Physique quantique

Max Planck est considéré comme le père de la physique quantique. La constante de Planck, h, y joue un rôle central.

La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques nées au XX^e siècle qui, comme la théorie de la relativité, marquent une rupture avec ce que l'on appelle maintenant la physique classique, l'ensemble des théories et principes physiques admis au XIX^e siècle. Les théories dites « quantiques » décrivent le comportement des atomes et des particules, ce que la physique classique, notamment la mécanique Newtonienne et la théorie électromagnétique de Maxwell, n'avaient pu faire, et permettent d'élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique. La physique quantique heurte le sens commun à plusieurs égards. Sa description du monde microscopique, radicalement nouvelle, s'appuie sur de nouveaux postulats.

Panorama général

La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle ayant des répercussions jusqu'en philosophie (remise en cause du déterminisme) et en littérature (science-fiction). Elle a permis nombre d'applications technologiques : énergie nucléaire, imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, diode, transistor, microscope électronique et laser. Un siècle après sa conception, elle est abondamment utilisée dans la recherche en chimie théorique (chimie quantique), en physique (mécanique quantique, théorie quantique des champs, physique de la matière condensée, physique nucléaire, physique des particules, physique statistique quantique, astrophysique, gravité quantique), en mathématiques (formalisation de la théorie des champs) et, récemment, en informatique (ordinateur quantique, cryptographie quantique). Elle est considérée avec la relativité générale d'Einstein comme l'une des deux théories majeures du XX^e siècle.

La physique quantique est connue pour être contre-intuitive, choquer le « sens commun » et nécessiter un formalisme mathématique ardu. Feynman, l'un des plus grands théoriciens spécialistes de la physique quantique de la seconde moitié du XX^e siècle, a ainsi écrit :

La raison principale de ces difficultés est que le monde de l'infiniment petit se comporte très différemment de l'environnement macroscopique auquel nous sommes habitués. Quelques différences fondamentales qui séparent ces deux mondes sont par exemples :

• la quantification : Un certain nombre d'observables, par exemple l'énergie émise par un atome lors d'une transition entre états excités, sont quantifiés, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent prendre leur valeur que dans un ensemble discret de résultats. A contrario, la mécanique classique prédit le plus souvent que ces observables peuvent prendre continûment n'importe quelle valeur.
• la dualité onde-particule : La notion d'onde et de particule qui sont séparées en mécanique classique deviennent deux facettes d'un même phénomène, décrit de manière mathématique par sa fonction d'onde. En particulier, l'expérience prouve que la lumière peut se comporter comme des particules (photons, mis en évidence par l'effet photoélectrique) ou comme une onde (rayonnement produisant des interférences) selon le contexte expérimental, les électrons et autres particules pouvant également se comporter de manière ondulatoire.
• le principe d'incertitude de Heisenberg : Une incertitude fondamentale empêche la mesure exacte simultanée de deux grandeurs conjuguées. Il est notamment impossible d'obtenir une grande précision sur la mesure de la vitesse d'une particule sans obtenir une précision médiocre sur sa position, et vice versa. Cette incertitude est structurelle et ne dépend pas du soin que l'expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système ; elle constitue une limite à la précision de tout instrument de mesure.
• le principe d'une nature qui joue aux dés : Si l'évolution d'un système est bel et bien déterministe (par exemple, la fonction d'onde régie par l'équation de Schrödinger), la mesure d'une observable d'un système dans un état donné connu peut donner aléatoirement une valeur prise dans un ensemble de résultats possibles.
• l'observation influe sur le système observé : Au cours de la mesure d'une observable, un système quantique voit son état modifié. Ce phénomène, appelé réduction du paquet d'onde, est inhérent à la mesure et ne dépend pas du soin que l'expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système.
• la non-localité ou intrication : Des systèmes peuvent être intriqués de sorte qu'une interaction en un endroit du système a une répercussion immédiate en d'autres endroits. Ce phénomène contredit en apparence la relativité restreinte pour laquelle il existe une vitesse limite à la propagation de toute information, la vitesse de la lumière ; toutefois, la non-localité ne permet pas de transférer de l'information.
• la contrafactualité : Des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent sur les résultats de l'expérience.

