Ma conférence “La nature quantique de la réalité” au Science Fest Málaga 2024

Mon intervention de quinze minutes lors de la première édition du MUY Science Fest Málaga, aujourd’hui samedi 19 octobre, a été appréciée par le public présent à l’Auditorium Edgar Neville de la Députation Forale de Málaga. Comme c’est habituellement le cas dans mes courtes conférences, pour tous ceux qui n’ont pas pu y assister et qui sont intéressés, voici une transcription de ma conférence. Puissiez-vous en profiter !

La nature quantique de la réalité est la grande question sans réponse de la physique du XXIe siècle. Nous ignorons la nature quantique du temps, de l’espace et de la gravitation. [Fuente de la imagen: Foto de Ricardo Ricote Rodríguez]

Nous connaissons la nature quantique des particules qui composent la matière et leurs interactions. Les particules sont des excitations de champs quantiques, semblables à des ondes situées dans certaines régions de l’espace et du temps, entourées d’un vide qui fluctue et remplit l’univers entier. [Fuente de la imagen: Derek Leinweber]

Selon la physique du XXe siècle, la réalité physique a une double nature. D’une part, un espace-temps classique qui s’incurve avec la densité d’énergie des particules et qui peut propager des ondes gravitationnelles, comme celles générées lors des fusions de trous noirs. [Fuente de la imagen: NASA].

Et d’autre part, 118 champs quantiques observés comme particules fondamentales et leurs interactions décrites par le modèle standard : 24 particules de matière (fermions), et leurs 24 antiparticules, qui sont regroupées en trois familles, avec deux quarks, un type en haut et un autre type ci-dessous, chacun avec trois couleurs, et deux leptons, un avec une charge électrique de type électronique et un autre sans charge électrique, de type neutrino ; et 11 particules qui médient les interactions (bosons), 8 gluons qui médient l’interaction forte entre les quarks avec une hypercharge de couleur, le photon qui médie l’électromagnétisme entre les particules avec une charge électrique, 3 bosons faibles W et Z qui médient l’interaction faible entre les particules avec une charge électrique faible. l’hypercharge, tous les fermions y compris les neutrinos, et le fameux boson du champ de Higgs, qui donne de la masse au reste des particules. [Fuente de la imagen: Ethan Siegel]

Le modèle standard est une théorie chirale, car l’interaction faible différencie les composantes gauche et droite des champs de fermions ; Pour cela, ceux de gauche sont regroupés par paires, aussi bien pour les quarks que pour les leptons de chaque famille, mais ceux de droite sont séparés car nous n’avons pas observé de neutrinos droits. Au total, il y a 36 champs de quarks et 9 champs de leptons qui, avec les champs de leurs 45 antiparticules, nous donnent 90 champs fermioniques. De plus, il existe 8 champs de gluons et un champ de photons à deux composantes (polarisations), car ils n’ont pas de masse ; mais les champs des bosons W et Z ont 3 composantes car ils ont une masse et le champ de Higgs n’a qu’une seule composante car il est scalaire. Il existe donc 28 champs bosoniques et au total dans la Nature nous avons observé 118 champs quantiques. [Fuente de la imagen: Mikhail E. Shaposhnikov (traducida y reformateada)]

Nous pensons qu’il pourrait y avoir davantage de champs quantiques associés à de nouvelles particules pour expliquer des phénomènes tels que la matière noire dans l’univers. De plus, nous, physiciens, n’aimons pas que la réalité physique ait une double nature, avec un espace-temps classique qui se courbe en fonction de la densité d’énergie des particules des 118 champs quantiques connus. [Fuente de la imagen: bimago]

Nous aimerions que le temps, l’espace et la gravitation aient une nature quantique, que leur nature classique émerge d’une théorie quantique de la gravitation. Une théorie qui permet d’unifier la gravitation avec la physique des particules. [Fuente de la imagen: CuriouSTEM]

Le rêve d’Einstein, unifier toute la physique en une théorie du tout, une théorie finale qui identifie la réalité physique avec la réalité. Cependant, il se peut qu’il n’y ait pas de théorie de tout et que la réalité physique puisse se rapprocher de la réalité, mais ne jamais coïncider avec elle.

