moment cinétique

La vague déferle sur la plage non pas en un front régulier, mais en langues d'écume qui tantôt fusionnent, tantôt se séparent. Les champs magnétiques à l'intérieur des matériaux se comportent de façon semblable : ils respirent en ondes, et jusqu'ici personne ne les avait vus dans leur ensemble.

En 1934, Jean Leray a prouvé que les équations de Navier–Stokes ont toujours des solutions « au sens généralisé ». Si la solution reste lisse ou peut se briser en une singularité, il ne l'a pas su, et personne ne l'a su pendant quatre-vingt-dix ans. En 2000, l'Institut Clay a fait de la question l'un de ses sept problèmes du Millénaire.

Une pierre lancée décrit une courbe, mais une planète autour du Soleil suit une courbe fermée. Pourquoi une ellipse plutôt qu'un cercle ou une spirale ? La première loi de Kepler donne la réponse, mais sa démonstration exige d'ordinaire des calculs complexes. Ce travail propose un chemin plus court — à travers un simple rapport de vitesses.

Un faisceau laser ordinaire va tout droit, comme la lumière d'une lampe de poche. Mais on peut enrouler la lumière en spirale — comme le filet d'un tire-bouchon. Un tel faisceau porte un moment angulaire orbital : il ne se contente pas d'éclairer, il fait tourner tout ce qu'il rencontre.

Une toupie magnétique qui ne tombe pas. Une petite bille de grenat fer-yttrium flotte dans les airs, maintenue par des forces invisibles. Ce n'est pas un tour de magie, mais un piège de Paul magnétique — un champ magnétique alternatif qui change rapidement de direction et empêche la bille de tomber, comme un jongleur qui lance des balles en l'air.

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

Jetez une poignée de sable sur une table : les grains se dispersent également dans toutes les directions. Mais si un aimant est caché sous la table et que le sable est ferreux, les trajectoires deviennent plus subtiles : une structure invisible à l'œil se superpose au chaos. C'est à peu près ainsi que fonctionne le mouvement des molécules à l'intérieur d'une cellule vivante.

Le col d'un sablier est l'endroit le plus étroit, où les grains de sable changent de côté. En gravité quantique, il existe un objet similaire : l'instanton (une solution instantanée reliant deux états de l'espace). Il agit comme un tunnel à travers lequel la géométrie de l'univers passe d'une forme à une autre.

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, se rapprochant progressivement. Leur danse perd de l'énergie, et cette énergie s'échappe dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles, et parfois d'autres champs.

Le trou noir de Kerr-NUT n'est pas simplement un aspirateur cosmique. C'est une solution des équations d'Einstein où le trou possède une masse, une rotation et un étrange paramètre NUT. Il se comporte comme une charge magnétique pour la gravité : en apparence invisible, mais il modifie les propriétés de l'espace environnant.

L'électron n'est pas un simple point. C'est un nuage de probabilité, étalé dans l'espace. Lorsque ce nuage entre en collision avec une impulsion laser puissante, il peut émettre un photon de haute énergie — un quantum gamma.

Une paire de trous noirs tourne dans une danse, se rapprochant progressivement. Ils perdent de l'énergie et de la rotation — ce processus est appelé émission de moment cinétique. Dans la théorie standard d'Einstein, seules les ondes gravitationnelles emportent le moment.

Une toupie qui fait cent tours par seconde se met soudain à perdre de la vitesse — bien plus vite que toutes les toupies connues. C'est exactement ce que fait le pulsar J0435+3233. C'est une étoile morte, comprimée à la taille d'une ville, mais tournant à une vitesse folle.

Une minuscule bille aimantée flotte dans le vide, maintenue par des champs invisibles. Elle se met à tourner autour de l'axe du champ magnétique — tout comme une toupie qu'on aurait légèrement poussée. C'est la précession. Mais lorsque la bille devient très petite, les lois quantiques entrent en jeu.

En 1915, Albert Einstein et Wander Johannes de Haas ont montré que lorsqu'on aimante une barre de fer, celle-ci tourne légèrement — le moment angulaire des électrons est transmis au réseau cristallin.

Un fluide superfluide s'écoule sans frottement, comme une eau qui ne s'arrête jamais. Mais si on le fait tourner, il ne se contente pas de tourner : chaque minuscule vortex se souvient de la manière exacte dont il a été mis en rotation.

Un objet ordinaire se déplace le long d'une trajectoire prévisible, comme une balle. Dans le monde quantique, une particule est étalée en un nuage de probabilité. Pour voir l'ordre dans ce brouillard, des scientifiques ont reformulé l'équation de Schrödinger dans le langage de l'eau qui s'écoule.