Le quantique et le vivant

Existe-t-il dans le monde du vivant des phénomènes obéissant à ces règles de l'infiniment petit ? Depuis quelques années, des études dans divers domaines de la biologie indiquent que c'est le cas. Ces résultats vont à contre-courant de l'idée généralement admise que le monde macroscopique est trop chaotique pour permettre des effets de cohérence quantique. En fait, le vivant serait capable de tirer partie de cette agitation désordonnée des particules, du moins en ce qui concerne la photosynthèse^[1]. Les récepteurs de l'odorat semblent dépendre de l'effet tunnel, pour acheminer des électrons à l'intérieur même des molécules odorantes, ce qui permet de les distinguer d'autres molécules structurellement analogues. Certaines structures protéiques bactériennes se comportent comme des ordinateurs quantiques primitifs, « calculant » le meilleur canal de transport des électrons parmi tous les chemins possibles^[2].

Les réactions physicochimiques présidant à la photosynthèse sont bien comprises mais l'efficacité du processus en biologie était demeurée une énigme, jusqu'à la découverte d'une coordination supramoléculaire de ces opérations par la cohérence quantique, qui est une « influence à distance ».

Les setæ du gegko adhèrent au verre par un processus inexplicable en physique classique.

De récents travaux sur la photosynthèse ont révélé que l'intrication des photons joue un rôle essentiel à cette opération fondamentale du règne végétal^[3], phénomène que l'on tente actuellement d'imiter pour optimiser la production d'énergie solaire.

L'adhérence aux surfaces des setæ des geckos fonctionne grâce aux forces de van der Waals, des interactions de nature quantique qui font intervenir des particules virtuelles sans aucune interaction moléculaire classique^[4]. Ce phénomène est également à l'étude en vue d'applications militaires et civiles.

Liste des expériences

Fentes de Young

Densité de probabilité d'un seul électron au passage des deux fentes

L'expérience originelle de Thomas Young avait mis en évidence le comportement ondulatoire de la lumière en montrant que deux faisceaux lumineux pouvaient entrer en interférence. L'expérience des fentes de Young, effectuée avec une seule particule (en faisant en sorte que la source d'émission n'émette qu'un quantum à la fois), montrera qu'un seul électron « interfère avec lui-même » et produit des franges d'interférences au sortir des deux fentes, comme s'il s'agissait de deux flux de particules interférant l'un avec l'autre.

Effet Aharonov-Bohm (Ehrenberg et Siday)

La figure d'interférence entre deux faisceaux d'électrons peut être modifiée par la présence d'un champ magnétique en dehors des trajectoires classiques des électrons.

Dans la mécanique classique, la trajectoire d'une particule chargée ne peut pas être affectée par la présence d'un champ magnétique si elle se trouve hors de ce champ. L'effet Aharonov-Bohm est un phénomène quantique décrit en 1949 par Ehrenberg et Siday et redécouvert en 1959 par David Bohm et Yakir Aharonov. Il décrit le paradoxe suivant :

Un champ magnétique (le cercle bleu B, ci-contre) peut affecter une région de l'espace à distance, le potentiel vecteur n'ayant par contre pas disparu.

L'effet Aharonov-Bohm demontre donc que ce sont les potentiels électromagnétiques, et non les champs électriques et magnétiques, qui fondent la mécanique quantique. En physique quantique, une entité mathématique utile, le potentiel vecteur magnétique, peut avoir de véritables effets.

Expérience de la gomme quantique à choix retardé

L’expérience de la gomme quantique à choix retardé^[5] constitue une extension de celle d'Alain Aspect et des fentes d'Young, mais y introduit ce qui semble être une rétroaction implicite dans le temps : un effet du présent sur le passé.

Interprétations

Les paradoxes liés à la mesure amènent à se poser la question : la physique quantique décrit-elle la réalité?

Voir aussi

• Décohérence quantique
• École de Copenhague
• Interprétation transactionnelle
• Théorie d'Everett des mondes multiples

Théories « à variables cachées »

• Théorie de De Broglie-Bohm et Théorie de l'onde pilote de De Broglie

Genèse de la physique quantique

Corps noir et catastrophe ultraviolette

D’après les théories classiques de la physique, un corps noir à l'équilibre thermodynamique est censé rayonner un flux infini. Plus précisément, l'énergie rayonnée par bande de longueur d'onde doit tendre vers l'infini quand la longueur d'onde tend vers zéro, dans l'ultraviolet pour les physiciens de l'époque, puisque ni les rayons X ni les rayons gamma n'étaient alors connus. C’est la catastrophe ultraviolette.

