fonction de Wigner

L'aile d'un avion, comme un skieur sur un tremplin, se souvient de son accélération. Vous changez brusquement l'angle d'attaque, et la portance n'atteint pas immédiatement sa nouvelle valeur. Elle augmente progressivement, comme si l'aile n'était pas encore sûre que la manœuvre soit sérieuse. Cet effet a été découvert par l'ingénieur Herbert Wagner en 1925.

Un détecteur quantique, c'est comme un pendule sensible suspendu dans le vide. Si une onde gravitationnelle brutale passe à proximité, on pourrait s'attendre à ce que le pendule se mette à osciller. Mais le calcul montre le contraire : l'onde ne l'agite pas, elle amortit au contraire les oscillations déjà présentes.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est expansé plus vite que la lumière ne pouvait le traverser. Comme un ballon que l'on gonfle, sauf qu'au lieu du caoutchouc, c'est l'espace lui-même.

Dans les premiers instants de sa vie, l'Univers ressemblait à un chaudron bouillonnant. La matière n'était pas répartie uniformément — des amas et des vides s'y formaient, et leur mouvement tumultueux faisait vibrer l'espace lui-même : ondes gravitationnelles.

L'espace vide n'est pas aussi vide qu'il en a l'air. Selon la théorie quantique, le vide est rempli de particules qui naissent et disparaissent continuellement.

Un filigrane délicat sur du papier humide, et une vitre embuée devant les yeux. C'est à peu près à cela que ressemble la lecture des états quantiques de la lumière : les fragiles motifs de photons sont déformés par les pertes, et les détecteurs ne capturent qu'une petite partie du signal.

Dans une feuille ultramince de graphène à quatre couches, les électrons peuvent se comporter comme un liquide figé. Sous un fort refroidissement et sous l'effet d'un champ électrique, ils cessent de s'agiter et s'alignent en un motif régulier — un cristal de Wigner.

Depuis que Fritz Zwicky a remarqué que les amas de galaxies se déplacent trop vite, et que Vera Rubin a mesuré la rotation des bras spiraux, la matière noire reste la grande énigme de la cosmologie.

Un trou noir n'est pas un objet mort. Après une perturbation, par exemple la fusion avec un autre trou noir, il sonne comme une cloche. Cette sonnerie n'est pas un simple son, mais un ensemble complexe d'oscillations amorties appelées modes quasi-normaux.

Dans la vision classique du monde, la gravité est une courbure douce de l'espace et du temps. Mais à l'échelle microscopique, où règne la mécanique quantique, ces courbures doivent se transformer en une ondulation granuleuse. Les particules de cette ondulation sont appelées gravitons.

Un étrange visiteur est apparu dans un éclair instantané. Un faisceau de photons a frappé un noyau de deutérium (hydrogène lourd), et dans la cascade de particules produites, les détecteurs ont remarqué quelque chose d'inhabituel.

Une soupe bouillonnante dans une casserole — mais chaque grain n'est pas un simple point, c'est une toupie minuscule qui tourne sur son axe. Tel est le monde des particules de spin 1. Par exemple, certains mésons à vie courte qui naissent lors de collisions dans les accélérateurs.

L'Univers primordial s'est étendu à une vitesse inimaginable — plus vite que la lumière ne pourrait le traverser. Dans ce chaudron bouillonnant, toute région de l'espace ressemblait à un pot de peinture ouvert : ses frontières capturaient continuellement de nouvelles « vapeurs » de l'extérieur, tandis qu'une partie de son contenu s'échappait irrémédiablement.

Le cône de lumière est un plan de causalité découpé au laser dans la toile de l'univers. En physique classique, il est tranchant comme un scalpel : les événements à l'intérieur sont reliés par des fils invisibles d'influence, et au-delà, c'est l'isolement éternel, scellé par la vitesse de la lumière…

Un ordinateur quantique mesure l'énergie d'une molécule à peu près comme un vieux mètre ruban qui n'aurait que des graduations tous les mètres. Si la longueur réelle de la table est de 2,37 mètres, le ruban indiquera « deux et quelque chose », et pas plus précis.

Les métronomes ordinaires, posés sur un support mobile, finissent par osciller en synchronie. Dans le monde quantique, ce tour de passe-passe s'est longtemps refusé aux physiciens.

Une bulle de savon flotte dans l'air, et sa forme contient déjà tout ce qu'il faut pour calculer la tension interne. Un principe similaire a fonctionné dans un nouveau travail sur la gravité quantique.

La gravitation est une courbure de l'espace-temps, et non une simple attraction, comme l'a montré Einstein. Sur une telle « piste de danse » incurvée, même les porteurs hypothétiques de la gravitation, les gravitons, se déplacent de manière singulière.

On peut palper un objet inconnu dans le sens de la longueur, en travers, en diagonale — à chaque fois, on obtient une nouvelle information. Mais que se passerait-il si une méthode de palpation ne nous apprenait absolument rien sur ce que révélerait une autre ?

En physique, il y a une vieille douleur. La relativité générale décrit le début de l'Univers comme un point — une singularité où les équations s'effondrent et où le volume devient nul.

Deux fines feuilles sur lesquelles sont dessinées des alvéoles sont superposées puis légèrement pivotées. Un nouveau motif apparaît : un moiré, semblable aux reflets de la soie. C'est à peu près ce que font les électrons dans l'expérience : ils s'organisent en deux couches, et l'une se retrouve pivotée de 30 degrés exactement par rapport à l'autre.

