Archives mensuelles : mars 2006

Les supers états : Supraconductivité et Superfluidité

Avant cet article, ça peut être utile de lire préalablement l’article Température et Energie, Puissance

Un fil SUPRAconducteur, un liquide SUPERfluide : des mots qu’on entend de plus en plus dans les revues scientifiques. Même si on ne sait pas ce que c’est, on a le sentiment que ce doit être vraiment génial comme truc : super ! En effet, c’est génial comme principe…

On va commencer par la supraconductivité. Au lycée, tout le monde apprend la loi d’Ohm en électricité : U=R.I  où U désigne une tension, R la résistance et I le courant. C’est à dire que si vous faite passer un courant de 2 ampères dans un fil ayant une résistance de 0,5 Ohm, la tension aux bornes du fil sera de 1 volt ( U=2*0,5 = 1V). Il y a ensuite ce qu’on appelle l’effet Joule : Quand un courant traverse un conducteur (un fil électrique par exemple), de l’énergie est produite sous forme de chaleur. C’est ce qui se passe dans une lampe à incandescence, on fait circuler un courant dans un filament en tungstène qui transforme l’énergie électrique en énergie électromagnétique (lumière) et en  chaleur (le filament atteint environ 2 200°C). Donc si je reprend mon exemple précédent, la puissance dégagée par le fil est de 2 Watts ( P=U*I=R*I2=0,5*4=2W).

C’est un grand problème pour EDF (enfin c’est RTE maintenant qui s’occupe du transport de l’électricité en France, pas EDF). Effectivement, lorsque l’électricité est transportée, de l’énergie se « perd » sous forme de chaleur tout au long des lignes hautes tensions. Si EDF produit 100MWh (MWh = 1 Million de Wattheures, c’est une énergie : 1MWh=3600000000 Joules), seulement 97MWh seront utilisés par les consommateurs, les 3MWh qui reste c’est de la perte en chaleur. Chaque année, 12 Twh (12 milliers de milliards de Wattheures) s’évaporent dans la nature en France. Si vous regardez chez vous le prix du kWh (10 centimes HT en heures pleines, 6 centimes HT en heures creuses environ), multipliez le par 12 milliards et vous avez l’argent que perd EDF chaque année à cause de l’effet Joule, soit près d’un milliard d’euros!! Mais l’effet Joule n’a pas que des inconvénients : il permet de faire griller vos toasts le matin dans votre grille pain par exemple ou de protéger les fils électriques de votre maison (avec ce qu’on appelle un fusible). Les fusibles  sont constitués d’un fil qui va fondre (enfin c’est plutôt une lame métallique qui pivote maintenant mais passons…) si le courant qui passe à l’intérieur est trop important, ceci pour prévenir les incendies électriques (attention un fusible ne protège en rien les personnes, c’est le disjoncteur ça). Enfin EDF se serait bien passé de cet effet Joule !

Tout ça parce que les conducteurs possèdent une Résistance. Bah oui, si un matériau n’était pas résistif et qu’on reprend notre effet Joule : P=R*I2 et que R=0 on obtient P=0. Voilà, vous avez compris, c’est un supraconducteur. C’est un matériau qui ne possède pas de résistance électrique (ATTENTION je n’ai pas dit que sa résistance était extrêmement faible, j’ai dit nulle, zéro, nada, niet, que dalle). Nos chers petits électrons se baladent dans le supraconducteur bien gentiment en se tenant la main et ne vont pas voir ailleurs. Vous allez me dire, pourquoi EDF n’utilise pas de supraconducteurs ! Eh bien la réponse est on ne peut plus simple, les principaux matériaux supraconducteurs le deviennent aux alentours de 3K (-270°C). Les supraconducteurs que l’on qualifie de « supraconducteurs à hautes températures » le sont aux alentours de 50K (-213°C). De nombreuses recherches sont faites pour que la température soit la moins basse possible bien sûr !

