Paul Sutter est astrophysicien à l’université d’État de l’Ohio et scientifique en chef du centre scientifique COSI. Sutter est également l’hôte de Ask a Spaceman et Space Radio, et dirige des AstroTours dans le monde entier. Sutter a contribué à cet article pour les Voix d’experts de Space.com : Op-Ed & Insights.
On pourrait penser que les électrons sont assez faciles à décrire. Masse. Charge. Tout est prêt. Ces deux petits nombres peuvent être utilisés pour décrire tout un tas de phénomènes électromagnétiques. Mais les chercheurs ont appris que ces particules sont beaucoup plus compliquées que cela.
Cela est devenu clair lorsque Otto Stern et Walther Gerlach ont tiré sur quelques atomes d’argent à travers un champ magnétique varié en 1922 et ont vu quelque chose qu’ils ne pouvaient pas expliquer. La configuration nécessitait des atomes d’argent électriquement neutres – la charge de leurs électrons équilibrant parfaitement celle des protons. Si vous deviez réaliser cette expérience et ne rien savoir de la mécanique quantique (à la Stern et Gerlach), vous pourriez vous attendre à l’un des deux résultats suivants.
Dans le résultat le plus ennuyeux possible, la neutralité des atomes annulerait toute interaction avec le champ magnétique, et ils navigueraient en ligne droite à travers l’appareil sans même sourciller.
Cependant, si les composants de l’atome se comportaient comme de petites boules métalliques qui ne se contentaient pas d’avoir une masse et une charge, mais pouvaient aussi tourner sur leur propre axe, alors ce moment angulaire interagirait effectivement avec le champ magnétique environnant, produisant un couple. Il s’agit d’un effet électromagnétique tout à fait normal et bien connu, que vous pouvez essayer chez vous, en supposant que vous disposez de champs magnétiques puissants et de boules métalliques tournant rapidement.
Puisque chaque atome individuel aurait un couple aléatoire dans une direction aléatoire, cette interaction étalerait les trajectoires des atomes, les envoyant éclater contre un écran après être sortis du champ magnétique.
Stern et Gerlach ont été surpris parce qu’ils n’ont obtenu ni l’un ni l’autre.
Prendre une bifurcation
Au lieu de cela, les deux scientifiques allemands se sont retrouvés à regarder deux taches distinctes d’atomes d’argent déposés. Au lieu d’aller en ligne droite, et au lieu de se répartir uniformément, il semblait que les atomes d’argent avaient conspiré pour se séparer en deux camps distincts, un groupe se dirigeant vers le haut et l’autre vers le bas.
Les expérimentateurs étaient témoins de l’un des premiers indices flagrants que le royaume subatomique fonctionne selon des règles qui sont loin d’être familières. Dans ce cas, les effets quantiques étaient en pleine force, et les chercheurs ont rapidement réalisé que les atomes (ou plus précisément, les particules qui composent les atomes) ont une propriété jusqu’alors inconnue qui ne se révèle qu’en présence d’un champ magnétique.
Et puisque ces atomes se comportaient en quelque sorte comme des boules tournantes de métal chargé électriquement, cette nouvelle propriété a été baptisée « spin ». Et donc les particules comme les électrons avaient soudainement trois propriétés : la masse, la charge et le spin.
Taking it out for a ‘spin’
Et tout comme la masse et la charge, nous pouvons réaliser des expériences pour découvrir la nature de la propriété de spin et comment elle interagit avec les autres forces et particules de l’univers. Et il s’avère que le spin a effectivement des propriétés assez bizarres.
Pour commencer, la magnitude du spin d’une particule particulière est fixe. Par définition, les électrons ont un spin égal à 1/2. D’autres particules pourraient avoir un spin de 1, 3/2, 2 ou même 0. Et l’amplitude du spin d’une particule détermine les directions du spin que nous pouvons réellement mesurer.
Par exemple, une particule de spin 1/2 comme un électron ne pourra jamais être mesurée qu’à +1/2 ou -1/2, ce qui correspond aux déviations vers le haut et vers le bas de l’expérience de Stern-Gerlach. Une particule de spin 1, comme un photon, peut être mesurée pour avoir des directions +1, 0 ou -1, et c’est tout. Je sais que c’est une notation déroutante, mais vous allez devoir blâmer les physiciens qui ont été les premiers à la décrire il y a cent ans.
