers à grande échelle : images passées de l'univers grâce aux grands télescopes, matière et énergie noires, constante cosmologique, supernovae, anisotropie du fond diffus, etc. Tôt ou tard il faudra prendre en compte les corrections quantiques à la gravitation pour confronter les modèles théoriques aux observations cosmologiques.
Mais qu'est-ce au juste la relativité générale dans le régime quantique ?

La chasse aux infinis
Les quantités mesurables expérimentalement en physique des particules sont les sections efficaces de diffusion. Des faisceaux de particules sont accélérés et amenés à produire des collisions à énergie élevée. On est au cœur de la physique quantique : lorsque les particules entrent en collision, de nouvelles particules sont créées. Elles sont détectées et, sur un grand nombre d'évènements, ce protocole expérimental fournit les probabilités d'observation d'évènements de type donné, encodées par les sections efficaces de diffusion.
Représentation d'une collision : en bleu les particules entrantes, en rouge, vert et jaune les particules sortantes.
Les sections efficaces sont par ailleurs accessibles dans le cadre d'une théorie microscopique. L'électrodynamique quantique permet par exemple de calculer ces quantités pour tout processus d'interaction entre photons, électrons et positrons (antiparticule de l'électron). De manière plus générale, les particules et leurs interactions électromagnétiques, faibles, fortes et gravitationnelles sont décrites au moyen d'un formalisme universel, celui de la théorie des champs quantiques. Ces derniers sont des objets abstraits qui véhiculent la dualité onde particule. A chaque type de particule et à chaque type d'interaction est associé un tel champ. La théorie qui en résulte constitue la version la plus élaborée de la mécanique quantique relativiste. On peut en principe y calculer les sections efficaces de diffusion.
Les théories quantiques des champs sont polluées de quantités divergentes. L'énergie totale du champ électrostatique d'un électron est infinie et de nombreux exemples similaires pourraient être cités. Selon leur nature, ces quantités infinies peuvent ou ne peuvent pas être absorbées dans une redéfinition adéquate des paramètres de la théorie. En conséquence, selon le cas, les sections efficaces de diffusion sont calculables ou ne le sont pas.

Lorsque l'interaction gravitationnelle est présente et décrite au moyen de la relativité générale, les quantités divergentes apparaissant dans le calcul des processus de diffusion ne peuvent pas être traitées sans altérer radicalement la théorie. Dans le régime quantique, la relativité générale perd donc son pouvoir prédictif. Et la description du commencement de l'univers lui échappe.
Retour aux cordes : cordes et interaction forte
C'est ici que les cordes réapparaissent : comme candidats à une description du régime microscopique (quantique) de la gravitation sans quantités infinies.
Historiquement les cordes sont entrées pour la première fois dans la physique des particules à la fin des années 60, dans le contexte des interactions fortes. Ce n'est que vers la fin des années 70 qu'elles ont été apparentées à la gravitation.
Rappeler le rôle que les cordes ont joué dans les interactions fortes est d'un intérêt à la fois historique et scientifique. On y retrouve une propriété remarquable déjà soulignée précédemment : le pouvoir prédictif dû à la rigidité de la théorie et à l'absence d'autres paramètres que la tension de la corde.
Les interactions fortes assurent la cohésion des noyaux. Elles agissent entre nucléons (protons et neutrons) et plus généralement entre hadrons : les mésons de spin entier et les baryons de spin demi-entier6.
Les hadrons.
Ces particules, de plus en plus nombreuses et de mieux en mieux étudiées dans les années 60, soulevaient d'importantes questions sur la nature des interactions fortes. Pourquoi leurs sections efficaces de diffusion se comportaient-elles de façon si lisse à haute énergie ? Pourquoi, dans un diagramme spin masse, se rangeaient-elles par famille, sur des droites de même pente (appelées trajectoires de Regge) ? Enfin, étaient-elles élémentaires ?
Les trajectoires de Regge sur un diagramme spin masse.
Une évidence était la suivante : l'énergie des collisionneurs augmentant, de plus en plus de nouveaux hadrons apparaissaient et entraient dans le schéma décrit ci-dessus. Il semblait possible qu'une infinité de telles particules existât dans nature et que ces particules fussent toutes ordonnées sur des trajectoires de Regge.
La structure du spectre des hadrons rappelait les gammes de Pythagore. La masse est reliée à une énergie par la relation d'Einstein et l'énergie à une pulsation par la relation de Planck :
Par ce biais, les hadrons pouvaient être identifiés aux excitations d'une corde : la fréquence, multiple entier d'une fréquence fondamentale, détermine la masse ; quant au nombre entier, il est relié au spin.
Pour reproduire correctement des masses de l'ordre du GeV- Giga-électron-volt- (par exemple 0,939 GeV pour les nucléons), le paramètre doit être de l'ordre du GeV-2. Cet ordre de grandeur est obtenu grâce à une corde d'une tension de 104 Kgf, soit d'une longueur de 10-14 cm. Dans ces conditions, la fréquence fondamentale est de 1024 Hz (Herz). Pour le diapason de 440 Hz il fallait une corde de 30 cm tendue à 172 Kgf. Il « suffit » donc d'un changement - drastique - d'échelle pour passer des cordes de piano à des objets microscopiques. Ceux-ci entrent dans le régime de la mécanique quantique et leur gamme de fréquences fournit un spectre de masses dans lequel il ne subsiste aucun paramètre d'ajustement : le spectre est à prendre ou à laisser ; c'est à la fois le tribut et le trophée de la théorie de cordes.
La théorie des cordes allait plus loin. Elle ne fournissait pas seulement le spectre : elle déterminait aussi les interactions entre les particules présentes dans ce dernier, permettant de calculer, sans autre concept ou ingrédient, des sections efficaces de diffusion7.
Il est remarquable que le spectre ainsi obtenu coïncidât avec celui des hadrons observés. Plus remarquable encore, les sections efficaces de diffusion calculées dans ce contexte reproduisaient bien les comportements typiques à haute énergie.
Le point faible de la description des hadrons et de l'interaction forte au moyen d'une théorie de cordes était le « principe de démocratie hadronique ». Pour entrer dans ce schéma, les hadrons devaient être tous élémentaires. Il fallait donc postuler l'existence d'une infinité de particules élémentaires.

Interaction forte et quarks
Des expériences du type de celles qui avaient permis à Rutherford de mettre en évidence la structure composite de l'atome, ont conduit au début des années 70 (expériences de diffusion profondément inélastique) à découvrir une structure interne aux nucléons et à tous les hadrons en général. Les modèles de partons revenaient en force et le modèle des quarks, introduit au début des années 60 par Gell-Mann et Zweig8, offrait une représentation fidèle des hadrons au moyen de quarks de saveurs variées.
Le proton et le pion comme états liés de quarks.
La dernière page des interactions fortes fut tournée avec la naissance de la chromodynamique quantique. C'est une théorie de jauge du même type que l'électrodynamique quantique, déjà mentionnée pour les interactions électromagnétiques. Une autre théorie de jauge, la théorie électrofaible, avait également été introduite au début des années 60 (Glashow, Salam et Weinberg) pour unifier les interactions faibles et électromagnétiques.
Le retour soudain des théories de jauge sur le devant de la scène était la conséquence d'un résultat théorique de grande envergure : la preuve de leur « renormalisabilité » (‘t Hooft, Veltman, 1970). C'est bien cette propriété qui permet de traiter les quantités infinies présentes par exemple dans les calculs de sections efficaces ; c'est aussi cette propriété qui manque à la relativité générale, laquelle devient inopérante au niveau microscopique.
Le succès plus particulier de la chromodynamique quantique comme théorie des interactions fortes était dû à une autre propriété, tout aussi appréciée de la communauté : la liberté asymptotique (Gross, Politzer, Wilczek, 1973). On observait expérimentalement que les « quarks étaient libres au sein des hadrons » ; c'est ce que la liberté asymptotique formulait.
D'autres découvertes ultérieures ont définitivement entériné les théories de jauge comme théories des interactions fortes et électrofaibles, au moins aux énergies accessibles expérimentalement. Les hadrons sont finalement tous composites et le principe de démocratie hadronique n'est pas violé. C'est l'hypothèse de leur « description pythagoricienne » qui est démentie.
Les cordes ne sont pas pour autant disparues du paysage de l'interaction forte. Elles en fournissent une représentation effective fidèle, qui est techniquement très puissante, meilleure même dans certains régimes. On parle de la « corde de la chromodynamique quantique » apparaissant comme véritable lien, ressort bandé entre les quarks au sein d'un méson. Les interactions entre mésons ont alors une image simple en terme de fusion ou rupture de cordes.
Deux pions interagissent pour donner deux kaons : l'annihilation des quarks d (fusion des deux cordes) est suivie par la création des quarks s (rupture de la corde intermédiaire). Les quarks u sont spectateurs.

