Good news, everyone! Today you are going to learn quantum mechanics.
Comme promis durant la campagne pour les VPN, voici mon introduction à la physique quantique pour les bonjourchinois.
Pour ceux qui ne me connaissent pas (je comprendrais vu comment je poste), je fais ma thèse en physique atomique en Chine avec un professeur allemand. J'insiste dès maintenant sur le fait que c'est de la physique atomique, pas nucléaire, ça veut dire que c'est de la physique mais je fais gentiment joujou avec des atomes sans chercher à dominer le monde.
Je vais essayer d'expliquer simplement ce qu'est la physique quantique pour des non-scientifiques, en essayant d'expliquer les concepts sans utiliser d'équations compliquées. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à les poser, j'y répondrai. Pour les plus scientifiques d'entre vous, il est possible que j'ai simplifié un peu trop, n'hésitez pas à compléter.
Je vais essayer d'avoir un approche un peu différente par rapport à ce que l'on verrait dans un cours de mécanique quantique(=physique quantique). J'espère que je ne raconterai pas trop de bêtises
"Physique quantique", mais quoi ce truc?
C'est bien joli, mais on est toujours pas plus avancé.
Dans quelle cadre s'intéresse-t-on à la physique quantique?
Prenez le premier truc qui vous tombe sous la main ; tenez, votre souris d'ordinateur. Balancez la contre le mur : comment décrire sa trajectoire est bien expliquée par la mécanique dite "classique" telle qu'introduite par Newton au XVIIIème siècle (puis dévelopée par Lagrange, Hamilton,etc.).
Vu qu'elle ne marche plus, broyez la en petit morceaux: les propriétés des matériaux qui la composent sont décrites pas la physique de la matière condensé (tandis que la chimie s'intéresse au processus nécessaires à la production de ces matériaux).
À ce stade on peut souvent modéliser les atomes par des petites billes reliées entre elle par des ressorts. Maintenant si vous êtes très très doué et que vous arrivez à récupérer quelques uns de ces atomes, il n'est plus possible de les décrire avec les mêmes lois physiques: bienvenue dans le monde de la physique quantique, là où l'on joue avec quelques atomes isolés, quelques électrons (les particules responsables du courant que vous avez dans vos prises électriques et un de composants des atomes) ou éventuellement quelques photons (les "particules" élémentaire de la lumière, ces quantas d'énergie dont on a parlé précédemment). C'est donc une physique des très basses énergies, on y reviendrai plus loin.
Petit aparté pour terminer l'histoire, prenez ce qui reste de feu votre souris, c'est à dire un amas d'atomes, placez ça dans un accélérateur de particules tel que le CERN. Ensuite accélérez le tout et observez les collisions entre atomes: si les énergies sont suffisantes, vous arriverez dans un premier temps à casser le noyau des atomes, c'est ce qui est généralement étudié en physique nucléaire (pas forcément avec un accélérateur de particules cela dit !), si vous augmentez encore l'énergie, vous arriverez à décomposer les constituants du noyau, à savoir les neutrons et les protons, pour obtenir des quarks ou bien vous pourrez aussi obtenir des anti-particules. C'est ce qui est étudié en physique des particules.
Quelques principes de la physique quantique
Maintenant qu'on a placé le cadre, rentrons dans la vif du sujet, on parlera des expériences historiques plus tard. Voici quelques principes de la physique quantique.
Vous avez sans doute appris à l'école qu'un atome ça ressemble plus ou moins à ça:
Un noyau composé de protons (chargés positivement) et de neutrons (non chargés), avec des électrons (chargé négativement) qui orbitent autour. C'est le modèle de Bohr.
En vrai c'est plus compliqué, l'atome ressemble plus à quelque chose comme ça:
"Mais c'est quoi ce truc?"
C'est ce que l'on appelle le nuage électronique, l'électron est délocalisé, le noyau aussi (mais pas autant, j'ai un peu exagéré le schéma). Il n'est pas à un endroit défini, mais il a une probabilité de présence. On ne peut pas décrire où il est exactement, mais l'on peut décrire quelle est la probabilité pour l'électron d'être à un endroit donné.
On décrit cette probabilité de présence par un état quantique, le plus souvent noté |Ψ>. Si vous voyez ce symbole dans un film ou ailleurs, vous pouvez être sûr que c'est de la physique quantique dont il s'agit.
Un état quantique est souvent décrit comme une onde (et non comme une particule), est appelée "fonction d'onde", c'est une fonction qui décrit l'état quantique en termes de probabilités. Cette fonction d'onde est censé contenir toutes les informations à propos du système/de la particule (énergie, position, vitesse,...). On a accès à ces informations uniquement en les mesurant/observant (voir plus loin).
