Arquantis - La physique quantique
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Petit abrégé de physique quantique
 
Par Thibault Verbiest
 
L'article qui suit est une synthèse de nombreuses lectures sur la physique quantique. Il ne prétend nullement à l'exhaustivité, et d'ailleurs celui qui y prétendrait se prendrait pour Dieu...
 
Pour ceux qui veulent aller plus loin dans la compréhension du monde quantique (mais un physicien a dit un jour que celui qui dit comprendre la physique quantique n'a rien compris), nous ne pouvons que vous conseiller le film culte "What the bleep do we know ?" :
 
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wath the bleep do we know? Part1/11 FR_
physique quantique
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
C'est quoi un atome ?
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Qu'est-ce que l'atome?
 
La plus petite partie de ce que nous appelons la matière est l’atome.
 
Mais l’atome n’est pas « insécable », comme le pensaient les Anciens Grecs.
 
Il est un assemblage de trois particules : les quarks up, les quarks down et l’électron. Les quarks up et les quarks down s’assemblent pour former les protons et les neutrons.
 
Ensemble, les protons et neutrons forment le noyau de l’atome autour duquel gravitent les électrons. Les physiciens sont aujourd’hui incapables d’aller plus loin dans la matière.
 
A défaut de moyens d’investigation plus précis et puissants, quarks et électrons sont considérés comme les particules dites « élémentaires » de notre univers.
 
Entre le noyau et les électrons, il y a un immense vide. Si le noyau de l’atome avait la taille d’une tête d’épingle, les électrons évolueraient dans une sphère de deux cents mètres de diamètre ! Ainsi, la matière est essentiellement composée de vide.
 
 
Pourquoi la matière est-elle solide ?
 
 
Si nous avons la sensation que la matière est solide, ce n’est pas dû au fait qu’elle serait dure et compacte, mais parce qu’une force invisible et puissante maintient un intervalle infime entre notre peau et l’objet touché. Cette force est appelée la force électromagnétique.
 
Son rôle essentiel est de maintenir la stabilité au sein de l’atome, entre le noyau (qui a une charge positive) et les électrons (dont la charge est négative).
 
 
Les forces de la nature
 
 
Il existe quatre force fondamentales dans l’univers. Sans elles, notre réalité n’existerait pas. Il s’agit de la force électromagnétique, de la force nucléaire forte, de la force nucléaire faible et de la gravitation.
 
Ces forces de l’univers agissent aussi bien sur la matière inerte que sur les êtres vivants. Et pourtant elles ne sont peut-être que les manifestations d’une seule et unique force, qui reste à découvrir...
 
 
La force nucléaire forte
 
 
C’est grâce à la force nucléaire forte que le noyau de l’atome est stable : elle maintient entre elles les particules qui composent ce noyau, protons, neutrons, et, à l’intérieur d’eux, les quarks.
 
 
La force nucléaire faible
 
 
La force nucléaire faible est “faible” car elle est très peu intense : elle est 100 000 fois plus faible que l’interaction forte. Elle est notamment responsable de la radioactivité. Ce phénomène naturel (qui peut aussi être provoqué artificiellement) apparaît lorsque certains noyaux se désintègrent spontanément. Par exemple, c’est un neutron du noyau qui se désintègre en un proton et un électron. Ainsi, alors que la force forte maintient l'unité du noyau, la force nucléaire faible en provoque la rupture ou la mutation
 
 
La force gravitationnelle
 
 
Cette force résulte de l’unification de deux observations physiques : la pesanteur (la chute des corps) et le mouvement elliptique des astres. La force qui fait tomber les pommes et celle qui fait tourner la Lune autour de la Terre, ne sont donc qu’une seule et même interaction.
 
On dit que cette force est “universelle” car tout corps ayant une masse subit l’influence de la gravitation.
 
Newton avait compris que le Soleil maintenait la Terre sur son orbite grâce à son champ gravitationnel, mais il n’avait pas réussi à expliquer la nature de cette “amarre”. La gravitation restait, somme toute, une force très “magique”.
 
Einstein, lui, a proposé que cet agent mystérieux soit en fait la courbure même de l’espace et du temps, qui serait capable de se déformer sous le poids des planètes (comme une boule de bowling sur une toile tendue).
 
La courbure de la structure spatio-temporelle est la gravité. Nous savons également depuis Einstein, que les distorsions de l’espace temps se propagent à la vitesse de la lumière. La gravitation n’est donc pas instantanée, comme le pensait Newton.
 