Le renouveau des cordes : cordes et gravitation quantique
Grâce aux relations entre fréquence, masse et énergie, les fréquences de vibration d'une corde microscopique relativiste peuvent s'interpréter comme des particules. Celles-ci viennent avec leur masse et leur spin. Les interactions et autres propriétés de symétrie découlent simplement des critères de cohérence interne de la théorie. Cette démarche a été suivie dans les cordes des modèles duaux de l'interaction forte.
Il y a dans le spectre de la corde fermée une particule de masse nulle et de spin 2. Ces derniers sont les nombres quantiques cinématiques du graviton, particule médiatrice des interactions gravitationnelles au niveau microscopique. Le niveau microscopique pour la gravitation est l'échelle de Planck c'est-à-dire 10-33 cm. La gravitation pourrait donc apparaître en théorie des cordes à condition de modifier à nouveau l'échelle : passer de 10-14 à 10-33 cm, soit du GeV des cordes hadroniques à 1019 GeV, soit encore à une fréquence fondamentale de 1043 au lieu de 1024 Hz. Ceci nécessite une tension de 1043 Kgf !
La corde fermée semble donc contenir la gravitation, mais quelle gravitation ? La présence d'une particule de spin 2 et de masse nulle ne suffit à elle seule ni à étayer la thèse d'une description quantique de la gravitation, ni à assurer que cette dernière coïncide avec la relativité générale dans le régime classique. La corde fournit-elle vraiment une alternative à la relativité générale, valable dans tous les régimes ?
Cette question est dichotomique car le cadre de la théorie des cordes est très rigide. Les particules viennent avec leurs interactions et aucun artifice ne peut être introduit pour les corriger. Il est remarquable qu'aux grandes distances vis-à-vis de l'échelle de Planck, là ou l'interaction gravitationnelle est dans le régime classique, la corde fermée restitue la relativité générale. Il est tout aussi remarquable qu'à courte distance, elle s'affranchisse des divergences qui gâtent cette dernière.
Ces résultats, pressentis par Scherk et Schwarz en 1974 et 1975, ont constitué le tournant décisif de la théorie des cordes.

Cordes, membranes, théories de jauge et supersymétrie
La théorie des cordes remplace le concept d'objet ponctuel par celui d'objet étendu. Ce faisant, elle introduit une structure à la fois plus riche et plus contrainte.
Des objets ponctuels aux cordes, ouvertes ou fermées.
La liberté de choisir les ingrédients (particules, interactions, symétries et géométrie) à sa guise n'existe plus dans ce contexte. Evoluer : c'est tout ce qu'une corde peut faire, éventuellement en se scindant en deux, ou en fusionnant avec une autre corde. Cette évolution engendre une surface appelée « feuillet d'univers » de la corde.
Evolution d'une ou deux cordes fermées et leur feuillet d'univers.
La gravitation apparaît dans ces théories de manière naturelle, avec l'espoir d'en décrire les effets quantiques et de comprendre la cosmologie primordiale. Pour peu qu'on accepte l'extension vers les supercordes, qui est la seule fantaisie autorisée9 si on veut éviter la présence de tachyons - particules plus rapides que la lumière, on obtient non seulement le graviton, mais une pléthore de particules de matière et d'interaction. Il apparaît des symétries de jauge de grande unification et une symétrie supplémentaire : la supersymétrie d'espace-temps. A basse énergie (autrement dit à grandes distances), on retrouve toutes les propriétés des objets ponctuels et de leurs interactions.
Les théories de cordes font apparaître des objets encore plus exotiques, comme résultat de critères de cohérence interne : des membranes. Celles-ci sont très massives et donc inobservables avec les instruments dont on dispose actuellement. Il en existe de nombreux types qui apportent leurs propres contributions au spectre et aux interactions de la théorie.
Un exemple de membrane : une « D 2-brane » avec des cordes ouvertes accrochées dessus.
Trop, l'ennemi du trop peu
Depuis déjà de nombreuses années, le modèle standard des particules élémentaires est testé avec des instruments de la plus haute précision. Ce modèle contient 3 familles de leptons et 3 familles de quarks. Tous interagissent par voie électromagnétique et faible ; seuls les quarks sont sensibles aux interactions fortes. Toutes les interactions sont décrites au moyen de théories de jauge et leurs médiateurs sont les bosons intermédiaires massifs, le photon et les gluons. La théorie complète est parfaitement définie tant au niveau microscopique que macroscopique.

La nécessité d'aller au-delà du modèle standard a toutefois été pressentie bien avant la confirmation expérimentale du modèle standard lui-même. De nombreuses raisons sont évoquées, mais la plus objective est sans doute la découverte récente que les neutrinos, leptons neutres et réputés de masse nulle dans le modèle standard, sont en réalité massifs.
Deux grandes classes d'ingrédients ont été proposées depuis les années 70 pour bâtir un modèle dont le modèle standard serait l'approximation de « basse énergie ». Les théories de grande unification qui introduisent des symétries de jauge plus vastes, incorporant celles qui ont déjà été observées dans la nature. Et les extensions supersymétriques qui sont articulées autour d'une nouvelle symétrie, jamais encore observée. Les unes et les autres prévoient l'existence de particules nouvelles qui restent à découvrir.
En plus de la gravité, les théories de cordes10 incorporent tous ces nouveaux ingrédients sans additifs artificiels. Malheureusement, leur cohérence interne11 impose une autre contrainte dont les conséquences sont désastreuses pour leur pouvoir prédictif : ces théories sont définies à 10 dimensions12. La rigidité tant appréciée des théories de cordes lorsqu'elle fixe les paramètres, le spectre de particules, les symétries et les interactions, devient un handicap lorsqu'elle prédit un univers décadimensionnel !
Dimensions excédentaires compactes
Une dimension de temps et 9 d'espace : il y en a 6 de trop. Celles-ci doivent être compactes, refermées sur elles-mêmes à la manière de petits cercles, plus petits que tout ce que les instruments de la plus haute résolution peuvent discriminer.
Une dimension supplémentaire compacte : il faut regarder de près pour la découvrir.
L'introduction de dimensions supplémentaires compactes dans les théories de la gravitation n'est pas une nouveauté. Elle est même très ancienne, aussi ancienne que les premières tentatives d'unifier les forces de la nature. Les théories « unitaires » du premier quart du 20ème siècle avaient pour objet de formuler les deux forces jusqu'alors observées, la gravitation (relativité générale d'Einstein) et l'électromagnétisme (théorie relativiste de Maxwell), comme manifestations différentes d'une même interaction13. En introduisant un espace-temps de 5 dimensions, autorisant l'existence de champs gravitationnels uniquement, et en imposant qu'une des 4 dimensions d'espace était compacte (un « petit » cercle) on retrouvait dans l'espace-temps infini restant (de 3 dimensions d'espace et une de temps) des champs électromagnétiques et de gravitation.
Kaluza (1921) et Klein (1926) avaient développé ces idées et étudié en particulier quelles seraient les conséquences de l'existence de la petite dimension « inobservable à l'œil nu ». Leurs conclusions étaient les suivantes : pour chaque type de particule observée, il devait exister une infinité de répliques, de masses de plus en plus élevées et régulièrement espacées. L'incrément de masse carrée était en raison inverse du carré du rayon carré de la dimension compacte.
Le spectre de Kaluza-Klein : est un entier quelconque. Pour de l'ordre de 10-16 cm, l'incrément de masse carrée est de 4 103 GeV2.
Tant que les énergies restent petites vis-à-vis de l'incrément, le spectre de Kaluza-Klein reste invisible. Les forces observées sont la gravitation et l'électromagnétisme quadridimensionnels. Dès que l'énergie le permet, les premiers états de Kaluza-Klein apparaissent ; autrement dit la résolution devient suffisante pour « ouvrir » la dimension compacte. La distinction entre gravitation et électromagnétisme devient de plus en plus arbitraire : nous observons finalement la version unifiée de ces forces dans la gravité pure en cinq dimensions.
Dans le cadre de la théorie de cordes, l'introduction de dimensions supplémentaires compactes n'est pas une option. La théorie vient avec 6 dimensions excédentaires qu'il faut traiter comme compactes. D'une part, ceci confirme le caractère universel de la théorie : elle contient spontanément toutes les options introduites ça et là comme alternatives (grande unification, supersymétrie, Kaluza-Klein). D'autre part, cela offre la possibilité de choisir un schéma de compactification plutôt qu'un autre afin d'approcher au plus juste la physique des particules telle qu'elle apparaît dans les accélérateurs aujourd'hui.
Le revers de la médaille est l'ouverture vers une grande variété de modèles sans critère de principe pour choisir et l'apparition d'une nouvelle classe de particules (les modes de Kaluza-Klein) qui s'ajoutent à toutes celles encore hypothétiques (partenaires supersymétriques et bosons de jauge de grande unification).