Un état peut être continu, comme la position d'un électron dans l'espace, ou discret, c'est-à-dire qu'il prend certaines valeurs seulement. Un état quantique peut décrire une propriété interne de la particule: son niveau d'énergie, son spin (on gardera ça pour une autre fois, mais mémorisez le mot),...
Pour vous donner une idée, à quoi peu ressembler un état quantique discret, imaginons qu'une propriété d'une particule soit sa couleur (c'est juste pour l'exemple ! Une telle propriété n'existe pas en tant que telle !):
Comme pour la position de la particule, on a une probabilité. Au lieu d'avoir d'avoir une probabilité de présence on a une probabilité qui décrit la couleur. 50% bleu/50% rouge, 80% bleu /20 % rouge, 10% bleu/90% rouge, mais l'on pourrait aussi avoir 100% bleu ou bien 100% rouge ! Ce genre de combinaison est appelée "superposition d'états". C'est ce qui rend la physique quantique si particulière, ce n'est ni bleu, ni rouge, mais les deux à la fois.
"Je comprends rien à ton charabia, plus important, il est toujours là l'électron?"
Oui, pas de panique, si l'on somme la probabilité sur tous les points de l'espace, on doit avoir une probabilité de 1 (100%), c'est à dire que l'électron est toujours intégralement là, juste délocalisé, un peu partout à la fois.
"Mais pourquoi un électron? Pas autre chose?"
Effectivement ça ne marche pas uniquement avec les électrons. Ça marche avec les autres particules, mais pas que ! Un atome aussi peut être délocalisé...mais ça marche aussi avec des molécules, c'est à dire plusieurs atomes liés les uns aux autres.
Les photons, ces "particules" de lumières peuvent être décrits ainsi. Mais pour ne pas compliquer les choses on en parlera plus tard.
*Mais, si des molécules peuvent être dans états quantiques, pourquoi pas des objets plus gros? Moi aussi je veux être quantique, ça a l'air cool!"
C'est une bonne question, la limite entre "quantique" (délocalisé et décrit par la mécanique quantique) et "classique" (la physique à notre échelle sans tous ces phénomènes bizarres) est quelque chose qui intéresse encore les physiciens. En physique, il est toujours facile de déterminer les cas limites (tout classique ou tout quantique), mais les cas intermédiaires sont toujours plus difficiles à évaluer !
Pour savoir savoir si un objet est quantique, il y a une quantité simple à estimer qui permet de donner une vague idée, la longueur d'onde de de Broglie:
=h/p
lambda est une distance. h est la constante de Planck, une constante fondamentale qui intervient partout en physique quantique, elle a une très petite valeur. p est la quantité de mouvement p=mv, avec m la masse de l'objet et v sa vitesse.
Cette quantité est la distance sur laquelle l'objet en question est délocalisé. Si l'on prend un objet macroscopique, vous par exemple, cette longueur est beaucoup plus petite qu'un atome ! Donc non, vous ne passerez pas à travers les murs (ce qui serait possible pour une particule quantique...). Après ce n'est qu'une vague approximation!
"C'est cool d'avoir une particule qui est partout à la fois, mais comment on fait pour savoir c'est quoi son état quantique? Si elle bouge tout le temps je ne peux rien voir ! "
On touche là un des points sensibles de la physique quantique qui la rend si particulière : la mesure.
En effet, comment savoir quelle est cette distribution de probabilité? Il faut avoir une façon de l'observer.
Imaginez un jeu de la taupe quantique ("whack-a-mole" en anglais) comme ci-dessous:
on a une superposition entre les trois états |1>, |2> et |3>, avec 1/3 de probabilité pour chaque trou. |Ψ>=1/3|1>+1/3|2>+1/3|3> (à un facteur près). On veut déterminer l'état quantique de la taupe. L'état quantique contient plusieurs informations mais celle qui nous intéresse est la position.
Imaginez que vous ne puissiez pas voir où est la taupe, à moins d'essayer de "mesurer" où elle est, vous n'en savez rien.
Comment faites-vous pour déterminez où elle est? C'est simple, vous tapez ! Disons sur le trou 1.
Si vous avez réussi votre coup, la taupe est un peu plus plate est un peu moins vivante, mais au moins elle ne bouge plus désormais mais vous savez où elle est ! En physique quantique c'est pareil : la mesure est destructive. Si vous mesurez la position d'un électron, sa position devient fixe et l'état quantique original est altéré.
