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…

5 réponses à “Quantique ? Kesako ?

  1. "En fait, la limite entre physique classique et physique quantique se situe à la limite de ce qu’on appelle la longueur de Planck l=10-33 cm. En dessous de cette échelle, on rentre dans le monde quantique."Ca c’est completement faux. Par exemple, l’atome d’hydrogene se decrit a l’aide de la mecanique quantique (relativiste si on veut plus de precision, mais dans une premiere etape l’equation de Schrodinger donne deja une tres bonne description). Or la distance carateristique qui entre en jeu dans ce probleme est la distance entre la proton et l’electron, ce qui donne la taille de l’atome d’hydrogene, soit de l’ordre de l’Angstrom, soit 10^-10 m, bien plus grand que la longueur de Planck. En fait si on veut savoir si on est dans une situation quantique ou non on peut grossomodo proceder comme suit: a l’aide des dimensions carateristiques du systeme on construit une quantite qui a les dimensions d’une action [kg m^2/s = J s (joule*seconde)], c’est la meme unite que la constante de Planck. Cette quantite doit avoir une valeur proche de la constante de Planck pour que le systeme soit quantique. Pour l’hydrogene, on peut utiliser l’impulsion P [unite kg m/s] de l’electron et multiplier par la distance caracteristique qui separe l’electron et le proton, soit l’Angstrom. Le produit donne bien une action. On peut estimer P a l’aide de l’energie de liaison E (connue experimentalement) qui est 13.6 eV et P vaut environ sqrt{2mE} ou m est la masse de l’electron (aussi connue).Pour convertir l’energie de l’electronvolt en Joule, voir ce lien http://pdg.lbl.gov/2005/reviews/consrpp.pdf (on y trouve egalement la masse de l’electron)Si on fait donc cette simple conversion et cette simple multiplication on trouve 2 10^-34 J s alors que la constante de Planck vaut 6 10^-34 J s. Donc c’est bien le meme ordre de grandeur, le systeme est quantique. Comme syteme classique, on peut prendre la systeme Soleil-Terre, on doit donc multiplier l’impulsion de la Terre par la distance moyenne entre le soleil et la Terre. Inutile de dire que dans ce cas, le nombre obtenu sera gigantesque. A la grosse louche P=m v = 6 10^24 kg 3 10^4 m/s = 2 10^29 kg m/s. Et la distance est 1.5 10^11 m. On a donc une action de 3 10^40 J s. Soit 74 ordre de grandeur superieur a la constante de Planck, le systeme est manifestement classique.

  2. Encore une chose. Deux dates importantes:Schrodinger publie son equation en 1926, on ne peut donc sans doute pas considerer que la mecanique quantique existait avant 1926, en tout cas pas dans la forme que nous connaissont aujourd’hui, elle etait encore incomplete.Dirac publie son equation en 1928, donc la aussi c’est la naissance de la mecanique quantique relativiste.

  3. Y a pas de mal Benjamin :). C’est juste pour donner un coup de main. Tu as la volonte et l’envie de parler de ces choses la a monsieur tout le monde, c’est une tres bonne initiative. Si ca ne te derange pas, je passerai de temps en temps jeter un oeil et donner quelques precisions si j’en ai la capacite :).

  4. Comment expliquer la phisique quantique quand un pb de cette science pourrait etre : 
     On propose la fonction définie par : où est une fonction du vecteur d’onde .
    Justifier pourquoi est solution de l’équation de Schrödinger. représente-t-elle un état physique ?
    Avis aux physiciens quantiques!!

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