Retour à la loi de Newton
On pourrait faire l'hypothèse que seule la force de gravitation transperce l'espace qui est transverse à notre espace-temps usuel, quadridimensionnel ; autrement dit, que deux objets éloignés l'un de l'autre dans une des dimensions excédentaires (par exemple situés en des points distincts d'un petit cercle) soient soumis à la seule force de gravitation. On peut accompagner cette hypothèse d'une autre, compatible, selon laquelle les particules de Kaluza-Klein seraient inobservables car n'interagissant pas avec les détecteurs. Une particule est visible si elle interagit avec un détecteur. In fine, ce dernier est sensible à l'interaction électromagnétique seulement.
Ce résultat n'est pas une propriété générique de la théorie de cordes et aucun modèle concret ne le démontre. Aucun principe ne s'y oppose non plus et certaines indications pourraient plaider en sa faveur. Dans le cadre de la théorie des cordes, c'est une hypothèse de travail qui relève plutôt de la phénoménologie des cordes.
Dans ces conditions, on peut s'affranchir de la contrainte de « petite » dimension compacte. Si les modes de Kaluza-Klein sont inobservables, rien n'empêche qu'ils soient « légers ». C'est-à-dire de masse inférieure au seuil disponible actuellement. Les dimensions compactes pourraient donc être de rayon supérieur à 10-16 cm.
Quelles sont alors les contraintes expérimentales ? Peut-on avoir des dimensions compactes de rayons arbitrairement grands ?

C'est à la gravitation de répondre à ces questions, puisque c'est elle qui, dans les hypothèses ci-dessus, subsiste dans l'espace transverse. A des échelles supérieures à 10-16 cm, l'interaction gravitationnelle est loin du régime quantique et pour les besoins de l'argument la loi de Newton suffit. La loi de Newton dépend de la dimension d'espace. Dans l'espace usuel tridimensionnel, cette loi est
En quatre dimensions infinies d'espace, elle devient
Lorsqu'une dimension parmi les quatre est compacte de rayon , la loi prend une forme plus compliquée. Elle se réduit cependant aux expressions de d = 3 ou d = 4 dimensions14 dans les limites respectives et .
La loi de Newton a été testée depuis longtemps dans le système solaire avec grande précision, à des échelles de l'ordre de 106 Km. L'expérience de Cavendish (1790) avait été réalisée avec des sphères distantes d'une vingtaine de centimètres. Des expériences à la Cavendish sont réalisées depuis les années 80, qui explorent la gravité depuis le centimètre jusqu'au millimètre, sans observer d'écart à la loi de Newton tridimensionnelle. Les projets pour les années à venir vont jusqu'au dixième de millimètre.
Se non è vero, è bene trovato
Il y a typiquement deux phases dans l'évolution d'une théorie ambitieuse. On commence par comprendre les phénomènes et donner une formulation abstraite à la théorie. On aborde ensuite les aspects techniques, la résolution des équations, la confrontation expérimentale.
Les progrès les plus spectaculaires de la théorie des cordes relèvent de la première phase : structure et universalité de la théorie, rôle des symétries, formulations duales ... Des questions fondamentales mais techniquement difficiles restent toutefois sans réponse complète ou satisfaisante. La supersymétrie est omniprésente dans la théorie et absente de la nature aux échelles accessibles. Elle doit être brisée à basse énergie et restaurée à haute énergie. Comment et à quelle énergie charnière ? Comment retrouver le modèle standard des particules ? La ressemblance des spectres et des interactions ne suffit pas. Il faut les 3 familles de particules, les 3 interactions et le procédé qui donne les masses justes. Rien de plus à basse énergie. Il faut aussi expliquer la dynamique des compactifications : pourquoi la nature choisit-elle une option de compactification plutôt qu'une autre ? Enfin, il faut profiter de ce pourquoi la théorie a eu tant de succès dans ses premiers jours : la gravitation quantique. Déterminer un modèle cosmologique cohérent et suffisant, comprendre le problème de la constante cosmologique, l'inflation, la platitude de l'univers. Comprendre la vraie nature des trous noirs et de leur rayonnement.
C'est l'absence d'idées qui est un échec, pas la difficulté. Les théories de jauge, le modèle électrofaible, la chromodynamique quantique ont été accueillis jadis avec le plus grand scepticisme. Et ce n'est pas seulement, voire pas du tout, par manque de faits expérimentaux qu'il a fallu deux dizaines d'années et un travail de missionnaire pour les adopter.

La théorie des cordes n'est pas de reste dans cette logique. Elle a ses détracteurs et ses adhérents qui oublient parfois, les uns et les autres, que la théorie des cordes n'est pas un credo. C'est une théorie physique difficile qui foisonne d'idées nouvelles. Cette théorie a permis des avancées conceptuelles importantes : holographie entre interaction gravitationnelle et interaction de jauge, thermodynamique des trous noirs ... Elle a irrigué, et continue de le faire, divers domaines des mathématiques et a inspiré de nombreuses voies de recherche d'importance grandissante en physique des hautes énergies et en cosmologie, qui évoluent désormais de façon autonome : la phénoménologie des branes et des cordes, les cosmologies alternatives au Big-bang, les univers branaires ...
Ces derniers développements ont progressivement intéressé les expérimentateurs. On trouve des projets de recherche de particules de Kaluza-Klein autour des futurs grands instruments (par exemple le LHC15 au CERN). Des expériences de gravité sub-millimétrique sont programmées pour mieux comprendre la loi de Newton et tester les idées de « grandes » dimensions compactes. On attend avec impatience les observations cosmologiques à venir : anisotropies du fond cosmologique, matière et énergie noires, constante cosmologique ... (expériences ARCHEOPS, WMAP16 ...).
La théorie des cordes offre un cadre précis et contraint. Son contenu en termes de symétries, interactions et spectre ne souffre aucun amendement. Il est remarquable qu'il reproduise malgré cela et avec une telle efficacité la gravitation ainsi que l'ensemble des concepts introduits depuis plus de trente ans en physique des particules : unification des forces et de la géométrie, supersymétrie, dimensions supplémentaires d'espace-temps ..., dans un cadre compatible avec les principes de la mécanique quantique. Cette situation n'est peut-être pas fortuite, mais ce n'est pas à la communauté d'en décider. Comme toutes les théories, celle des cordes n'échappera pas au couperet de la confrontation avec l'expérience. Mais si cette confrontation devait être au bénéfice des cordes comme constituants élémentaires de la matière, l'histoire aura donné raison à tous les penseurs, depuis Pythagore jusqu'à Kepler, dans leur quête de l'harmonie des sphères célestes.

