The Scientist

"Ouais, la physique quantique c'est un truc surpuissant qui sert à se la péter quand on est physicien, personne ne sait de quoi il s'agit mais ça fait toujours classe d'en parler !"

Bonjour, Concept du jour: La physique quantique. Et je dois vous avouer que j'ai longtemps hésité à le faire celui-là car ce n'est vraiment pas le plus simple à expliquer. Même moi qui l'ai étudié je le trouve encore un peu raide à avaler. Mais je ne baisse pas les bras, aujourd'hui je suis pris d'un regain de motivation et c'est pourquoi je m'attaque à ce gros sujet bien complexe comme il faut. Après lecture de cet article, j'espère que vous saurez de quoi parle la physique quantique et vous pourrez donc vous la péter dans vos repas de famille !

Alors, tout d'abord, pour résumer de manière extrêmement simplifiée, la physique quantique peut être vue comme la physique de l'infiniment petit. Infiniment petit signifiant que l'on parle de l'échelle atomique bien entendu. C'est donc une physique qui s'applique aux particules et atomes, avec des lois bien particulières qui n'étaient pas vérifiées par la physique classique. Car oui, tout comme la relativité d'Einstein pour l'espace-temps, la Physique quantique est une révolution qui rompt avec la physique classique, mais cette fois-ci dans le domaine de l'atomistique. Je vais vous expliquer tout cela.

Dans le terme physique quantique, il y a quantique. Quantique est un mot dérivé de quantum, ou quanta, qui désigne une quantité. Ce terme est utilisé pour désigner des quanta d'énergie, ou quantités d'énergie. Car la première révolution en physique quantique a été d'affirmer que l'énergie est quantifiée, c'est-à-dire qu'elle prend des valeurs bien particulières et pas n'importe lesquelles (l'énergie d'un photon notamment). D'accord, dit comme ça, ça ne casse pas trois pattes à un canard, mais c'est quand même très important pour décrire certains phénomènes physiques que l'on ne parvenait pas à expliquer. Par exemple, il existe un phénomène dit effet photoélectrique qui est le suivant: Lorsqu'on éclaire une plaque métallique avec une source de lumière, les photons arrachent des électrons et provoque un courant électrique. Ce phénomène a induit et confirmé l'idée que les photons sont des particules, et donc que le lumière est une "onde-corpusculaire", c'est-à-dire à la fois onde et particule. Mais l'effet photoélectrique a également permis de mesurer la quantification de l'énergie dont je vous parlait plus haut, et donc à confirmer cette théorie. C'est le début de la physique quantique, sur une idée lancée par le physicien Planck et confirmée expérimentalement par Einstein avec l'effet photoélectrique pour lequel il obtiendra un prix Nobel (Einstein n'a jamais reçu de prix Nobel pour la relativité).

Bref, je sais que là j'en ai embrouillé plus d'un, je vous l'ai dit, le sujet est un peu complexe. Retenez juste qu'à partir de 1905, la lumière est à la fois onde et particules (on parle de dualité onde-corpuscule), et que l'énergie des photons est quantifiée. Ces phénomènes n'étaient pas expliquées par la physique classique, c'est pour cette raison qu'il a fallu trouver une nouvelle théorie capable d'expliquer mathématiquement et physiquement les résultats observés. La mécanique quantique a trouvé ses débuts grâce à Planck et Einstein, et à mis de nombreuses années avant d'être acceptée et validée par la majorité des physiciens.

L'un des grands principes de la mécanique quantique s'appelle le principe d'incertitude d'Heinsenberg (mais principe d'indétermination serait un terme plus juste). Ce principe stipule que pour une particule donnée, il est impossible de connaître précisemment à la fois sa position et sa vitesse. Ce qui est totalement en rupture avec la physique classique, pour laquelle vous pouvez prendre n'importe quelle voiture sur une route, et déterminer sa position au centimètre près et sa vitesse au kilomètre/heure près avec les instruments adaptés (GPS et radars par exemple). Dans la physique quantique, si la position est connue précisément, alors il existe une très grande imprécision sur la vitesse, et inversement. C'est en quelque sorte une limite à la précision des mesures, et cette limite ne dépend pas du fait que le mec qui fait l'expérience a deux bras gauches ou non, c'est au-delà de cela, c'est une limite physique. Ok, y'a de quoi se tuer, je vous l'accorde.