On est à des niveau d'énergie très bas, il n'est donc pas possible de mesurer un système sans le perturber. Vous avez fait ce que l'on appelle un projection sur l'état |1> et créé un nouvel état quantique ; pour le comprendre regardez plutôt le cas où vous avez raté votre coup. La taupe continue de sa balader entre |2> et |3> ! Cette superposition est aussi un état quantique, mais quoi que vous fassiez le premier trou est définitivement bloqué, vous avez projeté dans un sous-espace constitué des trous 2 et 3. Un peu comme lorsque vous prenez une photo, le sujet passe de la 3D à la 2D. Cela s'appelle la "réduction du paquet d'onde".
À chaque fois que vous mesurez un état quantique, vous le modifiez, mais vous avez besoin de le mesurer pour pouvoir le déterminer.
Un peu dans la même veine, regardez à l'image suivante:
Vous pouvez imaginer ce cube comme vu en plongée ou en contre-plongée, mais une fois que vous le voyez d'une perspective, il difficile de revoir la "superposition d'état". En "mesurant" son orientation, vous le projetez sur un des deux états possibles.
"C'est bien, maintenant je peux mesurer mon état quantique et en plus, elle ne bouge plus cette sale bestiole ! "
Pas si vite ! On a bien dit que l'état quantique était décrit par un probabilité. Refaites l'expérience à partir de zéro. Vous voyez le résultat a changé, la taupe n'est plus là cette fois. Encore une fois, allez. Le résultat de la mesure est aléatoire, la mesure ne donne pas le même résultat d'une fois sur l'autre.
Puisque l'état quantique est décrit par une probabilité, le seul moyen de la mesurer est de répéter l'expérience et de faire des statistiques. Dans notre expérience de pensée, si vous refaites l'expérience un grand nombre de fois, vous aurez trois tas de taupes mortes de tailles égales. Vous pourrez alors dire que |>=1/3|1>+1/3|2>+1/3|3> (plus un facteur supplémentaire).
Le résultat de la mesure est aléatoire mais suit une fonction de probabilité.
"Ouhla, je suis un peu paumé. Mais je l'ai bien eue dans le premier trou cette taupe, elle était bien là, pas ailleurs!"
C'est là que la physique quantique est conceptuellement compliquée et que l'interprétation des résultats est peu intuitive.
Tant que la mesure n'a pas été effectuée, l'état quantique est une superpositions de différentes valeurs, et ce, jusqu'à ce qu'une mesure soit effectuée. Le résultat est purement aléatoire, mais suit une distribution de probabilités. La mesure quantique perturbe l'état quantique. En d'autres termes un peu trompeurs : observer un état quantique le détruit.
Qu'on soit bien clair : la théorie concorde avec les résultats et jusqu'à présent il n'y a pas eu d'observation expérimentale qui discrédite que notre description de la physique quantique ne fonctionne pas.
"Non, tu es en train de me mentir, il doit avoir un truc, les différentes taupes se sont mises d'accord et font semblant d'apparaître aléatoirement"
Un des grands opposants à la physique quantique, qui avait une idée similaire, était Einstein ; il a un jour dit "Dieux ne joue pas aux dés !"
C'est un autre point qui a fait débat en physique quantique : l'existence de variables cachées. L'idée, c'est qu'il y aurait une quantité que l'on ne peut pas observer qui influerait sur le système pour le faire paraître aléatoire, mais sans qui le soit vraiment et qu'il y aurait une autre théorie plus générale qui ferait appel à cette variable cachée pour décrire correctement nos observations.
Et bien, non. Il n'y en a pas ! Après de houleux débats, en 1964, John Bell dériva une inégalité, qui si elle est violé, montre qu'il n'y a pas de variable cachées. La première expérience qui démontra la violation de l'inégalité de Bell fût effectuée par Alain Aspect, physicien français.
(Pour être un poil tatillon, ça démontre l'absence de variable cachées locales, ce qui veut dire qu'il pourrait y avoir des variables cachées non-locales. Non locale veut dire que l'information irait plus vite que la vitesse de la lumière. Puisque rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière, ça voudrait dire que la relativité générale est fausse par la même occasion... un peu embêtant, surtout sans preuve expérimentales).
"Je commence à comprendre un peu, mais pourquoi tout n'est pas quantique ? Pourquoi je ne peux pas passer à travers les murs ?"
On revient à ce que j'expliquais précédemment : pourquoi tout n'est pas quantique ? Vous vous souvenez que si vous mesurez l'état quantique de la taupe, il est modifié et devient un état quantique "plus petit" avec "moins de possibilités" (trou 1&2 seulement), jusqu'à ce que vous n'ayez plus que |1>, |2> ou |3> avec 100% de probabilité, ce qui n'est plus vraiment quantique, la taupe est bien à un endroit donné.