 
Le miracle de l’Univers
 
 
Le miracle, c'est  que les quatre forces de l’univers sont «comme elles sont ».
 
Si l’on modifiait très légèrement l’un des ces 4 forces, l’Univers disparaîtrait.
 
La deuxième force universelle à longue portée est l'électromagnétisme. C'est elle qui éclaire nos villes et alimente nos ordinateurs,
 
Mais c'est également cette force qui assure la «solidité" de la matière à notre échelle, en liant les électrons au noyau de l'atome.
 
Si cette force s'éteignait  tout à coup, non seulement les rayons du soleil s'éteindraient aussi, mais toutes les choses autour de nous, vêtements que vous portez, votre fauteuil, etc se déchireraient en quelques secondes.
 
On a programmé des machines à produire du hasard ; pour arriver à une combinaison de nombres comparable à ceux qui ont permis l’éclosion de l’univers et de la vie, ces ordinateurs devraient calculer des milliards d’années.
 
Donc la probabilité mathématique que l’univers ait été engendré par le hasard est quasiment nulle.
 
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La physique classique ou la distinction entre onde et particule
 
 
Il y a un siècle, la physique était partagée entre deux théories :
 
 
- celle de l’attraction universelle de Newton, base de la mécanique, qui s’appliquait aux objets ou corpuscules
- celle de l’électromagnétisme de Maxwell, qui rendait compte notamment des effets magnétiques et interférences lumineuses, et qui s’appliquait aux ondes.
 
Les ondes symbolisent la manière dont l’énergie et l’information se transmettent dans la matière. Tel est le cas d’une onde (ou énergie) qui se propage à travers les molécules d’eau, ou du son, qui est une onde (une information) se propageant à travers les molécules d’air.   Ainsi, le son a besoin de matière pour se propager, ce qui explique pourquoi aucun son ne peut être émis dans l’espace interstellaire.
 
 
Et la lumière ? L’onde devient corpuscule
 
 
La lumière était censée être une onde. Mais comment pouvait-elle se propager dans l’espace, à travers le vide, sans aucun support entre le Soleil et la Terre ?
 
En 1900, Max Planck apporte le premier la réponse, qui sera à la base de la physique quantique : la lumière est une onde certes, mais qui se propage par paquets, ou quanta, et non de manière continue (ou ondulatoire).
 
Autrement dit, l’onde (les photons)  acquiert les propriétés d’un corpuscule.
 
 
Et vice-versa : les corps se comportent comme des ondes
 
C’est le cas des électrons,. Ainsi, l’atome devient un noyau entouré d’un nuage électronique (qui équivaut à l’électron classique). On ne sait pas où se trouve cet électron, ni quelle est la nature de sa trajectoire éventuelle. On sait seulement que la probabilité de le trouver à une certaine distance  du centre est proportionnelle à la densité du nuage. L’atome devient donc essentiellement une entité mathématique (information pure). 
 
 
Tout objet est à la fois onde et particule
 
 
Tout objet possède ce caractère dual -  comme une personne ou une plante – mais le caractère ondulatoire associé à ces objets ne se manifeste pas vu leur grande taille.
 
C’est à l’échelle de Planck seulement que le caractère ondulatoire se manifeste. C’est l’infiniment petit, le domaine des photons et des électrons. S la constante de Planck était plus grande, tous les objets se comporteraient comme des électrons : particules, puis ondes, puis particules etc.
 
 
Le principe d’incertitude (ou d’indétermination) de Heisenberg
 
 
Selon ce principe, il est impossible d’attribuer à une particule, à un instant donné, une position et une vitesse déterminées ; mieux la position est définie, moins la vitesse est connue et vice-versa.
 
 
La réduction du paquets d’onde
 
 
La réduction du paquet d'onde est un concept de la mécanique quantique selon lequel, après une mesure, un système physique voit son état entièrement réduit à celui qui a été mesuré.
Prenons l’exemple suivant : un atome errant dans le vide interstelllaire de désexcite et émet un photon. Ce photon est représenté quantiquement par une onde sphérique issue de l’atome, se développant à la vitesse de la lumière et pouvant occuper une surface considérable dans l’espcace. Si par exemple l’atome se trouve à une année-lumière de la terre, la surface en question, lorsque l’onde atteindra la terre, sera d’environ 10 puissance 27 km (un milliard de milliard de milliards de km2). Supposons que sur la terre un observateur ait installé une cellule photoélectrique, qui par chance détecte ce photon et produit un signal enregistrable. Alors l’onde disparaît instantanément et aucun autre observateur ne pourra plus détecter le photon
 
 
Leprincipe de non-localité ou d’indiscernabilité
 
 
L’on parle désormais de particule ou « paquets d’onde ». Les particules n’ont aucune existence définie dans l’espace ; elles ne représentent que des amplitudes d’existence, une surimpression simultanée d’une infinité d’états.
 
