Les 7 merveilles de la physique quantique

sur le site science étonnante 

La mécanique quantique, c’est cette branche de la physique qui décrit la manière dont se comportent les objets microscopiques : les molécules, les atomes ou les particules.

Développée pendant la première moitié du XXème siècle, la mécanique quantique est un des piliers de la science contemporaine. Et pourtant, il s’agit aussi probablement de la plus étrange théorie jamais imaginée.

En effet, la mécanique quantique regorge de mystères, de surprises et de paradoxes qui nous obligent à revoir la manière dont nous concevons la matière, et même la physique en général.

Cette théorie est d’ailleurs tellement bizarre que l’un de ses plus fameux contributeurs, le physicien Richard Feynman (ci-dessus), disait à son propos:

« Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas ».

1. Le principe de superposition

 

Quand on étudie le mouvement des objets du quotidien, par exemple un ballon de foot, on considère des quantités bien définies : sa vitesse, sa position, sa vitesse de rotation ou son énergie. Pour les objets microscopiques, tout change !

Contrairement au ballon de foot, une particule microscopique peut être dans un mélange de plusieurs états. Aussi incroyable que cela paraisse, cela veut dire qu’un électron peut par exemple posséder à la fois deux vitesses, ou être à deux endroits différents à la fois. Voire même plus de deux endroits !

C’est  l’exemple du fameux chat de Schrödinger, ce chat « fictif » qui serait à la fois mort et vivant.

2. L’indéterminisme de la mesure

Si on mesure la vitesse de cet électron, que va-t-on trouver ? 1000 km/h ? 2000 km/h ? Entre les deux ?

Ce que nous dit la mécanique quantique, c’est qu’on va trouver soit l’un, soit l’autre, mais qu’il n’existe aucun moyen de savoir à l’avance lequel des deux. Le résultat de la mesure est probabiliste.

Le pire étant que même si on imagine refaire plusieurs fois l’expérience exactement de la même manière, on ne trouvera pas forcément le même résultat que la fois d’avant.

3. La dualité onde-corpuscule

un objet microscopique peut se trouver dans plusieurs endroits à la fois : il suffit de superposer des états différents. On peut même pousser le bouchon plus loin et imaginer une particule qui soit dans une infinité d’endroits à la fois. Pour écrire ça, il faut superposer un nombre infini d’états différents. C’est un cocktail avec un nombre infini d’ingrédients !

Mais histoire que notre particule soit quand même un peu plus dans certains endroits que dans d’autres, on va mettre un coefficient à chacun des états qu’on superpose. Je vous ai dit que le coefficient que l’on met devant chaque état est relié à la probabilité de trouver notre particule dans cet état. Donc mathématiquement, on va définir une fonction P(x,y,z) qui va nous dire quelle est la probabilité de trouver notre particule dans chacun des points (x,y,z) de l’espace.

Finalement on ne va plus décrire notre particule comme un objet ponctuel, mais comme une onde !

Cette description de la matière par des ondes avait été introduite au début du XXème siècle par plusieurs chercheurs, dont le physicien français Louis De Broglie.

Ce dernier a notamment proposé l’idée de la dualité onde-corpuscule : les particules peuvent suivant les circonstances se comporter soit comme des particules, soit comme des ondes.

4. L’effet tunnel

Maintenant imaginez un électron qui arrive sur un obstacle (une sorte de mur microscopique). Si cet électron est décrit par une onde, comme pour la musique de votre voisin, il y a une petite partie cette onde qui va passer de l’autre côté de l’obstacle.

Cette onde décrit une probabilité de trouver l’électron à un endroit donné. Donc ça veut dire qu’il y a une petite probabilité que l’électron traverse l’obstacle. On parle de l’effet tunnel, car tout se passe comme si une fois de temps en temps, un petit tunnel se créait dans le mur pour laisser passer notre électron.

L’effet tunnel est un autre exemple de ces choses qui se produisent dans le monde quantique, mais pas dans le monde macroscopique. Et il s’agit d’un phénomène avéré : on s’en sert pour faire des microscopes dits « à effet tunnel », qui permettent de voir et manipuler les atomes. L’effet tunnel permet également d’expliquer le principe de la radioactivité.

5. L’intégrale de chemin

En mécanique quantique, puisque les particules peuvent être à plusieurs endroits à la fois, elles peuvent aussi suivre plusieurs trajectoires à la fois ! L’illustration la plus spectaculaire de ce phénomène est celle de l’expérience de la double fente.

Dans cette expérience, on envoie des électrons sur un écran comportant seulement deux fentes par lesquelles ceux-ci peuvent passer. On peut montrer que même quand l’électron semble passer par la fente A, sa trajectoire dépend du fait que la fente B soit ouverte ou fermée.

On interprète cela en disant que même si l’électron passe principalement par A, un tout petit peu de lui essaye aussi de passer par B, et est donc sensible au fait que B soit ouverte ou fermée.

Le physicien Feynman  a poussé cette idée à son paroxysme, en écrivant que lorsqu’une particule quantique va d’un point à un autre, elle passe par tous les chemins possibles qui relient ces deux points. Une approche connue sous le terme d’intégrale de chemin.

6. La quantification

Pour les objets macroscopiques, on utilise des quantités comme la position, la vitesse, l’énergie ou la vitesse de rotation. Ces quantités peuvent en principe prendre n’importe quelle valeur parmi les nombres réels. Ce sont des quantités continues.

Mais en mécanique quantique, ça n’est plus nécessairement le cas ! Certaines quantités se trouvent contraintes à prendre des valeurs bien définies, on dit qu’elle sont quantifiées. Par exemple un atome d’hydrogène dans son état d’énergie minimale aura une énergie de -13.6 eV (eV, c’est l’électron-volt, l’unité d’énergie qu’on utilise pour les particules). Si on veut augmenter son énergie, alors on doit l’augmenter jusqu’à -3.4 eV. Impossible de lui donner une énergie intermédiaire entre ces deux valeurs ! Quant à diminuer son énergie, n’y pensez même pas, impossible de descendre sous la valeur de -13.6 eV ! Et c’est d’ailleurs heureux, car s’il n’y avait pas ça, les électrons iraient se crasher sur les protons, et les atomes seraient instables. La mécanique quantique a permis de résoudre ce paradoxe que la mécanique classique n’expliquait pas.

 

7. Le principe d’incertitude de Heisenberg

L’incertitude la plus  connue est qu’on ne peut pas spécifier à la fois exactement la position et la vitesse d’une particule. Plus sa position est précisément définie, plus sa vitesse est incertaine, et réciproquement. C’est le principe d’incertitude de Heisenberg.

Si on prend l’exemple du son  il s’avère que plus le son est court (comme un coup sec sur une batterie), plus il contient un nombre important de fréquences. Et réciproquement plus le son est pur en fréquence, plus il doit être long dans le temps.

Dans le son il y a donc une sorte de phénomène d’incertitude : il ne peut pas être à la fois localisé dans le temps (très court) et en fréquence (très pur).

La situation est analogue pour la lumière : si vous voulez faire une onde à une longueur d’onde parfaitement définie, cette onde doit s’étendre partout dans l’espace ! Si vous voulez la localiser, il faut ajouter des fréquences supplémentaires.

En mécanique quantique, il se passe exactement la même chose. A partir du moment où on admet de décrire les particules par des ondes, alors il faut renoncer à pouvoir spécifier à la fois leur position et leur vitesse.