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On a mesuré la vitesse d'un mouvement brownien

ActualitéClassé sous :physique , mouvement brownien , équipartition de l'énergie

Mesurer la vitesse instantanée, ou presque, d'une particule effectuant un mouvement brownien, Albert Einstein pensait que c'était impossible. C'est pourtant ce que vient de faire un groupe de chercheurs de l'Université du Texas à Austin.

Albert Einstein vers la fin de sa vie. Crédit : domaine public

En 1905, Albert Einstein publiait trois articles qui allaient à terme changer radicalement notre vision du monde et même notre vie. Dans l'un, il jetait les fondements de la théorie de la relativité restreinte, dans un autre il introduisait le concept de quanta de lumière, plantant le germe qui allait conduire à la découverte du laser et de la mécanique quantique. Enfin, dans un troisième, il donnait une formule permettant de tester la théorie atomique à partir du mouvement brownien. C'est grâce à cette formule vérifiée quelques années plus tard que la notion d'atome fut enfin acceptée par la majorité de la communauté scientifique. Jusqu'aux travaux de Jean Perrin, beaucoup étaient en effet ceux qui voyaient dans la notion d'atome un concept métaphysique car à tout jamais inobservable au microscope.

Dans son article de 1905 sur le mouvement brownien, et dans d'autres qui suivirent, Albert Einstein avait montré que si les atomes existaient, ils devaient continuellement bombarder de façon aléatoire des petites sphères plongées dans un liquide ou dans un gaz. Au lieu d'effectuer un mouvement essentiellement balistique, comme celui d'un boulet, le déplacement d'une de ces sphères devait être proportionnel à la racine carrée du temps et pas simplement au temps.

D'après Einstein, si l'on parvenait à observer ce mouvement sur des échelles de temps très courtes, on pourrait mettre en évidence ce phénomène. Mais il lui semblait impossible que les progrès de l'art expérimental puissent un jour permettre de mesurer une durée aussi courte. Cela revenait à déterminer un vitesse presque instantanée entre deux collisions subies par une petite sphère et pas simplement le mouvement moyen résultant des collisions qu'elle subit.

Une bille en suspension sur deux faisceaux laser

Pourtant, Mark Raizen, que l'on connaît entre autre pour une proposition récente pour mesurer la masses des neutrinos à l'aide d'atomes froids, est parvenu avec ses collègues à mesurer ce que le père de la relativité pensait impossible, comme il l'explique dans un article de Science. Ironie du sort, à l'heure où l'on fête les 50 ans du laser, qui découle précisément des travaux d'Albert Einstein en 1917, c'est avec des faisceaux laser que la performance a été réalisée.

Au lieu de plonger une sphère plongée dans un liquide, les chercheurs ont étudié ces collisions dans l'air, où elles sont moins fréquentes, pour cause de densité plus faible. Dans l'eau, en effet, une bille en verre de 1 micromètre de diamètre est frappée en moyenne toutes les 100 nanosecondes et toutes les 100 microsecondes dans l'air. Il suffit alors d'utiliser la pression de radiation de deux faisceaux laser pour maintenir la bille de verre en suspension et mesurer ses mouvements à l'aide de la lumière qu'elle réfléchit.

Les physiciens ne veulent pas en rester là. Dans un premier temps, ils ont montré que l'énergie cinétique moyenne de billes de verre de ce genre satisfaisait à un théorème de thermodynamique statistique appelé théorème de l'équipartition de l'énergie. Celui-ci implique que son énergie cinétique, du fait de son mouvement brownien, est proportionnelle à la température de l'air et pas à la masse de la bille.

Or, si l'on refroidissait la bille à très basse température, les fluctuations quantiques irréductibles associées aux inégalités de Heisenberg position-vitesse devraient finir par violer ce théorème issu de la physique classique. Observer cette violation serait intéressant, par exemple pour mieux concevoir des nanomachines.

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