Sur un drap tendu court un pli solitaire — une dénivellation abrupte qui ne s'étale pas, mais se déplace comme un tout. Les physiciens appellent ce pli un « kink ». Si l'on tire brusquement sur le drap en un point, une ondulation se propage. Mais dans certains milieux, cette ondulation ne se disperse pas : elle se rassemble en une masse qui tremble sur place pendant des dizaines, voire des centaines de cycles.

Le cristal de tellure ressemble à un minuscule escalier en colimaçon : ses atomes sont enroulés en spirale. Lorsque la chaleur traverse un tel cristal, elle n'est pas transportée par les électrons, mais par des ondes sonores — les vibrations du réseau lui-même. Ces ondes ne se contentent pas de pousser d'avant en arrière ; elles tournent aussi sur elles-mêmes, comme une toupie lancée.

Un élastique s'étire et revient. Un ressort en acier se comprime et se détend. L'élasticité semble être une propriété des choses simples — un morceau de métal ou une goutte de gel. Mais les auteurs de ces travaux ont regardé plus loin. Ils ont montré que le spin de l'électron — sa minuscule rotation propre — peut lui aussi être élastique.

Une cuillère chaude dans une tasse de thé : la chaleur court le long du métal, de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Dans les manuels, ce processus est décrit comme un tremblement des atomes qui se transmettent des chocs. Mais les atomes ne se contentent pas de trembler : ils pivotent aussi, comme de minuscules toupies.

La lumière n'est pas seulement des rayons, mais des ondes qui peuvent tourbillonner, comme un couple en danse. Leur rotation totale est appelée par les physiciens moment angulaire orbital, et on pensait qu'elle obéissait à la loi de conservation découlant des symétries de la nature, découvertes par Emmy Noether.

Une balance avec des poids identiques, mais un plateau qui penche toujours. Dans le monde des particules élémentaires, ce déséquilibre s'appelle la violation de la symétrie CP : les particules et leurs jumeaux miroirs (les antiparticules) se comportent très légèrement différemment.

Une caméra ordinaire capte la lumière réfléchie par les objets et en construit une image. Mais si l'objet est caché derrière un obstacle ou ne réfléchit pas la lumière, les ondes radio viennent à la rescousse : elles traversent les murs et le brouillard, et l'ordinateur reconstruit l'image à partir des signaux diffusés.

Les capteurs quantiques ressemblent à un orchestre où les musiciens jouent à l'unisson : leurs états intriqués permettent de capter des signaux inaccessibles aux instruments ordinaires.

Deux plaques métalliques dans un vide total s'attirent. Richard Feynman comparait déjà le vide à une écume bouillonnante : des paires de particules naissent et disparaissent aussitôt, créant l'effet Casimir. Si les plaques sont asymétriques, elles se mettent aussi à tourner — c'est le moteur à vide. Mais pour tourner, pas besoin de pièces courbes.

Le pulsar de la nébuleuse du Crabe clignote comme un phare : toutes les 33 millisecondes, il émet une impulsion radio, et ce, avec la précision d'une horloge atomique.

Le chirurgien insère une canule dans l'aorte pour que le sang contourne le cœur. Le jet issu de la canule frappe la paroi du vaisseau comme un jet d'eau sur une plate-bande, y décrochant des particules qui peuvent s'envoler vers le cerveau. Les chercheurs ont construit des modèles informatiques d'aortes de quatre personnes : un enfant, un adolescent, un adulte et une personne âgée.

Grâce au télescope Keck et à la méthode de spectroscopie (analyse de la lumière qui révèle la vitesse de rotation), des astronomes ont mesuré 32 objets : des planètes géantes aux naines brunes — des corps plus lourds que les planètes mais plus légers que les étoiles, qui ne se sont jamais allumés.

Une toupie ordinaire lancée sur une table ralentit progressivement : le frottement de l'air et du support finit par dissiper l'énergie. Mais si la toupie est en lévitation dans un champ magnétique et ne touche presque rien, sa rotation peut se comporter de manière étonnamment capricieuse.

L'espace-temps, à des distances extrêmement petites, évoque un écran numérique : il n'est pas lisse, mais constitué de minuscules « pixels ».

À l'intérieur d'une cellule vivante, une minuscule toupie de carbone tourne — une molécule de la taille d'un milliardième de mètre. Une toupie ordinaire tombe vite, mais celle-ci se comporte autrement : elle peut tourner dans les deux sens à la fois, comme une pièce quantique qui resterait éternellement suspendue dans sa chute.

Trois branches de la physique — la cosmologie, la physique des particules et la physique nucléaire — ont longtemps fonctionné comme des rives isolées.

Il y a cent ans, la mécanique quantique offrait au monde une image cohérente : la rotation d'une particule autour d'un point ne peut se faire qu'avec des quantités bien précises de moment cinétique, des nombres entiers multipliés par la constante de Planck.