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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