Pour la superfluidité, c’est la même chose mais au lieu de prendre des électrons qui se baladent, on prend un liquide. On peut assimiler la résistance électrique à la viscosité d’un fluide, un superfluide est donc un fluide dépourvu de viscosité. Pour le moment, le seul superfluide qu’on manipule bien, c’est l’hélium qui se comporte de cette manière à très basse température (en dessous de 2.17K). Pourquoi c’est génial ? Premièrement parce qu’un fluide dépourvu de viscosité conduit la chaleur à merveille (il n’y a pas de perte) donc pour refroidir quelque chose (c’est-à-dire retirer de la chaleur), c’est le must. De plus, il n’y a aucune résistance à l’écoulement : si vous mettez de l’hélium superfluide dans une pièce fermée, il va se répandre, s’écouler partout naturellement (sur les murs, le plafond…). Il n’y a donc aucun frottement entre ce fluide étrange et les objets en contact avec lui et ça pourrait fournir des applications industrielle plus qu’intéressantes, le problème au développement à grande échelle, c’est toujours la température…

Ces deux états ont été découverts très récemment et l’explication de tels phénomènes a récompensé pas mal de prix Nobel ces dernières années. Oui, pour l’explication quantique de la supraconduction et de la superfluidité, il a fallu attendre un paquet d’années et je ne rentrerai pas dans ces détails… Enfin il faut savoir que ça s’explique à l’aide de la mécanique quantique, encore elle !

Pour les applications, la cryogénie est le meilleur exemple pour la superfluidité, c’est-à-dire produire du froid, retirer de la chaleur autrement dit, mais alors très froid ! Pour la supraconductivité les applications pourraient être toutes les choses électriques ayant de grosses pertes Joule à cause de l’importance des courants qui circulent. Evidemment, vu qu’un système cryogénique est nécessaire pour conserver le supraconducteur à très basse température, c’est pas évident. L’application vraiment utilisée est la fabrication d’électro-aimants. Un électro-aimant est une bobine de fil dans laquelle circule un courant ; dans cette configuration, un champs magnétique est créé au sein de la bobine et plus le courant est important, plus le champ magnétique créé est important. Par exemple pour l’accélérateur de particules du CERN et pour le futur prototype de réacteur à fusion nucléaire ITER à Cadarache, des champs magnétiques absolument gigantesques sont nécessaires. Le CERN utilise des champs de 8 Teslas et ITER de 5 Teslas (Enfin ce ne sont pas des valeurs de champs magnétiques mais d’inductions magnétiques, mais vous avez compris : c’est énorme), ces valeurs correspondent à 100 000 fois le champ magnétique créé par la planète Terre et pour créer un champs magnétique de 8T il faut un courant de 13000 Ampères !!! Avec un conducteur classique, il faut un câble ayant le diamètre d’un ballon de foot environ pour qu’il ne fonde pas sous la propre chaleur qu’il dégage alors qu’avec un supraconducteur (qui ne produit pas de chaleur puisque pas de résistance), le câble a le diamètre d’un stylo bille. Niveau gain de place, poids, quantité de matière, on ne peut pas faire mieux, surtout quand il y en a 27km de long, mais bon, évidemment, tout ce bazar doit être maintenu à 2K (-271°C), donc grâce à de l’hélium superfluide dans le système cryogénique, ces deux supers états sont bien utile l’un à l’autre!

Energie et Puissance

Ces notions ont besoin, pour être bien définies, d’une 10aine de pages, alors je vais essayer de faire court pour les moins courageux?

Voir article énergie (supplément) pour une meilleure explication.

Une énergie permet de quantifier l’intensité d’un phénomène et se mesure en Joule (J). C’est une unité physique inventée par l’homme permettant de rendre compte du transfert « d’ énergie »  entre différents phénomènes. Avant d’écrire cet article j’avais l’impression de bien savoir ce qu’était l’ « énergie » car j’utilise cette notion tous les jours mais je me rends compte que c’est un concept très difficile à expliquer. J’ai utilisé le mot « énergie » pour définir l´ « énergie », pas terrible…

L’énergie peut prendre de nombreuses formes et peut passer d’une forme à une autre du moment qu’elle est conservée :

  • Energie mécanique : énergie cinétique provenant de la vitesse d’un objet, énergie potentielle (qui provient d’une différence d’énergie entre 2 positions)
  • Energie thermique, la chaleur est une énergie, ne surtout pas confondre avec la température
  • Energie électrique
  • Energie magnétique
  • Energie chimique
  • Energie nucléaire, Eolienne, Solaire

Un Joule correspond à l’énergie qu’il faut fournir à un objet de 102 grammes (genre une pomme) pour le soulever de un mètre.

