Les prix Nobel de cette année - de l'optique quantique en quantité !

L'objet de ce blogue n'est pas de discuter des manoeuvres politiques
qui se jouent en coulisse, il s'agit plutôt d'une vitrine scientifique.
Je vais donc présenter en quelques mots les découvertes récompensées
par l'attribution des prix Nobel de chimie et de physique, cette année.

À tout seigneur, tout honneur, je commencerai par le prix Nobel de
physique. Celui-ci s'inscrit dans une longue liste de prix accordés
pour des découvertes dans le domaine de l'optique quantique (1966,
1981, 1989, 1997, 2001 et 2005), un domaine ouvert grâce au développement du laser par Charles
Townes, Nicolay Basov et Aleksandr Prokhorov (prix Nobel 1964).

Cette année, le Nobel de physique revient à un théoricien, Roy Glauber,
et à deux expérimentateurs, John Hall et Theodor Hänsch. Les deux
premiers sont américains tandis que le troisième est Allemand. Un
théoricien pour deux expérimentateurs, un Européen pour deux
Américains, on retrouve le même patron pour le Nobel de chimie. Mais
nous y reviendrons.

Les découvertes célébrées cette année ne sont pas faciles à expliquer.
Même si je suis un physicien, je n'en comprends pas tous les détails et
il me faudrait étudier ce domaine avec soin, ce que je n'ai
malheureusement pas le temps de faire. Je peux toutefois vous en
dresser les grandes lignes, me basant sur ma connaissance de la
mécanique quantique et les textes d'explication fournis par la
fondation Nobel.

Tout d'abord, on sait depuis les travaux d'Albert Einstein, publiés il
y a 100 ans exactement, que la lumière est à la fois onde et particule.
La lumière, c'est une onde électromagnétique, du même type que celles
qui propagent les émissions de télévision captées par les antennes
(oui, il existe encore quelques citoyens non câblés — c'est mon cas,
par exemple). Ce sont aussi les ondes échangées entre les téléphones
cellulaires et leur base. Ce qui différencie ces ondes
électromagnétiques est leur longueur d'onde, c'est-à-dire la distance
sur laquelle une oscillation se répète. Une onde radio à une longueur
d'onde d'une dizaine de cm et plus, tandis que la lumière a une
longueur d'un peu moins d'un micromètre ou d'un millième de mm. (Pour
plus d'information, voir la rubrique longueur d'onde sur Wikipédia.)
Mais les ondes électromagnétiques peuvent aussi être perçues comme
composées de particules qui se déplacent à la vitesse de la lumière,
les photons. Les piles solaires fonctionnent grâce à cette
particularité de la lumière. Lorsqu'un photon d'énergie suffisante est
capté par une cellule photo-électrique, un électron est éjecté et crée
un courant électrique. Ce phénomène serait impossible si la lumière
n'était qu'une onde.

Les implications de cette double personnalité de la lumière sont
nombreuses. L'attribution du prix Nobel de cette année à Roy Glauber
est une reconnaissance de ces contributions, faites en 1963, près de 60
ans après l'article d'Einstein, à notre compréhension de ces effets.
Jusqu'alors, les phénomènes étudiés pouvaient être compris soit en
considérant la lumière comme des particules, soit en la considérant
comme une onde. Glauber a montré qu'on devait parfois utiliser les deux
phénomènes en même temps. Ainsi, dans le cas de mesures synchrones
particulières, il est nécessaire de considérer que l'état du champ
électromagnétique associé à un flux de photons change lorsqu'un photon
de ce flux est absorbé par un détecteur. Les travaux de Glauber
permirent de mieux concevoir les conséquences de la mécanique quantique
sur les phénomènes optiques. L'optique classique, un sujet moribond au
début des années 1960, se mua, grâce à ces travaux, en optique
quantique dont les propriétés continuent aujourd'hui à nous étonner.

Ainsi, l'optique moderne est bien loin des expériences sur les prismes.
Il est maintenant possible de contrôler l'optique quantique de manière
à n'envoyer qu'un photon à la fois sur un ou quelques atomes, créant
ainsi des systèmes reproductibles avec une très grande précision. Ce
sont de telles méthodes expérimentales qui furent développées par les
deux autres corécipiendaires de grand prix.

Un spectromètre est un appareil qui permet de mesurer les différentes
longueurs d'onde électromagnétique émises par un objet. Puisque la
lumière émise est une signature directe des éléments chimiques contenus
dans l'objet, les spectromètres sont utilisés pour toutes sortes
d'analyses. Et ça ne date pas d'hier, ce sont des mesures
spectrométriques de l'hydrogène qui ont permis le développement de la
première théorie quantique par Niels Bohr, en 1914.

Afin d'identifier précisément les différents pics d'un spectre
électromagnétique, il est important d'avoir une grande précision.
Depuis, comme la fréquence identifiée par le spectromètre est une
mesure directe du temps, on s'est aperçu que l'on pouvait utiliser ces
appareils de grande précision comme horloge. Avec ses travaux,
commençant au début des années 1970 et s'étendant sur une vingtaine
d'années, Hänsch a développé des mesures de spectroscopie de
l'hydrogène s'approchant des limites théoriques. Afin de parvenir à
stabiliser le laser qui excite l'hydrogène, Hänsch et Hall ont dû
développer des méthodes permettant de stabiliser le laser lui-même
grâce à des cavités résonantes ultrastables suspendues dans le vide.
Ces méthodes, couplées à ce qu'on appelle un peigne optique, permettent
de mesurer la fréquence de l'intervalle 1s-2s de l'atome d'hydrogène
avec une précision de 15 chiffres significatifs (2 466 061 413 187 103
/- 46 Hz), une précision équivalente aux meilleures horloges
atomiques. Avec les récents développements technologiques dans le
domaine, on s'attend toutefois à ce que les méthodes d'optique
quantique atteignent des précisions jamais encore égalées.

Mais que peut-on gagner à continuer la course aux mesures de haute
précision? Tout d'abord, ceci nous permet de définir les unités de
mesure avec meilleure précision. Depuis 50 ans, le mètre, la seconde et
plusieurs autres unités ont été redéfinis à partir de mesures telles
que celles-ci. Une fois ces unités en place, on peut mesurer à nouveau
d'autres quantités déjà connues afin de vérifier si la théorie et
l'expérience concordent toujours. Tout écart ouvrant la voie à de
nouvelles découvertes. Ces mesures ont aussi des applications
importantes. Par exemple, la construction d'horloges plus fiables
permettrait d'augmenter la précision du système de positionnement
global (GPS) utilisé de nos jours afin de connaître notre position sur
la Terre.

Pour plus d'information, on peut consulter le site de la Fondation Nobel,
qui distribue les prix de la paix, de physique, de chimie, de
physiologie et de littérature (mais pas celui d'économique, j'y
reviendrai). Malheureusement, le site est surtout en anglais.

On peut aussi visiter le site de Philippe Grangier, du CNRS, en France.

Si vous avez des questions ou des commentaires, n'hésitez pas à les poster. C'est à cela que sert le site!