physique quantique : concepts fondamentaux

Décohérence : 

La décohérence quantique est une théorie susceptible d’expliquer la transition entre les règles physiques quantiques et les règles physiques classiques telles que nous les connaissons, à un niveau macroscopique. Plus spécifiquement, cette théorie apporte une réponse, considérée comme étant la plus complète à ce jour, au paradoxe du chat de Schrödinger et au problème de la mesure quantique.

La théorie de la décohérence a été introduite par H. Dieter Zeh (en) en 19701. Elle a reçu ses premières confirmations expérimentales en 19962.

L’idée de base de la décohérence est qu’un système quantique ne doit pas être considéré comme isolé, mais en interaction avec un environnement possédant un grand nombre de degrés de liberté. Ce sont ces interactions qui provoquent la disparition rapide des états superposés.

Donc, pour la théorie de la décohérence, l’effondrement de la fonction d’onde n’est pas spécifiquement provoquée par un acte de mesure, mais peut avoir lieu spontanément, même en l’absence d’observation et d’observateursnote 1. Ceci est une différence essentielle avec le postulat de réduction du paquet d’onde qui ne spécifie pas comment, pourquoi ou à quel moment a lieu la réduction, ce qui a ouvert la porte à des interprétations mettant en jeu la conscience et la présence d’un observateur conscient. Ces interprétations sont actuellement sans objet.

Dualité : En physique, la dualité onde-corpuscule est un principe selon lequel tous les objets physiques peuvent présenter des propriétés d’ondes ou de corpuscules. La manifestation de ces propriétés ne dépend pas seulement de l’objet physique pris isolément, mais aussi de tout l’appareillage de mesure. Ce concept fait partie des fondements de lamécanique quantique. L’exemple le plus connu est sûrement celui de la lumière, qui présente deux aspects complémentaires selon la façon dont on l’étudie : la lumière est à la fois un phénomène ondulatoire, d’où le concept delongueur d’onde, et un phénomène corpusculaire, comme en témoignent les photons.

La métaphore du cylindre : sa projection est soit un cercle soit un rectangle mais il n’est ni l’un ni l’autre.

Il serait inexact de dire que la lumière (comme tout autre système quantique d’ailleurs) est à la fois une onde et un corpuscule, ce n’est ni l’un, ni l’autre. Le manque d’un vocabulaire adéquat et l’impossibilité de se faire une représentation mentale intuitive des phénomènes à petite échelle nous font voir ces objets comme ayant une nature, par elle-même, antinomique.

les physiciens Jean-Marc Lévy-Leblond etFrançoise Balibar ont proposé d’utiliser le terme de « quanton » pour parler d’un objet quantique.

Effet tunnel Fichier:Effet tunnel quantique et principe du microscope à effet tunnel.ogv

État quantique : L’état d’un système physique décrit tous les aspects de ce système, dans le but de prévoir les résultats des expériences que l’on peut réaliser. Le fait que lamécanique quantique soit non déterministe entraîne une différence fondamentale par rapport à la description faite en mécanique classique : alors qu’en physique classique, l’état du système détermine de manière absolue les résultats de mesure des grandeurs physiques, une telle chose est impossible en physique quantique et la connaissance de l’état permet seulement de prévoir, de façon toutefois parfaitement reproductible, les probabilités respectives des différents résultats qui peuvent être obtenus à la suite de la réduction du paquet d’onde lors de la mesure d’un système quantique. Pour cette raison, on a coutume de dire qu’un système quantique peut être dans plusieurs états à la fois. Il faut en réalité comprendre que le système est dans un état quantique unique, mais que les mesures peuvent donner plusieurs résultats différents, chaque résultat étant associé à sa probabilité d’apparaître lors de la mesure.

Fonction d’onde : La fonction d’onde est un des concepts fondamentaux de la mécanique quantique. Elle correspond à la représentation de l’état quantique {\displaystyle |\Psi (t)\rangle }|\Psi(t)\rangle d’un système dans une base de dimension infinie1, en général celle des positions {\displaystyle |\mathbf {r} \rangle }|{\mathbf {r}}\rangle . Dans ce dernier cas, elle est notée {\displaystyle \Psi (\mathbf {r} ,t)}\Psi ({\mathbf {r}},t), qui par définition correspond à {\displaystyle \Psi ({\vec {r}},t)=\langle \mathbf {r} |\Psi (t)\rangle }\Psi ({\vec {r}},t)=\langle {\mathbf {r}}|\Psi (t)\rangle , si l’état quantique {\displaystyle |\Psi (t)\rangle }|\Psi(t)\rangle est normé.

