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La physique quantique expliquée par un physicien du M.I.T.

Pierre Barral a fait un doctorat en physique au M.I.T., le Massachusetts Institute of Technology. Pour Graffiti, il explique la physique quantique. Vous pouvez retrouver dès à présent cet entretien en version intégrale sur notre site internet.

 

Graffiti : Qu’est ce que la physique quantique ?

Pierre Barral : On peut dire que c’est la physique de l’infiniment petit. En fait, nous, les humains, on est assez gros. Et quand on zoom, on a des cellules. Et quand on zoom encore, on a des atomes et des molécules. La physique quantique, ça décrit le comportement des atomes, des molécules, de tout ce qu’il y a de plus petit, les noyaux, les protons, les neutrons. Mais je trouve que c’est pas tout à fait juste de dire que c’est juste la physique de l’infiniment petit, parce qu’on peut trouver des trucs gros qui nécessitent d’utiliser des outils de la physique quantique pour les décrire. Il faut regarder dans le nom physique quantique. Ça s’appelle « quantique » parce que ça vient de quantifier, parce qu'on étudie des choses qui sont discrètes, c'est-à-dire qui ne sont pas continues, donc « quantique » dans le sens inverse de continu. Par exemple, lorsqu'on va voir de la lumière qui arrive du soleil, il y a beaucoup de lumière qui arrive et donc la manière dont on décrit combien de lumière on a, ce sera une certaine quantité d’énergie qui arrive par seconde. Cette quantité d’énergie c’est une variable continue de peut être mille joules par seconde qui arrive sur chaque mètre carré. Lorsqu’on étudie quantiquement ce qu’il y a dans cette lumière on se rend compte que cette lumière est faite de photons et donc ces photons sont des particules qui sont uniques. Il y a un photon, trois photons mais pas un photon et demi c’est pour ça que c’est continu c’est à dire que c’est quantique, il y a un nombre défini de particules. Je pense que dans l’idée de physique quantique, il faut qu’il y ait quelque chose qui soit quantifié, donc il faut regarder le système où on voit cette quantification, ce caractère discret des choses. Au début, j’avais dit qu’on étudiait l’infiniment petit, et bien c’est une manière de voir ce caractère quantique apparaître quand on voit un électron, un photon qui arrive sur cet atome. On peut aussi trouver des systèmes plus gros qui se comportent de manière quantique. Donc la physique quantique, c’est la physique qui étudie les phénomènes où le caractère quantique apparaît et la manière dont ce caractère apparaît c’est parce que c’est très petit. Soit que c’est à très très basse énergie, il y a peu de mouvements, soit c’est concentré dans un volume très petit. Lorsqu’il y a énormément de concentration, par exemple dans les accélérateurs de particules, on utilise la physique quantique ou quand on étudie des éléments très froids comme des gazs ou des étoiles a neutrons infiniment grandes. 


G. : Quelle recherche faites vous et sur quoi porte-t-elle ?

P. B. : J'étudiais le comportement des atomes lorsqu’on les refroidissait énormément. Dans mon laboratoire, on essayait d’atteindre le zéro absolu pour refroidir le plus possible les atomes. Le zéro absolu se situe à environ moins deux cents soixante treize degrés celsius. Quand quelque chose se situe au zéro absolu, il n'y a plus d'énergie. La température, c’est une manière de représenter l’agitation des molécules et des atomes. Lorsqu’on dit que l'atmosphère autour de moi est à vingt degrés celsius, ça veut dire que les molécules de l’air se déplacent à une certaine vitesse, environ cinq cent mètres par seconde. Toutes les molécules rebondissent dans tous les sens. Et donc si tu refroidis les particules, elles vont ralentir et c’est ce qu’on faisait dans mon laboratoire.



Science quantique - Laboratoire du M.I.T.
Science quantique - Laboratoire du M.I.T.

G. : Quelle est la plus grande découverte de la physique quantique ?

P. B. : À la fin des années 1800, les personnes se disaient qu’ils avaient à peu près bien compris la physique mais ils avaient un problème. Ils ne comprenaient pas pourquoi quand on regarde la lumière émise par des corps chauffés, comme une étoile ou un bout de bois en braise, lorsqu’ils calculaient la quantité de lumière que devait émettre une étoile, ils trouvaient une lumière complètement infini dans l'ultraviolet et les rayons X. Ce qui ne va pas du tout. Max Planck, un physicien, a trouvé la solution : des niveaux d'énergies quantifiés. C’est la Catastrophe ultraviolette. 


G. : Qu’est ce qui vous intéresse dans la physique quantique ?

P. B. : Je pense que ce qui m'intéresse dans la physique en générale, c’est que je me pose beaucoup de questions sur comment fonctionnent les choses et le monde, d’un point de vue physique mais aussi sur divers sujets. La physique permet donc de répondre à mes nombreuses questions. Je pense que je serais aussi content de faire différentes sortes de physiques. Dans le monde de la physique, il y a deux grandes théories sur l’univers : la physique quantique  qui décrit bien les interactions entre les particules comme le champ électromagnétique ou pourquoi de charges positives se repoussent mais quand on prend de gros objets qui ont beaucoup de masse comme la Terre et le Soleil, on sait qu’ils s’attirent par la gravitation que la physique quantique ne décrit pas du tout. La manière moderne de la décrire c’est d'utiliser la théorie de la relativité générale. C’est ce qui a été développé par Einstein au début des années 1900. Les deux théories qui décrivent l’univers sont donc la théorie de relativité et la physique quantique, il n’y a pas de théorie unifiée. C’est une grande motivation pour les physiciens.


G. : Est ce que vous utilisez l’intelligence artificielle dans vos recherches ?

P. B. : Je ne l’utilise pas mais d’autres physiciens l’utilisent.

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