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On sait faire des noeuds d'obscurité dans la lumière !

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Il est théoriquement possible de faire des nœuds de lumière mais des physiciens de l'Université de Bristol ont réussi un exploit plus étrange encore en créant des nœuds d'obscurité dans la lumière d'un faisceau laser.

La forme que peut prendre un anneau d'obscurité, appelé encore un vortex optique. Crédit : Nature

On définit l'existence et la dynamique d'un champ électromagnétique par l'effet qu'il peut avoir sur un fluide chargé. Inversement, les caractéristiques d'un fluide chargé devraient pouvoir refléter des états possibles d'un champ électromagnétique, donc de la lumière. Or, on sait que dans un fluide, des tourbillons peuvent se former, portés par des lignes de champs qui peuvent être compliqués. La structure la plus simple est celle d'un anneau de fumée mais on peut imaginer des lignes de tourbillons formant des nœuds compliqués.

En fait, ces considérations sont fort anciennes mais elles s'appliquaient plutôt à la matière, du temps où les physiciens du XIXième siècle pensaient que le champ électromagnétique résultait vraiment de l'état mécanique d'un fluide étrange, l’éther.

Les lignes de champs électriques divergentes ou convergentes étaient parfois interprétées comme des courants d'éther issus de sources ou de puits, des véritables trous dans l'éther. Le grand physicien Lord Kelvin en était venu à penser que la stabilité des atomes et les différents éléments chimiques étaient reliés à l'existence de différents nœuds compliqués et possibles pouvant exister sur les lignes de tourbillons dans le fluide que constituait l'éther. Il avait eu cette idée en 1867, après avoir pris connaissance des expériences du physicien écossais Peter Guthrie Tait sur les anneaux de fumée, elles-mêmes issues des travaux de Helmholtz sur les anneaux-vortex dans les fluides incompressibles.

Les deux chercheurs en vinrent à poser les bases d'une théorie de la classification des nœuds possibles, dans l'espoir de déboucher sur la théorie de Mendeleïev. Cet espoir fut détruit avec la théorie de la relativité restreinte qui montra le caractère superflu et inconsistant de l'éther, qui serait constitué par un fluide dans un certain état mécanique de mouvement. Néanmoins, les mathématiciens s'emparèrent du problème dans le cadre de la topologie algébrique naissante.

Aujourd'hui, la théorie des nœuds possède de nombreuses applications en mathématique et en physique théorique. On la retrouve aussi bien en mécanique statistique quantique qu'en gravitation quantique à boucles, ou en théorie des cordes. Remarquablement, elle possède aussi des applications dans le cadre de la théorie électromagnétique de Maxwell où le grand physicien avait lui aussi spéculé sur son rôle.

Aujourd'hui, en utilisant des laser et le phénomène d'holographie, Mark Dennis et ses collègues de l'Université de Bristol sont parvenus à créer des anneaux non de lumière mais d'obscurité !

La configuration du champ électromagnétique généré par des faisceaux laser destinés à créer des hologramme permet en effet de créer des zones où l'intensité du champ électromagnétique, donc de la lumière, est nulle et formant des nœuds compliqués. En fait, bien que plus facilement observables dans cette expérience, ces nœuds d'obscurité, que l'on appelle aussi des vortex optiques, se produisent tout autour de nous, partout il y a de la lumière, bien qu'à des échelles microscopiques.

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