 

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  LE REFROIDISSEMENT D'ATOMES PAR DES FAISCEAUX LASER
 

 

 

 

 

 

 

LE REFROIDISSEMENT D'ATOMES PAR DES FAISCEAUX LASER

En utilisant des échanges quasi-résonnants d'énergie, d'impulsion et de moment cinétique entre atomes et photons, il est possible de contrôler au moyen de faisceaux laser la vitesse et la position d'un atome neutre et de le refroidir à des températures très basses, de l'ordre du microKelvin, voire du nanoKelvin. Quelques mécanismes physiques de refroidissement seront passés en revue, de même que quelques applications possibles des atomes ultra-froids ainsi obtenus (horloges atomiques, interférométrie atomique, condensation de Bose-Einstein, lasers à atomes, etc.).

Texte de la 217e conférence de l’Université de tous les savoirs donnée le 4 août 2000.
Le refroidissement des atomes par laser par Claude Cohen-Tannoudji
Introduction
Au cours des deux dernières décennies, des progrès spectaculaires ont été réalisés dans notre maîtrise du mouvement des atomes. En faisant interagir ces atomes avec des faisceaux laser de direction, de fréquence et de polarisation convenablement choisies, nous pouvons maintenant contrôler la vitesse de ces atomes, réduire leurs mouvements d’agitation désordonnée, en quelque sorte les assagir, ce qui revient à diminuer leur température. Ces nouvelles méthodes portent le nom de «refroidissement laser». On sait également depuis peu contrôler la position des atomes et les maintenir confinés dans de petites régions de l’espace appelées « pièges ».
Le sujet de cet exposé est le refroidissement laser. Son objectif est double. Je voudrais tout d’abord expliquer en termes très simples comment fonctionne le refroidissement laser. Lorsqu’un atome absorbe ou émet de la lumière, il subit un recul. Comment peut-on utiliser ce recul pour ralentir et refroidir des atomes ? Je voudrais également dans cet exposé passer en revue les principales motivations de ces travaux, les nouvelles perspectives qu’ils ouvrent et essayer de répondre à quelques interrogations : À quoi peuvent servir les atomes ultrafroids ? Quels problèmes nouveaux permettent-ils d’aborder ? Quelles nouvelles applications peut-on envisager ?
Pour ceux d’entre vous qui ne sont pas familiers avec la physique des atomes et du rayonnement, j’ai pensé qu’il serait utile de commencer cet exposé par un rappel succinct de quelques notions de base très simples sur les photons et les atomes, sur les mécanismes d’absorption et d’émission de photons par les atomes. J’aborderai ensuite la description de quelques mécanismes physiques à la base du refroidissement laser : le recul de l’atome émettant ou absorbant un photon, ce qui se passe lorsqu’on place l’atome dans un faisceau laser résonnant, comment les reculs successifs que subit alors l’atome permettent de le ralentir et de le refroidir. Je terminerai enfin mon exposé en passant en revue quelques applications de ces travaux : les horloges à atomes froids, d’une extrême précision, puis l’interférométrie atomique qui utilise des phénomènes d’interférence résultant de la superposition des ondes de de Broglie atomiques, et enfin ces nouveaux états de la matière qui sont nommés condensats de Bose-Einstein. L’apparition, à des températures très basses, de ces nouveaux objets ouvre la voie vers de nouvelles applications comme les lasers à atomes qui sont analogues à des lasers ordinaires dans lesquels les ondes lumineuses seraient remplacées par des ondes de de Broglie.
Quelques notions de base
La lumière
La lumière est un objet d’études qui a toujours fasciné les physiciens et les scientifiques en général. Elle est apparue successivement au cours des siècles comme un jet de corpuscules ou comme une onde. Nous savons aujourd’hui qu’elle est à la fois une onde et un ensemble de corpuscules.
La lumière est tout d’abord une onde électromagnétique, c’est-à-dire un champ électrique et un champ magnétique oscillant à la fréquence ν et se propageant dans le vide à une vitesse
considérable c = 3×108 m/s. Comme toute onde, la lumière donne naissance à des phénomènes d’interférence. Lorsqu’on superpose deux ondes différentes d’égale amplitude,
1
en certains points, les ondes vibrent en phase et l’amplitude est doublée, en d’autres points, les ondes vibrent en opposition de phase et l’interférence est destructive. Sur un écran, on peut ainsi apercevoir une succession de zones brillantes et de zones sombres appelées franges d’interférence.
La couleur de la lumière est liée à sa fréquence ν . Le spectre de fréquence des ondes électromagnétiques s’étend de quelques Hertz aux rayons X et gamma. La lumière visible ne couvre qu’une très petite région de ce domaine spectral. Il est possible d’analyser le contenu spectral d’un rayonnement grâce à des appareils dits dispersifs qui font subir à un rayon lumineux une déviation qui dépend de la fréquence. Ainsi, si l’on fait passer un rayon solaire à travers un prisme, ses différentes composantes de couleur sont déviées de manière différente et on observe ce que l’on appelle un spectre.
Au début du siècle, à la suite des travaux de Planck et d’Einstein, il est apparu que la lumière n’était pas seulement une onde, mais qu’elle était aussi une assemblée de corpuscules : les
« photons ». A une onde lumineuse de fréquence ν , sont ainsi associés des corpuscules, les photons, qui possèdent une énergie E = hν proportionnelle à ν , une quantité de mouvement
p = hν / c également proportionnelle à ν . Dans ces équations, c est la vitesse de la lumière,
ν sa fréquence et h une constante que l’on appelle la constante de Planck, introduite en physique par Planck il y a exactement 100 ans.
L’idée importante qui s’est dégagée au cours du siècle précédent est la dualité onde- corpuscule. La lumière est à la fois une onde et un ensemble de corpuscules. Il est impossible de comprendre les divers phénomènes observés en termes d’ondes uniquement ou de corpuscules uniquement. Ces deux aspects de la lumière sont tous deux indispensables et indissociables.
Les atomes
Les atomes sont des systèmes planétaires analogues au système solaire. Ils sont formés de particules très légères, « les électrons », particules de charge négative, qui gravitent autour d’une particule de masse beaucoup plus élevée, dont la charge est positive : « le noyau ». Pour comprendre le mouvement de ces électrons autour du noyau, les physiciens se sont vite rendu compte que la mécanique classique était inadéquate et conduisait à des absurdités. Ils ont alors « inventé » la mécanique quantique, qui régit la dynamique du monde à l’échelle microscopique. Il s’agit là d’une révolution conceptuelle aussi importante que la révolution de la relativité restreinte et de la relativité générale. Une des prédictions les plus importantes de la mécanique quantique est la quantification des grandeurs physiques, en particulier, la quantification de l’énergie.
Dans le système du centre de masse de l’atome, système qui coïncide pratiquement avec le noyau car le noyau est beaucoup plus lourd que les électrons, on observe que les énergies des électrons ne peuvent prendre que des valeurs discrètes, quantifiées, repérées par des
« nombres quantiques ». Pour illustrer la quantification de l’énergie, j’ai représenté ici le niveau fondamental d’énergie la plus basse, le premier niveau excité, le deuxième niveau excité.
2
E2 E1
E0
2e Niveau excité 1er Niveau excité
Niveau fondamental
Figure 1 : Niveaux d'énergie d'un atome. Chaque trait horizontal a une altitude proportionnelle à l'énergie du niveau correspondant.
Interaction matière-lumière
Comment un tel atome interagit-il avec la lumière ? Émission et absorption de lumière par un atome
Un atome, initialement dans un état supérieur Eb , peut passer de ce niveau à un niveau inférieur Ea . Il émet alors de la lumière de fréquence ν , plus précisément un photon d’énergie
hν , telle que Eb − Ea = hν . Autrement dit, l’énergie perdue par l’atome, lorsqu’il passe du
