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29 octobre 2017 7 29 /10 /octobre /2017 07:44

L’étrangeté quantique de la lumière survit après un aller et retour dans l’espace

Avec cet article je contribue à enrichir notre documentation concernant les énigmes de la mécanique quantique. Cet article nous dit que dans une expérience extrême, réalisable étant donné les moyens technologiques dont nous disposons aujourd’hui, nous avons une confirmation de la problématique que révèle le photon : onde ou particule. Problématique qui est posée depuis un siècle et que j’ai traitée dans l’article du 05/08/2017 dans lequel je propose une expérience de résolution éventuelle de cette énigme.

            L’article nouveau est du 25/10 sur le site du Newscientist, je joins l’original en dernière page, et j’en propose une traduction des parties essentielles :

            « L’étrangeté quantique de la lumière survit après un aller et retour dans l’espace. »

La mystérieuse dualité onde particule du monde quantique a été testé en utilisant les satellites – instaurant un nouveau record de distance de plus de 3000 km pour une détection de cette conduite bizarre.

            Nous savons que les photons sont des quanta d’énergie, ou des particules (corpuscule), mais dans quelques expériences les particules peuvent agir comme des ondes. Selon la physique du modèle standard, nous pouvons observer soit la nature ondulatoire ou la nature corpusculaire de ce système quantique, mais jamais les deux au même moment. De quelque façon que nous essayons, l’action de la mesure du photon oblige celui-ci à se comporter d’une façon ou d’une autre.

            En 1978, le physicien J. A. Wheeler suggéra une expérience dite du choix différé, dans laquelle la décision de chercher soit la nature ondulatoire ou corpusculaire du photon est retardée jusque après que le photon soit déjà entré dans le dispositif expérimental.

            Si on suppose que le photon pénètre dans un dispositif expérimental conçu pour l’observer en tant que corpuscule et que l’on décide au dernier moment de faire un changement soudain de dispositif de détection dans sa nature ondulatoire, qu’est-ce que fera (sic) le photon ? La théorie dit que le photon doit apparaître sous l’aspect ondulatoire.

            Où est-ce que l’étrangeté quantique s’arrête ?

            Ces deux dernières décennies, des expériences ont testé les idées de Wheeler et ont indiqué qu’elles étaient correctes. Mais les plus longues distances parcourues par le photon dans ces expériences étaient de l’ordre de 140 km.

            Maintenant, Paolo Villoresi et ses collègues ont réalisé cette expérience en utilisant les satellites pour tester la mécanique quantique au-delà des milliers de km, ouvrant la voie à des applications de niveau spatial. « Comme Galilée, qui était professeur à Padoue, nous l’a enseigné, vous devez vérifier vos lois aux frontières [de l'endroit où] vous pensez les utiliser. »

Initialement, à sa mise en place, un pulse de lumière laser entre dans un dispositif appelé un séparateur de faisceau, qui crée deux chemins à prendre pour la lumière. Un chemin est droit et l'autre a un détour, de sorte que la lumière sur le chemin droit a une distance plus courte à parcourir. Ensuite, la lumière sur le chemin de détour rejoint le chemin droit et les deux pulses parcourent le même route vers un satellite en orbite basse terre, l’un des pulses étant en retard vis-à-vis de l'autre.

Le satellite renvoie par réflexion les pulses de lumière vers la terre, où ils rencontrent un dispositif au hasard et permet une des deux choses : soit il ne fait rien, soit il retient le premier pulse de lumière suffisamment de sorte que la paire émerge en même temps et donc atteint un détecteur au même moment. Cette décision correspond au choix retardé de Wheeler. Ne rien faire laisse les longueurs des chemins inégales, tandis que l'ajout d'un délai sur un chemin équivaut à rendre les longueurs des chemins égaux.

Les interférences émergent.

Lorsque les chemins sont inégaux et que les photons arrivent l'un après l'autre, nous pouvons dire quel chemin ils ont pris. Dans ce cas, ils se comportent comme des particules.

Lorsque les deux chemins sont égaux en longueur, les détecteurs ne peuvent pas dire quel chemin chaque photon aura pris. Dans ce cas, chaque photon finit dans une superposition pour avoir pris les deux chemins à la fois, et interfèrera avec lui-même, montrant sa nature ondulatoire - même si, dans notre façon de penser classique, il aurait dû entrer et quitter l'expérience comme un corpuscule. Faites cette expérience beaucoup, beaucoup de fois, et émerge une figure d'interférence caractéristique des ondes.