Dans la vie de tous les jours, on a l’habitude de mesurer la valeur énergétique des aliments en calories (cal) : 1 cal = 4,18 J. Cela correspond à l’énergie sous forme de chaleur qu’il faut apporter à 1 gramme d’eau pour élever la température de l’eau de 14,5°C à 15,5°C. En fait, on utilise toujours par commodité des kilocalories ou grande Calorie (Cal, avec une majuscule), égale à 1000 calories, soit 4186 joules.

En physique des particules on ne parle pas en Joule mais en Electron-Volt (eV), soit l’énergie que possède un électron : 1eV = 0,0000000000000000001660217653 Joule. C’est à dire, à titre de comparaison que dans un tic-tac à seulement 2 Calories, il y a autant d’énergie que dans environ 50 427 milliards de milliards d’électrons. Donc quand on sait qu’au CERN l’énergie des collisions de particules seront à 14TeV, soit l’énergie la plus puissante jamais atteinte dans un accélérateur faisant tout de même 27km de long employant 5000 personnes, ça représente moins d’un millième de milliardième de tic-tac ! Bref, j’arrête mes calculs stupides, revenons à nos moutons…

Une puissance, c’est en fait une énergie par unité de temps, on dit que la puissance dérive de l’énergie. Une lampe de 80W signifie que la lampe fournit 80 Joules chaque seconde (en fait elle transforme l’énergie électrique sous forme d’énergie lumineuse et de chaleur).

Pour les voitures, on utilise encore une vielle unité : le cheval vapeur (cv) : 1cv=736W. Cette puissance correspond à la puissance d’un cheval soulevant une charge de 75kg en marchant au pas (environ 1m/s). Une 2cv possède donc une puissance de moins de 1,5kW alors qu’une Ferrari classique possède une puissance de 280 kW. Et oui, la puissance de la 2cv et de la Ferrari sont très différente mais pour aller de Paris à Marseille elles transformeront la même énergie (si elles prennent la même route).

Si on reprend l’exemple avec un panier de 10 pommes, il faut apporter 10J pour le soulever de un mètre. Si on le soulève de 1 mètre en 2 secondes, on a fournit une puissance moyenne de P=10/2 = 5W. En revanche si on refait l’expérience en 10 secondes, on aura du fournir une puissance moyenne de P=10/10 = 1W. On fournit donc la même puissance pour soulever une pomme de un mètre en une seconde que 10 pommes de un mètre en 10 secondes sauf que dans ce dernier cas on aura fournit 10 fois plus d’énergie, assez intuitif avec le langage courant!

Ce qu’il faut retenir de tout ça ? L’énergie est une chose qui se transmet aux différents objets pour les animer, les réchauffer, les aimanter… C’est toute une chaîne de transformation. Le meilleur exemple est la production d’électricité avec une dynamo sur un vélo : Le cycliste mange plein de tic-tac pour avoir un peu d’énergie, il transforme l’énergie du tic-tac en chaleur pour maintenir sa température corporelle et en énergie mécanique en pédalant. La roue du vélo possède alors cette énergie cinétique qu’elle va donner à la dynamo. Cette dernière transforme l’énergie mécanique en énergie électromagnétique qui va ensuite se transformer en énergie électrique. Pour finir l’ampoule effectue la transformation en énergie électromagnétique (en lumière). Evidemment j’ai fait simple, d’autres énergies représentant des pertes rentrent en considération normalement : les 2 Calories du tic-tac ne vont pas donner 2 Calories à l’ampoule. Enfin si vous savez comment, prenez contact avec moi et on dépose un brevet pour faire une voiture tic-tac : Au lieu d’aller faire le plein d’essence à la pompe on mettra des tic-tac dans le réservoir !