Ne perdez pas de vue que la direction réelle du spin pourrait pointer n’importe où – imaginez une petite flèche étiquetée sur chaque particule. La longueur de cette flèche est fixe pour chaque type de particule, mais nous ne sommes jamais autorisés à mesurer qu’un nombre limité de directions. Si la flèche est dirigée vers le haut, même légèrement, elle sera enregistrée dans n’importe quelle expérience comme +1/2. Si elle est un peu vers le bas ou très vers le bas, peu importe, on obtient -1/2. Et c’est tout.
C’est comme la navigation GPS la plus inutile du monde : Au lieu de vous donner des indications précises, on vous dit seulement : « Allez vers le nord à 500 pas », ou « Allez vers le sud à 500 pas ». Bonne chance pour trouver ce restaurant.
Pour aller jusqu’au bout
C’est là toute la nature encombrante de la mécanique quantique : Elle limite fondamentalement notre capacité à mesurer les choses à petite échelle.
Après suffisamment d’expérimentations, les « règles » du spin ont été ajoutées aux connaissances des scientifiques en matière de physique quantique, développées simultanément dans les années 1920. Mais ce n’était pas exactement un ajustement naturel. La formulation du monde quantique que la plupart des gens connaissent – disons, la célèbre équation d’onde de Schrodinger qui nous permet de calculer les probabilités de localisation des particules – n’inclut pas naturellement le concept de spin.
Le problème vient de l’approche qu’Erwin Schrodinger a adoptée lorsqu’il est allé comprendre toute cette affaire quantique. Au début des années 1920, la théorie de la relativité restreinte d’Einstein était déjà une vieille nouvelle, et les physiciens savaient que toute loi de la physique devait l’intégrer. Mais lorsque Schrodinger a rédigé une version de son équation correcte du point de vue relativiste, il n’a pas réussi à s’y retrouver et l’a abandonnée pour la version moins correcte, mais toujours utilisable, que nous connaissons et aimons. Bien qu’incroyablement utile, l’image de la mécanique quantique de Schrodinger n’inclut pas automatiquement une description du spin – il faut la rajouter de manière inélégante.
Mais à peu près à la même époque, un certain physicien théoricien nommé Paul Adrien Maurice Dirac s’interrogeait également sur le monde quantique et s’est lancé à corps perdu dans une approche de la mécanique quantique qui incluait la relativité restreinte. Et contrairement à son ami Erwin, il a été capable de déchiffrer le code mathématique et de comprendre ses implications. L’une de ces implications de l’union de la mécanique quantique et de la relativité restreinte était – vous l’avez deviné – le spin. Ses mathématiques incluaient automatiquement une description du spin. S’il l’avait élaboré quelques années avant les expériences de Stern et Gerlach, il aurait pu prédire leurs résultats !
Au lieu de cela, nous avons découvert le spin quantique par l’expérimentation, mais Dirac nous a appris que pour comprendre cette étrange propriété des particules, nous devons nous mettre dans un état d’esprit entièrement relativiste, et quantique. Aussi tentant que cela puisse être, nous devons totalement écarter l’idée que les particules subatomiques sont de minuscules petites boules métalliques qui tournent ; leur comportement est beaucoup plus complexe que cette métaphore ne le suggère. En effet, il n’y a probablement aucune métaphore utile du tout.
Il n’existe tout simplement aucune description classique de cette propriété énigmatique. Au lieu de cela, le spin est une propriété fondamentale de notre univers, qui se manifeste uniquement à l’intersection de la mécanique quantique et de la relativité restreinte, sans métaphores macroscopiques. Ce n’est que grâce à la machinerie mathématique de Dirac que nous pouvons faire des prédictions sur les comportements du spin dont nous avons besoin pour faire de la physique. Nous avons donc un cas malheureux où la seule façon de répondre à la question « Qu’est-ce que le spin ? » est de simplement pointer du doigt les mathématiques de Dirac et de hausser les épaules.
En savoir plus en écoutant l’épisode « Comment devons-nous comprendre le spin quantique ? » du podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Dean B., Pete E., @nirbnz, Kari Kale et @sowjuinil pour les questions qui ont mené à cet article ! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter. Suivez-nous sur @Spacedotcom, Facebook et Google+. Article original sur Space.com.
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