La mécanique quantique fête ses 100 ans : une nouvelle révolution est en marche
Il y a cent ans, sur une île rocheuse et paisible, le physicien allemand Werner Heisenberg a initié une série de développements scientifiques qui allaient bouleverser la physique. C'est là qu'il a jeté les bases de la mécanique quantique, alors simple collection d'idées sur les particularités du monde atomique. Aujourd'hui, les physiciens assistent à l'aube d'une nouvelle ère quantique, marquée par un contrôle sans précédent des systèmes quantiques et leurs applications révolutionnaires.
En juin 1925, Heisenberg, alors âgé de 23 ans, s'isola sur l'île d'Helgoland pour échapper à un violent rhume des foins. Loin des pollens, dans ce havre à 60 km des côtes allemandes, il fit une découverte majeure au petit matin. « J'avais l'impression de percevoir, derrière la surface des phénomènes atomiques, une beauté étrange », raconta-t-il plus tard, trop excité pour dormir.
Cette première révolution quantique ne fut pas l'œuvre d'un seul homme. Après Heisenberg, Max Born, Pascual Jordan et Erwin Schrödinger contribuèrent à transformer un ensemble confus d'effets quantiques en un cadre mathématique cohérent. Selon Carlo Rovelli, physicien au Centre de Physique Théorique d'Aix-Marseille, cette théorie « a expliqué des phénomènes allant de la chimie à la couleur des objets, en passant par la lumière du soleil et la formation des galaxies ».
Les technologies issues de la mécanique quantique sont omniprésentes : lasers, transistors, panneaux solaires, IRM et horloges atomiques pour le GPS. La seconde révolution quantique vise à exploiter des aspects plus subtils comme la superposition et l'intrication quantiques. Ces propriétés permettent à des particules d'exister dans plusieurs états simultanément ou d'être corrélées à distance, défiant la physique classique.
Des chercheurs comme Yiwen Chu (ETH Zurich) repoussent les limites en créant des états quantiques avec des objets macroscopiques. En 2023, son équipe a placé un cristal de saphir en « état de chat » (superposition quantique), le plus massif jamais réalisé. Chu explore aussi leur utilisation comme capteurs d'ondes gravitationnelles à haute fréquence.
Vlatko Vedral (Université d'Oxford) travaille sur une expérience cruciale : tester si la gravité est quantique. L'idée ? Créer deux superpositions massives dont les états pourraient s'intriquer par gravité. « D'ici 5 à 10 ans, nous violerons probablement la relativité générale », prédit-il, bien que certains physiciens s'y opposent.
Marcus Huber (Institut d'Optique et d'Information Quantique de Vienne) alerte sur les dérives commerciales et géopolitiques autour des technologies quantiques. Il souligne néanmoins des applications prometteuses : horloges ultra-précises, communications sécurisées et thermodynamique quantique, qui pourrait révolutionner l'efficacité énergétique.
Clarice Aiello (Institut de Biologie Quantique de Los Angeles) étudie comment les champs magnétiques faibles, comme celui de la Terre, influencent le vivant via des superpositions de spin électronique. Ses travaux sur des têtards suggèrent que l'absence de champ magnétique terrestre accélère leur développement. « Si ces effets sont confirmés, cela impliquerait que des superpositions quantiques persistent dans les cellules », explique-t-elle.
Cette seconde révolution quantique, collective et mondiale, ne se limite pas aux laboratoires. Elle promet de résoudre des énigmes fondamentales (limites de la quantification, unification avec la relativité) tout en ouvrant des perspectives technologiques inédites. Comme au temps de Heisenberg, les physiciens explorent une « beauté étrange » – mais cette fois avec des outils capables de la domestiquer.
Kỷ nguyên lượng tử thứ hai: Khi khoa học chạm ngưỡng những điều không tưởng
Một thế kỷ sau khi cơ học lượng tử ra đời, các nhà vật lý đang đứng trước ngưỡng cửa của cuộc cách mạng lượng tử lần thứ hai với những ứng dụng đột phá từ máy tính lượng tử đến cảm biến siêu nhạy. Bài viết này khám phá hành trình từ khám phá mang tính bước ngoặt của Werner Heisenberg đến những thí nghiệm tiên phong hiện nay đang đẩy giới hạn của vật lý hiện đại.
