Pour bien comprendre les mystères et les bizarreries de la physique quantique, allons faire un tour dans le monde des particules. Commencez à rétrécir sur vous-même,  vous allez apercevoir  vos cellules, en continuant vos molécules. Poursuivez encore et encore  jusqu’à atteindre un univers de molécules qui sont eux même constitués d’atomes.

Avant la révolution de la physique quantique, les atomes  constituaient les ultimes grains de matières. Cette idée est loin d’être nouvelle, elle remonte même depuis l’antiquité. Il y a 2500 ans le philosophe grec Leucippe et son disciple Démocrite ont, les premiers, suggéré que toute matière était composée de particules infimes et invisibles à l’œil nu.

En 1808 un chimiste anglais, Joseph Dalton, démontre que deux gaz quelconques se combinent toujours dans des proportions de poids simples. Ainsi 1 g de dihydrogène réagit avec 8 g de dioxygène pour former 9 g d’eau. Selon Dalton, ces résultats s’expliquent si l’on suppose que la matière est constituée de petites particules indivisibles imaginées par les Grecs (les atomes).

Comprendre facilement les bases de la physique quantique.

Mais ces petits bouts de matières unique et indivisible que sont les atomes volent en éclat. Bienvenue au cœur de la matière, dans le monde des particules et des propriétés étranges de la Physique quantique. Cette physique nous a permis de nous rendre compte que dans les atomes la matière est constituée de 3 particules (quark up, quark down et l’électron)

 

comprendre la composition de l'atome en physique quantique

La représentation d’un atome et de son noyau en physique quantique. Les Quarks sont a l’intérieur des protons et des neutrons qui constituent le noyau.

C’est à cette échelle que ce produit ce qu’on appelle  « les bizarreries quantiques »

La dualité onde corpuscule de la Physique Quantique.

Pour  Schématiquement il existe les corpuscules qui représentent les grains ultimes de la matière. Les ondes quant à elles symbolisent la façon dont l’énergie et l’information se transmettent dans la matière.  La dualité onde corpuscule nous explique que la matière peut se transformer en énergie, mais que l’énergie peut également se transformer en matière. (Voir article: comprendre facilement la dualité onde particule de la physique quantique)

Les ondes sont des grains de matières et les grains de matières sont des ondes aussi bizarres que cela puisse paraître.

Il n’y a ni objet, ni ondes, mais un concept  qui intègre ces deux propriétés en même temps. Ce qui n’est pas évident à visualiser à notre échelle. La dualité onde corpuscule nous explique qu’en dehors de l’observation, une particule n’a pas d’existence définie en un point de l’espace.

Le principe d’incertitude de la Physique Quantique.

Ce principe est une des conséquences directes de l’article précédent, c’est à dire de la dualité onde corpuscule. Le principe d’incertitude énonce que contrairement à la mécanique classique, pour une particule donnée, il est impossible de connaître simultanément sa position et sa vitesse exacte.

Si l’on connait le mouvement d’une particule, nous ignorons à quelle vitesse celle-ci se déplace. En revanche si l’on parvient à mesurer sa vitesse nous ignorons dans quelle direction elle se dirige.

Heisenberg le résume ainsi :

« Plus on détermine la position d’une particule avec précision, moins on pourra déterminer avec précision sa quantité de mouvement au même instant et vice versa. »

 

Quelle que soit la façon d’optimiser le procédé de mesure, vous ne pourrez jamais connaitre en même temps la position d’une particule et sa vitesse.

 

« Une trajectoire commence à exister au moment où nous l’observons »  Heisenberg

 

La trajectoire passé et future de la particule ne peut tout simplement pas être prédite, puisqu’on ne connait ni sa vitesse, ni sa position à la fois. Par conséquence, le passé et le futur de la particule deviennent flous.

Le principe d’incertitude nous révèle que, même si tout est déterministe, la réalité dernière reste indéterminable. C’est un peu comme ci la nature cachait son secret. Einstein lui-même n’a jamais voulu accepter cette notion d’incertitude.

La réduction du paquet d’ondes en physique quantique.

Dans l’ouvrage le cantique des quantiques il est cité un exemple parlant:

« Un atome errant dans le vide se désexcite et émet un photon. Ce photon se présente sous la forme d’une onde issue de l’atome. Il se développe à la vitesse de la lumière en occupant une surface considérable dans l’espace. Mais supposons qu’un observateur sur terre est installé une cellule photoélectrique, qui par chance détecte se photon et enregistre son signal.

Dans ce cas l’onde qui occupait une surface considérable s’effondre, elle disparaît instantanément, et plus personne ne pourra détecter ce photon ».

 

C’est  « la réduction du paquet d’onde »  créant ainsi l’effondrement de la fonction d’onde.

Pour imaginer ce phénomène à notre échelle, imaginez-vous un crayon.  Jetez le en l’air de toutes vos forces sans le regarder, ni le mesurer, le filmer etc…. Dès que le crayon quitte votre main, il commence à s’étaler si personne ne l’observe, il se retrouve dans état quantique et perd sa localisation précise.  Ce crayon devient une onde dans l’espace-temps et suit une trajectoire ondulatoire.  Il n’est plus quelque part, mais nulle part et potentiellement partout.