Pour mesurer l'état quantique vous devez interagir avec le système, mais en fait vous n'êtes pas le seul à interagir avec le système, l'environnement le fait aussi ! À chaque fois que de la lumière interagit avec l'état quantique, à chaque fois qu'il y a une collision,etc l'état quantique se réduit. Et vu que tout interagit en permanence, tous les objets que vous pouvez voir ne sont plus dans des états quantiques. C'est ce qu'on appelle la "décohérence".
C'est pour ça qu'en physique atomique, on travaille avec des atomes dans des chambres à vide, sinon les collisions avec les molécules d'air suffit à détruit totalement n'importe quel état quantique.
"Mouais, la physique quantique c'est un peu bizarre quand même, moi j'y crois pas"
Effectivement, ce n'est pas du tout intuitif, mais c'est nécessaire pour décrire des observations réelles. Les résultats collent à la théorie.
Ça ouvre le débat sur la question du déterminisme. Avec la mécanique quantique, le déterminisme est conservé, il y a toujours un lien de cause à effet pour tous les phénomènes physiques, même s'il subsiste localement une indétermination. Peut-on avoir un déterminisme universel si un système est localement indéterminé.
Une autre question intéressante est de savoir si les propriétés usuelles (position, vitesse,...) sont vraiment des propriétés intrinsèques aux particules ou non et si cela a du sens décrire les propriétés de certaines particules sans l'observer. Existe-t-elle si on ne l'observe pas? Une fonction d'onde décrit-elle vraiment la réalité ou bien seulement les observations que nous faisons de celles-ci?
La réponse à toutes ces questions dans ces cas-là:
Shut up and calculate!
BONUS: Le chat de Schrödinger
Si vous avez suivi jusqu'ici, le chat de Schrödinger devrait être simple. C'est une expérience de pensée proposée par Erwin Schrödinger en 1935 pour exposer le paradoxe de la mesure. En fait c'est un peu similaire à mes taupes :
Mettez un chat dans une boîte fermée avec une sources de radiations et un compteur Geiger. Si pendant un intervalle d'une minute le compteur mesure une radioactivé supérieur à un certain seuil, un marteau est actionné pour casser une fiole contenant un poison. L'idée c'est que tant que vous n'ouvrez pas la boîte, vous ne savez pas si le chat est vivant ou mort: Il est à la fois mort et vivant jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte.
|chat>=|mort>+|vivant>
je vous conseille d'aller voir la page la page wikipedia sur le chat de Schrödinger, c'est assez intéressant. http://fr.wikipedia.org/wiki/Chat_de_Schrödinger
Voilà, c'est terminé. Beaucoup de blabla, pas beaucoup d'exemples très concrets, je vous l'accorde, mais vous devriez avoir un début d'intuition sur ce qu'est un état quantique et comme le mesurer. N'hésitez pas à poser des questions, aussi bêtes soit-elles, j'y répondrai. Si vous voulez approfondir et que je fasse d'autres vulgarisations, vous pouvez me demander de traiter certains des sujets suivants.
inégalité de Heisenberg
ordinateur quantique
intrication quantique
téléportation quantique
quantification de la lumière et de l'énergie
saut quantique
dualité onde particule
équation de Schrödinger
PS : ça m'a pris beaucoup de temps à écrire pour ne pas raconter trop n'importe quoi et ne pas mettre trop d'équations. Généralement, pour beaucoup de physiciens, la mécanique quantique prend tout son sens dans le cadre du modèle mathématique dans lequel elle a été développée. Il est difficile d'expliquer ses concepts sans outils mathématiques.
Sources:
Principalement wikipedia. Les articles suivants sont intéressants:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Problème_de_la_mesure_quantique
https://fr.wikipedia.org/wiki/Problème_de_la_mesure_quantique
https://fr.wikipedia.org/wiki/Problème_de_la_mesure_quantique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Décohérence_quantique
https://fr.wikipedia.org/wiki/Déterminisme
http://fr.wikipedia.org/wiki/Chat_de_Schrödinger
https://fr.wikipedia.org/wiki/Dualité_onde-corpuscule
https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_de_la_mécanique_quantique
Comme promis durant la campagne pour les VPN, voici mon introduction à la physique quantique pour les bonjourchinois.
Pour ceux qui ne me connaissent pas (je comprendrais vu comment je poste), je fais ma thèse en physique atomique en Chine avec un professeur allemand. J'insiste dès maintenant sur le fait que c'est de la physique atomique, pas nucléaire, ça veut dire que c'est de la physique mais je fais gentiment joujou avec des atomes sans chercher à dominer le monde.
Je vais essayer d'expliquer simplement ce qu'est la physique quantique pour des non-scientifiques, en essayant d'expliquer les concepts sans utiliser d'équations compliquées. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à les poser, j'y répondrai. Pour les plus scientifiques d'entre vous, il est possible que j'ai simplifié un peu trop, n'hésitez pas à compléter.
