Einstein et les révolutions quantiques

Ce livre présente les travaux qui ont valu à Alain Aspect le prix Nobel de physique. Il retrace la genèse du problème qu'il a cherché à résoudre en le replaçant dans l'histoire de la physique et des débats entre Einstein et Bohr entamés à la fin des années 1920 au sujet de la physique quantique, puis des découvertes de John Bell, qui travaille dans les années 1960 sur les variables cachées supposées par Einstein, persuadé que la physique quantique est incomplète. Alain Aspect découvre que le débat, qui repose sur des expériences de pensée, peut être tranché par une expérience de physique bien réelle : " Quelle situation extraordinaire : trancher par une expérience un débat de nature épistémologique, voire philosophique, sur la façon d'interpréter ce formalisme quantique tellement fructueux, capable de décrire avec précision tellement de phénomènes, et même d'inventer des technologies révolutionnaires comme le transistor ou le laser. Qui plus est, deux points de vue différents portés par les plus grands physiciens du XXème siècle. Comment résister à l'envie de travailler sur ce sujet ? " Ce sera le projet d'une vie. Ce livre raconte la genèse et la réalisation de cette expérience, qui se confond avec une existence de chercheur passionné. Il déroule plus d'un siècle de physique et nous permet de comprendre les questions qui ont agité les plus grands physiciens pendant plus d'un siècle, et de mieux se représenter comment on peut penser aujourd'hui la nature de la matière. Il s'achève par des chapitres tournés vers l'avenir et l'utilisation des technologies quantiques et de l'intrication : cryptographie, communication, calcul, métrologie quantiques, et aussi la téléportation quantique et l'informatique quantique.

Et si Einstein avait su...

La recherche spatiale revêt un caractère stratégique, ses applications sont multiples et son rôle dans la formation d'une communauté de haut niveau est indiscutable. La nécessité d'une politique spatiale ambitieuse à l'échelle de l'Union élargie, gardant un accès autonome à l'Espace, a donc été affirmée par le Livre blanc pour une politique spatiale européenne, élaboré en 2004 par la Commission européenne et l'Agence spatiale européenne. Cependant, il apparaît à l'Académie des sciences qu'il faut insister sur la nécessité de faire les efforts nécessaires en termes de moyens humains, financiers et d'évolution des structures, afin que la recherche spatiale européenne puisse conserver sa compétitivité. Le présent rapport constitue une explicitation de la position de l'Académie, qui a entrepris une réflexion sur les recherches scientifiques utilisant les moyens spatiaux, réflexion divisée en deux étapes : la première partie de cet ouvrage propose une série de recommandations sur l'organisation générale de la recherche spatiale et son financement ; la seconde partie analyse la recherche spatiale française en dégageant les forces et faiblesses, et en s'appuyant sur des rapports préliminaires par discipline rédigés par les spécialistes impliqués dans ces recherches. Pour chaque discipline, un rapport synthétique et des recommandations spécifiques ont été élaborés. Des recommandations générales sont également présentées. Les activités liées à l'Espace dépassent aujourd'hui largement la recherche spatiale, même si celle-ci a été l'élément moteur de leur développement initial : c'est pourquoi ce rapport apporte de larges développements sur la recherche utilisatrice de l'espace et ne traite des infrastructures spatiales, de leur technologie et des programmes opérationnels que dans la mesure où ils ont des liens et/ou des implications forts avec la recherche spatiale.

La recherche spatiale française

La première révolution quantique qui naît notamment sous l'impulsion d'Einstein au début du XXe siècle, bouleverse notre vision du monde, fait émerger des concepts surprenants comme la dualité onde-particule, et conduit à des inventions majeures : le transistor, le laser, les circuits intégrés des ordinateurs.

 Moins connu est le développement d'une deuxième révolution quantique initiée en 1935 par le débat entre Albert Einstein et Niels Bohr, et rendue possible à partir de la fin des années 1960 par l'expérimentation sur des particules individuelles. Cette révolution, qui se déroule encore sous nos yeux, repose sur la notion étrange de particules intriquées qui se comportent de manière extraordinairement similaire même lorsqu'elles sont éloignées. Cette notion a été vérifiée en particulier dans les expériences d'Alain Aspect au début des années 1980 et connaît déjà des applications concrètes, notamment en matière de cryptographie. Elle pourrait déboucher à terme sur des technologies nouvelles comme l'informatique quantique.

 Tourné vers une physique d'avenir, cet ouvrage raconte une magnifi que histoire de science, dans laquelle l'expérimentation a permis de trancher des débats philosophiques.

