La Physique Quantique Nécessite des Nombres Imaginaires pour Expliquer la Réalité.


La physique quantique nécessite des nombres imaginaires pour expliquer la réalité

Les nombres imaginaires peuvent ressembler à des licornes et des gobelins - intéressants mais sans rapport avec la réalité.

Mais pour décrire la matière à sa racine, les nombres imaginaires s'avèrent indispensables. Ils semblent être tissés dans le tissu de la mécanique quantique, les mathématiques décrivant le domaine des molécules, des atomes et des particules subatomiques. Une théorie obéissant aux règles de la physique quantique a besoin de nombres imaginaires pour décrire le monde réel, suggèrent deux nouvelles expériences.

Les nombres imaginaires résultent de la prise de la racine carrée d'un nombre négatif. Ils apparaissent souvent dans les équations comme un outil mathématique pour faciliter les calculs. Mais tout ce que nous pouvons réellement mesurer sur le monde est décrit par des nombres réels, les chiffres normaux et non imaginaires auxquels nous sommes habitués (SN : 5/8/18). C'est vrai aussi en physique quantique. Bien que les nombres imaginaires apparaissent dans le fonctionnement interne de la théorie, toutes les mesures possibles génèrent des nombres réels.

L'utilisation proéminente de la théorie quantique des nombres complexes - des sommes de nombres imaginaires et réels - était déconcertante pour ses fondateurs, y compris le physicien Erwin Schr?dinger. "Depuis les débuts de la théorie quantique, les nombres complexes étaient davantage traités comme une commodité mathématique que comme un élément fondamental", explique le physicien Jingyun Fan de l'Université des sciences et technologies du Sud à Shenzhen, en Chine.

Certains physiciens ont tenté de construire la théorie quantique en utilisant uniquement des nombres réels, en évitant le domaine imaginaire avec des versions appelées « mécanique quantique réelle ». Mais sans un test expérimental de ces théories, la question restait de savoir si les nombres imaginaires étaient vraiment nécessaires en physique quantique, ou simplement un outil de calcul utile.

Un type d'expérience connu sous le nom de test de Bell a résolu un dilemme quantique différent, prouvant que la mécanique quantique nécessite vraiment d'étranges liaisons quantiques entre les particules appelées intrication (SN : 28/08/15). "Nous avons commencé à nous demander si une expérience de ce type pouvait également réfuter la mécanique quantique réelle", explique le physicien théoricien Miguel Navascués de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de Vienne. Lui et ses collègues ont présenté un plan d'expérience dans un article publié en ligne sur arXiv.org en janvier 2021 et publié le 15 décembre dans Nature.

Dans ce plan, les chercheurs enverraient des paires de particules intriquées de deux sources différentes à trois personnes différentes, nommées selon le jargon de la physique conventionnelle comme Alice, Bob et Charlie. Alice reçoit une particule et peut la mesurer à l'aide de divers paramètres qu'elle choisit. Charlie fait de même. Bob reçoit deux particules et effectue un type spécial de mesure pour emmêler les particules qu'Alice et Charlie reçoivent. Une théorie quantique réelle, sans nombres imaginaires, prédirait des résultats différents de ceux de la physique quantique standard, permettant à l'expérience de distinguer lequel est correct.

Fan et ses collègues ont réalisé une telle expérience en utilisant des photons ou des particules de lumière, rapportent-ils dans un article à paraître dans Physical Review Letters. En étudiant comment les résultats d'Alice, Charlie et Bob se comparent à travers de nombreuses mesures, Fan, Navascués et leurs collègues montrent que les données ne peuvent être décrites que par une théorie quantique avec des nombres complexes.

Une autre équipe de physiciens a mené une expérience basée sur le même concept en utilisant un ordinateur quantique composé de supraconducteurs, des matériaux qui conduisent l'électricité sans résistance. Ces chercheurs ont également découvert que la physique quantique nécessite des nombres complexes, rapportent-ils dans un autre article à paraître dans Physical Review Letters. "Nous sommes curieux de savoir pourquoi les nombres complexes sont nécessaires et jouent un rôle fondamental 

dans la mécanique quantique", déclare le physicien quantique Chao-Yang Lu de l'Université des sciences et technologies de Chine à Hefei, co-auteur de l'étude.

Mais les résultats n'excluent pas toutes les théories qui évitent les nombres imaginaires, note le physicien théoricien Jerry Finkelstein du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, qui n'a pas participé aux nouvelles études. L'étude a éliminé certaines théories basées sur les nombres réels, notamment celles qui suivent encore les conventions de la mécanique quantique. Il est toujours possible d'expliquer les résultats sans nombres imaginaires en utilisant une théorie qui enfreint les règles quantiques standard. Mais ces théories se heurtent à d'autres problèmes conceptuels, ce qui les rend « laides », dit-il. Mais "si vous êtes prêt à supporter la laideur, alors vous pouvez avoir une vraie théorie quantique."

Malgré la mise en garde, d'autres physiciens conviennent que les dilemmes soulevés par les nouvelles découvertes sont convaincants. "Je trouve cela intrigant lorsque vous posez des questions sur la raison pour laquelle la mécanique quantique est telle qu'elle est", déclare le physicien Krister Shalm de l'Institut national des normes et de la technologie à Boulder, Colorado. Demander si la théorie quantique pourrait être plus simple ou si elle contient quelque chose d'inutile , "ce sont des questions très intéressantes et qui suscitent la réflexion."

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