Je vais essayer d'avoir un approche un peu différente par rapport à ce que l'on verrait dans un cours de mécanique quantique(=physique quantique). J'espère que je ne raconterai pas trop de bêtises
"Physique quantique", mais quoi ce truc?
- D'abord, le terme "physique", pour mettre les choses au clair. Ma définition perso: c'est la science qui consiste à faire des approximations justifiées pour pouvoir décrire des observations obéissants aux lois de la nature. J'insiste sur le fait que toute loi physique est valide uniquement dans le cadre de certaines approximations, physique quantique y compris ! Ça veut donc dire que la physique quantique ne remet pas en cause le monde tel que vous le connaissez, mais qu'elle est nécessaire pour décrire certains régimes. De plus, n'essayer pas d'y chercher un sens, la méta-physique est là pour ça, pas la physique. Ce qui se retrouve dans la célèbre et élégante citation "Shut up and calculate!".
- Ensuite, "quantique". Petit historique rapide. Si vous voulez plus de détails, allez voir sur wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_de_la_mécanique_quantique, c'est très intéressant et montre comment se construit une théorie en physique. En ce qui nous concerne ici, en 1900, Max Planck, un physicien allemand, a émis l'idée que l'énergie émise sous forme de lumière par les atomes (ces petits billes de matières qui constituent ce qui nous entourent) est quantifiée. Les atomes émettent des "quanta" d'énergie lumineuse (ou en termes plus pompeux: d'onde électromagnétiques) de façon discrète (à opposer à continue). C'est ce qui a donné son nom à la mécanique quantique.
C'est bien joli, mais on est toujours pas plus avancé.
Dans quelle cadre s'intéresse-t-on à la physique quantique?
Prenez le premier truc qui vous tombe sous la main ; tenez, votre souris d'ordinateur. Balancez la contre le mur : comment décrire sa trajectoire est bien expliquée par la mécanique dite "classique" telle qu'introduite par Newton au XVIIIème siècle (puis dévelopée par Lagrange, Hamilton,etc.).
Vu qu'elle ne marche plus, broyez la en petit morceaux: les propriétés des matériaux qui la composent sont décrites pas la physique de la matière condensé (tandis que la chimie s'intéresse au processus nécessaires à la production de ces matériaux).
À ce stade on peut souvent modéliser les atomes par des petites billes reliées entre elle par des ressorts. Maintenant si vous êtes très très doué et que vous arrivez à récupérer quelques uns de ces atomes, il n'est plus possible de les décrire avec les mêmes lois physiques: bienvenue dans le monde de la physique quantique, là où l'on joue avec quelques atomes isolés, quelques électrons (les particules responsables du courant que vous avez dans vos prises électriques et un de composants des atomes) ou éventuellement quelques photons (les "particules" élémentaire de la lumière, ces quantas d'énergie dont on a parlé précédemment). C'est donc une physique des très basses énergies, on y reviendrai plus loin.
Petit aparté pour terminer l'histoire, prenez ce qui reste de feu votre souris, c'est à dire un amas d'atomes, placez ça dans un accélérateur de particules tel que le CERN. Ensuite accélérez le tout et observez les collisions entre atomes: si les énergies sont suffisantes, vous arriverez dans un premier temps à casser le noyau des atomes, c'est ce qui est généralement étudié en physique nucléaire (pas forcément avec un accélérateur de particules cela dit !), si vous augmentez encore l'énergie, vous arriverez à décomposer les constituants du noyau, à savoir les neutrons et les protons, pour obtenir des quarks ou bien vous pourrez aussi obtenir des anti-particules. C'est ce qui est étudié en physique des particules.
Quelques principes de la physique quantique
Maintenant qu'on a placé le cadre, rentrons dans la vif du sujet, on parlera des expériences historiques plus tard. Voici quelques principes de la physique quantique.
Vous avez sans doute appris à l'école qu'un atome ça ressemble plus ou moins à ça:
Un noyau composé de protons (chargés positivement) et de neutrons (non chargés), avec des électrons (chargé négativement) qui orbitent autour. C'est le modèle de Bohr.
En vrai c'est plus compliqué, l'atome ressemble plus à quelque chose comme ça:
"Mais c'est quoi ce truc?"
C'est ce que l'on appelle le nuage électronique, l'électron est délocalisé, le noyau aussi (mais pas autant, j'ai un peu exagéré le schéma). Il n'est pas à un endroit défini, mais il a une probabilité de présence. On ne peut pas décrire où il est exactement, mais l'on peut décrire quelle est la probabilité pour l'électron d'être à un endroit donné.