niveau Eb au niveau Ea , est évacuée par le photon d’énergie hν . La relation entre la perte
d’énergie de l’atome et la fréquence de la lumière émise n'est donc en fait que la traduction exacte de la conservation de l’énergie.
Eb
Ea
ν Eb −Ea =hν ν
Emission
Absorption
Eb
Ea
Figure 2 : Processus élémentaires d'émission (figure de gauche) et d'absorption (figure de droite) d'un photon par un atome.
Le processus inverse existe, bien sûr : le processus d’absorption de lumière par un atome. L’atome, initialement dans un état inférieur Ea peut passer dans un niveau supérieur Eb en
gagnant l’énergie hν du photon absorbé. En d’autres termes, l’atome absorbe un photon et l’énergie du photon qu’il absorbe lui permet de passer de Ea à Eb . Il apparaît ainsi clairement
que la quantification de l’énergie atomique sous forme de valeurs discrètes entraîne le caractère discret du spectre de fréquences émises ou absorbées par un atome.
La lumière : une source essentielle d’informations sur la structure des atomes 3
Un atome ne peut émettre toutes les fréquences possibles, il ne peut émettre que les fréquences correspondant aux différences des énergies de ses niveaux. Ce résultat est extrêmement important. Il montre en effet que la lumière est une source d’information essentielle sur le monde atomique. En effet, en mesurant les fréquences émises ou absorbées, on peut reconstituer les différences Eb − Ea et obtenir le diagramme d’énergie d’un atome.
C’est ce que l’on appelle la « spectroscopie ». Le spectre d’un atome varie d’un atome à l’autre. Les fréquences émises par l’atome d’hydrogène diffèrent de celles émises par l’atome de sodium, de rubidium ou de potassium. Le spectre de raies émises par un atome constitue en quelque sorte son « empreinte digitale » ou, pour utiliser des termes plus actuels, son
« empreinte génétique ». Il est possible d’identifier un atome par l’observation des fréquences qu’il émet. Autrement dit, en observant la lumière provenant de différents types de milieux, on peut obtenir des informations sur les constituants de ces milieux. Ainsi, en astrophysique, par exemple, c'est la spectroscopie qui permet de déterminer la composition des atmosphères planétaires et stellaires et d'identifier les molécules qui sont présentes dans l’espace interstellaire. L’observation du décalage des fréquences émises par des objets astrophysiques permet de mieux comprendre la vitesse de ces objets et de mesurer ainsi l’expansion de l’univers. L’observation du spectre de la lumière émise ou absorbée permet aussi d’étudier des milieux hostiles comme des plasmas ou des flammes et d’analyser in situ les constituants de ces milieux.
Durée de vie d'un état excité
Considérons un atome isolé, initialement préparé dans un état excité Eb . L’expérience montre qu’au bout d’un certain temps, très court, l’atome retombe spontanément dans un état
inférieur Ea , en émettant et dans n’importe quelle direction, un photon d’énergie
hν = Eb − Ea . Ce laps de temps, très court, à la fin duquel se produit le processus d'émission
est appelé la durée de vie de l’état excité Eb .
Il apparaît ainsi qu'un atome ne peut pas rester excité indéfiniment. La durée de vie de l’état excité, qui varie d’un atome à l’autre, est typiquement de 10-8 s, c’est-à-dire 10 milliardièmes de seconde.
Les mécanismes physiques
Après ces brefs rappels de notions de base, abordons maintenant la seconde partie de cet exposé qui traite des mécanismes physiques à la base du refroidissement laser.
Le recul de l’atome lors de l’émission ou de l’absorption d’un photon
(3a)
Eb Ea M u
hν / c
Ea
Eb
hν / c
4
Mu
(3b)
Figure 3 : Recul d'un atome lors de l'émission (figure 3a) ou de l'absorption (figure 3b) d'un photon par cet atome.
En physique, il y a une loi fondamentale qui est « la conservation de la quantité de mouvement ». Considérons un atome excité dans un état Eb supérieur, initialement immobile,
et supposons qu’à l’instant t = 0 , cet atome émette un photon, lequel a une quantité de mouvement hν / c . Dans l’état initial, l’atome étant tout seul et immobile, la quantité de
mouvement globale est nulle. Dans l’état final, comme le photon part avec une quantité de mouvement hν / c , l’atome recule avec la quantité de mouvement opposée Mv = −hν / c .
Vous avez certainement déjà vu, en réalité ou à la télévision, un canon tirer un obus : lorsque le canon tire un obus, il recule. De même, lorsqu’un atome émet un photon, il recule à cause de la conservation de la quantité de mouvement. Sa vitesse de recul est donnée par
vrec =hν/Mc.
Le même phénomène de recul s’observe lors de l’absorption. Considérons un atome dans un
état fondamental Ea , initialement immobile, et supposons qu’on envoie sur lui un photon : l’atome absorbe le photon et parvient à l’état excité. Il recule alors avec la même vitesse de
recul hν / Mc . De même, lorsqu’on tire une balle sur une cible, la cible recule à cause de la
quantité de mouvement qui lui est communiquée par le projectile.
Par ailleurs, nous savons que l’absorption de photon qui porte l’atome, initialement immobile, à l’état excité, est nécessairement suivie d’une émission puisque l’atome ne peut rester excité indéfiniment. Il retombe donc, au bout d’un temps qui est la durée de vie de l'état excité, dans l’état inférieur, en émettant spontanément un photon. Dans ce cycle absorption-émission au cours duquel l’atome absorbe un photon, recule puis émet un photon, la probabilité qu’il émette ce photon dans telle direction ou dans telle autre, dans un sens ou dans le sens opposé, est la même de sorte, qu’en moyenne, la vitesse qu’il perd lors de l’émission est nulle. Il s'ensuit donc que le changement de vitesse de l’atome est, en moyenne, uniquement lié au processus d’absorption et a pour valeur vrec = hν / Mc . Ce résultat est important pour la suite.
L’atome dans un faisceau laser
Essayons maintenant de comprendre comment réagit l’atome en présence, non pas d’un seul photon incident, mais d’un faisceau laser résonnant. Un flot de photons arrive alors sur lui. Il en absorbe un premier, monte dans l’état excité, retombe en émettant un photon, puis absorbe un second photon laser, monte dans l’état excité, retombe en émettant un autre photon , puis en absorbe un troisième et ainsi de suite. L’atome, ainsi plongé dans un faisceau laser, enchaîne les cycles absorption-émission sans pouvoir s’arrêter et, à chacun de ces cycles, sa vitesse change en moyenne de vrec = hν / Mc . Comme la durée de vie moyenne de l’atome
excité est de 10-8 s, il se produit de l'ordre de108 cycles absorption-émission par seconde, c’est-à-dire 100 millions de cycles par seconde ! A chacun de ces cycles, la vitesse de l’atome change de hν / Mc . Pour l'atome de sodium, le calcul de cette vitesse de recul donne 3cm/s.
Pour l'atome de césium, on obtient 3mm/s. Ces vitesses sont très faibles, comparées par exemple aux vitesses des molécules de l'air qui nous entoure, qui sont de l'ordre de 300m/s. C'est pourquoi pendant longtemps les changements de vitesse d'un atome dûs aux effets de recul ont été considérés comme négligeables. En fait la situation est radicalement différente pour un atome dans un faisceau laser. Les cycles d'absorption-émission se répètent 100 millions de fois par seconde, générant un changement de vitesse par seconde de l'ordre de 100 millions de fois la vitesse de recul. On obtient ainsi des accélérations (ou décélérations) de l'ordre de 106 m/s2. A titre de comparaison, prenons un exemple dans la vie courante : quand
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un objet tombe, l’accélération g qu'il subit du fait de la pesanteur est de 10 m/s2. Un atome de
sodium irradié par un faisceau laser est soumis à une accélération, ou une décélération, qui peut atteindre 105g. A titre de comparaison encore, cette accélération est 100 000 fois supérieure à celle, de l’ordre de 1g, que subit une voiture qui roule à 36 km/heure et qui s’arrête en 1 seconde.