En 1905, Einstein publiait une série d'articles fondateurs sur la relativité, les quanta lumineux et le mouvement brownien. Ces travaux ont ouvert la voie à une bonne partie de la physique du XXe siècle et ils continuent encore aujourd'hui à avoir un impact dans des domaines parfois inattendus. Des physiciens français prestigieux donnent ici leur point de vue sur l'apport d'Einstein à leur domaine respectif en ce début du XXIe siècle. Ce livre contient sept contributions. La première est une introduction historique écrite par Olivier Darrigol (Rehseis, Paris) qui décrit en détail la genèse des articles fondateurs de 1905. Alain Aspect et Philippe Grangier (Laboratoire Charles Fabry, Orsay) montrent comment la notion d'intrication des systèmes quantiques, introduite par Einstein, Podolsky et Rosen, se révèle aujourd'hui fondamentale pour l'information quantique. Claude Cohen-Tannoudji,Jean Dalibard et Frank Laloë (Laboratoire Kastler Brossel, Ecole Normale Supérieure, Paris) décrivent les développements spectaculaires dans la physique des condensats de Bose-Einstein. Jean-Paul Pocholle (Thales, Orsay) fait le point sur la technologie des lasers, en particulier à semi-conducteurs, et leurs multiples applications dans la vie quotidienne. Bernard Derrida et Eric Brunet (Laboratoire de Physique Statistique, Ecole Normale Supérieure, Paris) soulignent l'influence sur la physique statistique moderne des travaux d'Einstein sur le mouvement brownien. Thibault Damour (Institut des Hautes Etudes Scientifiques, Bures-sur-Yvette) montre combien la relativité générale est devenue une théorie incontournable à la base de notre compréhension des étoiles massives, des trous noirs, des lentilles gravitationnelles et des ondes gravitationnelles. François Bouchet (Institut d'Astrophysique, Paris) décrit l'évolution fulgurante de la cosmologie depuis dix ans, qui débouche sur les énigmes de la matière et de l'énergie sombres. Ces ouvrages, écrits par des chercheurs, reflètent des enseignements dispensés dans le cadre de la formation à la recherche. Ils s'adressent donc aux étudiants avancés, aux chercheurs désireux de perfectionner leurs connaissances ainsi qu'à tout lecteur passionné par la science contemporaine.

Einstein aujourd'hui

Einstein continue à inspirer la science de ce début du XXIe siècle, après avoir révolutionné celle du XXe. Le livre contient sept contributions : une introduction historique et six articles retraçant les travaux les plus importants d'Einstein et leur impact sur la physique d'aujourd'hui : intrication de systèmes quantiques, condensation de Bose-Einstein, émission stimulée et laser, fluctuations et mouvement brownien, relativité générale, cosmologie. Sur chacun de ces sujets, le lecteur trouvera une mise au point actualisée écrite par des auteurs qui figurent parmi les meilleurs experts au monde dans leur discipline respective. Ces articles serviront de référence pendant de nombreuses années.

" La plupart des ouvrages qui paraissent sur les lasers se divisent en deux catégories : d'une part, ceux qui traitent en détail de la description quantique des interactions matière-rayonnement ; d'autre part, ceux qui insistent sur telle ou telle caractéristique des sources laser et sur les problèmes nouveaux qu'elles permettent d'aborder, comme l'optique non-linéaire, la fusion inertielle ou le transfert d'information. Gilbert Grynberg, Alain Aspect et Claude Fabre ont fait le pari qu'il était possible de combiner ces deux points de vue dans un même ouvrage et de présenter à leurs lecteurs, à la fois les concepts quantiques de base qui permettent de comprendre l'absorption et l'émission de lumière par les atomes, et les principes de fonctionnement des lasers, leurs caractéristiques essentielles et quelques exemples importants d'applications concrètes. Ils ont, je crois, magnifiquement tenu leur pari. "

Introduction aux lasers et à l'optique quantique

Une page de la physique d'aujourd'hui racontée de manière détaillée et très claire par un physicien français qui y a contribué de manière décisive.

On a coutume de dire que la relativité et la physique quantique sont les deux révolutions scientifiques du XXe siècle qui ont le plus changé notre vision du monde. La physique quantique est probablement la plus radicale des deux dans la mesure où elle a bouleversé les concepts de la physique, mais aussi notre vie de tous les jours, en rendant notamment possible la société de l'information dans laquelle nous vivons aujourd'hui. 
La première révolution quantique qui est bien connue nait avec le XXe siècle. Elle est rappelée ici de manière très claire durant une trentaine de minutes. Moins connue est le développement à partir de la fin des années 1960 d'une deuxième révolution quantique rendue possible par les progrès de l'expérimentation sur des objets quantiques individuels (un photon par exemple). Cette deuxième révolution se déroule encore sous nos yeux. Elle connaît déjà des applications concrètes et pourrait déboucher à terme sur des technologies totalement innovantes comme l'informatique quantique.

Einstein et les révolutions quantiques

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