Défis de la physique

2022/03/01 Errea Lope, Ion - Fisikako doktoreaEHUko iraskalea, CFM eta DIPC zentroetako ikertzaile eta Jakiundeko kidea | García Vergniory, Maia - FisikariaDIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

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La Physique nous a ouvert des mondes inédits et suggestifs, imperceptibles par nos sens. De la physique, de la recherche de l'univers à la nanotechnologie, de nombreux progrès en science et technologie ont été réalisés au cours des dernières décennies. Mais quels sont les principaux défis de la physique dans ce siècle?

Ils seront certainement très variés. Conscients que c'est la matière sombre et l'énergie noire, que la fusion nucléaire est l'obtention d'énergie illimitée, que la nanotechnologie peut développer ce que la médecine et la science des matériaux, qui sont des ordinateurs quantiques… Conscients qu'il y aura autant d'opinion que la physique, nous avons invité à réfléchir les physiciens de deux domaines :

 

“La révolution du siècle dernier sera arrondie dans ce siècle”

Ion Errea Lope

Physique. Chercheur UPV, CFM et DIPC

Le grand physicien Lord Kelvin a affirmé en 1900 qu'il n'y avait rien à découvrir en physique. Il restait seulement à faire des mesures encore plus précises, convaincus que cela n'apporterait rien de nouveau.

XX. Mais le XXe siècle a supposé la révolution de la physique. La physique quantique et la théorie de la relativité ont révolutionné tous les paradigmes jusqu'alors. Le premier nous a appris comment est le monde le plus petit, celui des atomes et celui des particules. Le second a élargi une nouvelle dimension de l'univers. XX. Le XXe siècle a appartenu à la physique, puisque ces nouvelles théories ont supposé une grande révolution technologique qui se reflète dans la numérisation et la médecine actuelles.

Contact avec les extrémités

Ce siècle ne sera pas celui de la physique, mais l'influence de cet énorme développement conceptuel que la physique a eu au siècle dernier n'a pas encore été matérialisée. Il y a beaucoup à développer. C'est peut-être le plus grand défi actuel de la physique : continuer à développer jusqu'à la pointe cette nouvelle physique moderne du siècle dernier et porter les applications jusqu'à la fin. Et cela, bien sûr, aura une grande influence sur les révolutions qui seront menées dans d'autres disciplines, à savoir dans les neurosciences et la biologie qui sont à la pile. En fait, comme l'IRM actuelle dans le diagnostic médical ne peut pas être comprise sans physique quantique, les nouvelles techniques qui seront utilisées pour étudier le neurone avec le comportement neuronal seront également développés de la compréhension de l'atome à l'atome de l'interaction entre neurones, protéines et champs électromagnétiques.

Au siècle dernier, les théories des particules élémentaires qui composent la matière ont été développées. En 2012, le modèle standard a été arrondi avec la découverte expérimentale du boson Higgs. Au-delà des particules décrites dans ce modèle, les physiciens sont convaincus qu'il doit y avoir de nouvelles particules plus lourdes qui ne peuvent pas se produire dans les accélérateurs actuels. Ces particules pourraient être responsables de la matière noire de l'univers. L'accélérateur LHC, utilisé pour localiser le boson Higgs, a été arrêté au cours des dernières années, mais cette année, il fonctionnera à nouveau après d'importantes améliorations. Ces innovations seront-elles suffisantes pour observer de nouvelles particules ? Il y a de l'espoir. Si nous observons de nouvelles particules ou phénomènes, il est possible que la confusion qui existe actuellement dans la théorie soit clarifiée, car de nombreuses propositions dépassant le modèle standard de particules élémentaires, et bien sûr, toutes ne peuvent pas être correctes.

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Un des plus grands imprévus de la physique des matériaux a été de trouver la supraconductivité en 1911. Personne ne s'attendait à ce qu'un métal perde toute sa résistance électrique sous une température. Depuis, l'une des principales questions est de savoir si la supraconductivité est possible dans des conditions d'érosion. Les expériences menées ces dernières années ont montré que la supraconductivité à haute pression est possible dans les composés riches en hydrogène. Le principal défi des années à venir sera de déterminer s'il existe dans la pression un composé d'hydrogène ainsi supraconducteur à une température aussi élevée. Pour répondre à cette question sera nécessaire l'aide des calculs théoriques, qui permettent d'une part de prédire à quelle température un matériau devient superconducteur et, d'autre part, de déterminer si les nouveaux matériaux possibles sont stables.