De plus, la physique quantique, du fait de son imprécision physique, est une science probabiliste, et non déterministe (la physique classique est déterministe). Probabiliste signifie que l'on ne peut faire que des probabilités quand à la position où la vitesse d'un objet (oui, le principe d'incertitude nous dit qu'on ne peut connaître l'un ou l'autre avec une grande précision). Le déterminisme est tout l'inverse, il consiste à connaître avec précision une valeur de position ou de vitesse (ou de toute autre grandeur physique), il s'agit de déterminer, et non d'évaluer avec des probabilités. L'équation de Schrödinger est un exemple de physique quantique utilisant des probabilités, pour une position cherchée, plusieurs valeurs sont possibles.

Autre point important en physique quantique, l'observation modifie le résultat. Lorsqu'un observateur mesure l'état d'un système (position et vitesse par exemple), la particule après l'observation sera dans l'état déterminé par l'observateur. Imaginons que vous possédez plusieurs lampes, une rouge, une bleue et une jaune. Vous fermez les yeux, et une des lampes de couleur est allumée aléatoirement. Vous ignorez laquelle, et vous ne pouvez que prédire que ça sera soit la jaune, soit la bleue, soit la rouge, avec une chance sur trois pour chacune d'entre elles. Si vous ouvrez les yeux, vous faites une mesure de la couleur. Si la lampe allumée est la jaune, alors l'état du système est jaune, et il ne changera pas, vous avez fixé l'état par l'observation. Ca peut paraître un peu logique comme ça, mais en physique quantique c'est plus puissant que cela, car avant l'observation, la physique quantique suppose que toutes les lampes sont allumées, et que lorsque vous ouvrez les yeux, il n'en reste plus qu'une.

Schrödinger a émis une expérience de pensée pour décrire ce phénomène. Elle montre très bien à quel point la physique quantique ne colle pas avec notre physique classique déterministe du quotidien. Cette expérience est connue sous le nom du "Chat de Schrödinger". Imaginez un chat dans une boîte, avec un dispositif qui tue le chat dès qu'un compteur Geiger détecte la désintégration d'un corps radioactif. Par exemple, on peut imaginer que lorsque le compteur Geiger détecte la désintégration, une fiole de poison extrêmement violent se brise sur le sol de la boîte et le chat meurt instantanément (Oui, c'est extrêmement cruel, je sais, les physiciens sont des sans-coeurs). La physique quantique dit qu'au bout d'une minute, il y a une chance sur deux pour que le compteur détecte une désintégration. Donc le chat a une chance sur deux de mourir au bout d'une minute (courte durée de vie, je vous l'accorde). Le seul moyen de vérifier est d'ouvrir la boîte. 

En mécanique classique, on suppose que le chat est déjà mort ou vivant avant que la boîte ne soit ouverte, vous ne faites que confirmer son état. En mécanique quantique, le chat est à la fois mort et vivant, il est impossible de discerner un état de l'autre, ce n'est pas qu'on ne sait pas si il est mort ou vivant, c'est juste qu'il est à la fois mort et vivant, jusqu'à ce qu'on ouvre la boîte et qu'on fixe l'état (on voit le chat mort, ou on voit le chat vivant). Mais ce n'est pas une incertitude, cela peut paraître abhérant d'imaginer un chat mort-vivant, c'est même impossible me direz-vous, mais c'est pourtant ce qui se passe à l'échelle atomique. Les particules sont dans plusieurs états à la fois. L'expérience du chat n'est qu'une extrapolation à notre échelle des phénomènes quantiques. Et c'est en cela que la mécanique quantique est une véritable révolution, elle est contre-nature.

Bref, tout ça pour vous dire que la physique quantique, c'est un vrai bordel, c'est même la science la plus compliquée qui soit, et comme disait le grand physicien Feynman :

"Personne ne comprend vraiment la physique quantique."

Et en bonus, une explication légère de la physique quantique par Alexandre Astier (Kaamelott):

Sur ce, bonne réflexion, bande de moules !