Ralentissement d’un jet atomique
Cette force considérable qu’exerce la lumière sur les atomes, résultant de l'accumulation d'un très grand nombre de petits changements de vitesse, permet d’arrêter un jet atomique. Considérons un jet d’atomes sortant d’un four à la température de 300°K ou 400°K et se propageant à une vitesse de l'ordre de 1 km/s. Si ce jet est éclairé tête bêche par un faisceau laser résonnant, la force de pression de radiation que les atomes subissent va ralentir ces atomes, les arrêter et même leur faire rebrousser chemin. Un atome de vitesse initiale v0 de
1 km/s, soit 103 m/s, va être arrêté avec une décélération de 106m/s2, au bout de 10-3seconde, c’est-à-dire en une milliseconde. En une milliseconde, il passe ainsi de 1 km/s à zéro ! La distance L parcourue par l'atome avant qu'il ne s'arrête est donnée par une formule classique de terminale. Elle est égale au carré de la vitesse initiale divisée par deux fois la décélération subie. On obtient ainsi L = 0, 5m . On peut donc ainsi, dans un laboratoire, sur une distance
de l'ordre du mètre, arrêter un jet d’atomes avec un faisceau laser approprié. Evidemment, au fur et à mesure que les atomes sont ralentis, à cause de l’effet Doppler, ils sortent de résonance. Il faut donc modifier la fréquence du faisceau laser ou modifier la fréquence des atomes pour maintenir la condition de résonance et conserver la force à sa valeur maximale tout au long du processus de décélération.
Ralentir les atomes consiste à diminuer leur vitesse moyenne. Par contre la dispersion des valeurs de la vitesse autour de la valeur moyenne demeure en général inchangée. Il faut en fait faire une distinction très claire entre le mouvement d’ensemble caractérisé par la vitesse moyenne et le mouvement d’agitation désordonnée autour de la valeur moyenne de la vitesse. En physique, c’est cette vitesse d’agitation désordonnée qui caractérise la température. Plus un milieu est chaud, plus les vitesses d’agitation désordonnée de ses constituants sont élevées. Refroidir un système, cela veut dire diminuer les vitesses d’agitation désordonnée de ses constituants. Comment peut-on refroidir des atomes avec des faisceaux laser ?
Refroidissement Laser Doppler
(4a)
(4b)
Figure 4 : Principe du mécanisme de refroidissement laser par effet Doppler. Pour un atome au repos (figure 4a) les deux forces de pression de radiation s'équilibrent exactement. Pour
νL <νA νA νL <νA     Atome v=0
νapp <ν ν νapp >ν LLALL     Atome v v≠0
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un atome en mouvement (figure 4b), la fréquence apparente de l'onde se propageant en sens opposé augmente et se rapproche de résonance. Elle exerce une force de pression de radiation plus grande que celle de l'onde qui se propage dans le même sens que l'atome et dont la fréquence apparente, diminuée par effet Doppler, s'éloigne de résonance.
Le mécanisme de refroidissement laser le plus simple utilise l'effet Doppler et a été proposé au milieu des années 70 par Hansch, Schawlow, Wineland et Dehmelt. L’idée est simple : l'atome est éclairé non plus par une seule onde laser, mais par deux ondes laser se propageant dans des sens opposés. Ces deux ondes laser ont même intensité, et même fréquenceνL , cette
fréquence νL étant légèrement inférieure à celle, νA , de la transition atomique. Que se passe-
t-il alors ? Si l’atome est immobile, avec donc une vitesse nulle, v = 0 , il n’y a pas d’effet Doppler. Dans ce cas, les deux faisceaux laser ont la même fréquence apparente. Les forces qu'ils exercent ont même module et des signes opposés. La force de pression de radiation venant de la gauche et la force de pression de radiation venant de la droite s’équilibrent donc exactement et l’atome n’est soumis à aucune force. Si l’atome se déplace vers la droite, avec une vitesse v non nulle, à cause de l’effet Doppler, la fréquence de l’onde qui se propage en sens opposé apparaît plus élevée. Cette fréquence apparente est ainsi augmentée et se rapproche de résonance. Le nombre de photons absorbés est alors plus élevé et la force augmente. Par contre, l'onde qui se propage dans le même sens que l'atome a sa fréquence apparente qui est diminuée par effet Doppler et qui s'éloigne donc de résonance. Le nombre de photons absorbés est alors moins élevé et la force diminue. A cause de l'effet Doppler, les deux forces de pression de radiation ne s'équilibrent plus. C'est la force opposée à la vitesse qui l'emporte et l'atome est ainsi soumis à une force globale non nulle, opposée à sa vitesse. Cette force globale F peut être écrite pour une vitesse v assez faible sous la forme
F = −α v où α est un coefficient de friction. Autrement dit, l’atome qui se déplace dans
cette configuration de deux faisceaux laser se propageant dans des sens opposés est soumis à une force de friction opposée à sa vitesse. Il se retrouve dans un milieu visqueux, que l’on appelle une mélasse optique par analogie avec un pot de miel. Sous l’effet de cette force, la vitesse de l’atome va être amortie et tendre vers zéro.
Refroidissement Sisyphe
L’étude théorique du mécanisme de refroidissement laser Doppler permet de prédire les températures qui pourraient être obtenues par un tel mécanisme et qu'on trouve de l’ordre de quelques centaines de microkelvin soit quelques 10-4 K. Ce sont des températures très basses comparées à la température ordinaire qui est de l’ordre de 300 K. En fait, quand, à la fin des années 80, on a pu mesurer ces températures de manière plus précise, on s’est aperçu, et ce fut une réelle surprise, que les températures mesurées étaient 100 fois plus basses que prévues, ce qui signifiait que d’autres mécanismes étaient en jeu. C’est l’un deux, le refroidissement Sisyphe que nous avons, mon collègue Jean Dalibard et moi-même, identifié et étudié en détail.
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Figure 5 : l'effet Sisyphe
Sans entrer dans les détails d’un tel mécanisme, essayons d’en donner une idée générale. Les expériences de refroidissement laser utilisent des paires d’ondes laser se propageant dans des sens opposés (voir par exemple la figure 4). Ces ondes interfèrent et l’onde résultante a donc une intensité et une polarisation qui varient périodiquement dans l’espace. Or, on peut montrer que les niveaux d’énergie d’un atome sont légèrement déplacés par la lumière, d’une quantité proportionnelle à l’intensité lumineuse et qui dépend de la polarisation lumineuse. De plus, chaque atome possède en général plusieurs « sous-niveaux » d’énergie dans son état fondamental, qui correspondent chacun à une valeur différente d’une grandeur physique qui, comme l’énergie, est quantifiée. En l’occurrence, il s’agit ici du moment cinétique, l’atome pouvant être considéré comme une petite toupie qui tourne sur elle même. La figure 5 représente deux tels sous-niveaux dont les énergies sont modulées dans l’espace sous l’effet de la lumière. L’atome en mouvement se déplace donc dans un paysage de collines et de vallées de potentiel, paysage qui change suivant le sous-niveau dans lequel il se trouve. Considérons alors un atome se déplaçant vers la droite et initialement au fond d’une vallée de potentiel, dans un certain sous-niveau (Fig.5). Cet atome gravit la colline de potentiel et atteint le sommet de cette colline où il peut avoir une probabilité importante d’absorber et d’émettre un photon, processus à l’issue duquel il va se retrouver dans l’autre sous-niveau d’énergie, au fond d’une vallée. Le même scénario peut alors se reproduire, l’atome gravissant à nouveau une colline de potentiel avant d’atteindre le sommet et d’être transféré dans l’autre sous-niveau au fond d’une vallée, et ainsi de suite...Comme le héros de la mythologie grecque, l’atome est ainsi condamné à recommencer sans cesse la même ascension, perdant à chaque fois une partie de son énergie cinétique. Au bout d’un certain temps, il est tellement épuisé qu’il n’arrive plus à gravir les collines et se retrouve pris au piège au fond d’un puits. L’étude théorique et la comparaison avec les résultats expérimentaux ont conforté la réalité de ce mécanisme de refroidissement qui permet d'atteindre le microkelvin, c’est-à-dire une température de 10-6 K. Nous avons aussi mis au point au laboratoire d’autres méthodes, que je n’ai pas le temps d’approfondir aujourd’hui, qui permettent d'aller encore plus loin et d’atteindre le nanokelvin, c’est-à-dire 10-9 K, un milliardième de Kelvin.
À de telles températures, les vitesses des atomes sont de l’ordre du cm/s voire du mm/s alors qu’à température ordinaire, elles sont de l’ordre du km/s. Ces méthodes de refroidissement ont donc permis d’assagir considérablement le mouvement d'agitation désordonnée des atomes, de les rendre presque immobiles. Mentionnons également, sans entrer dans le détail des phénomènes, qu'on peut confiner les atomes dans une petite région de l'espace, appelée piège, grâce à l'utilisation de gradients d’intensité lumineuse ou de gradients de champ magnétique.
Description de quelques applications

