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MIEUX COMPRENDRE LA PHYSIQUE QUANTIQUE

Publié par medisma sur 9 Juin 2015, 17:21pm

 

MIEUX COMPRENDRE LA PHYSIQUE QUANTIQUE

Ce dossier de vulgarisation va vous permettre de mieux comprendre la théorie quantique. Il explique et analyse très simplement le concept et ses implications, par le truchement d'une description du monde atomique.

La physique quantique : vers la recherche d’un absolu...

Bien des physiciens croient que la meilleure façon de décrire le monde de l'atome demeure le modèle mathématique, et qu'à travers les équations nous pouvons entrevoir la façon complexe dont le monde microscopique est ordonné.

Mais un orage souffle sur la physique du vingtième siècle, faisant trembler ses fondations et jetant la confusion sur la nature même de ses concepts les plus ultimes.

Véritable révolution qui vient jeter un pavé dans la mare pourtant si tranquille de nos croyances acquises jusqu'alors, la physique quantique se révèle une théorie sans commune mesure avec tout ce qu'on croyait savoir au sujet du monde atomique.

La théorie quantique décrit un monde étrange, où l'on découvre que la matière qui constitue tout notre univers, et qui semble pourtant bien localisée dans l'espace est en fait « étendue » quelque part. Les repères comme ici et là-bas, qui sont si cohérents à notre échelle perdent toute signification dès qu'on franchit les limites du monde atomique.

 

La Fonction d'onde

L'équation établie par Edwin Shrodinger en 1927, décrit les particules non comme des points matériels bien tangibles, mais comme une fonction d'onde, une sorte de « fantôme » de la particule, en quelque sorte. Là où il y a un effondrement de la fonction d'onde, se trouve délimitée une zone de probabilité non nulle où l'on a des chances de trouver la particule.

Vous avez deviné... la physique quantique est d'abord et avant tout une théorie probabiliste ; le concept de fonction d'onde n'a aucune équivalence dans le monde réel, ce n'est qu'un formalisme mathématique très pratique pour décrire le monde quantique.

 

La constante de planck

Le physicien Max Planck apporta une très grande contribution à la théorie quantique ; il découvrit la valeur d'une constante qui portera son nom et qui exprime le seuil d'énergie minimum que l'on puisse mesurer sur une particule.

Voyons maintenant la valeur de cette constante : h = 6,63 . 10 -34 joules.seconde.

Planck découvrit cette constante en 1900, par la force des choses si l'on peut dire, car à cette époque on croyait que les échanges d'énergie entre la matière et le rayonnement s'effectuaient de façon continue, alors que les expériences prouvaient le contraire.

Il introduisit la valeur de cette constante dans ses calculs, avec par la suite l'intention de faire tendre sa valeur vers 0 pour revenir à une description continue du rayonnement, mais ses efforts furent vains : la constante h ne pouvait être annulée sans contredire les expériences...

Voici donc la formule élaborée par Max Planck : E = h . f, dans laquelle :

- E = énergie de la fréquence;

- h = constante de Planck;

- f = fréquence de l'onde.

Il donnera plus tard le nom de quantum à ces quantités.

D'autres constantes intéressantes attribuées à Max Planck ont suivi :

Le Temps de Planck = 10-43 seconde.

C'est la plus petite mesure de temps à laquelle nous puissions avoir accès, au-delà de cette limite les lois physique cessent d'être valides.

Et en voilà une autre : La Longueur de Planck = 10-33 centimètre.

Cette longueur nous indique la frontière entre notre monde et le domaine quantique ; à des échelles aussi petites, l'espace devient une sorte de bouillonnement quantique dans lequel des particules virtuelles peuvent surgir du vide pour se désintégrer aussitôt.

 

Un monde non localisé

Comme nous l'avons vu, le monde quantique échappe à toutes nos tentatives de le délimiter dans une zone précise de l'espace : lorsqu'on essaie de mesurer la position d'une particule avec une grande précision, l'information sur sa vitesse est incertaine.

Et inversement, lorsqu'on veut connaître sa vitesse avec une précision accrue, sa position devient floue... Il y a une limite infranchissable à la connaissance que l'on puisse obtenir sur l'information d'un système; cette limite est connue sous le nom du principe d'incertitude.

Le principe d'incertitude d'Heisenberg :

∆ p . ∆ q ≥ h / ( 2 Π )

p = mesure du mouvement

q = mesure de la position

h = constante de Planck

Ce principe, énoncé en 1927 par le physicien allemand Karl Werner Heisenberg, nous indique les limites sur la précision de mesure que l'on puisse obtenir sur l'information d'un système donné.

Mais attention : cette imprécision n'est pas due à l'imperfection des appareils de mesure, c'est une réalité intrinsèque du monde atomique. Bien évidemment dans notre monde ce principe d'incertitude ne s'applique pas. On peut par exemple connaître à la fois et avec une grande précision la vitesse et la position d'une voiture.

Dans notre équation, la variable p est une mesure de la quantité de mouvement, ce qui revient à multiplier une vitesse par une masse donc p = v . m.

Remplaçons ce terme dans notre équation, la formule devient :

∆ v . ∆ q ≥ h / ( 2 Π . m ).

Pour des objets de grande masse l'équation pourra donner une grande précision sur la vitesse et la position, simultanément.