Elle correspond à une amplitude de probabilité, en général à valeur complexe. La probabilité de trouver une particule au voisinage de la position {\displaystyle \mathbf {r} }{\mathbf {r}} à l’instant t est alors proportionnelle au carré du module de la fonction d’onde {\displaystyle \left|\Psi (\mathbf {r} ,t)\right|^{2}}\left|\Psi ({\mathbf {r}},t)\right|^{2} , densité de probabilité (volumique) de présence, et à la mesure du volume du voisinage de {\displaystyle \mathbf {r} }{\mathbf {r}}. Cette interprétation probabiliste de la notion de fonction d’onde a été développée dans les années 1925-1927 par Max Born, Werner Heisenberg et d’autres, et constitue l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, laquelle interprète ce caractère probabiliste dans l’interaction entre le système de mesure (macroscopique, donc classique) et le système quantique, conduisant à laréduction du paquet d’onde. Si elle est la plus couramment admise en pratique, cette interprétation soulève divers problèmes épistémologiques (cf. Problème de la mesure quantique).

Intrication : L’intrication quantique (ou enchevêtrement quantique) est un phénomène observé en mécanique quantique dans lequel l’état quantique de deux objets doit être décrit globalement, sans pouvoir séparer un objet de l’autre, bien qu’ils puissent être spatialement séparés. Lorsque des objets quantiques sont placés dans un état intriqué (ou état enchevêtré), il existe des corrélations entre les propriétés physiques observées de ces objets qui ne seraient pas présentes si ces propriétés étaient locales. En conséquence, même s’ils sont séparés par de grandes distances spatiales, deux objets intriqués O1 et O2 ne sont pas indépendants et il faut considérer {O1+O2} comme un système unique.

L’intrication quantique a un grand potentiel d’applications dans les domaines de l’information quantique, tels que la cryptographie quantique, la téléportation quantique ou l’ordinateur quantique. En même temps, elle est au cœur des discussions philosophiques sur l’interprétation de la mécanique quantique. Les corrélations prédites par la mécanique quantique, et observées dans les expériences, montrent que la nature n’obéit pas au principe du « réalisme local » cher à Einstein, selon lequel les propriétés observées d’un système, bien définies avant toute mesure, sont attribuables à ce système et ne peuvent changer que par interaction avec un autre système.

Observable : Une observable est l’équivalent en mécanique quantique d’une grandeur physique en mécanique classique, comme la position, la quantité de mouvement, lespin, l’énergie etc. Ce terme provient d’une expression utilisée par Werner Heisenberg dans ses travaux sur la mécanique des matrices, où il parlait debeobachtbare Grösse (quantité observable), et où il insistait sur la nécessité d’une définition opérationnelle d’une grandeur physique, qui prend mathématiquement la forme d’un opérateur. Appliqué à un état quantique, l’opérateur permet de connaître tous les résultats possibles, et leur probabilité, d’une mesure d’une grandeur physique donnée sur un système quantique donné1.

Correspondance : En physique, le principe de correspondance, proposé la première fois par Niels Bohr en 1923, établit que le comportement quantique d’un système peut se réduire à un comportement de physique classique, quand les nombres quantiques mis en jeu sont très grands, ou quand la quantité d’action représentée par la constante de Planck peut être négligée devant l’action mise en œuvre dans le système.

Superposition quantique : 

En mécanique quantique, selon le principe de superposition, un même état quantique peut posséder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement etc.)

Ce principe résulte du fait que l’état – quel qu’il soit – d’un système quantique (une particule, une paire de particules, un atome etc.) est représenté par un vecteur dans un espace vectoriel nommé espace de Hilbert (premier postulat de la mécanique quantique).