Une poignée de sable se dépose sur la table. Les grains s'arrangent de différentes manières, mais si la poignée est grande, le volume total change à peine. C'est à peu près ainsi que fonctionne la gravité classique : l'espace semble lisse et déterminé.

Une poignée de grains de riz tombe sur une poêle brûlante — et les voilà qui sautillent. Chaque grain pousse ses voisins, tout le tas s'agite sans intervention extérieure. C'est cela, la matière active : une multitude de particules qui puisent elles-mêmes de l'énergie et la transforment en mouvement.

Des centaines de personnes sur une piste de danse se tiennent à égale distance les unes des autres — un ordre strict, comme dans un réseau cristallin. La musique lente représente les vibrations thermiques, qui font doucement tanguer les danseurs. Si la musique devient plus forte et plus rapide, l'ordre s'effondre : tout le monde se mélange.

Une foule se met soudain à bouger comme une seule personne. En physique, cela arrive avec les spins atomiques — de minuscules aiguilles magnétiques. Lorsque de nombreux spins se rassemblent et communiquent via un milieu commun, ils forment un grand aimant, ou macro-spin.

Sous un fort champ magnétique, les électrons confinés dans une couche mince s'alignent parfois en un motif régulier — comme des invités à une fête bondée qui trouvent un endroit où personne ne les bouscule. On appelle cet ordre un cristal, même s'il ne s'agit ni de glace ni de sel, mais des électrons eux-mêmes, figés à leur place.

Tout a commencé par d'infimes scintillements quantiques sur la toile primitive. L'expansion de l'univers — l'expansion avalancheuse proposée par Alan Guth — a étiré ces touches jusqu'à la taille des galaxies.

Un faisceau laser traversant un cristal spécial se transforme de lui-même en « chat de Schrödinger » — un mélange de deux états. Erwin Schrödinger a imaginé ce paradoxe pour un atome, et voilà que les physiciens l'observent pour un flux entier de photons. La lumière ressemble à une compagnie de soldats sur la place d'armes.

Dans la théorie quantique, une particule peut courir simultanément sur deux sentiers. Lors d'une mesure, on ne la surprend que sur l'un d'eux. Selon Niels Bohr, toutes les autres possibilités disparaissent instantanément — comme une branche arrachée du tronc.

L'Univers est en expansion, et les scientifiques veulent savoir à quelle vitesse et de quoi il est composé. Pour cela, ils comparent les données provenant d'explosions d'étoiles lointaines, d'ondes sonores dans l'Univers primordial et de la faible lueur résiduelle du Big Bang. Chaque ensemble de données est comme une pièce de mosaïque, et il faut les assembler pour former une image d'ensemble.

Une centaine de lucioles dans un bocal clignotent en désordre, mais dès qu'elles se synchronisent, les flashs se combinent en une impulsion lumineuse. C'est à peu près ce que font les émetteurs quantiques : des atomes individuels ou des particules artificielles qui peuvent émettre des photons.

La lumière piégée dans une minuscule cavité ressemble à un pendule que l'on pousse de plus en plus fort. Au début, il oscille de manière régulière et prévisible, comme une horloge ordinaire. Mais si on l'agite suffisamment, le mouvement devient étrange : le pendule semble se trouver simultanément à ses deux points extrêmes.

Les étoiles situées en périphérie des galaxies tournent plus vite que ne le prévoient les lois de la physique si l'on ne compte que la matière visible. Ce paradoxe a été mis en évidence au XXe siècle par Vera Rubin et Fritz Zwicky.

Un matériau d'une épaisseur d'un atome et d'une pureté record – un seul atome étranger par million – devient le théâtre d'un phénomène étonnant. Lorsqu'on le refroidit presque au zéro absolu, les électrons à l'intérieur, tels des musiciens d'orchestre, se figent dans un ordre strict, formant un cristal.

Le chat de Schrödinger se cache d'habitude dans des expériences de pensée — à la fois vivant et mort. Cette fois, on l'a attrapé en laboratoire : une impulsion lumineuse a été contrainte d'être dans deux états opposés à la fois, comme une pièce suspendue en l'air, pile et face en même temps.

Les électrons dans un conducteur se comportent généralement comme un gaz : ils se déplacent de manière chaotique, entrent en collision, ne tiennent pas en rang.

Deux électrons dans un tube étroit ne veulent pas être proches. Tous deux portent une charge négative et se repoussent, comme deux aimants présentés par leurs pôles identiques. Si le tube est très fin, ils ne peuvent pas s'écarter latéralement – il ne leur reste qu'à s'aligner l'un derrière l'autre.

D'habitude, pour comprendre un état quantique de la lumière, il faut effectuer des dizaines de mesures complexes — comme si l'on devait essayer toutes les clés d'un trousseau. Le nouveau modèle d'IA fonctionne autrement : c'est une clé universelle qui, après un léger ajustement, ouvre de nombreuses « serrures » — des états simples aux plus retors.

La matière noire constitue 85% de la matière de l'Univers, mais reste invisible. Elle ne se manifeste que par la gravité. On peut la détecter par son « son » cosmique – une faible vibration qui imprègne l'espace. Un détecteur isolé est impuissant : le signal est trop faible.

La distribution de Wigner ressemble à une carte topographique des probabilités : des collines là où la particule a le plus de chances de se trouver, des creux là où elle ne devrait pas être. Pendant longtemps, ces « creux » négatifs ont été considérés comme un signe infaillible qu'un système se comporte de manière quantique.