Introduction des quanta en physique

Elle remonte aux travaux effectués en 1900 par Max Planck sur le rayonnement du corps noir à l’équilibre thermique. Une cavité chauffée émet un rayonnement électromagnétique (lumière) aussitôt absorbé par les parois. Pour rendre compte du spectre lumineux par le calcul théorique des échanges d’énergie d’émission et d’absorption (dE), Planck dut faire l’hypothèse que ces échanges sont discontinus et proportionnels aux fréquences (ν) du rayonnement lumineux : dE = nhν.

• n est un nombre entier
• h est le quantum d’action qui apparut bientôt comme l’une des constantes fondamentales de la nature (constante de Planck)
• ν est la fréquence de la lumière

Quantification du rayonnement et des atomes

En 1905, à la suite d’un raisonnement thermodynamique dans lequel il donnait aux probabilités un sens physique (celui de fréquences d’états pour un système), Einstein fut amené à considérer que ce ne sont pas seulement les échanges d’énergie qui sont discontinus, mais l’énergie du rayonnement lumineux elle-même. Il montra que cette énergie est proportionnelle à la fréquence de l’onde lumineuse : E=hν. Cela donnait immédiatement l’explication de l’effet photoélectrique observé 20 ans auparavant par Hertz.

Effet photoélectrique

L’énergie E = hν apportée par le quantum de lumière à l’électron lié dans un atome permet à celui-ci de se libérer si cette énergie est supérieure ou égale à l’énergie de liaison de l’électron, nommée également travail de sortie W, en vertu de la relation :

hν = W + E_c

où E_c est l'énergie cinétique acquise par ce dernier. Cet effet de seuil était inexplicable dans la conception continue de l’énergie lumineuse de la théorie électromagnétique classique.

Limites de la théorie électromagnétique classique

Einstein s’aperçut alors que cette propriété du rayonnement était en opposition de manière irréductible avec la théorie électromagnétique classique (élaborée par Maxwell). Dès 1906, il annonça que cette théorie devrait être modifiée dans le domaine atomique. La manière dont cette modification devrait être obtenue n’était pas évidente puisque la physique théorique reposait sur l’utilisation d’équations différentielles, dites équations de Maxwell, correspondant à des grandeurs à variation continue.

L’hypothèse quantique

Malgré la puissance de la théorie des quanta, peu de physiciens étaient enclins à imaginer que la théorie électromagnétique classique puisse être invalidée. Einstein s’efforça alors de mettre en évidence d’autres aspects des phénomènes atomiques et du rayonnement qui rompaient avec la description classique. Il étendit ainsi l’hypothèse quantique, par-delà les propriétés du rayonnement, à l’énergie des atomes, par ses travaux sur les chaleurs spécifiques aux basses températures. Il retrouvait l’annulation des chaleurs spécifiques des corps au zéro absolu, phénomène observé mais inexplicable par la théorie classique. D’autres physiciens (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) le rejoignirent peu à peu pour conclure au caractère inéluctable de l’hypothèse quantique que Planck lui-même hésitait à admettre. Elle n’était cependant encore acceptée généralement que pour les échanges d’énergie.

Références

Ouvrages de vulgarisation

• P.T. Matthews "Introduction à la mécanique quantique", Edition Dunod, Paris, 1966

• Sciences et avenir n°662

• Sven Ortoli^[1]et Jean-Pierre Pharabod, Le Cantique des quantiques, Collection Essais, Editions La Découverte (2004). (ISBN 2-7071-4356-1)

• Bruce Colin, Les Lapins de M. Schrödinger ou comment se multiplient les univers quantiques Édition Le Pommier

• Serge Haroche, Physique quantique, Leçon inaugurale au Collège de France, coédition Collège de France/Fayard (2004).

• Étienne Klein, Petit Voyage dans le monde des quanta, Collection Champs 557, Flammarion (2004). (ISBN 2-08-080063-9)

• Banesh Hoffman et Michel Paty, L'Étrange histoire des quanta, Collection Points-Sciences 26, Le Seuil (1981). (ISBN 2-02-005417-5)
• Stéphane Deligeorges (ed), Le Monde quantique, Collection Point-Science 46, Le Seuil (1984). (ISBN 2-02-008908-4)

• Émile Noël (ed), La Matière aujourd'hui, Collection Points-Sciences 24, Le Seuil (1981). (ISBN 2-02-005739-5)

• Bernard d'Espagnat (ed) "À la Recherche du Réel", Fayard, 1979

• La physique quantique. Cycle de 3 conférences d'Étienne Klein à la Cité des sciences et de l'industrie, France.
  • Comment la physique quantique est-elle née ?
  • Pourquoi les quanta sont-ils si troublants ?
  • Comment « interpréter » la physique quantique ?

