Si vous pensez que casser une barre granola Nature Valley crée des dégâts, essayez un photon.
En tant que particules fondamentales, les photons ne peuvent pas vraiment être divisés en morceaux plus petits. Mais si vous essayiez de diviser une particule lumineuse en deux, les physiciens calculent que vous n’obtiendriez pas simplement un deuxième photon. Au contraire, jusqu'à un nombre infini de nouveaux photons s'effondreraient, rapportent les chercheurs dans un article accepté de Lettres d'examen physique.
La première réaction de Daniele Faccio face à l'étude a été : un non-sens. « Ensuite, vous l'avez lu et je l'ai apprécié », explique Faccio, physicien à l'Université de Glasgow en Écosse. « La technique est légitime. »
L’analyse repose sur le fait que les photons ne sont pas seulement des particules ponctuelles. Ils agissent également comme des vagues étendues. Cela a amené le physicien théoricien Johannes Skaar et ses collègues de l’Université d’Oslo en Norvège à se demander : que se passerait-il si vous disposiez d’un appareil suffisamment rapide pour couper en deux l’onde d’un photon unique ?
À l’aide d’équations quantiques, Skaar et ses collègues ont modélisé un scénario dans lequel un photon se dirige vers un miroir. La moitié avant de l’onde lumineuse frappe d’abord le miroir et est renvoyée dans la direction d’où elle vient. Mais soudain, le miroir est retiré et la moitié arrière de l’onde lumineuse est libre de passer à travers.
Cela produirait un mélange complexe, ou une superposition, de possibilités avec différents nombres de photons, comme le montrent les mathématiques. Retirer le miroir infiniment rapidement ferait apparaître une infinité de particules de lumière à partir de rien. Une vitesse infinie est bien sûr impossible. Mais même en retirant le miroir plus lentement, dit Skaar, « vous vous retrouvez avec une possibilité de plusieurs photons, ou d'un groupe de photons ». Vous êtes simplement beaucoup plus susceptible d’en créer un plus petit nombre que d’énormes essaims.
« C'est un peu étrange », admet Skaar. Mais selon les normes quantiques, ce n’est pas si étrange, dit-il. Les physiciens savaient que perturber un espace soi-disant « vide » – connu sous le nom de vide – pouvait libérer de nouveaux photons. Dans ce cas, l’énergie injectée dans le système en déplaçant le miroir pourrait engendrer de nouvelles particules lumineuses.
Pour Skaar, le résultat le plus étrange du modèle mathématique est ce que vous verriez si vous observiez le système sous différents angles. Si vous aviez une vue des deux côtés du miroir à la fois, vous seriez témoin de l'éruption désordonnée de plusieurs milliards de photons. Mais si vous pouviez voir seulement un côté ou l’autre du miroir, vous verriez soit un photon unique, soit un vide.
« C'est vraiment fou », dit Skaar. Il espère approfondir cette différence dans de futurs travaux – et explorer ce qui se passerait si l’on tentait de séparer d’autres types de particules fondamentales qui agissent comme des ondes en physique quantique, comme les électrons.
Les applications que cette recherche pourrait avoir ne sont pas immédiatement évidentes. «Je vais spéculer énormément ici», dit Faccio. Mais « cela peut être important parce qu’il y a des choses géniales que les gens font avec [photons] pour détecter et mesurer. Les capteurs d’ondes gravitationnelles en sont un exemple. Selon Faccio, sonder la nature des photons individuels pourrait être utile dans les domaines utilisant de tels capteurs quantiques.