La température

Salut, ça va ? il fait chaud dehors ? Bah il doit faire 25°C…

 

La température est une notion que l’on utilise tous les jours parce qu’on la ressent mais comment
peut on la mesurer ? Facile, avec  un thermomètre ! Le principe est très simple : la pression (P), la température (T) et le volume (V) d’un fluide (gaz ou liquide) sont 3
grandeurs liées. Si on fixe une de ces  trois grandeurs à une valeur constante, la mesure de la deuxième permet le calcul de la troisième. C’est pas clair ? Si je prends du Mercure, que
je le place dans un tube à une pression fixe, il suffit de mesurer le volume (donc la hauteur du liquide dans le tube) pour en déduire la température. Pourquoi le mercure ? parce que c’est
un liquide qui se dilate très facilement quand la température augmente et ça s’observe à l’œil nu facilement (le seul problème c’est que c’est dangereux et nocif pour la santé (c’est pour cela
que les thermomètres au mercure sont maintenant interdits), mais on peut aussi utiliser de l’alcool). Si vous tentez de faire la même chose avec de l’eau, il faudra un microscope pour voir une
élévation de 1°C.

 

Pour la référence de l’unité, on a fait dans le super facile : sous une pression de une atmosphère (pression atmosphérique) au niveau de la mer, l’eau
bout à 100°C et gèle à 0°C. C’est l’échelle de Celsius inventée en 1742 par Anders Celsius, astronome suédois . De cette manière tout est défini car cette échelle « pratique » est une
unité différentielle : c’est-à-dire que l’on considère une différence (entre 0°C et 100°C). C’est pour cela que les températures peuvent être négatives. C’est l’inverse d’une mesure absolue
qui possède un « zéro » infranchissable, on ne peut pas avoir une longueur de 0 centimètre ou une durée de 0 seconde !

 

Vous allez me dire, chouette, une unité physique facile en fait ! Eh bien ça dépend, car l’unité de la température en physique, c’est de kelvin (K),
attention on ne dit pas « degré kelvin » car c’est une unité absolue et pas de majuscule car c’est une unité SI (Système International d’unité ou plus simplement système métrique) même
si son inventeur, Lord Kelvin, prend une majuscule car c’est un nom propre. En passant « Lord Kelvin » n’est qu’un titre britannique, son véritable nom est William Thomson, qui est à
l’origine du second principe de la thermodynamique. La conversion Celsius-kelvin est plus que simple : il suffit de retrancher 273,15° à la température en Celsius pour obtenir des kelvins.
Donc quand il fait 20°C, il fait 293,15K, l’eau bout à 373,15K et gèle à 272,15K. Evidemment la question naturelle qui vient est : « d’où sort le 273,15 : pas du chapeau de Lord
Kelvin ! ». La réponse tombe sous le sens, le kelvin n’est qu’une translation de l’échelle Celsius de manière à faire coïncider le zéro kelvin au zéro absolu.

 

Le zéro absolu (donc 0K), est la température limite au dessous de laquelle on ne peut pas descendre,
dire que de la matière est à 0K est aussi idiot que de dire qu’un objet mesure 0 cm, ce n’est pas possible ! Au sens microscopique, la température est en fait définie par une agitation
moléculaire : plus les particules bougent dans tous les sens, plus il fait chaud. C’est comme lorsqu’on fait du sport, on se réchauffe car on fournit un effort, de l’énergie, qui se traduit
par un dégagement de chaleur. Si on ne bouge pas dans le froid, on a froid, si on court, on a chaud. Les particules aussi ! Le zéro absolu est défini comme étant la température à laquelle
plus aucune chaleur ne peut être tirée du corps. La température minimale jamais atteinte en laboratoire par les physiciens est de l’ordre du micro kelvin (un millionième de kelvin au dessus du
zéro absolu), ce qui correspond donc à –273,15°C.

 

Il y a aussi nos confrères anglo-saxons qui parlent en degrés Fahrenheit (°F) car ils ne peuvent
jamais faire comme tout le monde… Pour la conversion Celsius Fahrenheit, prenez votre calculette : on prend la température en degré Celsius, on retranche 273,15, on multiplie par 1,8 et on
retranche 459,67 : facile non ?