 
Dans l’univers quantique, tout est partout et nulle part, tant qu’une mesure ou une observation n’a pas été faite. C’est ce qu’on appelle le principe de non-localité ou d’indiscernabilité.
 
Un photon par exemple, qui serait émis par un atome à une distance d’une année-lumière de la Terre, occuperait potentiellement tout l’espace entre cet atome et la Terre.
 
Mais dès l’instant où ’il est « observé » par une cellule photoélectrique sur Terre, il perd instantanément ses propriétés quantiques et aucun autre observateur ne pourra jamais plus l’observer.
 
La question est donc : est-ce l’observation qui donne une existence, une réalité aux choses ?
 
 
L’intrication ou la corrélation (entanglement)
 
 
Deux objets quantiques, même séparés par des distances phénoménales, conservent un lien instantané et mystérieux, qui s’opère plus rapidement que la vitesse de la lumière.
 
Tel est le cas deux photons, qui ont été initialement « corrélés » et ensuite séparés. Une mesure sur l’un aura un effet immédiat sur l’état de l’autre, sans aucun échange d’énergie.
 
Selon la théorie de la relativité restreinte d’Enstein, rien ne peut se propager à une vitesse égale ou supérieure à celle de la lumière. Or, dans l’univers quantique, l’influence est instantanée, et ce quelle que soit la distance. Une explication serait que cette influence opère ailleurs quand dans l’espace !
 
 
Des expériences ont également montré que les objets quantiques ne sont pas liés au temps et aux effets de causalité. Il n’existe pas ‘avant ou d’après, ni de cause ou de conséquences.
 
 
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Quantum intrication : all One !
Le phénomène quantique de l'Intrication ou de l'inséparabilité des particules montre que rien n'a jamais été séparé et que la distance est une illusion créée par notre cerveau. Loin d'une théorie, cec...
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Comment des objets quantiques au niveau microscopique donnent-ils des objets « réels » macroscopiques ? L’effet de décohérence
 
 
Chaque objet, un livre ou un être humain, est composé ultimement de particules quantiques, non-locales et indiscernables.  Fondamentalement, les êtres vivants sont des combinaisons d’entités élémentaires, qui ne sont pas des objets (mais des entités mathématiques).
 
 
Comment les objets de tous les jours n’héritent-ils pas des propriétés quantiques de leurs composants ? Pourquoi sont-ils localisés ?
 
 
Ce passage du quantique au monde physique « mécanique » est dû à un effet de décohérence qui n’est pas encore expliqué scientifiquement. L’on dirait qu’à une certaine échelle, par une sorte d’effet d’entraînement des particules, la non-localité disparaît.
 
La réalité ultime est une et indivisible, nous disent les physiciens quantiques.
 
 
Les états superposés ou le paradoxe du chat de Schrôdinger
 
La mécanique quantique est relativement difficile à concevoir car sa description du monde repose sur des amplitudes de probabilité (fonctions d'onde). Ces fonctions d'ondes peuvent se trouver en combinaison linéaire, donnant lieu à des « états superposés ».
 
Cependant, lors d'une opération dite de « mesure » l'objet quantique sera trouvé dans un état déterminé ; la fonction d'onde donne les probabilités de trouver l'objet dans tel ou tel état.
 
C'est la mesure qui perturbe le système et le fait bifurquer d'un état quantique superposé (atome à la fois intact et désintégré par exemple… mais avec une probabilité de désintégration dans un intervalle de temps donné qui, elle, est parfaitement déterminée) vers un état mesuré. Cet état ne préexiste pas à la mesure : c'est la mesure qui semble le faire advenir.
 
Erwin Schrödinger a imaginé une expérience dans laquelle un chat est enfermé dans une boîte fermée avec un dispositif qui tue l'animal dès qu'il détecte la désintégration d'un atome d'un corps radioactif ; par exemple : un détecteur de radioactivité type Geiger, relié à un interrupteur provoquant la chute d'un marteau cassant une fiole de poison — Schrödinger proposait de l'acide cyanhydrique, qui peut être enfermé sous forme liquide dans un flacon sous pression et se vaporiser, devenant un gaz mortel, une fois le flacon brisé.
Si les probabilités indiquent qu'une désintégration a une chance sur deux d'avoir eu lieu au bout d'une minute, la mécanique quantique indique que, tant que l'observation n'est pas faite, l'atome est simultanément dans deux états (intact/désintégré).
 
