Vous ne comprenez peut-être rien en physique, mais vous devriez avoir entendu parler de l'expérience de pensée de Schrödinger, dans laquelle le chat est placé dans une boîte contenant un élément radioactif et peut être à la fois vivant et mort. C'est un phénomène étrange créé par la mécanique quantique.
Des physiciens de l'Université d'Exeter (Angleterre) ont récemment découvert qu'une similitude similaire peut être observée dans les températures: les objets peuvent avoir deux températures au niveau quantique. Cet étrange paradoxe quantique est la première relation complètement nouvelle d’incertitude quantique à être formulée au cours de décennies.
Un autre principe de Heisenberg
En 1927, le physicien allemand Werner Heisenberg a formulé un postulat: plus vous mesurez avec précision la position d'une particule quantique, moins vous en comprendrez le sens, et inversement. Cette règle s'appelle maintenant le principe d'incertitude de Heisenberg.
La nouvelle incertitude quantique, dans laquelle plus on connaît la température avec précision, moins on peut en dire sur l'énergie et inversement, a des implications bien plus importantes pour la nanoscience qui étudie des objets incroyablement minuscules (plus petits que le nanomètre). Ce principe va changer la façon dont les scientifiques mesurent la température de très petites choses, comme des points quantiques. Dans les années 1930 Heisenberg et Niels Bor ont établi une relation entre l’incertitude entre l’énergie et la température sur une échelle non quantifiée. L'idée était que si vous vouliez connaître la température exacte de l'objet, il serait préférable de le plonger dans un «réservoir» (un bain avec de l'eau ou une chambre avec de l'air) avec une température connue, permettant au corps de saturer lentement avec cette température. C'est ce qu'on appelle l'équilibre thermique.
Cet équilibre thermique est maintenu par l'objet pendant que le réservoir échange constamment de l'énergie. En conséquence, l’énergie dans l’objet monte et descend en quantités infiniment petites, ce qui rend impossible une détermination exacte. Si vous voulez connaître l'énergie exacte dans l'objet, vous devrez l'isoler afin qu'il ne puisse entrer en contact avec rien. Cependant, l'isolation ne permet pas de calculer avec précision la température à l'aide du réservoir. Ces restrictions rendent la température incertaine et, lorsque l’on passe à une échelle quantique, les couleurs s’épaississent davantage.
Nouveau ratio d'incertitude
Même si un thermomètre typique a une énergie qui augmente et diminue légèrement, il est toujours détectable dans une petite plage. Mais cela ne fonctionne pas au niveau quantique, où tout revient au célèbre chat de Schrödinger. Cette expérience de pensée suggérait de fermer le chat dans une boîte de poison, activée par la désintégration d'une particule radioactive. Selon les lois de la mécanique quantique, une particule peut se décomposer ou ne pas s’effondrer en même temps. Autrement dit, jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte, le chat sera à la fois vivant et mort. C'est un phénomène de superposition. Les chercheurs ont utilisé les mathématiques et la théorie pour prédire avec précision l'impact de la superposition sur le calcul de la température d'objets quantiques. Il se trouve qu'un thermomètre quantique sera en même temps une superposition d'états d'énergie, ce qui conduit à une incertitude de la température.
Dans notre monde, un thermomètre peut indiquer qu'un objet se situe entre 0 et 30 degrés Fahrenheit. Dans le cas quantique, le thermomètre indiquera que l'objet est simultanément doté des deux températures. Les contacts entre objets à l’échelle quantique sont capables de créer des superpositions et de l’énergie. L'ancienne relation d'incertitude ignorait ces effets car ils étaient sans importance pour les objets non quantiques. À présent, il est important de déterminer l’indice de température d’un point quantique.