 

Voilà quelques températures typiques dans notre monde et notre histoire : (peut-être convertir
aussi en degrés ?)

         La température dans
l’espace, loin de toutes étoiles est environ de 2,7K en ce moment

         La température moyenne
à la surface de notre planète est de 15°C

         La température du corps
est en moyenne de 37,6°C

         La température moyenne
à la surface du soleil est de 6000K

         La température au cœur
du soleil est de 15 000 000K

         La température au
moment de la collision des faisceaux de particules dans le futur accélérateur de particule du CERN, le LHC, sera de 10 000 000 000 000K, soit la température un millionième de seconde après le BIG
BANG où la température chute de manière gigantesque pour descendre jusqu’à cette température (10 milles milliards de degrés)

         La température de
l’univers 10-43 seconde après le BIG BANG est de 100000000000000000000000000000000K (1032K)

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Salut, ça va ? il fait chaud dehors ? Bah il doit faire 25°C… La température est une notion que l’on utilise tous les…

La science, une histoire de mixeur !

Quand on commence à vraiment étudier les mathématiques, on se dit en toute honnêteté, ça n’a aucune utilité ! Certes, ça forme l’esprit et ça permet de développer la réflexion, la déduction, mais manipuler des espaces vectoriels de dimension 12 et des objets mathématiques loufoques comme les Distributions dans tous les sens, ça ne peut pas avoir d’utilité. Eh bien en général on s’aperçoit de l’utilité de ces outils plusieurs années après, et c’est bien dommage. Le problème de l’utilité des choses que l’on apprend est primordial. Il n’y a rien de plus déprimant que de savoir que ce que l’on fait ne sert á rien. Cette équation est simple dans l’éducation : Utilité = Intéressement. 

Je parle du cloisonnement de l’enseignement des mathématiques de bases, mais il n’y a pas que cela. A l’école, on étudie avec un professeur l’électronique, avec un autre la mécanique, avec encore un autre l’automatique sans parler de celui qui enseigne l’électromagnétisme ou la thermodynamique. Bref, tout est cloisonné, dans un monde bien à part. Chaque matière possède son petit contrôle et une fois le contrôle passé, basta. On ressent bien la présence des mathématiques dans toutes ces disciplines, mais la relation entre l’électromagnétisme et la mécanique, pas trop… Voilà, nous y sommes, le problème est que nous, étudiants, nous ne faisons pas, ou peu, de rapprochements entre toutes les matières alors que ce devrait être essentiel ! Par exemple la plupart des équations de base en mécanique des fluides sont exactement les mêmes qu’en électricité en remplaçant les lettres (le courant devient un débit, la tension une pression, la conservation des énergies sont les mêmes…). Certes, ceci n’est qu’une analogie sans grande importance fondamentale (quoique…) mais il arrive un jour où il va falloir entrer dans la réalité et mettre toutes les matières différentes dans un grand mixeur pour faire un Banana Science Split…

 Par exemple, au hasard, le boulot d’un jeune ingénieur/chercheur est de développer un nouvel alternateur pour les futures voitures d’une certaine marque. Pour cela, il faut bien sûr connaître l’électrotechnique, c’est-à-dire qu’il faut maîtriser l’électricité, l’électronique de puissance  et l’électromagnétisme (soit déjà 3 professeurs et 3 contrôles complètement différents). Ensuite, il faut gérer la théorie du signal, le filtrage (au moins deux autres profs) sans parler de la mécanique pour le fonctionnement et la thermodynamique pour les échauffements (encore 2 profs). Evidemment, il faut contrôler le tout pour le pilotage et aussi s’assurer du bon fonctionnement et des anomalies éventuelles, donc c’est de l’automatique et de la gestion de données (on rajoute facile 2 profs). Il y a également, ça va de soit, toutes les bases en mathématiques, en informatique, en simulation numérique que je n’énumérerai pas, ça serait trop long. Bref, pour ce projet, il faut mixer au moins 9 matières bien distinctes (sans parler des maths et de l’informatique). C’est cela que je reproche un peu à l’enseignement supérieur, bien que je pense avoir bénéficié d’un excellent enseignement, qui, justement, s’efforçait autant que possible de faire des rapprochements, surtout lors des dernières années : normal, c’est ce qu’on appelle un ingénieur il me semble, une personnes ayant une base de connaissances assez larges permettant le développement de nouvelles technologies et de faire preuve d’innovation grâce à cette large palette pour mettre sur pied, par exemple, l’alternateur des voitures de demain.