On décrit cette probabilité de présence par un état quantique, le plus souvent noté |Ψ>. Si vous voyez ce symbole dans un film ou ailleurs, vous pouvez être sûr que c'est de la physique quantique dont il s'agit.
Un état quantique est souvent décrit comme une onde (et non comme une particule), est appelée "fonction d'onde", c'est une fonction qui décrit l'état quantique en termes de probabilités. Cette fonction d'onde est censé contenir toutes les informations à propos du système/de la particule (énergie, position, vitesse,...). On a accès à ces informations uniquement en les mesurant/observant (voir plus loin).
Un état peut être continu, comme la position d'un électron dans l'espace, ou discret, c'est-à-dire qu'il prend certaines valeurs seulement. Un état quantique peut décrire une propriété interne de la particule: son niveau d'énergie, son spin (on gardera ça pour une autre fois, mais mémorisez le mot),...
Pour vous donner une idée, à quoi peu ressembler un état quantique discret, imaginons qu'une propriété d'une particule soit sa couleur (c'est juste pour l'exemple ! Une telle propriété n'existe pas en tant que telle !):
Comme pour la position de la particule, on a une probabilité. Au lieu d'avoir d'avoir une probabilité de présence on a une probabilité qui décrit la couleur. 50% bleu/50% rouge, 80% bleu /20 % rouge, 10% bleu/90% rouge, mais l'on pourrait aussi avoir 100% bleu ou bien 100% rouge ! Ce genre de combinaison est appelée "superposition d'états". C'est ce qui rend la physique quantique si particulière, ce n'est ni bleu, ni rouge, mais les deux à la fois.
"Je comprends rien à ton charabia, plus important, il est toujours là l'électron?"
Oui, pas de panique, si l'on somme la probabilité sur tous les points de l'espace, on doit avoir une probabilité de 1 (100%), c'est à dire que l'électron est toujours intégralement là, juste délocalisé, un peu partout à la fois.
"Mais pourquoi un électron? Pas autre chose?"
Effectivement ça ne marche pas uniquement avec les électrons. Ça marche avec les autres particules, mais pas que ! Un atome aussi peut être délocalisé...mais ça marche aussi avec des molécules, c'est à dire plusieurs atomes liés les uns aux autres.
Les photons, ces "particules" de lumières peuvent être décrits ainsi. Mais pour ne pas compliquer les choses on en parlera plus tard.
*Mais, si des molécules peuvent être dans états quantiques, pourquoi pas des objets plus gros? Moi aussi je veux être quantique, ça a l'air cool!"
C'est une bonne question, la limite entre "quantique" (délocalisé et décrit par la mécanique quantique) et "classique" (la physique à notre échelle sans tous ces phénomènes bizarres) est quelque chose qui intéresse encore les physiciens. En physique, il est toujours facile de déterminer les cas limites (tout classique ou tout quantique), mais les cas intermédiaires sont toujours plus difficiles à évaluer !
Pour savoir savoir si un objet est quantique, il y a une quantité simple à estimer qui permet de donner une vague idée, la longueur d'onde de de Broglie:
=h/p
lambda est une distance. h est la constante de Planck, une constante fondamentale qui intervient partout en physique quantique, elle a une très petite valeur. p est la quantité de mouvement p=mv, avec m la masse de l'objet et v sa vitesse.
Cette quantité est la distance sur laquelle l'objet en question est délocalisé. Si l'on prend un objet macroscopique, vous par exemple, cette longueur est beaucoup plus petite qu'un atome ! Donc non, vous ne passerez pas à travers les murs (ce qui serait possible pour une particule quantique...). Après ce n'est qu'une vague approximation!
"C'est cool d'avoir une particule qui est partout à la fois, mais comment on fait pour savoir c'est quoi son état quantique? Si elle bouge tout le temps je ne peux rien voir ! "
On touche là un des points sensibles de la physique quantique qui la rend si particulière : la mesure.
En effet, comment savoir quelle est cette distribution de probabilité? Il faut avoir une façon de l'observer.
Imaginez un jeu de la taupe quantique ("whack-a-mole" en anglais) comme ci-dessous:
on a une superposition entre les trois états |1>, |2> et |3>, avec 1/3 de probabilité pour chaque trou. |Ψ>=1/3|1>+1/3|2>+1/3|3> (à un facteur près). On veut déterminer l'état quantique de la taupe. L'état quantique contient plusieurs informations mais celle qui nous intéresse est la position.
Imaginez que vous ne puissiez pas voir où est la taupe, à moins d'essayer de "mesurer" où elle est, vous n'en savez rien.
Comment faites-vous pour déterminez où elle est? C'est simple, vous tapez ! Disons sur le trou 1.