Développement historique des concepts

• Jagdish Mehra & Helmut Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory, Springer-Verlag (1982-2002), (ISBN 0-387-95262-4). Coffret de 6 volumes, 9 livres, 5889 pages (!) Livres disponibles séparément :
  • Vol. 1 : The Quantum Theory of Planck, Einstein, Bohr & Sommerfeld: It's Foundations & the Rise of Its Difficulties (1900-1925), Part 1 : (ISBN 978-0-387-95174-4).
  • Vol. 1 : The Quantum Theory of Planck, Einstein, Bohr & Sommerfeld: It's Foundations & the Rise of Its Difficulties (1900-1925), Part 2 : (ISBN 0-387-95175-X).
  • Vol. 2 : The Discovery of Quantum Mechanics, 1925, (ISBN 0-387-95176-8).
  • Vol. 3 : The Formulation of Matrix Mechanics & It's Modifications. 1925-1926, (ISBN 0-387-95177-6).
  • Vol. 4, Part 1 : The Fundamentals Equations of Quantum Mechanics (1925-1926) et Part 2 : The Reception of the New Quantum Mechanics, (ISBN 0-387-95178-4).
  • Vol. 5 : Erwin Schrödinger and the Rise of Wave Mechanics, Part 1  : Schrödinger in Vienna and Zurich (1887-1925), ISBN ??
  • Vol. 5 : Erwin Schrödinger & the Rise of Wave Mechanics, Part 2 : The Creation of Wave Mechanics: Early Reponses & Applications (1925-1926), (ISBN 0-387-95180-6).
  • Vol. 6 : The Completion of Quantum Mechanics (1926-1941), Part 1 : The Probability Interpretation & the Statistical Transformation Theory, the Physical Interpretation and the Empirical & Mathematical Foundations of Quantum Mechanics (1926-1932), (ISBN 0-387-95181-4)
  • Vol. 6 : The Completion of Quantum Mechanics (1926-1941), Part 2 : The Conceptuel Completion & the Extensions of Quantum Mechanics (1932-1941) - Epilogue : Aspects of the Further Development of Quantum Theory (1942-1999), (ISBN 0-387-95182-2).

Divers

• Émile Meyerson, Réel et déterminisme dans la physique quantique
• R. Gilmore, Alice au pays des quanta, Le Pommier-Fayard (2000).
• Sven Ortoli et J.-M. Pelhate, Aventure quantique, Belin, 1993
• Martin Gardner, L'Univers ambidextre, Seuil, 1995
• Brian Greene, L'Univers élégant (supercordes et théorie M), Robert Laffont, 2000
• P. Davies, La nouvelle physique, Sciences Flammarion, 1993
• Murray Gell-Mann, Le Quark et le jaguar. Voyage au cœur du simple et du complexe, Albin Michel Sciences, 1995
• J.-P. Pharabod et B. Pire, Le rêve des physiciens, Odile Jacob, 1993
• B. d'Espagnat, Le Réel voilé, analyse des concepts quantiques, Fayard, 1994
• R. Forward et J. Davis, Les Mystères de l'antimatière, Ed.du Rocher, 1991
• M. Duquesne, Matière et antimatière, PUF, coll. Que sais-je ?, 767, 2000
• Physique des particules, Forum mégascience de l'OCDE, OCDE, 1995
• B. d'Espagnat/ E.Klein, Regards sur la matière, Fayard, 1993
• Carlos Calle et al., Supercordes et autres ficelles : Voyage au cœur de la physique, Dunod, 2004
• Gordon Kane, Supersymétrie, Le Pommier, 2003
• J. Briggs et D. Peat, Un miroir turbulent, InterEditions, 1990
• T. Lombry, Un siècle de physique : 1 - La Physique quantique, Aegeus, 2005
• Françoise Balibar, Alain Laverne, Jean-Marc Lévy-Lebond, Dominique Mouhanna, Quantique : éléments, CEL, 2007 [lire en ligne] 

Notes et références

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