J’ai d’ailleurs constaté, cette année, en cours de DEA, qu’une connaissance généraliste était un réel atout. Il y avait justement des matières où tout se mélangeait. Les gens issus de la FAC traditionnelle sont sûrement très forts dans leur domaine propre, mais quand il s’agit de faire des choses bien concrètes nécessitant des champs de connaissances divers, ils sont un peu pommés, ce qui est tout à fait normal. Cette année je travaille sur des procédés pétrochimiques et je n’ai jamais fait de chimie de ma vie (enfin si, au lycée mais bon…). En s’y plongeant un peu, ça devient vite compréhensible et pour ce que je dois connaître, je m’en tire sans problème.

Voilà, c’est ça le mixeur, on mélange un peu tout et on y arrive. Le tout, c’est d’avoir les bases solides et d’être ouvert. Les Sciences sont, ils faut l’avouer, tout simplement gigantesques, et aucun être humain normalement constitué ne peut tout assimiler.

Quantique ? Kesako ?

Je n’exposerai dans cet article que des choses assez générales histoire de savoir à quoi la mécanique quantique s’applique et pourquoi est-ce une révolution scientifique. Plus de détails sont fournit dans l’article Physique quantique, plus en détail qui s’adresse un public plus restreint ayant quelques connaissances de bases en sciences.



Plusieurs personnes m’ont demandé : « C’est quoi exactement la physique quantique ? ». La réponse facile serait : « Un truc bizarre qui défit l’entendement et qui bouleverse la représentation du monde microscopique ». Evidemment, ça n’avance pas à grand chose et j’avoue que cette discipline à part entière est très complexe et difficile à comprendre mais pourtant, elle fonctionne. Richard Feynman lui-même (Prix Nobel récompensé pour ses travaux sur la discipline en question) disait « Personne ne comprend vraiment la physique quantique ». Pour ma part, je n’ai suivi qu’un seul cours de mécanique quantique il y a quelques années (Avec Saïd Koutani que je salue) très succinct mais qui a le mérite d’avoir été une excellente introduction aux équations pour le moins complexes et à la philosophie de cette chose étrange. Oui, je parle bien de philosophie car la physique quantique doit, à mon avis, être également abordée avec un regard de philosophe car sinon on devient vite fou. Je ne suis donc en rien un spécialiste de cette discipline mais j’ai lu un certain nombres d’ouvrages vulgarisateurs. Avant d’aborder ce sujet, une petite définition de la physique classique est de rigueur :

La physique dite classique, s’opposant à la physique quantique, n’est ni plus ni moins la physique qui existait à la fin du 19ième siècle, c’est la physique qu’on apprend à l’école, jusqu’à la fin des classes préparatoires scientifiques en gros. Cette physique comprend les grandes théories suivantes :

         La mécanique de Newton (1687) : Une pomme tombe d’un arbre à cause du champ gravitationnel de la Terre. Cette force est proportionnelle à la masse des deux objets et inversement proportionnelle au carré de la distance les séparant.

         La théorie des champs électromagnétiques de Maxwell et l’optique ondulatoire (1865) : toutes les ondes électromagnétiques, lumière comprise, sont régies par un ensemble d’équations différentielles dites de Maxwell.

         La thermodynamique de Clausius (1850) et la physique statistique de Maxwell et Boltzman : théorie expliquant l’échange de chaleur et l’équilibre thermique des systèmes en étudiant les températures, pressions et volumes. Théorie cinétique des gaz également par la suite.