Sur le site phys.org, deux jours après celui du NewScientist, un article sur le même sujet a été publié, je le joins aussi dans sa forme originale et j’en commente quelques extraits, pour montrer une latitude d’interprétations qui est révélatrice d’une impossibilité toujours actuelle de penser juste sur les causes de cette étrangeté.

1e extrait : « … la lumière se comporterait à la fois comme une particule et une onde, mais les expériences subséquentes semblaient montrer que la lumière se comportait différemment selon la façon dont elle était testée, et bizarrement, semblait savoir comment les chercheurs la testerait, en changeant son comportement en conséquence. »

A mon sens, il n’est plus possible d’utiliser ‘et’ car on ne sait rien de ce qu’est la lumière avant qu’on la teste, elle nous apparaît d’une façon ou d’une autre qu’au moment du test. Penser la lumière avec ce et conduit à imaginer que la lumière aurait un comportement de cache-cache avec l’observateur, ce qui est absurde. 

2e extrait : « Il (J. Wheeler) a également considéré les possibilités d’une lumière provenant d'un quasar lointain faisant son chemin à travers l'espace, et étant soumise à l’effet lentille gravitationnel. Était-il possible que la lumière puisse en quelque sorte choisir de se comporter comme une onde ou comme une particule en fonction de ce que les scientifiques, ici sur terre, décident au dernier instant pour essayer de la détecter ? Dans ce nouvel effort, l'équipe en Italie a entrepris de vérifier les idées que Wheeler avait proposées. »

Avec cet exemple d’expérience de pensée on est amené à considérer fortement que c’est l’action-détection de l’observateur qui détermine la façon dont apparaît la lumière.

3e extrait : « L'équipe rapporte que la lumière s'est comportée exactement comme l'avait prédit Wheeler, se montrant sous un aspect corpusculaire ou un aspect ondulatoire, selon les choix de ceux qui l'étudiaient. »

Dans ce commentaire final, on retrouve l’idée que c’est l’observateur qui conditionne la façon dont la lumière apparaît.

De plus, il faut souligner, et c’est à mon sens dans ce soulignement que tout se détermine, lorsque l’observateur connaît complètement le cheminement spatio-temporel du photon, celui-ci apparaît corpusculaire. Lorsqu’à l’inverse, l’observateur est ignorant du cheminement spatio-temporel du photon c’est l’apparaître ondulatoire qui s’impose, c’est-à-dire la dispersion spatio-temporelle.

En conséquence, c’est dans le cerveau de l’observateur que se détermine la façon dont nous apparaît la lumière. Cf article du 05/08/2017.

Arrivé à ce stade de l’écriture de l’article, samedi matin je m’apprêtai à le poster lorsque je décidai d’aller vérifier si par hasard il n’y aurait pas un 3e article en plus sur ce sujet. Et paf ! il y en avait un sur le site de Sciencemag.org signé : Adrian Cho, avec le titre fort évocateur et selon mon point de vue proposant une bonne compréhension du sujet : « Quantum experiment in space confirms that reality is what you make it », soit : « Une expérience quantique dans l’espace confirme que la réalité est comme vous la faites. »

Ce nouvel article propose aussi un angle d’analyse supplémentaire de l’expérience, preuve de l’intérêt d’étudier plusieurs articles sur un même sujet pour forger une compréhension complète de celui-ci. Présentement, je ne vais pas le développer mais signaler en synthèse ce qui est proposé : l’analyse de l’expérience est enrichie en indiquant qu’il y a de plus une interrogation qui émerge si on prend en compte dans ce cas expérimental les contraintes de la Relativité Restreinte qui contient le principe que la cause précède toujours l’effet.  Peut-être dans un autre article j’évoquerai ce thème.  Advertisement

Article du NewScientist : Light’s quantum weirdness survives after going to space and back

Duality might sound off beam, but it has passed another, grander test

By Anil Ananthaswamy

THE mysterious wave-particle duality of the quantum world has been tested using satellites — setting a new distance record of more than 3000 kilometres for a detection of this bizarre behaviour.

We know that photons are quanta of energy, or particles, but in some experiments the particles can act like waves. According to standard quantum physics, we can observe either the wave nature or the particle nature of this quantum system, but never both at the same time. Whenever we try, the act of measuring the photon forces it to behave as one or the other.

In 1978, the physicist John Archibald Wheeler suggested a so-called delayed choice experiment, in which the decision of whether to look for the photon’s wave or particle nature is delayed until after the photon has already entered the experimental set-up.

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Suppose the photon entered an experiment designed to look for its particle nature, and you chose at the very last instant to do a switcheroo and look at its wave nature. What would the photon do? Theory says that the photon should act like a wave.

Where does quantum weirdness end?

