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Nov 07, 2023

Le principe classique de moindre action existe désormais dans le domaine quantique

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Les chercheurs ont prouvé qu’une loi fondamentale de la physique s’applique dans le domaine quantique.

Le principe de moindre action dicte que les objets (sauf interférence) se déplaceront toujours le long de la route qui nécessite le moins d’action.

Toutes les règles de la physique quotidienne ne s’appliquent pas aux particules quantiques, mais selon les mesures difficiles à faire d’une nouvelle étude, cette règle le fait certainement.

La distance la plus courte entre deux points est une ligne droite, mais la distance la plus courte ne signifie pas toujours le moins de travail. Que se passe-t-il si cette distance est droite en montée ou à travers un terrain difficile? Si vous cherchez à faire le moins de travail possible, une ligne droite n’est peut-être pas toujours votre meilleur choix.

Les humains ne sont pas toujours à la recherche de l’itinéraire le plus facile. Mais quand il s’agit de mouvements naturels dans les systèmes, l’une des lois fondamentales de la physique dit que les objets voyageront toujours le long de la route nécessitant le moins d’action. En physique, « l’action » a à voir avec des choses comme l’énergie, l’élan, la distance et le temps.

Fondamentalement, sans intervention extérieure, les objets voyagent le long du chemin de la moindre résistance et du moindre changement. C’est ce qu’on appelle le principe de moindre action. Nous savons que cela s’applique dans notre monde quotidien, et maintenant, grâce à une nouvelle étude, nous savons qu’il s’applique également au monde quantique.

« Le rêve ultime d’un physicien est d’écrire les secrets de l’univers entier sur un petit morceau de papier et le principe de moindre action doit figurer sur la liste », a déclaré Shi-Liang, l’un des chercheurs du projet, dans un article pour New Scientist. « Notre ambition était de 'voir' [le principe] dans une expérience quantique. »

Plus facile à dire qu’à faire. L’équipe de recherche de l’Université normale de Chine du Sud a dû faire face au fait que non seulement tout dans le domaine quantique est petit et difficile à voir, mais que les mouvements des particules quantiques sont compliqués – vraiment compliqués. D’une part, les états quantiques changent lorsqu’ils sont mesurés. Et d’autre part, ils ne peuvent être cartographiés qu’à l’aide de mathématiques très compliquées.

Pour mieux décrire leur comportement, les scientifiques utilisent une combinaison de deux choses: une fonction d’onde et un propagateur. Les fonctions d’onde décrivent l’état de la particule et les propagateurs décrivent comment cet état change au cours du mouvement d’une particule dans un système. Le problème est que les fonctions d’onde et les propagateurs sont purement mathématiques, et bien qu’ils soient excellents pour décrire les comportements des particules quantiques, ils le font souvent en utilisant des nombres imaginaires. Les nombres imaginaires sont bons en mathématiques, mais sont, par définition, impossibles à mesurer.

Afin de contourner ce problème, l’équipe a utilisé une technique qui avait été établie quelques années auparavant. Dans cette technique, vous faites rebondir et filtrez des particules de lumière quantique individuelles appelées photons à travers un labyrinthe de miroirs, de cristaux et de lentilles. Finalement, les parties du comportement du photon décrites par les nombres imaginaires correspondront à des propriétés mesurables réelles. Les parties qui ont été décrites à l’origine par des nombres réels normaux seront également mesurables, et les chercheurs peuvent reconstruire les formes d’ondes et les propagateurs à partir des données réelles mesurées.

Une fois le labyrinthe construit, les chercheurs ont combiné cette technique avec une nouvelle technique qu’ils ont développée pour éviter le problème du « changement d’état quantique lorsqu’il est observé ». Ensuite, ils ont envoyé des photons individuels à travers le labyrinthe et ont comparé leur comportement au comportement prédit par le principe de moindre action et ont constaté que la réalité était en accord avec la théorie, prouvant que les particules quantiques suivent en fait le principe.

« Les mesures dans cette expérience sont assez incroyables, et elles ne remettent pas en question notre compréhension actuelle de la physique quantique », a déclaré Jonathan Leach, un chercheur en sciences quantiques non impliqué dans l’étude, dans un article du New Scientist. « C’est beau de voir cette théorie rendue réelle dans une expérience. »

Il y a beaucoup d’endroits où le monde quantique et le monde quotidien ne s’imbriquent pas. C’est en partie pourquoi les chercheurs cherchent toujours à améliorer le modèle standard actuel de la physique. Mais dans leur désir d’éviter l’action autant que possible, le quantum et le quotidien sont parfaitement synchronisés.

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