Qu'est-ce que la mécanique quantique

La mécanique quantique, ou théorie quantique, est une théorie que ses propres créateurs n'ont pas entièrement comprise, mais qui s'est avérée être la seule capable d'expliquer le comportement de la matière dans le monde microscopique.

Au cœur de la matière, il y a un monde immense, composé de milliards et de milliards de particules, qui échappe à nos sens et à notre intuition. Un monde dans lequel les lois physiques habituelles ne s'appliquent pas, mais les lois les plus compliquées et "mystérieuses" de la mécanique quantique, une théorie si paradoxale qu'elle étonne les scientifiques eux-mêmes qui l'ont inventée. "Personne ne le comprend vraiment", a déclaré Richard Feynman, l'un des physiciens les plus brillants de sa génération en 1965.

Charmant. Pourtant, cette théorie fonctionne, car elle décrit le monde des atomes et des molécules avec une précision irréprochable. Et il a de nombreuses applications, des lasers à l'imagerie par résonance magnétique. En effet, on soupçonne que ce sont certains phénomènes qui lui sont liés, comme l'effet tunnel, qui rendent possible la photosynthèse et donc la vie.

Non seulement cela, la mécanique quantique, pour ses caractéristiques presque "magiques", a toujours fasciné les philosophes et les scientifiques. Et aujourd'hui, il entre dans notre culture «quotidienne», inspirant aussi des livres, des films et des œuvres d'art. Mais quelle est vraiment cette théorie? Et pourquoi est-ce si important? Allons dans l'ordre.

Particules miracles. Des vagues qui se comportent comme des particules, des particules qui franchissent des barrières comme des fantômes ou communiquent entre elles de manière "télépathique" ... C'est le monde étrange auquel les scientifiques ont été confrontés lorsqu'ils ont découvert la mécanique quantique.

L'une des principales caractéristiques de cette théorie est la quantification . C'est le fait que, dans le monde microscopique, des quantités physiques telles que l'énergie ne peuvent pas être échangées "en continu", comme un flux d'eau du robinet qui peut être dosé à volonté, mais via des "packages" appelés "combien" … Sous forme d'eau contenue dans des verres ou des bouteilles d'un volume prédéterminé. Grâce à cette propriété, la lumière est constituée de corpuscules d'énergie appelés "photons"; et même les atomes ne peuvent absorber cette énergie que par paquets: un atome, par exemple, peut absorber ou émettre 1 ou 2 ou 3 photons ou plus, mais pas 2,7 photons ou un demi-photon.

C'est ce qui se passe dans l'effet photoélectrique, selon lequel un métal frappé par le bon type de lumière produit de l'électricité: ce phénomène, découvert à la fin du XIXe siècle et expliqué en 1905 par Einstein, est à la base du fonctionnement des panneaux photovoltaïques modernes.

Vague ou particule? La deuxième «bizarrerie» de la mécanique quantique est le fait que - comme Giano Bifronte - toutes les particules ont une double nature: «Dans certaines expériences, elles se comportent comme des corpuscules, dans d'autres comme des vagues» explique Giancarlo Ghirardi, professeur émérite de physique à l'Université de Trieste. «Une expérience qui montre la nature ondulatoire des électrons est celle de la double fente: un écran sensible est placé devant une double fente et on observe que les électrons impressionnent la plaque formant des franges d'interférence, tout comme la lumière (voir dessin ici sous). D'autres expériences montrent que les électrons sont des particules ".

Imprévisible. La physique classique est "prévisible": elle permet de calculer avec précision la trajectoire d'un projectile ou d'une planète. En mécanique quantique, cependant, plus la position d'une particule est connue avec précision, plus sa vitesse devient incertaine (et vice versa).

Le principe d'incertitude formulé en 1927 par le physicien allemand Werner Heisenberg le dit. Donc, si nous voulons décrire le comportement d'un électron dans un atome, nous pouvons seulement dire qu'il est situé dans un nuage autour du noyau, et la mécanique quantique indique la probabilité qu'en faisant une mesure, l'électron soit à un certain point . Avant la mesure, l'état électronique est décrit par l'ensemble de tous les résultats possibles: on parle donc de superposition d'états quantiques. Au moment de la mesure, l'électron "s'effondre" dans un seul état. Ce principe a un aspect conceptuel important: en un certain sens, avec leurs instruments de mesure, les scientifiques interviennent dans la création de la réalité qu'ils étudient.