Physique XX. Bien que je pense qu'il continuera à faire la révolution du XXe siècle, je ne voudrais pas répéter l'erreur de lord Kelvin. Des surprises pourraient venir qui pourraient changer la direction d'étude de la physique.

 

"Le défi est de développer des ressources pour construire et contrôler des systèmes quantiques"

Maia García Vergniory

Physique. Chercheur DIPC

Le plus grand défi de la physique ne doit pas venir de la résolution d'un problème particulier. Je pense que le principal défi de la physique est d'exploiter les connaissances acquises et les nouvelles portes qui nous ouvrent les nouveaux outils. Par exemple, la porte qui a ouvert le monde quantique.

On dit que la technologie du futur sera basée sur les technologies quantiques, mais que sont les technologies quantiques ? En réalité, depuis que les laboratoires Bell ont conçu le premier transistor de silicium en 1947, nous utilisons la technologie quantique. Depuis lors, en substance, toute notre technologie est basée sur les principes de la physique quantique.

Bases de technologies quantiques

Cependant, les transistors utilisés jusqu'à présent n'utilisent que deux propriétés du monde quantique mentionné: la dualité onde -particule et la statistique quantique. La dualité onde - particule nous indique qu'une particule peut avoir un double comportement, c'est-à-dire comme onde et comme particule. La statistique quantique fait référence à la statistique des électrons dans le cas du transistor.

D'autre part, il existe deux types de physique quantique: les bosons et les fermions. Le boson (par exemple, les photons sont des bosons) est régi par la statistique connue sous le nom de Bose-Einstein, c'est-à-dire à une température de 0 absolus tous adoptent le même état quantique, avec la même énergie. Mais avec les fermions (les électrons, par exemple, sont des fermions) ne se produit pas la même chose, car ils ne peuvent pas être deux fermions dans les mêmes conditions, ils ont interdit l'occupation de la même situation, donc même si elle est dans le 0 absolu, chaque fermion aura son propre niveau d'énergie.

Cette qualité permet aux électrons, les particules qui transportent le courant électrique, d'acquérir différentes situations d'énergie lorsqu'ils prient autour des atomes. La construction du transistor conventionnel a été basée sur la manipulation des niveaux des électrons les plus énergétiques. Alors, sur quoi reposent les nouvelles technologies quantiques ?

Nouvelles technologies quantiques

Les nouvelles technologies sont basées sur le débordement quantique et le nœud quantique. Ces phénomènes sont la conséquence de la dualité onde -particule. Comme les ondes produisent des interférences, les états quantiques ont également des interférences, de sorte qu'un électron peut être dans l'un ou l'autre état ou dans la superposition entre les deux états. Nous définissons le bit quantique (quantum-bit - Qbit, en anglais, bit quantique) comme un système à deux niveaux dans lequel les électrons peuvent être dans un ou un autre état ou dans les deux simultanément. Ce serait l'unité d'information d'un ordinateur quantique.

En outre, les Qbit sont reliés entre eux par le phénomène appelé «traba quantique». Lorsque deux objets ou plus sont entrelacés, tous les objets sont pris en compte dans l'état du système, et nous pouvons décrire l'ensemble du système par une seule situation, même lorsque les objets sont séparés ou éloignés dans l'espace. Vous pouvez vérifier que les N qbits contiennent des informations 2N, donc ils sont beaucoup plus rapides que les ordinateurs classiques.

En utilisant tout leur potentiel, les ordinateurs quantiques pourraient, entre autres, approfondir les propriétés des molécules complexes contenant des millions d'atomes, simuler les propriétés des particules élémentaires, analyser le comportement quantique d'un trou noir ou l'évolution de l'univers.

Cependant, les nouvelles propriétés mentionnées étaient connus depuis longtemps; Einstein, Podolsky et Rosen dès 1935, dans la formulation du soi-disant paradoxe EPR, ont annoncé l'enchevêtrement quantique. Pourquoi avons-nous pris si longtemps à développer cette technologie?

Le problème est que nous ne pouvons pas observer, manipuler ou mesurer le monde quantique sans perturber le système. Si nous voulons qu'un système quantique traite des informations, nous devons le garder isolé de l'extérieur, ce qui n'est pas techniquement facile. Des pas ont été faits en laboratoire, mais il reste beaucoup de travail. Notre défi pour l'avenir est donc le développement de ressources scientifiques et technologiques pour la construction et le contrôle de complexes systèmes quantiques, capables d'utiliser de nouvelles technologies quantiques.