Or le mécanisme imaginé par Erwin Schrödinger lie l'état du chat (mort ou vivant) à l'état des particules radioactives, de sorte que le chat serait simultanément dans deux états (l'état mort et l'état vivant), jusqu'à ce que l'ouverture de la boîte (l'observation) déclenche le choix entre les deux états. Du coup, on ne peut absolument pas dire si le chat est mort ou non au bout d'une minute.
 
La difficulté principale tient donc dans le fait que si l'on est généralement prêt à accepter ce genre de situation pour une particule, l'esprit refuse d'accepter facilement une situation qui semble aussi peu naturelle quand il s'agit d'un objet plus familier comme un chat.
 
 
 
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Explications : Le chat de Schrödinger.
FlashForwardSaison 01, Episode 06
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Théorie des univers parallèles
 
La théorie des univers parallèles introduite par Hugh Everett stipule que la fonction d'onde décrit la réalité, et toute la réalité. Cette approche permet de décrire séparément les deux états simultanés et leur donne une double réalité qui semblait avoir disparu, dissoute dans le paradoxe (plus exactement deux réalités dans deux univers complètement parallèles - et sans doute incapables de communiquer l'un avec l'autre une fois totalement séparés).
 
Cette théorie ne se prononce pas sur la question de savoir s'il y a duplication de la réalité (many-worlds) ou duplication au contraire des observateurs de cette même réalité (many-minds), puisqu'elles ne présentent pas de différence fonctionnelle.
 
Ainsi, lorsqu’un électron frappe un proton, il peut rebondir soit à gauche, soit à droite (principe d’incertitude), contrairement à une boule billard qui répond aux lois mécaniques et déterministes de Newton. Deux mondes sont alors possibles : un monde om l’électron
part vers la gauche et un autre où il part vers la droite, créant deux univers parallèles ou alternatifs, tous aussi réels les uns que les autres.
 
 
Malgré sa complexité et les doutes sur sa réfutabilité, cette théorie emporte l'adhésion de nombreux physiciens, non convaincus par la théorie de la décohérence, non positivistes, et pensant que les lois quantiques sont exactes et complètes.
 
Théorie de l’influence de la conscience (thèse idéaliste)
 
 
Un prix Nobel de physique 1963, Eugene Wigner, soutient la thèse de l'interaction de la conscience, dans la décohérence (cessation de la superposition d'état). Dans cette interprétation, ce ne serait pas une mesure, ou des interactions physiques, mais la conscience de l'observateur qui « déciderait » finalement si le chat est mort ou vivant. En regardant par le hublot, l'œil (dans ce cas, c'est lui l'appareil de mesure) se met dans une superposition d'états :
  • d'un côté, un état A : « uranium désintégré, détecteur excité, marteau baissé, fiole cassée, chat mort » ;
  • de l'autre, un état B : « uranium intact, détecteur non excité, marteau levé, fiole entière, chat vivant » ;
  • le nerf optique achemine au cerveau une onde qui est aussi dans une superposition des états A et B, et les cellules réceptrices du cerveau suivent le mouvement. C'est alors que la conscience, brutalement, fait cesser le double jeu, obligeant la situation à passer dans l'état A ou dans l'état B (rien ne dit pourquoi ce serait A ou B).
 
Wigner ne dit pas comment, mais les conséquences de sa position sont importantes : 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. Les avantages de cette solution sont les mêmes que la solution avec variables cachées, les inconvénients étant qu'elle repose sur des notions non scientifiques (faute d'une définition scientifique de la conscience).
 
Une variante intéressante rend le résultat plus spectaculaire encore : un appareil photo prend une image du chat au bout d'une heure, puis la pièce contenant le chat est définitivement scellée (hublots fermés). La photographie ne serait quant à elle développée qu'un an plus tard. Or, ce n'est qu'à ce moment-là qu'une conscience humaine tranchera entre la vie ou la mort du chat. Le signal nerveux remonterait-il le temps pour décider de la vie ou de la mort du chat ? Cela peut paraître absurde, mais l'Expérience de Marlan Scully et le paradoxe EPR illustrent l'existence de rétroaction temporelles apparentes en physique quantique.