Physique quantique
Cartésiens s’abstenir !
Vous en avez entendu parler mais pour vous il ne s’agit que de théories réservées aux scientifiques de haut niveau. Pourtant les débuts de la physique quantique ont environ un siècle et ses applications permettent (par exemple) de faire fonctionner les ordinateurs. Oui ! On s’en sert dans la vie quotidienne mais si on sait à peu près comment ça marche, on ne sait pas vraiment pourquoi ça marche. Tout petit aperçu de cet univers qui défie la raison.
Petites boules et probabilités.
On a tous appris à imaginer les atomes comme des petits systèmes solaires : un noyau composé de protons et de neutrons autour desquels « gravitent » des électrons. Hé ben non ! Si c’était le cas, votre petite planète d’électron tomberait sur le noyau en quelques fractions de pouièmes de secondes en perdant de l’énergie. Le truc c’est que toutes les valeurs d’énergie ne sont pas permises (mais ce n’est pas moi qui donne la permission) : ça fonctionne par niveau (des quantas). Un électron peut donc passer d’un niveau à un autre mais ne peut pas se trouver entre deux niveaux.
Je vous vois maintenant en train d’imaginer ces petites boules d’électrons faire des saut de puce d’une orbite à l’autre autour de l’atome. Oui… mais non ! Quand vous calculez l’orbite d’une planète vous connaissez parfaitement sa vitesse et sa position (ce qui permet de prévoir quelques collisions désagréables). Ce n’est pas le cas pour une particule quantique. Le principe d’incertitude (mal nommé) d’Heisenberg nous dit que la particule ne possède pas simultanément les propriétés de vitesse et de position. C’est d’ailleurs pour cela que l’électron ne tombe pas sur le noyau : il serait à vitesse nulle à un endroit connu. Ce que je veux dire c’est qu’on est parfaitement capable de mesurer ces paramètres mais que le résultat est à chaque fois différent. Votre petite « boule » d’électron n’est en fait qu’une zone de probabilité faite d’un ensemble de positions et de vitesses.
Effet tunnel.
Considérons un mur. Ce mur possède une résistance. Si je veux trouer le mur en lui envoyant un projectile il faut que l’énergie du projectile soit plus élevée que celle du mur. Sinon mon projectile restera de ce côté du mur.
A présent prenons une particule quantique face à un mur d’énergie. Vous pensez sans doute, petits galapiats, que notre particule traversera ce mur si son énergie est supérieure. Hé bien non ! Rappelez-vous qu’une particule quantique se trouve dans une zone de probabilité. Si elle est suffisamment proche du mur sa zone de probabilité peut s’étendre de l’autre côté. Si vous envoyez un groupe de particules contre le mur il y a une certaine probabilité que certaines se trouvent derrière.
Les diodes à effet tunnel sont des composants électroniques couramment utilisés.
Bon d’accord, me direz-vous, les particules quantiques ne sont pas des billes, mais alors… Stop ! Vous avez raison… mais non.
Tout d’abord, pour fixer les idées, voici, en physique classique, la différence entre un corpuscule et une onde. L’expérience consiste à envoyer des corpuscules ou une onde vers un mur percé de deux fentes et d’en constater les effets sur un deuxième mur placé au-delà. Première expérience : vous tirez à la mitraillette vers les deux fentes. Les balles se répartissent au hasard : certaines passent par l’une des fentes d’autres par la deuxième et certaines ne passent pas. A l’arrivée sur le deuxième mur on va constater une concentration des impacts en face des deux fentes et une diminution quand on s’éloigne des fentes. Deuxième expérience : les murs sont placés dans l’eau. Vous lâchez une pierre de votre côté. Une petite vaguelette se déplace vers le premier mur et au passage des deux fentes, deux petites vaguelettes se forment, s’éloignent des deux fentes et finissent par se chevaucher l’une l’autre, créant des interférences. A l’arrivée sur le deuxième mur on aura des creux et des bosses répartis également sur toute la surface.
Et une particule quantique ? Elle fait quoi ? Les deux mon général ! Elle se comporte comme un corpuscule puisqu’on a vu qu’on pouvait les considérer comme des petits paquets d’énergie… mais aussi comme une onde car l’expérience prouve qu’on obtient des franges d’interférence avec l’expérience des fentes. Va comprendre Charles !
Superposition quantique et chat de Schrödinger.
Ce n’est pas le chat d’Alice au pays des merveilles… c’est pire ! En physique quantique, quand une particule possède plusieurs états possibles, tous ces états coexistent jusqu’à ce qu’un observateur décrive l’état de ce qu’il observe. On parle alors de superposition des états quantiques. Schrödinger ne pouvant se résoudre à accepter cette théorie avait imaginé une expérience de pensée. Considérons une particule dont l’un des états est neutre et l’autre mortel pour un être vivant. Enfermons un chat dans une boite remplie de ces particules. Tant qu’un observateur n’a pas ouvert la boite les deux états des particules coexistent (mortel et non mortel). Ce qui signifie que le chat est à la fois mort et vivant. Attention je ne dis pas la qu’on ne sait pas s’il est mort ou vivant, je dis qu’il est les deux !
Schrödinger avait tort et raison (il devait être un peu quantique lui aussi). En effet la superposition des états quantiques est un fait établi… mais il ne s’applique qu’aux particules, pas aux macro-systèmes.
Et après ?
Rien. Parce que vous ne pouvez tout simplement pas considérer le monde dans lequel vous vivez comme un ensemble de zones de probabilité. Il y a un trop grand décalage entre ce que vous touchez et la façon dont ça fonctionne. On ne sait pas pourquoi c’est comme ça mais on l’utilise. De plus (pour l’instant) la physique quantique est fâchée avec la relativité (il ne manquait plus que cela). Pas de gravitation quantique ! Mais si l’un de vous a une idée…
