La boîte d'Einstein réalisée ! Un test de la mécanique quantique ?

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Les chercheurs du laboratoire Kastler Brossel (CNRS/ENS/Coll&#23 2;ge de France/Université Paris 6) viennent de réaliser une grande première mondiale. Ils sont parvenus à créer ce qu'on peut appeler une boîte d'Einstein,...

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[Gwyddon]

Salut,

Résultat de l'expérience ? On ne le dit pas

Sinon ce passage

"Or, d’après la théorie de la relativité restreinte, toute forme d’énergie a une masse et donc elle possède un poids. Au moment où l’horloge va provoquer l’abaissement du clapet, le photon quittera la boîte et celle-ci, allégée, remontera. La différence de poids donnant l’énergie du photon, on aura donc mesuré précisément à quel moment un système quantique possède une énergie donnée."

est ambigü. En effet, en toute rigueur le photon n'a pas de masse en relativité restreinte, donc je n'arrive pas à comprendre le lien avec le poids ici. On pourrait m'expliquer ?

J'ai l'impression que l'on doit déjà fait appel à la relativité générale dès ce passage non ?

[mtheory]

Salut,

Résultat de l'expérience ? On ne le dit pas

Comment ça ?

Sinon ce passage

"Or, d’après la théorie de la relativité restreinte, toute forme d’énergie a une masse et donc elle possède un poids. Au moment où l’horloge va provoquer l’abaissement du clapet, le photon quittera la boîte et celle-ci, allégée, remontera. La différence de poids donnant l’énergie du photon, on aura donc mesuré précisément à quel moment un système quantique possède une énergie donnée."

est ambigü. En effet, en toute rigueur le photon n'a pas de masse en relativité restreinte, donc je n'arrive pas à comprendre le lien avec le poids ici. On pourrait m'expliquer ?

J'ai l'impression que l'on doit déjà fait appel à la relativité générale dès ce passage non ?

On va retomber dans le débat qu'on a déjà malheureusement. De fait, dans cette expérience tu introduis et une masse du photon et la relativité générale, sinom tu violes les inégalités de Heisenberg...

[mtheory]

Il y a deux choses:

La création d'une boite d'Einstein avec mesure précise de la présence à l'intérieur d'un photon.
L'expérience précise qu'Einstein avait proposé de faire.

Ce qui a été réalisé et qui est indiqué dans le titre de la news c'est une boite d'Einstein avec mesure d'un seul photon.

Ce n'est pas toute l'expérience proposée par Einstein. Il est inutile de la réaliser parce que justement elle ne viole pas la MQ.

[mtheory]

Si la masse du photon te choque, prends une paire d'électron/ positron dans la boite. Tu attends suffisament pour qu'ils s'annihilent. Deux photons sont produits et au moins l'un d'eux va quitter la boîte lorsque le clapet s'ouvrira.

[Gwyddon]

Ah ok

Bon sinon

On va retomber dans le débat qu'on a déjà malheureusement. De fait, dans cette expérience tu introduis et une masse du photon et la relativité générale, sinom tu violes les inégalités de Heisenberg...

Comment on s'en sort alors ? J'avoue que je suis de plus en plus perdu ici

[Gwyddon]

Si la masse du photon te choque, prends une paire d'électron/ positron dans la boite. Tu attends suffisament pour qu'ils s'annihilent. Deux photons sont produits et au moins l'un d'eux va quitter la boîte lorsque le clapet s'ouvrira.

Ok ça me choque déjà moins et ça me réconcilie avec l'expé. Merci pour cette précision (j'aurais pu y penser tout seul quand même )

[mtheory]

Ah ok

Bon sinon



Comment on s'en sort alors ? J'avoue que je suis de plus en plus perdu ici

Ben on s'en sort très bien, enfin c'est ce que j'ai toujours senti. Cela ne tracassait ni Einstein ni Bohr d'introduire une masse pour le photon, évidemment pas au repos. Je fais partie des gens qui ne comprennent absolument pas pourquoi Okun et quelques autres veulent banir le concept de masse du photon en disant que ça créer des difficultés conceptuelles et qu'en plus c'est faux.
Pour moi ce n'est non seulement pas faux mais on abouti à l'effet inverse !

En bas de l'édito tu trouvera la démonstration de Bohr

[mtheory]

Ah ok

Mais c'est vrai qu'a y repenser, la formulation est un peu casse gueule et une des phrases à un moment peut laisser croire que c'est toute l'expérience d'Einstein qui a été réalisée...

[invite431]

Bonjour,

Je vais peut-être dire d'énormes bêtises, mais tant pis.
Le photon n'a pas de masse. OK. J'ai toujours cru que c'était parceque la totalité de sa masse était transformée en énergie, selon la relation masse-énergie.
Où est la différence entre parler de l'une et parler de l'autre ?

[mtheory]

At the next meeting with Einstein at the Solvay Conference in 1930, our discussions took quite a dramatic turn. As an objection to the view that a control of the interchange of momentum and energy between the objects and the measuring instruments was excluded if these instruments should serve their purpose of defining the space-time frame of the phenomena Einstein brought forward the argument that such control should be possible when the exigencies of relativity theory were taken into consideration. In particular, the general relationship between energy and mass, expressed in Einstein's famous formula
E = mc2, (5)
should allow, by means of simple weighing, to measure the total energy of any system and, thus, in principle to control the energy transferred to it when it interacts with an atomic object.



As an arrangement suited for such purpose, Einstein proposed the device indicated in Fig. 7, consisting of a box with a hole in its side, which could be opened or closed by a shutter moved by means of a clock-work within the box.



