La mécanique quantique


Max Planck, l'un des pères fondateurs de la mécanique quantiqe

La mécanique quantique est une théorie développée au début du XXème siècle par une poignée de savants. Cette théorie constitue, tout comme la théorie de la Relativité d'Einstein, une grande révolution scientifique, mais, contrairement à cette dernière, la mécanique quantique décrit les phénomènes liés au monde microscopique, au niveau des atomes, des particules subatomiques etc etc ...

La théorie quantique est née d'un paradoxe que de nombreux physiciens ne parvinrent pas à expliquer. Le problème était lié au rayonnement d'un corps chaud. Selon la théorie classique (c'est à dire, avec la théorie de Maxwell), le rayonnement émis par un corps chaud devait avoir une énergie infinie, dans tous les domaines du spectre électromagnétique (voir La lumière). Le premier a résoudre ce paradoxe fut Max Planck (voir photo ci-dessus) qui proposa une nouvelle théorie de la lumière. Selon lui, la lumière serait "quantifiée" en paquets d'énergie (appelé photons) mais non pas une onde comme on le pensait. Le problème est que, bien avant, on avait montré le caractère ondulatoire de la lumière, notamment grâce à l'expérience des fentes: prenons une source de lumière, traversant un obstacle percé de deux fentes (voir l'image ci-dessous), et observons sur un écran le résultat: on observera des suites de bandes lumineuses et de bandes sombres.



Ce phénomène est caractéristique des ondes, en effet lorsqu'une crête d'onde rencontre un creux d'une autre onde, alors celles-ci s'annulent. De même, si deux creux ou deux crêtes se rencontrent, alors l'onde sera amplifiée. Ce phénomène s'explique très bien, nous venons de le voir, lorsque l'on considère la lumière comme une onde. Mais qu'en est-il lorsque la lumière est considéré comme une particule ? Là, les choses se compliquent un peu. On pourrait penser que, lorsqu'un flux de photons se déplacent dans l'espace, alors il se comporte comme une onde, un peu comme une vague sur la mer, les molécules d'eaux se comportant ensemble comme une onde, or il n'en est rien pour la lumière: l'expérience des fentes a été de nouveau réalisé, mais cette fois-ci la source de lumière envoyait non pas un flux de photon continu, mais envoyait les photons un par un. Le résultat est étonnant: on obtient exactement la figure de diffraction que sur l'image ci-dessus ! Je reviendrais sur l'explication plus tard. Les mêmes expériences ont été réalisées, non pas avec de la lumière, mais avec un faisceau d'électrons, puis en projetant les électrons un par un. Là aussi, le résultat est étonnant, car on obtient la même figure de diffraction qu'avec la lumière ! Les électrons se comporteraient-il comme une onde ? Apparament, oui. Pourtant, un électron est bien une particule. Voyons un peu l'explication par la mécanique quantique.

Dans le monde quantique (le monde microscopique, à l'échelle des particules), le monde n'est pas déterministe mais gouverné par le hasard et l'incertitude. En fait, une particule n'a pas une position précise, déterminé, mais existe plutot sous la forme d'onde de probabilité, ayant telle probabilité de se trouvé à tel endroit, telle probabilité de se situé à un autre endroit etc etc. Lorsqu'un observateur observe cette particule à travers un instrument, on dit alors que l'onde de probabilité s'effondre en un point. Pour mieu comprendre, je vous proposerais cette analogie: vous êtes en train de pêcher dans un lac. Vous savez que dans ce lac se trouve un gros poisson, mais ne savez pas exactement où il se trouve. Il pourrait se trouvé aussi bien là, que là-bas plus loin. Lorsque le poisson vient mordre à l'hameçon, alors là vous connaissez sa position exacte: vous savez qu'il est juste au bout de votre ligne. Il se passe à peu près la même chose dans le monde quantique: tant que vous n'avez pas effectué de mesure sur la particule, alors celle-ci existe sous la forme d'une onde de probabilité, mais lorsqu'on l'observe, alors cette onde s'effondre en un point que l'on connait. Ce principe fondamental de la mécanique quantique est appelé "principe d'incertitude". L'expérience des fentes nous montre ainsi que c'est l'onde de probabilité elle-même qui se retrouve diffractée, sur l'écran il y aurait donc plus de probabilité que les photons (ou électrons) arrivent en un point (bandes lumineuses), qu'en d'autre (bandes sombres).

Un autre aspect très étrange de la mécanique quantique concerne ce que l'on appelle l'intrication quantique. L'intrication quantique est une conséquence directe de la non-localité de l'Univers à l'échelle quantique. On dit que l'Univers est local lorsqu'un événement peut influencer un autre événement, uniquement si ceux-ci se trouvent à une distance l'un de l'autre et une durée entre les deux événements tels que la vitesse de l'information doit être inférieure à la vitesse de la lumière. Le monde quantique est non-local, c'est à dire qu'une particule peut en influencer une autre quelques soit sa distance, et ce instantanément. Ainsi, une particule peut "informer" instantanément une autre particule (très éloignée) de son état quantique, ce qui aura pour conséquence que celle-ci adoptera le même comportement. On peut expliquer ce phénomène par le fait que les deux particules, bien que séparées, forment une seule et même entité physique, mais bien sur tout ceci n'est que spéculation.

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