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)

5 réponses à “Physique quantique, plus en détail

  1. "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."C’est en fait plus complique que ca. Je recommande le bouquin ci-dessous a tout ceux qui sont interesses par les travaux d’Einstein. On y raconte un peu sa vie, on vulgarise sont travail. Tres bien fait.http://www.dunod.com/pages/ouvrages/ficheouvrage.asp?id=49389"Planck nous dit donc que l’énergie d’une particule ne peut pas prendre n’importe quelle valeur,"A condition que la particule ne soit pas libre. Pour une particule libre l’energie n’est pas quantifiee."En fait Planck a érigé cette théorie car c’est la seule qui permettait de rendre compte des observations et des mesures."dans le contexte du rayonnement du corps noir."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."Ce n’est pas si surprenant. Si on veut prendre des mesures d’un systeme classique, on peut toujours etre aussi fin et delicat qu’on le souhaite pour a la fois prendre la mesure et ne pas perturber le systeme. De sorte qu’apres la mesure le systeme continue a se comporter comme si aucune mesure n’avait ete faite. En effet, prenons le simple exemple de voir une balle dans une piece sombre. Et bien j’allume ma lampe de poche, j’eclaire ma balle et j’eteind. Ma balle ne sera pas differente apres mon observation. Pour un systeme quantique c’est different car le systeme qui nous servira a mesurer est de la "meme taille" que le systeme a mesurer. Pour "voir" un electron on pourrait aussi l’eclairer mais dans ce cas, ca veut dire lui envoyer des photons qui vont interagir de facon non negligeable avec l’electron qui ne sera plus le meme apres la mesure (son energie/impulsion aura changee). Voila en gros l’idee.

  2. C’est egalement un plaisir de voir que des gens ont encore la volonte d’essayer d’expliquer des choses compliquees au plus grand nombre! Courage et continue.Si besoin est, tu as mon email, n’hesite pas.

  3.                               Le  » principe d’incertitude de Heisenberg » est une erreur de traduction de l’ allemand.  » Nicht Einschaulichkeit  » c’est à dire, qui ne se laisse pas observer. Le mot français incertitude est donc mal employé…                               Votre explication reste valable….hi hi hi ( rire malicieux )                                                                                 Salutations                                                               condor79

  4.                                   Je n’ ai pas trouvé de passage sur les expérience D’ Alain Aspectau laboratoire d’ Orsay sur les inégalités de Bell…un prochain sujet ?                                  Joli blog, bravo….                                     Salutations                                                     condor79

  5. pour moi ,il n’y a pas de telepathie ou communication  entre les photons ,c’est seulement le meme photon a deux endroits differents et dans un temps different ,c’est un seul et unique photon.

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