Voici la réponse courte : les quasiparticules sont réelles, mais seulement si vous abandonnez l’idée selon laquelle une particule doit être un loup solitaire.
Ce ne sont pas des petites boules de billard. Ce ne sont pas des protons. Ce ne sont certainement pas des électrons au sens traditionnel du terme. Ce sont plutôt des excitations. Des ondulations. Comportements collectifs de la matière agissant comme une seule unité. Cela semble abstrait parce que c’est le cas, jusqu’à ce que vous regardiez comment nous les utilisons pour tout expliquer, des supraconducteurs aux panneaux solaires.
Comment fonctionnent les quasiparticules dans la matière
Pour comprendre ce que sont les quasiparticules, il faut d’abord briser l’image enfantine de la physique.
On nous enseigne que les particules sont des objets discrets. Une bille. Une balle. Un grain de sable. Puis la mécanique quantique est arrivée. Louis de Broglie montra en 1924 que les électrons se comportent comme des ondes. Cela a bousculé les choses.
La physique moderne va plus loin. Les particules ne sont que des ondulations dans les champs qui remplissent l’univers. Lumière? Une ondulation dans le champ électromagnétique. Un électron ? Une ondulation dans son propre domaine.
Mais que se passe-t-il lorsque cette ondulation se propage à travers les choses ?
Imaginez un stade. Des milliers de personnes assises en rangées. Ils se lèvent et s’assoient successivement. Une « vague » se déplace dans l’arène. Il a de la vitesse. Il a un emplacement. Il passe de la section A à la section B.
Mais où est la vague ?
Ce n’est pas une personne. Ce n’est pas un objet physique que vous pouvez tenir. C’est un modèle de comportement. Si vous videz le stade, la vague disparaît. Cela ne peut pas exister dans le vide. Il lui faut de la foule.
C’est une quasi-particule.
Douglas Natelson, physicien à l’Université Rice, le dit sans détour. Les quasiparticules n’existent que dans un milieu. Ils sont la réponse collective de parties en interaction. Les électrons et les protons peuvent flotter dans l’espace vide. Les quasiparticules ne le peuvent pas. Ils sont liés à leur foyer matériel.
Alors, sont-ils faux ? Non, vous pouvez les détecter. Vous pouvez les mesurer. Vous pouvez même les manipuler à des fins technologiques. Ils se comportent comme des particules parce que les mathématiques les traitent comme des particules. Cela simplifie un système chaotique en quelque chose que vous pouvez calculer.
Quelles quasiparticules existent réellement ?
Lev Landau a inventé le concept dans les années 1950. Cela lui a valu un prix Nobel. Depuis lors, les scientifiques ont découvert tout un zoo de ces choses.
Voici les principaux que vous devez connaître.
- Le Phonon : C’est une particule sonore. C’est le plus petit paquet d’énergie vibratoire présent dans un matériau. Lorsque vous touchez quelque chose et que vous le sentez vibrer, vous ressentez des phonons.
- Le trou électronique : Lorsqu’un électron se déplace, il laisse un vide derrière lui. Ce vide a une charge positive. Nous traitons cet espace vide comme une particule appelée « trou ». Il se déplace à l’opposé des électrons. Son effet est réel, même s’il est littéralement néant.
- L’Exciton : Imaginez un électron et un trou collés ensemble, en orbite l’un autour de l’autre. Ils sont liés par une attraction électrique. Cette quasi-particule est essentielle pour les cellules solaires. Il transporte de l’énergie sans avoir de charge nette.
- L’Anyon : Ceux-ci n’apparaissent que dans les systèmes bidimensionnels. Ils sont bizarres. Ils peuvent transporter des fractions de charge électrique. Les particules standards ont des charges entières. Ce n’est pas le cas de tout le monde.
Ross McKenzie de l’Université du Queensland suggère qu’il existe des types potentiellement infinis. Il existe une infinité d’états dans la matière. Chaque état possède probablement sa propre signature de quasiparticules.
Pourquoi utilisons-nous la théorie des quasiparticules ?
Vous pourriez vous demander : pourquoi compliquer les choses ? Pourquoi ne pas simplement suivre chaque atome ?
Parce que autrement, le calcul serait impossible.
Natelson affirme que les quasiparticules rendent le calcul des solides gérable. Sans eux, décrire comment l’électricité circule à travers un fil de cuivre ou comment fonctionne un laser nécessiterait de suivre des milliards d’interactions individuelles. Ce serait le chaos.
Avec les quasiparticules, nous traitons la foule comme une seule entité.
“Les scientifiques décrivent l’activité dans la matière comme des quasiparticules parce qu’elle simplifie tout considérablement.”
Il ne s’agit pas seulement d’une comptabilité théorique. C’est de l’ingénierie. Lorsque vous concevez un semi-conducteur, vous concevez des trous et des électrons. Lorsque vous construisez un ordinateur quantique, vous recherchez n’importe qui. Ces quasiparticules déterminent la manière dont les matériaux conduisent la chaleur, la lumière et l’énergie.
Le test de la réalité
Revenons donc à la grande question. Sont-ils réels ?
Si « réel » signifie « existe isolément dans le vide », alors non. Vous ne pouvez pas mettre un phonon dans un bocal et le ramener à la maison.
Si « réel » signifie « a des propriétés mesurables et suit des lois physiques », alors oui. Absolument.
McKenzie soutient qu’elles sont aussi réelles que des particules standards à toutes fins pratiques. Vous pouvez les attraper. Vous pouvez les regarder rebondir au-delà des limites. Vous pouvez les utiliser pour alimenter des appareils.
La frontière entre « particule fondamentale » et « phénomène émergent » est floue. Peut-être trop flou pour certains. Mais la physique n’est pas une question de définitions claires. Il s’agit de modèles qui fonctionnent.
Les quasiparticules fonctionnent.
Ils nous permettent de voir la structure cachée de la matière. Ils transforment le bruit en signal. Ils transforment une foule chaotique en une seule vague en mouvement.
Que vous appeliez cela réel dépend de ce que vous appréciez. Tangibilité? Ou un comportement ?
La vague continue de bouger malgré tout.
