inégalité de Bell

Deux danseurs sur une même scène reproduisent les mouvements l'un de l'autre, même lorsqu'un rideau les sépare. Dans le monde quantique, de telles paires sont dites intriquées, et les physiciens vérifient depuis un demi-siècle jusqu'où s'étend cette connexion.

Deux minuscules diamants flottent dans le vide, séparés par une distance que la lumière ne peut parcourir pendant la durée de l'expérience. À l'intérieur de chacun, telle une étincelle figée, vit un spin intriqué — un état quantique qui les lie en un tout unique.

Deux observateurs, Alice et Bob, sont assis aux deux extrémités d'un même laboratoire. Entre eux, une source émet successivement deux impulsions. Chaque impulsion donne naissance à un paquet d'ondes qui se dirige vers son détecteur.

Dans notre monde, la gravité est un espace-temps courbe. C'est ainsi que la décrit la relativité générale d'Einstein. Mais que devient la gravité à l'échelle des atomes et des particules, où règne la mécanique quantique ? Cette question reste sans réponse depuis près d'un siècle.

Un ordinateur quantique repose sur deux forces : l'intrication (les particules se comportent comme un tout) et la « magie » — une mesure de la distance d'un état par rapport à la physique classique habituelle.

L'effet Mpemba est une énigme où l'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau tiède. On l'explique généralement par la façon dont l'eau perd de la chaleur et de l'entropie (une mesure du désordre). Mais dans un verre d'eau, le chaos empêche de modéliser précisément le phénomène.

Le paradoxe classique de Mpemba — l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide — a intrigué les scientifiques pendant des siècles. Ce n'est que récemment que la mécanique statistique hors d'équilibre a expliqué : tout est une question de conditions aux limites ; le système semble chercher une occasion de « heurter le mur » pour accélérer le…

Au centre de presque chaque grande galaxie se cache un trou noir supermassif, dont l'abîme gravitationnel a été décrit mathématiquement pour la première fois par Karl Schwarzschild. Lorsqu'il avale du gaz, naît un noyau actif éblouissant — un quasar.

En mécanique quantique, tout est instable : la particule n'est pas en un point unique, mais étalée dans l'espace, et l'événement ne se produit pas en un instant unique. Mais notre monde quotidien est plein de certitudes : la pièce est tombée sur pile, l'ampoule s'est allumée, une note a été écrite dans le carnet.

Deux jumeaux entrent dans une pièce par des portes différentes. Chacun reçoit une boîte avec un bouton — et chaque fois qu'ils appuient sur le bouton, une ampoule rouge ou verte s'allume. Si les jumeaux sont absolument identiques, on peut s'attendre à ce que leurs ampoules s'allument selon les mêmes règles internes.

D'un côté de la balance, toute la matière de l'Univers ; de l'autre, toute l'antimatière. Selon les lois de la physique, au moment de la naissance du monde, les plateaux auraient dû s'équilibrer. Mais nous voyons qu'un plateau l'emporte : autour de nous, il y a des étoiles, des planètes, des humains, et presque pas d'antimatière.

Un tourbillon de café peut s'étendre sur deux endroits dans une tasse – un flou de liquide tourbillonnant. Les particules quantiques se comportent de manière similaire : un tourbillon d'espace-temps où elles existent à deux endroits à la fois. Mais la gravité agit comme la cuillère qui remue le tissu de l'espace et du temps.

Deux particules se comportent comme une paire de dés insolites : lancées aux deux extrémités de l'Univers, elles retombent toujours sur le même résultat. Le physicien John Bell a calculé que si les dés obéissaient à des règles cachées, la fréquence des coïncidences aurait une limite stricte.

La lumière du soleil frappe une plaquette de silicium – et un courant apparaît dans le circuit. C'est le fonctionnement habituel d'une cellule photovoltaïque : la lumière arrache des électrons, et la jonction p-n (la frontière entre deux couches de conductivités différentes) les force à se déplacer dans une même direction.

Un photographe tente de capturer l'interférence de la lumière, mais il ne dispose que d'une seule lentille et de la possibilité de modifier le temps d'exposition. Une tâche similaire se pose aux cosmologistes qui étudient les empreintes quantiques dans le rayonnement fossile, la lueur résiduelle du Big Bang.

Trois personnes sont assises aux trois coins d'une pièce. Chacune reçoit une enveloppe scellée d'un coursier invisible — mais les coursiers ne se concertent pas et ne se sont jamais rencontrés. Les gens ouvrent les enveloppes et voient un mot : « oui » ou « non ». Ils ne choisissent rien eux-mêmes — ils lisent simplement.