Mais au niveau quantique, les particules possèdent une très faible masse, voilà pourquoi la précision des mesures diminue dès que l'on parvient à l'échelle atomique.

 

L’énergie du vide

Comment décrire la notion de vide ? Très facile me direz vous... c'est l'absence de matière et d'énergie, voilà tout ! Si je prends une cloche en verre et que j'y produis un vide très poussé, il est aisé de voir que l'espace occupé pas la cloche est vide de tout : même l'air y est absent.

Et pourtant... A l'échelle atomique ce qu'on appelle le « vide » est tout à fait différent de celui auquel nous sommes habitués : en fait, le vide n'existe tout simplement pas.

Il est le siège d'une perpétuelle agitation où particules et anti-particules naissent et se désintègrent dans une période de temps extrêmement courte.

Dans son deuxième énoncé, Heisenberg traduit cet état de fait par l'équation du Second principe d'incertitude : ∆ E . ∆ T ≥ h / ( 2 Π ).

Que nous dit cette équation ? Tout simplement que l'énergie d'un corps est inversement proportionnelle à la durée de la mesure.

Autrement dit, si nous effectuons une mesure sur un système, pendant un temps extrêmement court, le vide est habité par une énergie et cette énergie est d'autant plus grande que le temps de la mesure est bref.

On appelle ce phénomène fluctuation du vide. Le vide est donc habité par une énergie qui peut prendre des proportions faramineuses sur des échelles de temps très courtes.

Pourra-t-on un jour utiliser cette énergie en partie ou en entier ? Des recherches ont déjà eu lieu en ce sens : une expérience nommée effet Casimir a permis de détecter le rapprochement de deux plaques métalliques séparées par un très faible espace.

Les plaques se touchant presque, la pression exercée sur les faces extérieures était donc plus grande que celle se produisant entre les plaques.

Bien sûr nous sommes encore loin d'une production d'énergie à partir de ce procédé, mais qui sait, un jour...

Dans les prochaines pages, nous allons maintenant tenter de mieux comprendre ce qui produit la transition entre notre monde et l'univers quantique.

 

En route vers la décohérence

Le monde atomique échappe à notre logique, c'est un fait... Mais pourquoi donc, le monde macroscopique dans lequel nous évoluons, semble-t-il si ordonné ? Ne devrait-il pas lui aussi être non localisé, à mi chemin quelque part entre onde et particule ?

Bien sûr, il n'en est rien, et il n'est pas difficile de s'en convaincre : mon bureau est solide et si je pose mon verre dessus il ne passera pas au travers ! Toute la matière à notre échelle est localisée quelque part, rien à voir avec les étrangetés qui gouvernent le domaine quantique.

Et c'est justement cette différence d'échelle qui m'empêche de passer au travers de mon fauteuil au moment où j'écris ces lignes... !

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Au niveau atomique les particules font cavalier seul, elles ont peu ou pas du tout d'interactions avec l'environnement, on peut dire qu'elles sont en « cohérence » avec le monde quantique.

Notre monde, lui, est composé de milliards de particules élémentaires. Et plus il y a de particules, plus les interactions entre elles sont fréquentes, bien évidemment. Ces interactions brisent en quelque sorte la symétrie du monde quantique : il se produit alors ce qu'on appelle la « décohérence ».

C'est donc cette brisure de symétrie qui provoque la transition entre le monde microscopique et notre univers réconfortant de solidité... et de permanence. Un système décohère d'autant plus rapidement suivant le nombre d'atomes qui le compose, c'est pourquoi à notre échelle ce phénomène est inobservable, nous ne pouvons pas voir par exemple un objet qui serait a mi chemin entre cohérence et décohérence.

 

Une science en transition

Bien que le phénomène de décohérence nous indique la frontière entre les deux mondes, il ne donne aucune réponse satisfaisante aux multiples interrogations qui s'en suivent. Nous avons besoin de logique et de rationalité pour élaborer la structure de la matière. Comment alors poser des bases solides sur un monde si flou en apparence ?

Quand l'essence même de la matière nous échappe sans cesse comme un vague mirage éthérique, il est facile de sombrer dans l'irrationalité ou les pseudosciences, ce qui au bout du compte nous éloigne de la vérité.

Il est plus logique d'admettre que nous ne disposons pas encore de toutes les données du problème, nous avons de bons outils avec la théorie quantique, et son exactitude fut maintes fois vérifiée avec succès. Mais elle n'explique pas le pourquoi des choses... juste le comment.

Si notre monde semble aussi réel c'est uniquement une question d'échelle. Transposons un atome à la taille d'une maison et son noyau serait de la grosseur d'une tête d'épingle ! Il est donc composé presque uniquement de vide, et du vide non localisé en plus. La compréhension du monde viendra sans doute d'un nouveau concept qui ralliera ondes et corpuscules sous une même bannière.

Je terminerai par une citation : « Les progrès de la science s'obtiennent souvent par la remise en question de dogmes qui semblent solidement

établis... ».

Par Donald Nadon

 

Documentaire : Les mystères de la physique quantique

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LE TEMPS C'EST DE LA MÉMOIRE QUANTIQUE CONDENSÉE, C'EST MATHÉMATIQUES(fermaton.overblog.com)
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