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La Lumière révélée Serge Haroche prix Nobel de physique sciences De la lunette

La Lumière révélée Serge Haroche prix Nobel de physique sciences De la lunette de Galilée à l’étrangeté quantique La Lumière révélée Serge Haroche prix nobel de physique La Lumière révélée De la lunette de Galilée à l’étrangeté quantique © Odile Jacob, septembre 2020 15, rue Soufflot, 75005 Paris www.odilejacob.fr ISBN : 978‑2-7381‑5173‑5 Le Code de la propriété intellectuelle n’autorisant, aux termes de l’article L. 122-5, 2° et 3°a, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective » et, d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consente ment de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (art. L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. « Alors que l’invention d’hypothèses plau sibles sans rapport avec des observations expérimentales ne peut être que d’une faible utilité pour enrichir nos connaissances natu relles, il faut pour faire progresser la rai son humaine toujours attacher une grande importance à la découverte de principes simples et uniformes par lesquels un grand nombre de phénomènes apparemment dis parates sont expliqués par des lois cohé rentes et universelles. » Thomas Young, Bakerian Lecture, 1801. À Elsa, Rachel, Samuel et Vadim. Sommaire Avant-propos. ............................................................................... 15 C H A P I T R E I L’aube d’une vocation Premières passions : des mathématiques à l’astronomie. .................... 23 Initiation à la physique moderne......................................................... 33 Tais-toi et calcule !................................................................................ 42 Quand les atomes et les photons sont des toupies : le pompage optique. ............................................................................... 44 Voir le monde comme quelque chose de riche et d’étrange. ................ 56 Un apprentissage dans la confiance et la liberté. ................................. 66 Les promesses du laser. ......................................................................... 70 Débuts dans la recherche...................................................................... 73 Premier séjour en Amérique et retour à ma première passion. ........... 77 La recherche blue sky........................................................................... 80 C H A P I T R E I I Réflexions au square de l’Observatoire Deux instruments aux origines de la révolution scientifique : la lunette astronomique et l’horloge pendulaire. .................................. 85 Mesurer la vitesse de la lumière pour arpenter l’Univers.................... 91 La science de la lumière devient quantitative : Descartes et La Dioptrique. ................................................................. 96 La nature agit par les voies les plus courtes et les plus simples : le principe de Fermat. ............................................................................ 100 Huygens et la théorie des ondes lumineuses. ....................................... 105 Newton, les particules lumineuses et la couleur................................. 113 La mesure de la forme de la Terre. ....................................................... 120 Une passion pour la précision. ............................................................. 131 Science fondamentale, commerce, puissance et technologie............... 135 C H A P I T R E I I I Rêveries dans le laboratoire de Faraday Young contre Newton. ........................................................................... 142 La lumière se polarise........................................................................... 147 Fresnel et le triomphe des ondes. .......................................................... 149 Des vecteurs qui s’additionnent et des ondes qui interfèrent.............. 152 Une vibration qui tourne : la polarisation circulaire.......................... 157 La lumière éclairée par les mathématiques.......................................... 161 Retour sur la vitesse de la lumière....................................................... 166 Des salons du siècle des Lumières au laboratoire de Faraday. ........... 174 Naissance du concept de champ.......................................................... 183 Confluence de la lumière, de l’électricité et du magnétisme. ............... 187 Certains mystères se dissipent mais d’autres demeurent. .................... 192 C H A P I T R E I V Les deux nuages de lord Kelvin Michelson et l’énigme de l’éther............................................................ 205 Einstein entre en scène : expériences de pensée. .................................. 209 Changement de perspective relativiste.................................................. 219 Espace et temps se mélangent. .............................................................. 223 Masse et énergie se marient : E = mc2................................................ 228 L’idée « la plus heureuse » d’Einstein vient encore de Galilée............ 237 Gravitation et courbure de l’espace-temps........................................... 243 Prédictions et postdictions relativistes. ................................................. 250 L A L U M I È R E R É V É L É E 12 C H A P I T R E V La lumière dévoile le monde étrange des quanta La catastrophe ultraviolette. .................................................................. 262 La lumière entre ondes et particules. .................................................... 265 Les quanta se généralisent à la matière............................................... 269 Des photons grégaires et des atomes qui les imitent........................... 275 Le voile se lève sur les ondes de matière. ............................................. 279 Fonction d’onde, états quantiques et principe de superposition. ........ 282 La famille des particules s’élargit. ......................................................... 285 Une identité fondamentale.................................................................... 289 La boîte de Pandore de la physique quantique.................................... 293 Du classique au quantique : dialogue à travers les siècles entre Fermat, Maupertuis et Feynman................................................. 