On lance deux pièces dans des villes différentes, mais elles retombent toujours du même côté. Les physiciens appellent cela l'intrication : les particules se comportent comme si un fil invisible les reliait. Mais et si ce fil n'était pas instantané, simplement très rapide, mais toujours pas plus rapide que la lumière ?

Jetez une pierre dans un étang : les cercles se propagent régulièrement puis s'estompent. Les ondes gravitationnelles, nées de la fusion de trous noirs, se comportent différemment : même après le passage de l'onde principale, il reste une « queue » faible.

Galilée, selon la légende, aurait lancé des boules depuis la tour de Pise pour prouver que les corps lourds et légers tombent à la même vitesse. Cette loi est devenue le fondement de la théorie de la gravitation d'Einstein. Aujourd'hui, les scientifiques ont transformé une station spatiale entière en une telle tour.

Deux complices interrogés : trahir ou se taire ? Si chacun ignore ce que fera l'autre, leur choix fait dérailler la règle classique des probabilités. C'est comme rouler sur un vieux vélo sur une route cahoteuse : une selle dure vous éjecte. La règle des manuels, le modèle standard, défaille.

La réalité ressemble à une photo non développée : avant la mesure, elle n'est qu'un nuage de possibilités. Ce n'est que lorsque nous la « développons » par l'observation que la particule acquiert des propriétés nettes.

Comparer deux parfums est facile sans connaître leur composition — il suffit de savoir s'ils se ressemblent. Ce principe du quotidien est devenu la base d'une nouvelle classe d'inégalités de John Bell, repensant les tests de la connexion surnaturelle entre particules.

Deux particules se comportent comme si une connexion télépathique existait entre elles : mesurer l'état de l'une détermine instantanément l'état de l'autre, quelle que soit la distance. Einstein appelait cela « l'action fantomatique à distance ».

Au Grand collisionneur de hadrons, en accélérant des particules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, on produit des quarks top — les briques les plus lourdes du modèle standard.

Sur une table de laboratoire se trouve un instrument qui ressemble à une balance, mais au lieu de plateaux, il porte deux masses de métaux différents — du béryllium et de l'aluminium. La balance est suspendue à un fil fin qui se tord si les masses sont attirées différemment.

Un capteur quantique ressemble à une ligne télégraphique transmettant un message ultra-sensible. La moindre interférence déforme le signal. On pensait autrefois que pour une mesure précise, il fallait un « télégraphiste » infaillible — un système idéal de correction d'erreurs. Mais en pratique, tous les éléments sont bruyants.

Deux géants noirs tournent l'un autour de l'autre puis entrent en collision — un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers. Ce frémissement est capté par les détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Une particule quantique peut se trouver à deux endroits à la fois, mais jamais un objet macroscopique. La faute aux perturbations qui transforment l'ordre en chaos et augmentent l'entropie ?

Nous avons l'habitude de penser que les événements ont des causes, que les objets existent par eux-mêmes et que les signaux ne peuvent pas dépasser la vitesse de la lumière.

Dans le monde familier, il y a trois dimensions. Mais les physiciens envisagent l'existence de directions cachées, repliées sur elles-mêmes. Si l'une d'elles est enroulée en bouteille de Klein — une surface sans intérieur ni extérieur — les lois fondamentales se brisent.

Deux sphères massives dans le vide spatial. Poussez l'une, et l'autre ne ressentira la poussée qu'un instant plus tard : l'effet gravitationnel se propage comme un écho dans les montagnes, avec un retard inévitable.

Dans une salle de concert vide, deux musiciens jouent la même partition. D'abord le violon, puis le violoncelle, ou l'inverse. Il en a toujours été ainsi : chaque note a sa place dans le temps, son « avant » et son « après ». Mais que se passerait-il si l'orchestre pouvait jouer les deux versions à la fois, dans une superposition quantique de deux ordres ?

Dans le monde quantique, les particules n'ont pas de propriétés précises tant qu'on ne les mesure pas. Le modèle officiel refuse d'expliquer ce qui se cache derrière cette incertitude. Mais l'idée que des « pilotes » invisibles guident les particules existe depuis les années 1920.

Au sommet de la colline de la physique classique, une particule est figée dans un équilibre instable. La moindre impulsion — et elle dévale la pente à une vitesse croissante.