Ce crayon fait partie de votre réalité, bien qu’il n’existe plus en tant qu’objet. Levez votre tête et regardez-le à nouveau, il perdra sa fonction d’onde et redeviendra votre crayon. C’est « la réduction du paquet d’ondes ». Cela semble invraisemblable mais c’est un véritable fait, dont les expériences ne sont plus à prouver, à l’échelle des particules . Là encore c’est une des conséquences de la dualité onde-particule.

Le principe de non localité en Physique quantique.

Ce principe est une conséquence de l’intrication quantique. Il établit que deux objets quantiques séparés par des distances colossales conservent une sorte de lien instantané. Toute action sur l’un aura des répercussions sur l’autre.

L’exemple du physicien Hal Puthoff l’explique de cette manière.

« On peut le comparer à deux bâtons plantés dans le sable, au bord de la mer. Ils sont  sur le point d’être frappés par une vague déferlante.  Si vous ne saviez rien de la vague, et que les deux bâtons tombaient l’un après l’autre à cause de cette vague, vous pourriez penser qu’un bâton a eu un effet à distance sur l’autre et qualifier cela d’effet non local ».

Pour nos particules aucune vague matérielle ne peut être observées, et les deux particules communiquent entre elles, mais ne se sont pas envoyées de message !!  Alors comment communiquent-elles ?  Un mystère qui demeure encore, mais il y a un autre paradoxe et pas des moindre !!

La non-localisation de la mécanique quantique, telle que se traduit par un enchevêtrement, ne s’applique pas uniquement aux particules avec séparation spatiale, mais également aux particules avec séparation temporelle.

Autrement dit deux photons n’ayant jamais coexisté temporellement  pouvaient être intriqués. On parle de « non localité temporelle ».  Une étude l’a confirmé en 2013. Afin de démontrer ces principes, ils ont générés et entièrement caractérisés une paire de photons intriqués qui n’ont jamais coexisté. (source: Phys. Rev. Lett. 110)

Comprendre facilement le célèbre chat de Schrödinger.

Pour comprendre la physique quantique, Schrödinger imagine une expérience  dans laquelle un chat est enfermé dans une boîte où se trouve un matériau radioactif. On retrouve également un dispositif de détection de radioactivité couplé à un petit marteau et une fiole de poison.

Si le matériau radioactif se désintègre et émet une particule qui agit sur le marteau, celui-ci s’abat sur la fiole qui tue immédiatement le chat.

 

Comprendre la physique quantique avec le chat de schrödinger

En physique quantique l’expérience du chat de Schrödinger révèle un véritable paradoxe

On imagine qu’il y a une chance sur deux pour que le matériau radioactif émette une particule au bout d’un temps arbitraire. Par exemple égal à une heure.

Autrement dit au bout d’une heure les dés sont jetés. Soit la particule n’est pas émise par le matériau radioactif, soit elle l’est, mais, quoi qu’il en soit le système n’évolue plus !!

Or la mécanique quantique précise que tant que l’on n’ouvre pas la boite pour observer, l’atome se trouve en même temps dans les deux états. C’est-à-dire à la fois dans  état intact, particule non émise. Mais également désintégré, particule émise.  La mesure ou l’observation a pour effet de choisir une valeur pour le système et d’en faire le résultat.

Ce qui revient à dire que selon les lois de la physique quantique, le chat est à la fois vivant et mort hors observation ou mesure. Pourtant, si nous ouvrons la boîte, nous pourrons observer que le chat est soit mort, soit vivant.

Pourquoi avoir créer le chat de Schrödinger ?

Schrödinger, a créé cette expérience de pensée pour réfuter à l’époque les découvertes en physique Quantique. La fonction d’onde donnant lieux à des « états superposés »  était une idée nouvelle difficilement acceptable.

Il est évident que l’interprétation orthodoxe de la physique quantique menant à un chat à la fois mort et vivant montre que la mécanique quantique obéit à des lois souvent contraires à notre intuition.

Pire, on se rend compte que la question n’est pas « comment est-ce possible dans le monde quantique ? » mais « comment est-ce impossible dans le monde macroscopique ? ».

Ce chat mort-vivant peut apparaître comme une expérience de pensée folle. Mais c’est une bonne introduction à la complexité de la mécanique quantique et toutes les questions qu’elle soulève. Les interprétation de toutes ces expériences ne créent pas l’unanimité.

 

comprendre la physique quantique avec l'arbre des solutions

Arbre des solutions au problème de la mesure

 

Sur cette arbre on peut apercevoir les différents courant de pensées qui en découlent. Théories des mondes parallèles introduite par Everett, Tandis que De Broglie et Bohm y voient une variable cachée non locale.

D’autres comme Wigner y voient une influence de la conscience. Pour eux, la réalité matérielle du monde serait déterminée par notre conscience, et celle-ci est unique (deux observateurs humains doivent percevoir la même chose). Cette solution peut être vue comme une variante de la solution « avec variables cachées », où le « paramètre supplémentaire » serait la conscience.

Il est difficile de donner un sens à toutes ces « bizarreries » et de comprendre pleinement la physique quantique. Une courte vidéo pour visualiser la superposition d’état et la décohérence.

Sources: Leçons de physique quantique, comprendre la physique quantique, wikipedia, Phys. Rev. Lett. 110

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