Năm 1925, trên hòn đảo Helgoland yên tĩnh cách bờ biển Đức 60km, nhà vật lý trẻ Werner Heisenberg 23 tuổi đã có bước đột phá làm thay đổi nền vật lý mãi mãi. Để tránh cơn dị ứng phấn hoa hành hạ, ông tìm đến hòn đảo này - nơi gió biển mang ít phấn hoa - và tại đây, trong một buổi sáng sớm, ông đã phát triển khuôn khổ đầu tiên của cơ học lượng tử.
Heisenberg sau đó mô tả khoảnh khắc đột phá: 'Tôi có cảm giác như đang nhìn thấu qua bề mặt của hiện tượng nguyên tử để thấy một thế giới nội tại kỳ lạ nhưng tuyệt đẹp.' Phát minh này cùng với công trình của Max Born, Pascual Jordan và Erwin Schrödinger sau đó đã biến những hiệu ứng lượng tử rời rạc thành một khuôn khổ toán học chặt chẽ.
Một thế kỷ sau, cơ học lượng tử không chỉ giải thích từ cấu trúc nguyên tử đến sự hình thành thiên hà, mà còn làm nền tảng cho vô số công nghệ như laser, transistor, pin mặt trời, LED, MRI và đồng hồ nguyên tử trong GPS. Giờ đây, các nhà khoa học đang bước vào cuộc cách mạng lượng tử thứ hai với khả năng kiểm soát chính xác các hệ thống lượng tử ở mức độ chưa từng có.
Trọng tâm của cuộc cách mạng này là khai thác hai hiệu ứng lượng tử kỳ lạ: chồng chập và vướng víu. Chồng chập cho phép một hạt tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái, như con mèo vừa sống vừa chết nổi tiếng của Schrödinger. Vướng víu là hiện tượng hai hạt liên kết với nhau dù cách xa bao nhiêu, thay đổi trạng thái này lập tức ảnh hưởng đến trạng thái kia.
Nhà vật lý Yiwen Chu từ ETH Zurich đang đẩy giới hạn này bằng cách tạo ra trạng thái 'mèo lượng tử' với một tinh thể sapphire nặng bằng nửa sợi lông mi. 'Câu hỏi lớn là liệu cơ học lượng tử có áp dụng cho vật thể vĩ mô không,' Chu chia sẻ. Thí nghiệm của bà không chỉ kiểm tra giới hạn của lý thuyết mà còn mở đường cho các cảm biến lượng tử phát hiện sóng hấp dẫn tần số cao.
Một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn khác là kiểm tra bản chất lượng tử của trọng lực. Vlatko Vedral từ Đại học Oxford đang thiết kế thí nghiệm sử dụng hai vật thể siêu nặng trong trạng thái chồng chập. Nếu trọng lực là lượng tử, chúng sẽ vướng víu với nhau chỉ thông qua tương tác hấp dẫn. 'Đây có lẽ là thí nghiệm thú vị nhất trong vật lý hiện nay,' Vedral nhận định.
Trong khi đó, Marcus Huber từ Viện Quang học và Thông tin Lượng tử Vienna đang khám phá giao điểm giữa nhiệt động lực học và cơ học lượng tử. 'Đồng hồ lượng tử có thể hiệu quả hơn theo cấp số nhân so với đồng hồ cổ điển,' Huber giải thích, mở ra tiềm năng cho các thiết bị đo lường siêu tiết kiệm năng lượng.
Clarice Aiello từ Viện Sinh học Lượng tử Los Angeles thì theo đuổi một hướng nghiên cứu gây tranh cãi: hiệu ứng lượng tử trong sinh vật sống. Thí nghiệm gần đây của nhóm bà cho thấy nòng nọc được che chắn khỏi từ trường Trái đất phát triển nhanh hơn. 'Nếu hiệu ứng từ trường yếu trong sinh học được giải thích bằng chồng chập spin electron, đó sẽ là bằng chứng cho thấy hiệu ứng lượng tử tồn tại đủ lâu trong tế bào để có chức năng sinh học,' Aiello giải thích.
Dù hướng nghiên cứu nào, các nhà khoa học đều đồng ý rằng chúng ta đang ở buổi bình minh của kỷ nguyên lượng tử mới. Từ những khám phá cơ bản đến ứng dụng công nghệ, cuộc cách mạng này hứa hẹn không chỉ thay đổi cách chúng ta hiểu vũ trụ mà còn cách chúng ta sống trong đó. Như Heisenberg đã từng cảm nhận khi mặt trời mọc trên đảo Helgoland 100 năm trước, vẻ đẹp của thế giới lượng tử vẫn tiếp tục mê hoặc và thách thức những bộ óc tò mò nhất.