Si vous avez réussi votre coup, la taupe est un peu plus plate est un peu moins vivante, mais au moins elle ne bouge plus désormais mais vous savez où elle est ! En physique quantique c'est pareil : la mesure est destructive. Si vous mesurez la position d'un électron, sa position devient fixe et l'état quantique original est altéré.
On est à des niveau d'énergie très bas, il n'est donc pas possible de mesurer un système sans le perturber. Vous avez fait ce que l'on appelle un projection sur l'état |1> et créé un nouvel état quantique ; pour le comprendre regardez plutôt le cas où vous avez raté votre coup. La taupe continue de sa balader entre |2> et |3> ! Cette superposition est aussi un état quantique, mais quoi que vous fassiez le premier trou est définitivement bloqué, vous avez projeté dans un sous-espace constitué des trous 2 et 3. Un peu comme lorsque vous prenez une photo, le sujet passe de la 3D à la 2D. Cela s'appelle la "réduction du paquet d'onde".
À chaque fois que vous mesurez un état quantique, vous le modifiez, mais vous avez besoin de le mesurer pour pouvoir le déterminer.
Un peu dans la même veine, regardez à l'image suivante:
Vous pouvez imaginer ce cube comme vu en plongée ou en contre-plongée, mais une fois que vous le voyez d'une perspective, il difficile de revoir la "superposition d'état". En "mesurant" son orientation, vous le projetez sur un des deux états possibles.
"C'est bien, maintenant je peux mesurer mon état quantique et en plus, elle ne bouge plus cette sale bestiole ! "
Pas si vite ! On a bien dit que l'état quantique était décrit par un probabilité. Refaites l'expérience à partir de zéro. Vous voyez le résultat a changé, la taupe n'est plus là cette fois. Encore une fois, allez. Le résultat de la mesure est aléatoire, la mesure ne donne pas le même résultat d'une fois sur l'autre.
Puisque l'état quantique est décrit par une probabilité, le seul moyen de la mesurer est de répéter l'expérience et de faire des statistiques. Dans notre expérience de pensée, si vous refaites l'expérience un grand nombre de fois, vous aurez trois tas de taupes mortes de tailles égales. Vous pourrez alors dire que |>=1/3|1>+1/3|2>+1/3|3> (plus un facteur supplémentaire).
Le résultat de la mesure est aléatoire mais suit une fonction de probabilité.
"Ouhla, je suis un peu paumé. Mais je l'ai bien eue dans le premier trou cette taupe, elle était bien là, pas ailleurs!"
C'est là que la physique quantique est conceptuellement compliquée et que l'interprétation des résultats est peu intuitive.
Tant que la mesure n'a pas été effectuée, l'état quantique est une superpositions de différentes valeurs, et ce, jusqu'à ce qu'une mesure soit effectuée. Le résultat est purement aléatoire, mais suit une distribution de probabilités. La mesure quantique perturbe l'état quantique. En d'autres termes un peu trompeurs : observer un état quantique le détruit.
Qu'on soit bien clair : la théorie concorde avec les résultats et jusqu'à présent il n'y a pas eu d'observation expérimentale qui discrédite que notre description de la physique quantique ne fonctionne pas.
"Non, tu es en train de me mentir, il doit avoir un truc, les différentes taupes se sont mises d'accord et font semblant d'apparaître aléatoirement"
Un des grands opposants à la physique quantique, qui avait une idée similaire, était Einstein ; il a un jour dit "Dieux ne joue pas aux dés !"
C'est un autre point qui a fait débat en physique quantique : l'existence de variables cachées. L'idée, c'est qu'il y aurait une quantité que l'on ne peut pas observer qui influerait sur le système pour le faire paraître aléatoire, mais sans qui le soit vraiment et qu'il y aurait une autre théorie plus générale qui ferait appel à cette variable cachée pour décrire correctement nos observations.
Et bien, non. Il n'y en a pas ! Après de houleux débats, en 1964, John Bell dériva une inégalité, qui si elle est violé, montre qu'il n'y a pas de variable cachées. La première expérience qui démontra la violation de l'inégalité de Bell fût effectuée par Alain Aspect, physicien français.
(Pour être un poil tatillon, ça démontre l'absence de variable cachées locales, ce qui veut dire qu'il pourrait y avoir des variables cachées non-locales. Non locale veut dire que l'information irait plus vite que la vitesse de la lumière. Puisque rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière, ça voudrait dire que la relativité générale est fausse par la même occasion... un peu embêtant, surtout sans preuve expérimentales).
"Je commence à comprendre un peu, mais pourquoi tout n'est pas quantique ? Pourquoi je ne peux pas passer à travers les murs ?"