Les horloges atomiques

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∆ν ν0
Figure 6 : Principe d'une horloge atomique
Les applications des atomes froids et les nouvelles perspectives qu’ils ouvrent sont essentiellement liées au fait qu’ils sont animés d’une très faible vitesse. Cette particularité permet de les observer pendant une durée beaucoup plus longue. Or, en physique, une mesure est d’autant plus précise que le temps d’observation est plus long. On comprend très bien alors que, grâce à l’extrême précision des mesures pouvant être faites sur des atomes ultrafroids, des progrès ont pu être réalisés, dans la conception des horloges notamment. Rappelons tout d'abord en quoi consiste une horloge. C’est essentiellement un oscillateur, par exemple un quartz qui oscille à une certaine fréquence. Cependant, la fréquence d'un quartz livré à lui-même, fluctue au cours du temps. Elle accélère ou ralentit. Pour réaliser une horloge stable, il est donc nécessaire d'empêcher sa fréquence de dériver. Pour ce faire, on va maintenir la fréquence du quartz égale à la fréquence centrale d'une raie atomique.
Le principe de cette opération est schématisé sur la figure 6. Un oscillateur, piloté par le quartz, délivre une onde électromagnétique de même fréquence ν que la fréquence d’oscillation du quartz. Cette onde permet une « interrogation » des atomes utilisés pour stabiliser l’horloge. En l’envoyant sur les atomes et en balayant la fréquence ν du quartz, on observe une « résonance » quand ν coïncide avec la fréquence ν0 = (Eb − Ea ) / h
correspondant à l’écart d’énergie Eb − Ea entre deux niveaux d’énergie de cet atome. Un dispositif « d’asservissement » ajuste alors en permanence la fréquence ν du quartz pour la
maintenir au centre de la raie atomique. On stabilise ainsi ν en forçant ν à rester égal à ν0 .
En fait, c’est l’atome de césium qui est utilisé pour définir l’unité de temps, la seconde. Par convention internationale, la seconde correspond à 9 192 631 770 périodes d’oscillation
T0 =1/ν0 ,oùν0 estlafréquencecorrespondantàunecertainetransitionreliantdeuxsous- niveaux d’énergie de l’état fondamental de l’atome de césium. Cette fréquence ν0 est
universelle. Elle est la même pour tous les atomes de césium, où qu’ils se trouvent.
Les raies de résonance atomiques ne sont pas infiniment étroites. Elles ont une « largeur » ∆ν (voir figure 6). Plus cette largeur est faible, plus l’asservissement sera efficace, et plus l’horloge sera stable. Or, on peut montrer que la largeur d’une transition atomique reliant deux sous-niveaux de l’état fondamental d’un atome est inversement proportionnelle au temps d’observationTobs.PlusTobs estlong,pluslaraieestfine.Commelesatomesfroids
permettent d’allonger la durée de ce temps d’observation et par conséquence de disposer de raies très fines, il est aujourd’hui possible de réaliser des horloges extrêmement précises. Les horloges qui ont été réalisées jusqu’à ces dernières années utilisent des jets d’atomes de
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césium se propageant à des vitesses de l’ordre du km/s, dans des appareils dont la longueur de l’ordre du mètre. Le temps d’observation accessible avec de tels systèmes est donc de l'ordre d’une milliseconde. Avec des atomes froids, il a été possible d’allonger ce temps d’observation par un facteur 100 et d’améliorer donc les performances des horloges atomiques par le même facteur. En fait, on n’utilise pas dans ces nouveaux dispositifs un jet horizontal d’atomes ralentis, car ils tomberaient rapidement dans le champ de pesanteur. Dans les nouvelles horloges, les jets atomiques sont verticaux. Plus précisément, les atomes refroidis dans une mélasse optique sont lancés vers le haut au moyen d’une impulsion laser et forment une sorte de « fontaine ». Ils traversent la cavité électromagnétique dans laquelle la résonance atomique est mesurée, une première fois dans leur mouvement ascendant, une seconde fois dans leur mouvement descendant quand ils retombent sous l’effet du champ de pesanteur. Les temps d’observation peuvent atteindre alors quelques dixièmes de seconde et être ainsi de l’ordre de cent fois plus longs que dans les horloges précédentes. De telles horloges à atomes froids ont été réalisées à Paris par un des mes collègues, Christophe Salomon en collaboration avec André Clairon du L.P.T.F-B.N.M. (Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences et Bureau National de Métrologie). Ils ont pu ainsi mettre au point, avec une fontaine haute de 1m , l’horloge la plus stable et la plus précise jamais réalisée dans le monde. Deux critères permettent de définir la qualité d’une horloge. Le premier, la stabilité, indique la fluctuation relative de fréquence au cours du temps. Elle est de l’ordre de quelques 10-16 pour un temps de Moyen-Âge de l’ordre de 104 s. Concrètement, cela signifie qu’une horloge atomique qui aurait été mise en marche au début de la création de l’univers ne serait, dix milliards d’années plus tard, désaccordée que de quelques secondes. Le second critère, c’est la précision. Si on réalise deux horloges, leur fréquence coïncide à 10-15 près, compte tenu des déplacements de fréquence liés à des effets parasites.
Ces horloges à atomes froids ont de multiples applications : le GPS ("Global Positioning System"), système de positionnement par satellite, la synchronisation des réseaux de télécommunications à haut débit, les tests de physique fondamentale (relativité générale, variation des constantes fondamentales). Pourrait-on encore augmenter leurs performances en réalisant des fontaines plus hautes, de 10 mètres par exemple ? En fait, un tel projet ne serait pas réaliste car le temps d'observation ne croît que comme la racine carrée de la hauteur et il faudrait blinder le champ magnétique terrestre (qui peut déplacer la fréquence de l'horloge) sur des distances de plus en plus grandes. La solution qui s’impose alors de manière évidente consiste à se débarrasser de la gravité et c’est la raison pour laquelle nous nous sommes engagés en France dans des expériences de microgravité depuis 1993. Ces expériences se déroulent à bord d’un avion avec lequel le pilote effectue plusieurs paraboles d’une vingtaine de secondes chacune. Pour ce faire, le pilote accélère l’avion à 45° en phase ascendante, puis coupe brutalement les gaz. Pendant les 20 secondes qui suivent l’avion est en chute libre et sa trajectoire est une parabole. A l'intérieur de l'avion, les objets flottent et ne tombent plus sur les parois de l'avion. Tout se passe comme s'il n'y avait plus de gravité. Puis le pilote remet les gaz et redresse la trajectoire de l'avion pour se remettre en phase ascendante et effectuer une nouvelle parabole. On a donc pu ainsi effectuer des tests sur le comportement des divers composants de l'expérience dans ces conditions, et leurs résultats ont montré qu’il est possible de réaliser des horloges à atomes froids en apesanteur. A la suite de ces tests, un accord a été signé pour prolonger l’expérience et placer une horloge atomique à atomes froids à bord de la station spatiale internationale qui doit être mise en orbite en 2004.

