La physique quantique

La physique classique ou même relativiste explique bien ce qui se passe dans le monde visible de la terre et de l’univers. Par contre beaucoup de phénomènes se produisant au niveau des atomes et des particules, ne peut pas être explique par la physique classique ni relativiste.

Au début du 20^e siècle, un certain nombre de scientifiques ont élaborés la physique quantique. Cette physique est un ensemble de lois qui ensemble permettent d’expliquer le comportement des atomes, des particules et des ondes électromagnétique.

On voit ainsi une fracture entre l’infiniment petit et le monde macroscopique. Pourtant le monde macroscopique est fait d’infiniment petit. Beaucoup de recherches travaillent à la réconciliation des théories des deux mondes mais aujourd’hui elles sont incompatibles.

Avant de commencer, il faut dire que vous allez être très perturbé par cette théorie car elle va contre a peut-prêt tout ce que vous avez appris. Je vous rassure, comme le dit un grand théoricien : « Je crois pouvoir affirmer que personne ne comprend vraiment la physique quantique ».

Ondes et particules

Les objets utilisés par la physique quantique, c’est-à-dire les atomes, les différentes particules, la lumière, etc. sont en fait constitué d’une particule et d’une onde. En fait dans la théorie quantique, l’onde et la particule sont indissociables. Dans le monde macroscopique, vous voyez la particule comme un petit grain de sable et l’onde comme les ondulations qui se produisent a la surface de l’eau lorsque vous y jeter un caillou. Pour la physique quantique, les 2 modalités (onde et particule) de l’objet quantique sont un seul et même  objet. Il n’est pas possible de les observer séparément. L’ensemble des propriétés de l’objet quantique sont appelées fonction d’onde. Cette fonction d’onde donne pour chaque propriété qu’elle contient non pas une valeur mais une probabilité pour chaque valeur possible de la propriété. Ceci est déjà très contraire au monde macroscopique ou chaque paramètre à une valeur et une seule.

Influence de la mesure sur le résultat

Donc les paramètres sont exprimés en termes de probabilité, ce qui signifie qu’avant de faire la mesure, il est impossible de prédire quel sera le résultat de la mesure.

Le monde quantique n’est pas déterministe comme l’est le monde macroscopique. Les astronomes peuvent prédire a quel heure et quel jour va se produire une éclipse de lune. SI la Lune était une particule je ne pourrais dire que, avec une probabilité donnée, il y aura une éclipse ce jour.

De plus, si j’essaie de mesurer un paramètre, la probabilité du résultat deviens 100% et modifie les autres paramètres (ce phénomène s’appelle la réduction du paquet d’onde). Une question se pose alors : est-ce que la valeur du paramètre existait avant la mesure ? La réponse est non, la valeur n’existait pas et c’est donc bien la mesure qui a créé le résultat. Ceci est bien entendu totalement le contraire de ce qui se passe dans le monde macroscopique.

Lors de la mesure, les autres paramètres sont modifiés et même plus, il est alors impossible de mesurer avec précision les paramètres conjugues. Par exemple, si l’on mesure la position d’un objet quantique, la précision de la mesure de sa vitesse est très mauvaise. SI j’avais mesuré la vitesse, c’est la position qui serait mesurée avec beaucoup d’imprécision. Cette particularité de la mesure est appelé principe d’indétermination de Heisenberg.

Evolution dans le temps des systèmes quantiques

Il est possible de prévoir l’évolution des systèmes quantiques comme en physique classique sauf qu’il ne fait pas oublier que ce qui évolue ce sont des probabilités et pas des valeurs certaines.

Ainsi, après évolution du système, la mesure d’un paramètre sera toujours aléatoire.

Principe de non localisation

Un couple particule-onde est caractérise par sa fonction d’onde. Cette fonction d’onde n’est pas localisée par définition puisque la position est un des paramètres probabiliste de la fonction d’onde. La conséquence est que la fonction d’onde est caractérisée dans tout l’espace et donc la particule a un moment donne peut être n’importe où dans l’univers. Ceci est totalement contraire au bon sens du monde macroscopique.

L’intrication quantique

Beaucoup de particule tourne sur elle-même. C’est ce que l’on appelle le spin.

Si l’on prend deux particules avec des spins opposes sont réunies et donc avec une somme des spins nulle, elles vont garder le souvenir de cette association même après dissociation. Ce phénomène est appelé l’intrication.

La conséquence est que les 2 particules séparées vont avoir un comportement commun même après avoir été très éloignées comme si elles communiquaient instantanément. Bien entendu, il n’est pas possible de communiquer à une vitesse supérieure à celle de la lumière. En fait, il faut considérer que les 2 particules continuent de former un seul système même si les particules sont à grande distance.

SI l’on fait une mesure sur une particule et que l’on a un certain résultat évidemment l’autre a le résultat oppose. Par contre une fois cette mesure faite, l’intrication est arrêtée et les 2 particules vivent leur vie séparément.

Les quantas

Historiquement, la physique quantique a commencé à naître à partir des questions sur la lumière. Ces analyses ont montré que les échanges lumière/matière se faisaient par paquet d’énergie. Le plus petit grain de ces paquets d’énergie est le quanta. C’est un peu comme pour le beurre au supermarché, vous avez le choix entre ½ livre ou une livre mais pas 20 grammes. Pour l’énergie c’est pareil, vous ne pouvez avoir que des quantas d’énergie.

Ceci s’applique à un certain nombre de paramètres dont l’énergie et pour tous les objets quantiques.

C'est gentil mais est-ce vérifié?

Tous les phénomènes décrits ci-dessus ont été vérifies expérimentalement.