Over the last two decades, experiments have tested Wheeler’s ideas and shown them to be correct. But the longest distance travelled by a photon in these experiments was about 140 kilometres.

Now, Paolo Villoresi of the University of Padua in Italy and his colleagues have done this experiment using satellites to test quantum mechanics over thousands of kilometres, paving the way for space-based applications. “As Galileo, who was a professor at Padova, taught us, you have to check your laws at the boundaries [of where] you are thinking of using them,” says Villoresi.

In their set-up, a pulse of laser light enters a device called a beam splitter, which creates two paths for the light to take. One path is straight and the other has a detour, so the light on the straight path has a shorter distance to travel. The light on the detour route rejoins the straight path and both pulses head along the same route towards a satellite in low Earth orbit, with one lagging behind the other.

The satellite bounces the pulses of light back to Earth, where they encounter a device that randomly does one of two things: it can either do nothing, or it can hold up the first pulse a bit so the pair emerge at the time and therefore arrive at a detector at the same moment. This decision corresponds to Wheeler’s delayed choice.

Doing nothing lets the path lengths remain unequal, while adding a delay in one path is equivalent to making the paths lengths equal.

Interference emerges

When the paths are unequal and the photons arrive one after another, we can tell which path they took. In this case, they act like particles.

When the two paths are equal in length, the detectors cannot tell which path each photon takes. In this case, each photon ends up in a superposition of having taken both paths at once, and will interfere with itself, showing its wave nature – even though, in our classical way of thinking, it ought to have entered and left the experiment as a particle. Do this experiment many, many times, and an interference pattern characteristic of waves emerges.

Because satellites in low Earth orbit are travelling at about 7 kilometres per second, the mathematics has to account for a “relativistic boost” given to the reflected photons, says Villoresi, which wasn’t the case in Earth-based experiments.

Giulio Chiribella, a quantum physicist at the University of Oxford, is impressed. “This experiment shows that, at least on a distance of approximately 3500 kilometres, the predictions of quantum theory are still valid,” he says. “This result is likely to be the first of a series of experimental tests where the fundamental features of quantum mechanics will be probed at increasingly large scales.”

 

Article dans Phys.org :

A team of researchers with Università degli Studi di Padova and the Matera Laser Ranging Observatory in Italy has conducted experiments that add credence to John Wheeler's quantum theory thought experiment. In their paper published on the open access site Science Advances, the group describes their experiment and what they believe it showed.

The nature of light has proven to be one of the more difficult problems facing physicists. Nearly a century ago, experiments showed that light behaved like both a particle and a wave, but subsequent experiments seemed to show that light behaved differently depending on how it was tested, and weirdly, seemed to know how the researchers were testing it, changing its behavior as a result.

Back in the late 1970s, physicist Johan Wheeler tossed around a thought experiment in which he asked what would happen if tests allowed researchers to change parameters after a photon was fired, but before it had reached a sensor for testing—would it somehow alter its behavior midcourse? He also considered the possibilities as light from a distant quasar made its way through space, being lensed by gravity. Was it possible that the light could somehow choose to behave as a wave or a particle depending on what scientists here on Earth did in trying to measure it? In this new effort, the team in Italy set out to demonstrate the ideas that Wheeler had proposed—but instead of measuring light from a quasar, they measured light bounced from a satellite back to Earth.

The experiment consisted of shooting a laser beam at a beam splitter, which aimed the beam at a satellite traveling in low Earth orbit, which reflected it back to Earth. But as the light traveled back to Earth, the researchers had time to make a choice whether or not to activate a second beam splitter as the light was en route. Thus, they could test whether the light was able to sense what they were doing and respond accordingly. The team reports that the light behaved just as Wheeler had predicted—demonstrating either particle-like or wavelike behavior, depending on the behavior of those studying it.

  More information: Francesco Vedovato et al. Extending Wheeler's delayed-choice experiment to space, Science Advances (2017). DOI: 10.1126/sciadv.1701180

Abstract Gedankenexperiments have consistently played a major role in the development of quantum theory. A paradigmatic example is Wheeler's delayed-choice experiment, a wave-particle duality test that cannot be fully understood using only classical concepts. We implement Wheeler's idea along a satelliteground interferometer that extends for thousands of kilometers in space. We exploit temporal and polarization degrees of freedom of photons reflected by a fast-moving satellite equipped with retroreflecting mirrors. We observe the complementary wave- or particle-like behaviors at the ground station by choosing the measurement apparatus while the photons are propagating from the satellite to the ground. Our results confirm quantum mechanical predictions, demonstrating the need of the dual wave-particle interpretation at this unprecedented scale. Our work paves the way for novel applications of quantum mechanics in space links involving multiple photon degrees of freedom.

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