Comme tout vecteur de tout espace vectoriel, ce vecteur admet une décomposition en une combinaison linéaire de vecteurs selon une base donnée. Or, il se trouve qu’en mécanique quantique, une observable donnée (comme la position, la quantité de mouvement, le spin etc.) correspond à une base donnée de l’espace de Hilbert.

En conséquence, si l’on s’intéresse à la position (par exemple) d’une particule, l’état de position doit être représenté comme une somme d’un nombre (infini!) de vecteurs, chaque vecteur représentant une position précise dans l’espace. Le carré de la norme de chacun de ces vecteurs représente la probabilité de présence de la particule à une position donnée.

Complémentarité : 

Le principe de complémentarité fut introduit à Copenhague par Niels Bohr à la suite duprincipe d’indétermination de Werner Heisenberg comme approche philosophique aux phénomènes apparemment contradictoires de la mécanique quantique, par exemple : celui de la dualité onde-corpuscule. Dans sa forme la plus simpliste, il dispose qu’un « objet quantique » ne peut se présenter que sous un seul de ces deux aspects à la fois. Bohr a montré que le principe selon lequel différents aspects d’un système ne peuvent être perçus simultanément, validé dans d’autres disciplines intellectuelles, s’appliquerait désormais dans le domaine de la physique, alors qu’il était absent de la physique classique2.

Souvent associé à l’école de Copenhague, ce principe est à présent un des concepts fondamentaux de la mécanique quantique. L’expérience des fentes de Young en donne une illustration simple.

Principe d’incertitude : 

En mécanique quantique, le principe d’incertitude ou principe d’indétermination, aussi connu sous le nom de principe d’incertitude de Heisenberg, désigne toute inégalité mathématique affirmant qu’il existe une limite fondamentale à la précision avec laquelle il est possible de connaître simultanément deux propriétés physiques d’une même particule ; ces deux variables dites complémentaires peuvent être saposition et sa quantité de mouvement.

Présenté pour la première fois en 1927, par le physicien allemand Werner Heisenberg, il énonce que toute amélioration de la précision de mesure de la position d’une particule se traduit par une moindre précision de mesure de sa vitesse et vice-versa.

Mesure : 

La réduction du paquet d’onde est un concept de la mécanique quantique selon lequel, après une mesure, un système physique voit son état entièrement réduit à celui qui a été mesuré.

Pendant longtemps, le processus par lequel cette réduction a lieu a été inconnu des physiciens, ce qui les a contraint à en faire un axiome de la théorie afin de rester conforme aux résultats expérimentaux.

Le concept de réduction du paquet d’onde implique de nombreuses difficultés sur le plan logique et épistémologique. À ce titre, il a induit de nombreux et parfois célèbres débats au sein de la communauté scientifique. La question philosophique de la réalité est soulevée dans la mesure où la théorie suggère que ce que nous considérons comme la « réalité » possède une infinité théorique d’états quand elle n’est pas « observée » (plus exactement perturbée par une mesure, provoquant une décohérence quantique). Les différentes interprétations de la mécanique quantique diffèrent notamment sur le sens à donner aux états non observés.

L’un de ces débats a été introduit par Schrödinger, remettant en question le concept d’objectivité de la mesure avec son paradoxe dit du chat de Schrödinger, à la fois mort et vivant.

Paul Dirac, un pionnier de la physique quantique, soutint que cette question n’a aucune importance, dans la mesure où la physique quantique s’affaire à effectuer les meilleures prévisions possibles, vérifiées ou non par la suite par l’expérience, laquelle aura nécessairement le mot final sur la réfutation, ou non, de l’hypothèse en fonction des limites de son champ d’application. Ce dernier point de vue, celui des physiciens empiristes, n’est pas partagé par les physiciens rationalistes.

Spin : 

Le spin est, en physique quantique, une des propriétés des particules, au même titre que la masse ou la charge électrique. Comme d’autres observablesquantiques, sa mesure donne des valeurs discrètes et est soumise au principe d’incertitude. C’est la seule observable quantique qui ne présente pas d’équivalent classique, contrairement, par exemple, à la position, l’impulsion ou l’énergie d’une particule. Il est toutefois parfois assimilé à la rotation d’un astre sur lui-même, comme dans l’expression « résonance spin-orbite« .

Le spin a d’importantes implications théoriques et pratiques. Il influence pratiquement tout le monde physique.