La physique quantique a pour objectif de décrire un monde inaccessible pour nous, pauvres humains, elle permet d’explorer et d’expliquer l’infiniment petit (les particules, composants ultimes de la matière), là où les théories classiques échouent et ne fonctionnent plus. La grande majorité de la physique quantique a été développée dans le premier quart du 20ième siècle et se décompose en plusieurs champs d’investigations :

      –         La théorie des quanta (version originale) : 1900

         La mécanique quantique (non relativiste) héritant de la théorie des quanta : 1925

         La théorie quantique des champs (version relativiste) : 1927

         La physique statistique quantique : 1927

         Les théories « dans le vent » actuelles qui ne sont pas encore confirmées et qui veulent unifier la théorie quantique et relativité générale comme la théorie des supercordes  et la gravitation quantique à boucles ou encore la théorie M.

 

Donc quand on dit « physique quantique » ça veut dire qu’on parle de la science qui décrit le comportement des particules à des échelles extrêmement faibles (pour la définition d’une particule voir l’article Les neutrinos nous attaquent). Cette théorie est dite « originale » car elle est basée sur des probabilités. En effet, la mécanique quantique est une mécanique non locale. On ne va pas représenter une particule par un point précis dans l’espace possédant des caractéristiques précises (comme en mécanique classique déterministe). En fait, on traite le problème de manière probabiliste (notre particule se situe avec 10% de chance ici ou avec 30% de chance ici etc…). C’est-à-dire que notre petite particule n’est pas un point mais un « truc » diffus qui remplit l’espace, elle est partout et nulle part en même temps. Ca y est, ça commence à être un peu confus et bizarre comme ça mais ça ne s’arête pas là…

Notre fameuse particule, possède des « états quantiques » superposés. Les états quantiques sont des valeurs qui caractérisent la particule. Pour faire une transposition à notre monde par exemple, une porte est ouverte ou fermée. Dans le monde quantique, une porte quantique peut être ouverte ET fermée en même temps (attention, même pas entre ouverte, notre porte quantique ne peut prendre que 2 états : ouverte et fermée).

Autre chose choquante, notre monde de tous les jours est continu (pour la différence continu/discret se reporter à l’article Pourquoi le monde est-il mathématique ) alors que dans le monde quantique, des grandeurs physiques sont discrètes : il y a des valeurs interdites. Reprenons l’exemple de la porte quantique : pour ouvrir et fermer une porte dans notre monde, la porte passe par une infinité de positions intermédiaires où elle est entre ouverte alors que la porte quantique s’ouvre et se ferme instantanément sans étape intermédiaire (en plus elle peut être ouverte et fermée à la fois).

Voilà pourquoi aucun être humain normalement constitué ne peut comprendre cette physique. Dans ce monde microscopique, il faut laisser notre expérience et les certitudes de notre monde macroscopique au vestiaire. Après, en manipulant des équations, on ne s’en rend même plus compte mais si on va chercher la signification réelle de toutes les lettres qui apparaissent en équation, on rentre dans un monde encore plus loufoque que celui de l’Alice au pays des merveilles…

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Je n’exposerai dans cet article que des choses assez générales histoire de savoir à quoi la mécanique quantique…

Physique quantique, plus en détail

ATTENTION cet article est la suite de l’article précédent : Quantique ? Kesako ?

Les grands acteurs de la physique quantique sont les suivants : Born, Bose, Dirac, de Broglie, Fermi, Heisenberg, Jordan, Pauli, Schrödinger. Je ne mets pas Einstein dans la liste car pour lui, cette théorie était une connerie et il n’y croyait pas lui-même bien qu’il y ait contribué indirectement malgré lui.

En 1900 Planck va entamer un processus qui va chambouler la physique classique en publiant « la théorie des quanta » qui sera suivi par « l’effet photoélectrique »  d’Einstein en 1905. Chacun de ces deux travaux ont d’ailleurs permis l’obtention d’un prix Nobel à leur auteur.

La théorie des Quanta va poser la première pierre angulaire en disant que l’énergie des particules n’est pas une valeur continue mais discrète. Planck nous dit donc que l’énergie d’une particule ne peut pas prendre n’importe quelle valeur, cette énergie doit être un multiple de la plus petite énergie possible représentée par la constante de Planck : h = 6,625 10-34 J.s. En fait Planck a érigé cette théorie car c’est la seule qui permettait de rendre compte des observations et des mesures. Il en découle la célèbre formule E = h.f E est l’énergie de la particule et f sa fréquence d’oscillation. Si on prend la lumière comme exemple (onde électromagnétique), plus sa fréquence est élevée, plus son énergie est importante. Les fréquences correspondent aux couleurs (l’arc en ciel décline les différentes fréquences). Donc une lumière rouge sera beaucoup plus énergétique qu’une lumière violette.

