La physique est une science qui cherche à comprendre les lois fondamentales qui régissent l’univers. Depuis plus de 100 ans, les chercheurs tentent de résoudre un grand mystère : comment concilier les deux mondes qui semblent si différents, celui de la physique classique et celui de la physique quantique ? Une nouvelle découverte scientifique pourrait enfin permettre de rapprocher ces deux univers apparemment contradictoires.
Deux mondes opposés, mais complémentaires
La physique classique, celle qui régit notre quotidien, traite des objets que nous pouvons observer directement à notre échelle, comme des planètes, des voitures ou des balles. Dans ce monde, les lois de Newton et d’Einstein nous aident à prédire les trajectoires et les comportements des objets en mouvement. Les principes sont relativement simples et la réalité que nous voyons est déterminée par des causes et des effets clairs.
Cependant, à l’échelle microscopique, lorsque l’on se rapproche des particules subatomiques comme les électrons ou les photons, les choses deviennent beaucoup moins prévisibles. C’est là que la physique quantique entre en jeu. Cette branche de la physique étudie le comportement des particules à des échelles incroyablement petites où les lois classiques ne s’appliquent plus. Par exemple, les particules peuvent se comporter à la fois comme des ondes et des particules (la dualité onde-particule) ou exister dans plusieurs états simultanément (superposition). Ces phénomènes sont contre-intuitifs et ont défié la compréhension des scientifiques pendant des décennies.
Une percée expérimentale : observer simultanément les deux mondes
Traditionnellement, les scientifiques étudiaient la physique classique et la physique quantique séparément. Toutefois, un dispositif expérimental récemment développé à Florence permet de franchir cette frontière et d’observer simultanément des phénomènes des deux mondes. Ce dispositif innovant a été mis au point grâce à la collaboration de chercheurs de l’Université de Florence, de l’Institut national d’optique (CNR-INO) et de plusieurs autres laboratoires scientifiques.
Le principe du dispositif repose sur un phénomène appelé « lévitation optique ». Il a été découvert dans les années 1980 par le physicien américain Arthur Ashkin et consiste à utiliser un faisceau laser très focalisé pour « piéger » de petites particules, comme des nanosphères de verre. Ces particules sont maintenues en suspension grâce à l’interaction entre la lumière et la matière, et peuvent être manipulées avec une précision extrême.
L’équipe de chercheurs italiens a utilisé cette technique pour piéger deux nanosphères de verre. À l’intérieur du piège optique, ces sphères oscillent autour de leur point d’équilibre à des fréquences très spécifiques. Ce phénomène permet aux chercheurs d’observer en temps réel les comportements typiques à la fois de la physique classique et de la physique quantique.
Comportements classiques et quantiques observés en même temps
Les particules piégées dans ce dispositif oscillent d’une manière qui suit les lois classiques à une certaine échelle. Par exemple, les sphères peuvent osciller autour de leur point d’équilibre de manière prévisible, avec des mouvements réguliers et mesurables. C’est ce que l’on pourrait attendre d’un objet macroscopique, comme une balle ou un pendule.
Cependant, ce même système permet aussi d’observer des phénomènes typiquement quantiques. Les particules dans le piège sont suffisamment petites pour que les effets quantiques, comme la superposition et l’entrelacement, deviennent perceptibles. Par exemple, les sphères sont chargées électriquement et interagissent entre elles. La trajectoire suivie par l’une des sphères dépend fortement de celle de l’autre, ce qui permet d’examiner des phénomènes collectifs où la physique quantique joue un rôle essentiel. Ces comportements sont souvent contre-intuitifs et ne peuvent pas être expliqués par la seule physique classique.
Les implications de cette découverte pour la science
Cette percée ouvre des perspectives passionnantes pour l’avenir de la science. En permettant l’étude simultanée des deux régimes de la physique, les chercheurs peuvent désormais explorer des questions fondamentales sur l’interaction entre la physique classique et quantique. Cette recherche pourrait aussi avoir des applications pratiques. Par exemple, en étudiant ces systèmes à la frontière des deux mondes, les scientifiques pourraient découvrir de nouvelles manières de manipuler la matière à des échelles très petites, ce qui pourrait entraîner des avancées dans des domaines comme l’informatique quantique, les capteurs ultrasensibles et la technologie des matériaux.
De plus, cette découverte jette un éclairage nouveau sur l’une des questions les plus intrigantes de la physique : comment la matière se comporte-t-elle à la frontière entre ces deux mondes ? Est-il possible de fusionner les lois de la physique classique et quantique dans un modèle unifié ? Bien que des réponses concrètes n’aient pas encore été trouvées, cette étude représente un pas important vers la résolution de ce mystère.