La matière est constituée d’atomes, constituée d’électrons liés à des noyaux, constituée de protons et de neutrons liés entre eux grâce au fait qu’ils sont constitués de quarks liés par des gluons. Les électrons, les quarks, les gluons, les photons, les neutrinos et même le boson de Higgs sont des excitations de type particule des champs quantiques. [Fuente de la imagen: CuentosCuánticos]

Ces champs ne sont pas observables. Aucune expérience ne peut mesurer le champ quantique en chaque point de l’espace et à chaque instant du temps. Nous ne pouvons observer que ses particules. [Fuente de la imagen: Derek Leinweber]

Lesquelles à faible vitesse (énergie) sont décrites par une fonction d’onde quantique non relativiste qui évolue dans le temps selon l’équation de Schrödinger (celle célèbre pour son chat). La fonction d’onde n’est pas non plus observable, aucune expérience ne permet de la mesurer. De plus, le temps dans cette équation est classique, il n’a pas de nature quantique, c’est du temps mesuré avec une horloge externe au système quantique. Nous pouvons construire des horloges quantiques, mais elles mesurent le temps classique externe. [Fuente de la imagen: Derek Leinweber]

La fonction d’onde ne fait pas partie de la réalité physique, elle n’existe pas dans l’espace-temps, elle est définie dans un espace des phases (à trois dimensions pour chaque particule qu’elle décrit). Ce n’est qu’un instrument mathématique pour prédire les probabilités des résultats des expériences. [Fuente de la imagen: Hannes Hummel para Quanta Magazine]

La loi fondamentale de la physique quantique est le principe d’indétermination de Heisenberg. Une particule est une excitation d’un champ quantique qui n’a ni une position bien déterminée ni une vitesse bien déterminée. Il existe toujours une indétermination intrinsèque dans sa position et sa vitesse dont le produit est supérieur à une valeur minimale positive. Ni la position ni la vitesse d’une particule ne peuvent être mesurées avec une erreur nulle, car cela violerait le principe d’indétermination. [Fuente de la imagen: Ethan Siegel y Henri Coorevits]

Ce principe déplaisait aux physiciens comme Einstein, qui croyait qu’il devait y avoir une réalité physique cachée, classique et relativiste, sous-jacente à la réalité physique quantique, des variables cachées bien déterminées de position et de vitesse, associées à des éléments de réalité, contrairement au principe d’indétermination. [Fuente de la imagen: Sergey Konenkov/Sygma/Getty Images]

En 1935, Einstein, Podolsky et Rosen proposèrent une expérience de pensée. Lorsque deux particules sont émises dans des directions opposées par un noyau au repos, elles sont intriquées en position et en vitesse, grâce à la conservation de l’énergie (et du moment linéaire). Leur entrelacement permet de connaître la position ou la vitesse de l’un d’eux en mesurant celle de l’autre. Dans leur expérience de pensée, ils proposent de mesurer la position d’une particule et la vitesse de l’autre avec une extrême précision, afin de violer le principe d’indétermination de Heisenberg lorsque les deux mesures sont attribuées à la même particule.[Fuente de la imagen: Mawsi Mawsi/Science Planet]

La réponse de Bohr [basada en el principio de complementariedad] était le suivant : chaque particule intriquée a une position et une vitesse indéterminées qui sont conformes au principe de Heisenberg, donc la mesure EPR sera toujours conforme à ce principe. [Fuente de la imagen: Quantum Foam, Refik Anadol (2015)]

Mais cette réponse n’a pas convaincu Einstein et il est mort en cherchant des contre-exemples au principe d’indétermination. Par exemple, dans l’émission d’un électron en radioactivité bêta. Un neutron dans un noyau de tritium se désintègre par interaction faible en un proton, émettant un antineutrino et un électron dont nous pouvons estimer l’énergie avec une grande précision. À partir de là, nous pouvons estimer sa vitesse. Comme l’électron semble émerger de l’intérieur du noyau, sa position initiale semble avoir une incertitude égale au diamètre du noyau de tritium. Dans ce cas, le principe de Heisenberg serait violé d’un facteur 400. Cependant, chaque fois que la position de l’électron autour du noyau de tritium a été estimée, une incertitude sur la position supérieure à 400 fois le diamètre du noyau de tritium a été obtenue. . La désintégration bêta excite le champ quantique de l’électron, générant un état semblable à une particule avec une incertitude de position 400 fois supérieure au diamètre du noyau de tritium. Et cela est confirmé par toutes les expériences, comme celle de Madame Wu en 1950. [Fuente de la imagen: Brainly; Fuente del texto: Alexander Afriat, Franco Selleri, «The Einstein, Podolsky, and Rosen Paradox in Atomic, Nuclear, and Particle Physics,» Springer (1999)]

Elle n’a pas reçu le prix Nobel de physique, comme Aspect, Clauser et Zeilinger l’ont reçu en 2022 pour leurs expériences démontrant que la réalité physique quantique est celle observée dans la nature. Le principe d’indétermination et toutes les prédictions de la physique quantique se réalisent toujours. Toutes les expériences physiques réalisées au siècle dernier respectent le principe d’indétermination, en accord avec Bohr. [Fuente de la imagen: Nobel Prize]

La réalité physique semble avoir une nature quantique. C’est pourquoi le grand problème de la physique du XXIe siècle est de révéler la nature quantique du temps, de l’espace et de la gravitation. C’est pourquoi tous les physiciens rêvent d’une gravitation quantique qui nous rapproche de la nature quantique de la réalité. Merci. [Fuente de la imagen: Foto de Manuel Martín Laguna]