L’effet photoélectrique d’Einstein explique, en se servant de cette idée, que lorsqu’on éclaire un objet (en général métallique) on lui fournit des paquets d’énergie (qui sont en fait des photons). Ces photons communiquent alors leur énergie aux électrons composant ce métal et si l’énergie acquise dépasse un seuil critique alors les électrons sont « arrachés » au métal et sortent de celui-ci grâce à cette énergie. Et un électron qui se déplace ça s’appelle de l’électricité : c’est l’effet photoélectrique.

 Cette limite continu/discret peut paraître anodine aux lecteurs néophytes mais c’est une révolution. Dans la nature, à notre échelle, tout est continu. Il y a toujours un espace entre 2 positions de 2 objets, aussi petit soit la distance entre les 2 objets. Dans le monde quantique, les niveaux d’énergie sont discrets.

Ces deux théories sont les précurseurs de la mécanique quantique qui est une théorie se basant sur des probabilités. Ce sont ces probabilités qui choquent le sens commun. Le premier concept est ce qu’on appelle la dualité onde-corpuscule. En physique classique une onde et une particule sont 2 choses distinctes. En physique quantique, ces 2 aspects décrivent les mêmes phénomènes grâce à une fonction d’onde qui a été inventée par Schrödinger en 1924 : L’équation de Schrödinger. Cette fonction d’onde permet de donner à une particule la probabilité qu’elle se situe à une position précise. Autrement dit, la particule se situe partout et nulle part en même temps avec plus ou moins de chance. De même les particules possèdent plusieurs états quantiques superposés. C’est l’histoire du chat de Schrödinger qui est mort et vivant en même temps (voir article soyons vulgaire avec la Science et plus de détails techniques et philosophiques ici). Notre monde réel accessible n’a aucune équivalence. En physique quantique, le vide n’existe pas, il ne peut pas ne rien y avoir, chaque espace, aussi petit soit-il est un bouillon de culture de particules qui apparaissent pour se désintégrer juste après. En fait, le vide quantique possède une énergie qu’on explique par le phénomène de fluctuation du vide. Bon, vous allez dire que c’est une théorie idiote impossible mais pourtant ça marche très bien !

 Un autre principe fondamental est le principe d’incertitude d’Heisenberg. Ce principe nous dit qu’on ne peut pas tout connaître en même temps. Par exemple, pour une particule qui se déplace, plus la précision sur la mesure de vitesse est précise, moins la mesure sur sa position sera précise et vice-versa. Mais attention, cela ne vient pas de la méthode de mesure, dans notre monde macroscopique on peut connaître toutes les valeurs avec grande précision, c’est un phénomène intrinsèque au monde quantique.

Un autre concept fondamental est la décohérence quantique. Oui, il est censé de se demander : « si toutes ces particules qui composent la matière sont partout et nulle part en même temps et qu’elles possèdent des états superposés, pourquoi nous ne voyons pas cela à notre échelle, après tout nous sommes faits de particules, les objets aussi, tout notre environnement ». Ce problème est un problème d’échelle, les objets sont composés de milliards de milliards de particules et elles interagissent toutes entre elles. C’est-à-dire qu’elle ne sont plus en cohérence avec le monde quantique. Dans ce monde étrange elle se balade tranquillement toute seule alors qu’à notre échelle, elles interagissent avec l’environnement et prennent alors un seul état possible à un seul endroit possible. C’est ce qui se passe quand un observateur regarde dans la boite du chat de Schrödinger, le chat qui était mort ET vivant devient mort OU vivant selon ce qu’on observe. Evidemment cet exemple est stupide à notre échelle car avant de regarder dans la boite, le chat est déjà mort OU vivant alors que dans le monde quantique, les états sont bel et bien superposés, ce fait a d’ailleurs été confirmé par l’expérience avec quelques photons (Haroche et al.-1996)