If, in the beginning, the box contained a certain amount of radiation and the clock was set to open the shutter for a very short interval at a chosen time, it could be achieved that a single photon was released through the hole at a moment known with as great accuracy as desired. Moreover, it would apparently also be possible, by weighing the whole box before and after this event, to measure the energy of the photon with any accuracy wanted, in definite contradiction to the reciprocal indeterminacy of time and energy quantities in quantum mechanics.



This argument amounted to a serious challenge and gave rise to a thorough examination of the whole problem. At the outcome of the discussion, to which Einstein himself contributed effectively, it became clear, however, that this argument could not be upheld. In fact, in the consideration of the problem, it was found necessary to look closer into the consequences of the identification of inertial and gravitational mass implied in the application of relation (5). Especially, it was essential to take into account the relationship between the rate of a clock and its position in a gravitational field well known from the red-shift of the lines in the sun's spectrum following from Einstein's principle of equivalence between gravity effects and the phenomena observed in accelerated reference frames.



Our discussion concentrated on the possible application of an apparatus incorporating Einstein's device and drawn in Fig. 8 in the same pseudo-realistic style as some of the preceding figures. The box, of which a section is shown in order to exhibit its interior, is suspended in a spring-balance and is furnished with a pointer to read its position on a scale fixed to the balance support. The weighing of the box may thus be performed with any given accuracy m by adjusting the balance to its zero position by means of suitable loads.


The essential point is now that any determination of this position with a given accuracy q will involve a minimum latitude p in the control of the momentum of the box connected with q by the relation (3).


This latitude must obviously again be smaller than the total impulse which, during the whole interval T of the balancing procedure, can be given by the gravitational field to a body with a mass m, or



p approx= h / q T . g . m, (6)


where g is the gravity constant. The greater the accuracy of the reading q of the pointer, the longer must, consequently, be the balancing interval T, if a given accuracy m of the weighing of the box with its content shall be obtained.



Now, according to general relativity theory, a clock, when displaced in the direction of the gravitational force by an amount of q, will change its rate in such a way that its reading
in the course of a time interval T will differ by an amount T given by the relation
T / T = (1/c²) gq, (7)
By comparing (6) and (7) we see, therefore, that after the weighing procedure there will in our knowledge of the adjustment of the clock be a latitude


T > h / (c²m) ,
Together with the formula (5), this relation again leads to

T . E > h,


in accordance with the indeterminacy principle. Consequently, a use of the apparatus as a means of accurately measuring the energy of the photon will prevent us from controlling the moment of its escape.


The discussion, so illustrative of the power and consistency of relativistic arguments, thus emphasised once more the necessity of distinguishing, in the study of atomic phenomena, between the proper measuring instruments which serve to define the reference frame and those parts which are to be regarded as objects under investigation and in the account of which quantum effects cannot be disregarded. Notwithstanding the most suggestive confirmation of the soundness and wide scope of the quantum-mechanical way of description, Einstein nevertheless, in a following conversation with me, expressed a feeling of disquietude as regards the apparent lack of firmly laid down principles for the explanation of nature, in which all could agree. From my viewpoint, however, I could only answer that, in dealing with the task of bringing order into an entirely new field of experience, we could hardly trust in any accustomed principles, however broad, apart from the demand of avoiding logical inconsistencies and, in this respect, the mathematical formalism of quantum mechanics should surely meet all requirements.

[mtheory]

Bonjour,

Je vais peut-être dire d'énormes bêtises, mais tant pis.
Le photon n'a pas de masse. OK. J'ai toujours cru que c'était parceque la totalité de sa masse était transformée en énergie, selon la relation masse-énergie.
Où est la différence entre parler de l'une et parler de l'autre ?

Eh bien cette discusion a fait couler beaucoup d'électricité "numérique" sur ce forum et ailleurs. La question de l'attribution d'une masse au photon ,même si sa masse au repos est nulle, n'est pas évidente...

[mtheory]

Ben on s'en sort très bien, enfin c'est ce que j'ai toujours senti. Cela ne tracassait ni Einstein ni Bohr d'introduire une masse pour le photon, évidemment pas au repos. Je fais partie des gens qui ne comprennent absolument pas pourquoi Okun et quelques autres veulent banir le concept de masse du photon en disant que ça créer des difficultés conceptuelles et qu'en plus c'est faux.
Pour moi ce n'est non seulement pas faux mais on abouti à l'effet inverse !

En bas de l'édito tu trouvera la démonstration de Bohr

Autre chose, la formulation a été soigneusement choisi, je parle de l'énergie d'un sytème quantique=boîte avant et après le départ du photon. Donc on évite de directement parler d'une masse du photon.

[Gwyddon]

Non mais c'est bon, finalement je n'ai plus de problème

En fait ça prouve qu'il faut lire plusieurs fois et attentivement, en ayant en tête des images types e+/e-, ça aide.

[mtheory]

Non mais c'est bon, finalement je n'ai plus de problème

En fait ça prouve qu'il faut lire plusieurs fois et attentivement, en ayant en tête des images types e+/e-, ça aide.

On est pas obligé mais effectivement ça peut aider à dé-dramatiser le truc. Bohr et Einstein sont très fins en fait, tu as une énergie contenue dans la boite, le bilan change et la masse de la boite doit changer en conséquence. Mais comme c'est le photon qui emporte le défaut de masse, tu mesures l'énergie du photon mais tu ne parles pas directement de sa masse.

J'ai suivi le même schéma en toute connaissance de cause car je prévoyais la discussion possible. Mais quand même, là on est une fois de plus dans un cas où parler de la masse du photon est bien plus pratique et clair que de s'en abstenir.