Physique quantique - Serge Haroche

Serge Haroche

Chaire Physique quantique (2001-2015)

Collège de France

Leçon de clôture : Réflexions sur la lumière, la recherche fondamentale et l'innovation

Date : 14 avril 2015

Résumé

La dernière leçon a eu comme sujet la lumière. En fait, la physique quantique, le thème général de l'enseignement de la chaire pendant quinze ans, est née des interrogations sur la nature de la lumière qui se sont posées à la fin du XIXe et au début du XXe siècle. Pratiquement tous les cours de la chaire ont parlé du rayonnement, des photons et des lasers, ces sources de lumière qui depuis un demi-siècle ont révolutionné la physique et la technologie. Il était donc naturel de clore cette chaire par un exposé « grand public » sur la lumière, sur la façon dont elle a bouleversé notre vision du monde et sur les innovations que les recherches sur le rayonnement nous ont apportées.

L'exposé a d'abord rappelé que l'année 2015 a été déclarée année internationale de la lumière pour célébrer un certain nombre d'anniversaires de découvertes importantes en optique et en électromagnétisme (traité d'optique du savant arabo-persan Alhazen en 1015, nature d'onde transversale de la lumière établie par Fresnel en 1815, équations de Maxwell en 1865, théorie de la relativité générale d'Einstein en 1915, découverte du rayonnement cosmologique et mise au point des fibres optiques pour les télécommunications en 1965). La théorie de l'électromagnétisme de Maxwell qui a unifié l'optique avec les phénomènes de l'électricité et du magnétisme a ensuite été rapidement évoquée, en rappelant que cette théorie prévoyait l'existence d'ondes de longueur d'onde plus grande que celle de la lumière visible d'une part (ondes infrarouges et ondes radio), de longueur d'onde plus petite d'autre part (lumière ultraviolette et rayons X). Ces rayonnements découverts quelques années après la mort de Maxwell par Hertz (ondes radio) et par Roentgen (rayons X) devaient conduire aux révolutions dans les communications, le diagnostic médical et l'étude de la structure de la matière.

Les questions soulevées par l'interprétation des équations de Maxwell furent aussi les points de départ de la théorie de la relativité (restreinte puis générale) et de la physique quantique. L'exposé a rappelé comment la relativité est née de questions posées par la vitesse de la lumière et comment les quanta sont issus des mystères que soulevait l'explication du rayonnement des corps chauffés et de l'effet photoélectrique. La physique quantique a remis en question les principes fondamentaux de la science classique en introduisant la notion de dualisme onde corpuscule et de superposition d'états. La leçon a insisté sur la richesse prédictive de cette physique, basée sur l'équation d'onde non-relativiste de Schrödinger (qui sert de point de départ à l'essentiel de la physique atomique et de la matière condensée ainsi que de la chimie) et sur l'équation relativiste de Dirac (qui a prédit l'existence de l'anti-matière et a constitué les prémices de la théorie quantique des champs).

Dans sa seconde partie, la leçon a illustré les liens souvent fortuits entre recherche fondamentale et appliquée en suivant la longue et féconde ligne de recherche née en Allemagne des expériences de jets atomiques d'Otto Stern, qui découvrit le spin de l'électron et le magnétisme atomique dans les années 1920. Ces travaux, repris et approfondis par Isidore Rabi et son école aux États-Unis dans les années 1930 et 1940, conduisirent à l'invention de la résonance magnétique nucléaire (RMN) par Bloch et Purcell. Ces recherches fondamentales, initialement motivées par la simple curiosité des chercheurs, devaient conduire de façon inattendue au développement de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), sans parler de l'importance de la RMN comme sonde des propriétés de la matière en chimie, en physique des solides et des liquides et en biologie. Une autre retombée de la méthode des jets atomiques a été la mise au point des horloges atomiques, développées dans la continuité des travaux de l'école de Rabi, qui conduisirent à une redéfinition de la seconde et au GPS (systèmes d'horloges embarquées dans des satellites dont les signaux permettent par triangulation de nous repérer partout sur la Terre). Un autre prolongement des travaux sur les jets atomiques et moléculaires fut l'invention du maser, qui évolua ensuite pour conduire au laser, source extraordinaire de lumière basée encore sur une idée d'Einstein (l'émission stimulée). Les applications des lasers à la physique fondamentale et appliquée sont innombrables. Certaines furent rappelées dans la leçon (applications aux horloges atomiques optiques, voir cinquième leçon de ce cours ; utilisation des lasers pour le contrôle des particules quantiques, voir quatrième leçon).

En conclusion, la leçon de clôture a rappelé l'importance du dialogue permanent entre recherche fondamentale et innovation et a évoqué ce que pourraient être certaines applications des recherches sur les lasers et la lumière dans le domaine de la communication ou du calcul quantique. Il a été cependant rappelé que souvent la recherche nous réservait des surprises et qu'il était difficile, voire impossible, de prédire dans quelle direction elle allait nous conduire, aussi bien dans le domaine fondamental que dans celui des innovations.