On revient à ce que j'expliquais précédemment : pourquoi tout n'est pas quantique ? Vous vous souvenez que si vous mesurez l'état quantique de la taupe, il est modifié et devient un état quantique "plus petit" avec "moins de possibilités" (trou 1&2 seulement), jusqu'à ce que vous n'ayez plus que |1>, |2> ou |3> avec 100% de probabilité, ce qui n'est plus vraiment quantique, la taupe est bien à un endroit donné.
Pour mesurer l'état quantique vous devez interagir avec le système, mais en fait vous n'êtes pas le seul à interagir avec le système, l'environnement le fait aussi ! À chaque fois que de la lumière interagit avec l'état quantique, à chaque fois qu'il y a une collision,etc l'état quantique se réduit. Et vu que tout interagit en permanence, tous les objets que vous pouvez voir ne sont plus dans des états quantiques. C'est ce qu'on appelle la "décohérence".
C'est pour ça qu'en physique atomique, on travaille avec des atomes dans des chambres à vide, sinon les collisions avec les molécules d'air suffit à détruit totalement n'importe quel état quantique.
"Mouais, la physique quantique c'est un peu bizarre quand même, moi j'y crois pas"
Effectivement, ce n'est pas du tout intuitif, mais c'est nécessaire pour décrire des observations réelles. Les résultats collent à la théorie.
Ça ouvre le débat sur la question du déterminisme. Avec la mécanique quantique, le déterminisme est conservé, il y a toujours un lien de cause à effet pour tous les phénomènes physiques, même s'il subsiste localement une indétermination. Peut-on avoir un déterminisme universel si un système est localement indéterminé.
Une autre question intéressante est de savoir si les propriétés usuelles (position, vitesse,...) sont vraiment des propriétés intrinsèques aux particules ou non et si cela a du sens décrire les propriétés de certaines particules sans l'observer. Existe-t-elle si on ne l'observe pas? Une fonction d'onde décrit-elle vraiment la réalité ou bien seulement les observations que nous faisons de celles-ci?
La réponse à toutes ces questions dans ces cas-là:
Shut up and calculate!
BONUS: Le chat de Schrödinger
Si vous avez suivi jusqu'ici, le chat de Schrödinger devrait être simple. C'est une expérience de pensée proposée par Erwin Schrödinger en 1935 pour exposer le paradoxe de la mesure. En fait c'est un peu similaire à mes taupes :
Mettez un chat dans une boîte fermée avec une sources de radiations et un compteur Geiger. Si pendant un intervalle d'une minute le compteur mesure une radioactivé supérieur à un certain seuil, un marteau est actionné pour casser une fiole contenant un poison. L'idée c'est que tant que vous n'ouvrez pas la boîte, vous ne savez pas si le chat est vivant ou mort: Il est à la fois mort et vivant jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte.
|chat>=|mort>+|vivant>
je vous conseille d'aller voir la page la page wikipedia sur le chat de Schrödinger, c'est assez intéressant. http://fr.wikipedia.org/wiki/Chat_de_Schrödinger
Voilà, c'est terminé. Beaucoup de blabla, pas beaucoup d'exemples très concrets, je vous l'accorde, mais vous devriez avoir un début d'intuition sur ce qu'est un état quantique et comme le mesurer. N'hésitez pas à poser des questions, aussi bêtes soit-elles, j'y répondrai. Si vous voulez approfondir et que je fasse d'autres vulgarisations, vous pouvez me demander de traiter certains des sujets suivants.
inégalité de Heisenberg
ordinateur quantique
intrication quantique
téléportation quantique
quantification de la lumière et de l'énergie
saut quantique
dualité onde particule
équation de Schrödinger
PS : ça m'a pris beaucoup de temps à écrire pour ne pas raconter trop n'importe quoi et ne pas mettre trop d'équations. Généralement, pour beaucoup de physiciens, la mécanique quantique prend tout son sens dans le cadre du modèle mathématique dans lequel elle a été développée. Il est difficile d'expliquer ses concepts sans outils mathématiques.
Sources:
Principalement wikipedia. Les articles suivants sont intéressants:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Problème_de_la_mesure_quantique
https://fr.wikipedia.org/wiki/Problème_de_la_mesure_quantique
https://fr.wikipedia.org/wiki/Problème_de_la_mesure_quantique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Décohérence_quantique
https://fr.wikipedia.org/wiki/Déterminisme
http://fr.wikipedia.org/wiki/Chat_de_Schrödinger
https://fr.wikipedia.org/wiki/Dualité_onde-corpuscule
https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_de_la_mécanique_quantique
Dernière édition:
, enfin quelqu'un qui tient ses promesses de campagne!!!
désolé, il y en a peut-être qui vont aller vite, pour moi, ça va être doucement.