296 Un voyage dans les ordres de grandeur. ............................................... 300 La scène quantique : objets individuels ou ensembles statistiques ?..................................... 304 Les fentes de Young revisitées. .............................................................. 307 Mesure, complémentarité et relations d’incertitude............................. 310 Débats autour d’expériences imaginaires............................................. 316 L’intrication quantique......................................................................... 324 Le chat de Schrödinger et la frontière classique-quantique. ................ 331 C H A P I T R E V I Des lasers, des photons et des atomes géants Un atome habillé de photons. ............................................................... 338 Initiation aux lasers en Californie. ....................................................... 345 Victoire sur l’effet Doppler. .................................................................... 352 Les battements quantiques. ................................................................... 358 Anecdotes californiennes....................................................................... 363 Première grande conférence internationale. .......................................... 366 La Terra incognita des atomes géants. ............................................... 368 Naissance de l’électrodynamique quantique en cavité. ........................ 377 Recherche et enseignement des deux côtés de l’Atlantique.................. 382 S o m m a i r e 13 La révolution du refroidissement laser. ................................................ 387 Ions piégés et sauts quantiques............................................................ 395 C H A P I T R E V I I Apprivoiser le chat de Schrödinger La boîte à photons................................................................................ 409 L’atome circulaire. ................................................................................. 412 Un ping-pong quantique....................................................................... 417 Tricot quantique.................................................................................... 421 Comment voir les photons sans les détruire ?..................................... 423 Vie et mort d’un photon. ....................................................................... 426 Retour à l’expérience de Young avec une fente mobile. ....................... 434 Compter les quanta de lumière et voir les sauts quantiques.............. 436 Radiographie du champ quantique...................................................... 446 Chats de Schrödinger de lumière.......................................................... 454 Saisir le passage du quantique au classique. ....................................... 463 Vers un ordinateur quantique : utopie ou réalité future ?.................. 472 Le rêve de Feynman : la simulation quantique................................... 476 Action fantomatique à distance, cryptographie et téléportation quantiques. ................................................................... 479 Métrologie quantique et horloges de lumière....................................... 481 Postface – Science et vérité. .................................................... 489 Bibliographie............................................................................... 495 Index des scientifiques cités. .................................................. 499 Remerciements........................................................................... 505 L A L U M I È R E R É V É L É E 14 Avant-propos La lumière éclaire et fascine l’humanité depuis le début des temps. Ce n’est cependant que durant les quatre derniers siècles que nous en avons progressivement percé les secrets. Nous ne l’avons domestiquée dans les technologies modernes qui ont révolutionné notre vie que beaucoup plus récemment encore. Il ne s’est passé qu’un peu plus d’une centaine d’années depuis la découverte des micro-ondes, ces cousines de la lumière visible qui sont omniprésentes dans les appareils de communication, de navigation et de radiographie médicale modernes. Et cela ne fait que soixante ans à peine que nous avons apprivoisé la lumière visible en inventant le laser. Les propriétés extraordinaires de ses rayons nous ont permis de faire des découvertes fondamentales et d’inventer des instruments qui étaient inimaginables du temps de ma jeunesse. J’ai eu la chance de participer à cette aventure au cours du dernier demi-siècle. En décrivant le cheminement d’une vie scientifique consacrée à la lumière, je tente ici de partager avec le lecteur le plaisir qu’un chercheur éprouve chaque fois qu’il voit un phénomène nouveau qui éclaire le monde d’un jour inattendu et surprenant. Après de longues années de recherche, je suis parvenu avec mon équipe à piéger pendant plus d’un dixième de seconde quelques photons de micro-onde dans une boîte aux parois réfléchissantes. En faisant interagir ces grains de lumière fragiles et élusifs avec des atomes excités par des faisceaux laser, nous avons observé le comportement à la fois ondulatoire et corpusculaire de la lumière dans des expériences qui illustrent les propriétés étranges du monde quantique. Au plaisir de la découverte s’est ajoutée l’excitation de penser que ces travaux mèneront peut-être un jour à des applications nouvelles, même s’il est encore difficile de prévoir ce qu’elles seront vraiment. Tous les chercheurs qui ont découvert quelque chose de neuf et de prometteur ont éprouvé un plaisir et une excitation semblables. À une époque où le besoin de science est plus grand que jamais, il est important qu’un public non spécialisé puisse com prendre, à travers un témoignage personnel, les motivations d’un chercheur, les ressorts de sa curiosité et le rôle de la chance dans une démarche dont les surprises ne sont jamais absentes. Il est aussi essentiel de rappeler que la recherche est avant tout créa trice de connaissances qui enrichissent un patrimoine culturel construit au cours des siècles. Les chercheurs voient le monde d’un peu plus haut que les autres car ils sont, selon la phrase célèbre attribuée à Newton, assis sur les épaules des géants qui uploads/Sante/ la-lumiere-revelee-de-la-lunette-de-galilee-a-letrangete-quantique-by-serge-haroche.pdf