Quand j’étais plus jeune, l’idée que j’associais à la physique quantique
était quelque chose d’incompréhensible pour le commun des mortels,
que les scientifiques des films utilisaient à tout bout de champ pour justifier
des scénarios invraisemblables. La réalité est bien plus passionnante !
Cette science ne propose pas moins qu’une description de tout ce qui nous
entoure : de la lumière à la matière en passant par les forces qui régissent
notre univers. Malgré sa réputation de science incompréhensible, ses
principaux fondements et implications sont assez simples à comprendre.
Je vais essayer dans cet article de les présenter de manière courte et sans
aucune équation, pour éviter de perdre tout mon lectorat.
Commençons par le début : la physique quantique cherche à décrire le monde qui nous entoure à l’échelle des atomes et des particules, que l’on considère souvent comme le domaine de l’infiniment petit. Toute la matière connue est composée d’atomes, par exemple l’oxygène qui compose 65% de notre corps, ou encore le carbone. Les atomes sont eux-même composés de particules, comme les électrons, les protons et les neutrons. On aimerait pouvoir se représenter ces entités comme des petites « billes », qui entrent en collision, qui se « collent » pour former la matière compacte et visualiser cet infiniment petit comme régi par les mêmes lois que notre monde macroscopique, auxquelles notre cerveau est si bien habitué. Dans la physique classique, une bonne partie des phénomènes sont prévisibles de manière intuitive : je lâche une balle, elle tombe. Mais à l’échelle de l’atome, les comportements des particules sont très différents et cette intuition doit être laissée de côté au profit des équations mathématiques.
Le mot quantique vient de l’idée de quantification. Suite à différentes expériences aujourd’hui célèbres, Max Planck puis Albert Einstein constatent dans les années 1900 que la lumière, que l’on imaginait comme une onde se propageant dans un milieu invisible semblait agir comme une particule, une petite quantité d’énergie : le photon. Une nouvelle manière de considérer l’énergie des atomes émerge alors. L’atome a des niveaux d’énergie, un nombre discret de valeurs possibles et non pas une continuité de valeurs comme on l’imaginait. Un formalisme mathématique est alors mis en place pour comprendre les phénomènes observés. Au cours du XXe siècle, les découvertes se multiplient et la physique quantique régale non seulement les théoriciens, à qui s’ouvre un pan entier de la physique, mais aussi du côté des expérimentateurs et même des ingénieurs. Ce nouveau modèle permet de comprendre la stabilité des atomes et des molécules qui nous entourent, mais aussi pourquoi certains ont la capacité d’absorber ou d’émettre de la lumière.
Pour comprendre la révolution intellectuelle apportée par cette nouvelle théorie, il faut se familiariser avec la notion de probabilité. En quantique, on considère que l’on ne connaît pas l’état du système de manière certaine : on connaît seulement sa probabilité d’occurrence. Ainsi, un électron placé dans un « puits » a une probabilité non nulle d’en sortir et de se trouver en dehors de ce puits : c’est l’effet tunnel. On considère que la particule n’est pas dans un état (par exemple, dans le puits) ou un autre (en dehors du puits), mais dans une superposition de ces deux états. C’est ce que Schrödinger cherche à expliquer dans sa célèbre expérience de pensée.
L’expérience du chat de Schrödinger consiste à observer de manière macroscopique la conséquence d’un phénomène purement quantique. Le principe est le suivant : dans une boîte se trouve un chat, vivant à l’origine, un atome radioactif et une fiole de poison. D’après la physique quantique, au bout d’un certain temps, l’atome a une chance sur deux de se désintégrer. Dans son expérience, la désintégration de cet atome provoque l’ouverture de la fiole de poison et par conséquent la mort du chat. Il fait alors cette réflexion : tant que l’on n’ouvre pas la boîte, le chat a une probabilité de 50% d’être vivant, et la même d’être mort. Il est alors dans ce que l’on nomme une superposition d’états quantiques, une combinaison de l’état « mort » et « vivant ». Pour connaître son état de manière certaine, il faut effectuer une mesure : ouvrir la boîte. Avant cette mesure, l’état du système n’est connue que de manière probabiliste : le chat n’est pas à la fois mort et vivant, puisque cet état de mort-vivant n’existe pas, mais dans une superposition de ces deux états.
https://www.youtube.com/watch?v=44ya-DSF6fw
Bien que reposant sur des probabilités, la physique quantique est un modèle qui fonctionne très bien pour prédire et expliquer les phénomènes observés. Avec la physique quantique naissent de nombreuses technologies que l’on retrouve aujourd’hui dans nos ordinateurs, dans les scanners des hôpitaux ou encore les GPS qui nous permettent de nous orienter au quotidien.
La recherche scientifique en lien avec la physique quantique est aujourd’hui encore très active, et un grand nombre de points restent à élucider. L’interprétation de la physique quantique est elle-même un sujet de recherche à part entière et de nombreux débats existent tant au niveau scientifique que philosophique.
J’espère que cette définition rapide et non exhaustive de la physique quantique aura éveillé votre curiosité sur le sujet. Si c’est le cas, n’hésitez pas à visiter des sites de vulgarisation, par exemple la chaîne Youtube « vulgarisation », avec les vidéos de l’équipe « La Physique Autrement », une équipe de recherche sur de nouvelles façons de vulgariser ou d’enseigner la physique de l’université Paris-Saclay.
