Pour bien comprendre les mystères et les anomalies de la physique quantique nous allons, le temps de cet article, nous plonger dans le monde des particules.
Depuis quelques années, les concepts de physique quantique sont devenus des termes familiers en faisant la une de certains articles. La physique quantique est devenue avec le temps un sujet populaire qui fascine autant qu’il divise.
L’homme se situe entre deux infinis, l’infiniment grand et l’infiniment petit. Si le premier vous est familier, il serait dommage de passer à coté du second.
La physique quantique est déroutante et ses interprétations mettent en lumière les bizarreries et les paradoxes qui font de cette science un sujet récurent de vulgarisation.
La physique quantique expliquée simplement.
La physique est l’étude de la matière et de l’énergie, et au début du XXe siècle, on avait développé un cadre élégant et très complet pour expliquer la plupart des faits ordinaires.
Or, la compréhension des objets macroscopiques dépend étroitement de leur composants microscopiques.
Face à la révolution quantique, nous avons appris que les petits bouts de matières uniques et indivisibles que sont les atomes volent en éclat.
Lorsque l’on plonge au cœur de la matière, dans le monde des particules, nous sommes confrontés aux propriétés étranges de la Physique quantique.
Cette physique nous a permis de nous rendre compte qu’à l’intérieur des atomes, la matière est constituée de 3 particules (quark up, quark down et l’électron).
Il faut avoir à l’esprit que tout notre monde physique se construit à partir de ces trois éléments. Un sujet abordé plus profondément dans notre article: La composition de l’univers, de quoi le monde qui nous entoure est-il fait ?
Si vous êtes surpris à l’idée de savoir que ces trois éléments sont les fondations de votre réalité physique, vous allez être surpris en observant le comportement de ces particules.
Comprendre la dualité onde corpuscule.
Au début du XXe siècle, l’idée selon laquelle la lumière et l’électricité étaient des ondes tandis que la matière était constituée de particules fut ébranlé.
Plusieurs expériences mirent en évidence que les électrons comme les photons subissent des phénomènes de diffraction et d’interférences.
Schématiquement, on peut observer qu’il existe d’une part, les corpuscules qui représentent les grains ultimes de la matière. D’autre part, qu’il existe les ondes qui elles, symbolisent la façon dont l’énergie et l’information se
transmettent dans la matière.
La physique quantique nous apprend qu’à travers la dualité onde corpuscule, 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)
Aussi bizarre que cela puisse paraitre, ondes et corpuscules sont les deux faces d’une même médaille.
Finalement, Il n’y a ni objet, ni ondes, mais un concept qui intègre ces deux propriétés en même temps.
Le principe d’incertitude de la Physique Quantique.
Le principe d’incertitude énonce que pour une particule donnée, il est impossible de connaître simultanément sa position et sa vitesse exactes.
Pour expliquer simplement ce phénomène quantique, il faut savoir que 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
Il ne s’agit pas là d’un manque de technologie, mais d’une impossibilité physique.
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 conséquent, 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.
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.
Le 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 observée, et les deux particules communiquent entre elles, mais ne se sont pas envoyé de message. Comment communiquent-elles ? Une question qui, à ce jour, est sans réponse.
Mais le plus surprenant, vient du fait que la non-localisation ne s’applique pas uniquement aux particules avec séparation spatiale, mais également aux particules avec une 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 généré et entièrement caractérisé une paire de photons intriqués qui n’ont jamais coexisté. (source: Phys. Rev. Lett. 110)
Le saut quantique expliqué simplement.
Le saut quantique peut être représenté par une échelle d’énergie de l’électron. Il faut savoir que les électrons sont disposés autour du noyau sur des couches d’énergie différentes qui rappellent les orbites des planètes.
Les premières théories de l’atome prédisaient que les électrons en orbite devaient perdre de l’énergie et tomber petit à petit vers le noyau.
Or ce n’est pas le cas, Max Planck a découvert que l’électron ne peut se trouver que sur des orbites particulières correspondant à des niveaux d’énergies. Il y a un niveau d’énergie incompressible qui empêche l’écrasement sur le proton, un quanta minimum d’énergie.
Quant au physicien Niels Bohr, il a décrit comment les électrons peuvent sauter d’une couche à une autre en émettant ou absorbant un rayonnement correspondant à la différence d’énergie entre les couches. Ce sont des sauts quantiques.
L’effet tunnel, réussir l’impossible.
L’effet tunnel fait partie des nombreuses anomalies révélées par la physique quantique.
Lorsque vous lancez une balle de tennis contre un mur, celle-ci va rebondir et revenir vers votre position. Mais imaginez maintenant que cette balle traverse le mur. C’est ce qui peut se produire à l’échelle atomique.
Nous venons de voir à travers le saut quantique, que les électrons tournent autour du noyau, mais il ne suit pas sagement une seule orbite comme le ferait une planète, mais peut être partout à la fois. (Souvenez-vous du principe d’incertitude)
Par conséquent, l’électron occupe une zone, avec une certaine probabilité. Maintenant, imaginez que cette particule parvienne à s’échapper de son orbite.
L’effet tunnel est la capacité qu’a une particule, dans le monde quantique, d’accéder à un niveau d’énergie qu’elle ne pourrait pas atteindre. Ainsi, il existe une probabilité d’observer la particule en dehors du noyau, là où la colle nucléaire ne se fait plus sentir.
Il faut savoir qu’une particule, une molécule et même un chat peuvent être décrits par une onde, représentée par la fonction d’onde de Schrödinger.
L’effet tunnel autoriserait un cheval à franchir une haie trop haute pour lui, parce que sa fonction d’onde traverserait la haie.
Comprendre facilement pourquoi le vide n’est pas vide.
La mécanique quantique et le principe d’incertitude ont modifié de fond en comble notre vision du vide.
En physique classique, nous pouvons définir le vide comme une portion d’espace ne contenant aucune particule élémentaire et où la valeur des champs de force est nulle en chaque point.
Mais en physique quantique, le principe d’incertitude qui se caractérise par la relation position-mouvement, fait savoir précisément qu’il n’existe aucune particule à un endroit déterminé.
Par conséquent, nous ne savons rien de son mouvement, ni de son énergie à cet endroit.
Le principe d’incertitude nous dit que nous pouvons éliminer toute masse et toute matière en un point déterminé, mais qu’il restera toujours une certaine quantité d’énergie minimale en cet endroit.
Quoi que nous fassions, il restera toujours en tout point de l’espace une énergie de base impossible à supprimer. Les physiciens l’appellent l’énergie du point zéro qui correspond à l’énergie minimum que l’espace puisse posséder.
Une vision plus riche du monde.
La physique quantique nous offre une vision plus précise et plus riche du monde atomique et subatomique.
Mais son interprétation remet considérablement en cause notre réalité physique.
Au cours d’un voyage en chine en 1937, le célèbre physicien Niels Bohr a été profondément impressionné par le concept taoïste des pôles opposés le yin et le yang qui façonnent le réel.
Dans le taoïsme, l’univers est façonné par l’action dynamique de deux forces polaires le Yin et le Yang.
Or la physique quantique fait également intervenir deux forces opposées pour décrire la naissance de l’univers matière et antimatière. ( voir notre article: Physique quantique et spiritualité ces liens qui les unissent )
Dix ans plus tard, quand le physicien Niels Bohr a été fait chevalier par le roi du Danemark pour ses travaux scientifiques, il choisira pour blason le symbole représentant le couple Yin et Yang et la mention Contraria sunt complementa.
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