simulation macroscopique de l'effet tunnel... ;o)
 

 

Tout le monde connaît l'effet tunnel (*), en particulier grâce au microscope du même nom qui permet de voir les atomes, et par ses applications en électronique. C'est un effet assez curieux qui se passe au niveau atomique, et qui explique certaines propriétés de la matière.

Des encyclopédies généralistes nous montrent, d'une façon imagée et peut-être un peu simpliste, à quoi pourrait bien ressembler l'effet tunnel, s'il se manifestait à notre échelle :

"On a donné le nom d'effet tunnel à une conséquence particulièrement étonnante de la mécanique quantique. Imaginons que nous lancions une bille sur une piste constituée d'une bosse suivie d'une grande descente.

En mécanique classique, de deux choses l'une: ou bien l'énergie communiquée à la bille lorsqu'on la lance est suffisante pour franchir la bosse, et la bille arrive jusqu'à la descente où elle roule de plus en plus vite, ou bien l'énergie au lancer est insuffisante, la bille ne peut franchir la bosse et retombe vers son point de départ.

En mécanique quantique, on trouve au contraire que la probabilité de trouver la particule de l'autre côté de la bosse n'est pas nulle, même si son énergie est inférieure à celle qu'il lui faudrait pour arriver au sommet de la bosse ; tout se passe comme si un prisonnier qui ne peut sauter qu'à une hauteur de 1 mètre, pouvait se trouver, après un nombre plus ou moins grand de sauts, hors de la prison dont le mur d'enceinte a une hauteur de 6 mètres. L'effet tunnel permet d'expliquer un certain nombre de phénomènes, en particulier la radioactivité ou encore la fusion nucléaire spontanée qui a lieu dans les étoiles et les fait briller."

Le début de cette explication est intéressant, car, il y a quelques années, Science & Vie proposait justement de réaliser une petite expérience mettant en jeu une piste légèrement inclinée avec une bosse au milieu constituée d'un aimant permanent, et une bille d'acier ; donc tout à fait similaire à ce qui vient d'être décrit, mais au comportement totalement inverse.

Normalement, d'après la géométrie de l'ensemble, la bille doit être arrêtée par la bosse, à moins de lui fournir un élan suffisant.

Mais dans ce cas, au contraire, en la posant juste devant la bosse (A), et en la libérant ensuite, sans lui donner aucune impulsion, elle franchit l'obstacle (B) facilement, et continue sa descente (C).

On pourrait penser que l'opérateur apporte lui-même de l'énergie en positionnant la bille au point (A). Mais c'est en fait exactement l'inverse qui se produit, puisqu'il faut retenir la bille qui est déjà attirée par l'aimant. Cette énergie fournie par l'aimant lui sera restituée lorsque la bille s'éloignera vers (C)...

La similitude est vraiment curieuse entre ce phénomène inhabituel à notre échelle, et ce qui se passe à l'échelle atomique, comme l'effet tunnel où les électrons franchissent une barrière de potentiel, bien qu'ils n'aient pas l'énergie nécessaire pour le faire. Autre analogie, si le point d'arrivée (C) est rehaussé au niveau du point de départ (A), et s'il n'y a plus de différence de potentiel (d'énergie potentielle), la bille ne passe plus de l'autre coté, comme pour l'électron...

Pour expliquer ce petit phénomène, la seule idée qui me vient à l'esprit, (et qui n'est pas forcément la bonne…), est que le champ magnétiques et le champ de gravitation se composent pour créer un champ de forces de forme plus complexe.

Ce champ de forces, probablement courbé au niveau de la bosse, permet à la bille de passer naturellement cet obstacle, alors que cela est impossible dans un champ de gravitation uniforme à notre échelle (cf. billes non magnétiques).

(Si les vecteurs représentant la force de gravitation étaient toujours dirigés normalement à la surface de notre planète, et non pas vers le centre de la terre, on pourrait par exemple gravir le Tourmalet en vélo sans le moindre effort, mais cela ne présenterait pas que des avantages, car il faudrait aussi pédaler de la même façon pour en redescendre ... :o)

Si vous avez d'autres explications plus convaincantes, elles sont bien-entendu les bienvenues (pour m'écrire, cliquez sur l'icône représentant une enveloppe, à gauche de cette page !)

___

Ci-dessous une petite séquence vidéo quicktime à environ 24 images/sec. En la regardant image par image, on se rend compte de l'accélération subie par la bille au passage sur l'aimant (les matheux pourront sans doute en déduire les forces agissant sur cette bille en acier de diamètre 25 mm...)

 

 
géométrie

En mesurant les déplacements de la bille (Ø 25 mm - animation à 24 images/sec), je trouve que sa vitesse, à un endroit situé 35 mm après avoir quitté l'aimant (30 mm sous son point de départ), est 2,5 fois plus faible qu'elle ne devrait être si elle était tombée en chute libre de cette hauteur - elle aurait donc perdu environ 85 % de son énergie (1/2 mv2) en frottements, par effet joule (courants de Foucault), et en cédant une partie de son énergie cinétique à la rampe qu'elle repousse lors de l'accélération sur le sommet de la bosse ou lorsqu'elle pivote sur l'angle gauche de l'aimant - flûte alors, ce n'est pas encore le bon moyen pour réaliser le mouvement perpétuel... ;o)

___

Avec ce dispositif , et en extrapolant un peu, il doit être possible de réaliser une sorte de récipient plat contenant un certain nombre de billes, et de le voir alors se vider entièrement, les billes sautant une par une par dessus bord, sans aucun apport d'énergie, un peu comme l'hélium superfluide qui quitte son récipient de lui-même...

ci-dessous, une première approche avec quelques billes : les billes de gauche sont magnétiques, celle de droite ne le sont pas

billes magnétiques - vidéo quicktime (480k)
billes non magnétiques - vidéo quicktime (330k)

il ne reste plus qu'à trouver à quoi ça peut servir...;o)(**)

___

* ce sujet est, je crois, assez bien traité dans un excellent livre de vulgarisation d'Alfred Kastler "Cette étrange matière" - 1976 chez "Stock"

** en réponse aux esprits chagrins se demandant quel peut bien être le rapport entre ce phénomène et la photologie, je n'aurai qu'un mot : le photon !... oui, vous le savez sûrement, d'après les théories actuelles, le vecteur du magnétisme serait le photon...