Les interférences atomiques
Depuis les travaux de Louis de Broglie, nous savons qu’à toute particule de masse M est associée une onde qu’on appelle « l’onde de de Broglie » dont la longueur d’onde λdB ,
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donnée par l’équation λdB = h / M v , est inversement proportionnelle à la vitesse v . Plus la
vitesse est faible, plus la longueur d’onde de de Broglie est grande. Les atomes froids qui sont animés de faibles vitesses ont donc de grandes longueurs d’onde de de Broglie et leur comportement ondulatoire sera par suite beaucoup plus facile à mettre en évidence. Considérons par exemple l’expérience des fentes de Young réalisée avec des ondes lumineuses. Une source lumineuse éclaire un écran percé d’une fente. La lumière issue de cette fente arrive sur une plaque percée de deux fentes en dessous de laquelle est placé un écran. L’onde lumineuse suit ainsi deux trajets passant par l’une ou l’autre de ces fentes avant d’arriver sur l’écran d’observation qui enregistre l’intensité lumineuse. Selon la position du point d’observation sur cet écran, les deux ondes qui arrivent en ce point et qui sont passées par les deux trajets possibles se superposent, en phase ou en opposition de phase. L’intensité de l’onde résultante varie donc entre une valeur élevée et une valeur nulle et on observe ce qu’on appelle « les franges d’interférence d’Young ».
Depuis quelques années, plusieurs expériences analogues ont été réalisées, non plus avec des ondes lumineuses, mais avec les ondes de de Broglie associées à des atomes froids. Des physiciens japonais de l’université de Tokyo, le Professeur Fujio Shimizu et ses collègues, ont ainsi réalisé une expérience tout à fait spectaculaire. Elle consiste à laisser tomber en chute libre un nuage d’atomes froids initialement piégés au-dessus d’une plaque percée de deux fentes. Après traversée des deux fentes, les atomes viennent frapper une plaque servant de détecteur et l’on observe une succession d’impacts localisés. Au début, la localisation de ces impacts semble tout à fait aléatoire. Puis, au fur et à mesure que le nombre d’impacts augmente, on constate qu’ils s’accumulent préférentiellement dans certaines zones et on voit apparaître nettement une alternance de franges brillantes avec des impacts très denses et de franges sombres avec très peu d’impacts. Cette expérience illustre parfaitement la dualité onde-corpuscule. Les atomes sont des corpuscules dont on peut observer l’impact localisé sur un écran de détection. Mais en même temps, il leur est associé une onde et c’est l’onde qui permet de calculer la probabilité pour que le corpuscule se manifeste. Comme l’onde associée aux atomes peut passer par les deux fentes de la plaque, elle donne naissance au niveau de l’écran de détection à deux ondes qui interfèrent et qui modulent donc spatialement la probabilité de détection de l’atome. On est là au cœur de la mécanique quantique, de la dualité onde-corpuscule qui régit le comportement de tous les objets physiques.

La condensation de Bose-Einstein
Depuis quelques années, des progrès spectaculaires ont été réalisés dans un autre domaine : la condensation de Bose-Einstein. A température très basse et à densité suffisamment élevée, l’extension spatiale des ondes de de Broglie associée à chaque atome devient plus grande que la distance moyenne entre deux atomes de sorte que les paquets d’ondes se recouvrent et interfèrent. Il apparaît alors un phénomène nouveau, qu’on appelle « la condensation de Bose- Einstein » : Tous les atomes se condensent dans le même état quantique, le niveau fondamental du puits qui les contient. Ce phénomène, prévu il y a longtemps par Bose et Einstein, joue un rôle important dans certains fluides, comme l’helium superfluide. Il a été observé également il y a cinq ans, pour la première fois aux Etats-Unis, sur des systèmes gazeux, formés d’atomes ultrafroids. Il fait actuellement l’objet de nombreuses études, tant théoriques qu’expérimentales dans de nombreux laboratoires.
L’ensemble des atomes condensés dans l’état fondamental du piège qui les contient porte le nom de « condensat ». Tous les atomes sont décrits par la même fonction d’onde. On obtient ainsi une onde de matière géante. De tels systèmes quantiques macroscopiques ont des propriétés tout à fait originales : cohérence, superfluidité, qui ont pu être observées et étudiées en grand détail. Plusieurs groupes s’efforcent également d’extraire d’un condensat de Bose- Einstein un faisceau cohérent d’atomes, réalisant ainsi un « laser à atomes », qui peut être
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considéré comme l’équivalent, pour les ondes de de Broglie atomiques, des lasers mis au point, il y a trente ans, pour les ondes électromagnétiques . Quand de telles sources cohérentes d’ondes de de Broglie atomiques deviendront opérationnelles, on peut raisonnablement penser qu’elles stimuleront un développement spectaculaire de nouveaux champs de recherche, comme l’interférométrie atomique, la lithographie atomique.

Conclusion
L’étude des propriétés de la lumière et de ses interactions avec la matière a fait faire à la physique des progrès fantastiques au cours du XXe siècle. Ces avancées ont eu plusieurs retombées. Elles ont donné lieu à une nouvelle compréhension du monde microscopique. La mécanique quantique est née. La dualité onde-corpuscule est maintenant une évidence. De nouvelles sources de lumière, les lasers, sont apparues.
J’espère vous avoir convaincu que la lumière n’est pas seulement une source d’information sur les atomes mais également un moyen d’agir sur eux. On sait maintenant « manipuler » les divers degrés de liberté d’un atome, contrôler sa position et sa vitesse. Cette maîtrise accrue de la lumière et de la matière ouvre aujourd’hui de nouvelles perspectives à la recherche . De nouveaux objets d’étude sont apparus, comme les ondes de matière, les lasers à atomes, les systèmes quantiques dégénérés, dont les applications, encore insoupçonnées, verront le jour demain, au XXIe siècle.

Pour en savoir plus :
http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/welcome.htm
De la lumière laser aux atomes ultrafroids.
Des explications simples sur le refroidissement et le piégeage d’atomes par laser et les applications de ce champ de recherche.
http://www.ens.fr/cct
Le cours de Claude Cohen-Tannoudji au Collège de France
Etude et analyse des travaux de recherche récents sur la Condensation de Bose-Einstein
L’auteur remercie Nadine Beaucourt pour son aide dans la rédaction de ce texte à partir de l’enregistrement de la conférence et Nicole Neveux pour la mise en forme du manuscrit.

 

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