Comme des fantômes. Un autre phénomène quantique bizarre est l' effet tunnel , c'est-à-dire le fait que les particules peuvent franchir une barrière comme un fantôme traverse un mur. "C'est ainsi que s'explique la désintégration des substances radioactives", explique Ghirardi. "Le rayonnement émis par ces matériaux est en fait constitué de particules qui franchissent une barrière énergétique à l'intérieur des noyaux".

Tissages brillants. Tout cela est déjà assez étrange. Mais le phénomène le plus curieux est l'enchevêtrement («entrelacement»). Imaginez prendre deux photons dans une "superposition d'états" - nous pouvons les considérer comme des pièces qui tournent à l'infini, montrant les deux faces (tête ou croix) - et les soumettre à l'intrication, puis les amener aux côtés opposés de l'univers.

Selon la mécanique quantique, si nous faisons une mesure sur l'un des deux, et par exemple nous obtenons une tête, l'autre pièce cesse également instantanément d'être dans un état indéterminé: si nous la mesurons (après une seconde ou après un siècle), nous sommes sûrs que le résultat sera tête. Les deux particules sont comme dans ... un contact télépathique. Absurde? Non, l'intrication!

Comme Star Trek. Cette fonctionnalité surprenante peut être utilisée pour effectuer une téléportation quantique (voir la galerie ci-dessous). "Supposons que nous voulons transférer un photon identifié par son état de polarisation du point A au point B", explique Ghirardi. "Pour ce faire, en plus du photon à téléporter, vous avez besoin de deux photons intriqués, l'un en A et l'autre en B. Ensuite, vous faites interagir le photon à téléporter avec le premier photon intriqué (celui en A) et communiquez avec le observateur en B le résultat de l'opération, et ce faisant, on lui montre comment il doit manipuler le deuxième photon enchevêtré pour obtenir une copie identique du photon de départ ".

En pratique, l'information du photon de départ est transférée à B grâce à l'intermédiation des photons entrelacés: en réalité c'est un transfert d'information, plutôt qu'un transfert de matière comme celui de Star Trek.

C'est pourquoi la téléportation intéresse particulièrement les scientifiques qui étudient les ordinateurs quantiques du futur. Ordinateur, c'est-à-dire dans lequel les qubits sont traités au lieu des "bits" (séquences de "0" et "1") de l'informatique traditionnelle: l'avantage est que les qubits vous permettent d'effectuer en peu de temps, "en parallèle", des opérations qui les ordinateurs traditionnels prendraient des années. Ainsi, avec un nombre "n" de qubits, le nombre de chemins de calcul pouvant être entrepris simultanément est égal à 2N, soit 2x2x2 ... x2, n fois: avec moins de 300 qubits le nombre de particules de l'univers entier serait dépassé . Jusqu'à présent, cependant, seuls quelques qubits peuvent être manipulés, et avec beaucoup de difficulté: le monde "magique" des ordinateurs quantiques est à explorer.

Plus récemment, 2 physiciens de l'Université du Queensland (Australie) ont même conçu la téléportation "temporelle", appliquant l'intrication au temps plutôt qu'à l'espace, toujours dans le but de rendre possibles des calculs complexes. Mais, si cela fonctionnait, ce serait le premier véritable exemple de machine à remonter le temps, bien qu'un peu différent de la façon dont la science-fiction l'a toujours imaginé.

Les quanta en philosophie et culture. La mécanique quantique, cependant, n'est pas seulement étrange et compliquée. Cela nous oblige également à revoir les schémas mentaux auxquels nous sommes habitués, à tester nos croyances et à offrir de nouvelles réponses aux questions que les philosophes posent depuis des millénaires. Voici quelques exemples.

LE DESTIN EST-IL PRÉVISIBLE?

Comment oublier, par exemple, les châtiments de Maradona? Les trajectoires imprimées sur le ballon ont été une admirable rencontre entre le sport et la physique. Cependant, si un "Pibe de oro" quantique hypothétique est trouvé entre un électron, il ne pourrait pas le donner avec la même précision. Cette "balle", en fait, ne suivrait pas la logique déterministe du tir.

Grâce au principe de la superposition d'états, en effet, il pourrait être n'importe où sur le terrain, se répandant comme un brouillard à plusieurs endroits en même temps. Et ce n'est qu'après avoir été observé qu'il "s'effondrera" finalement à un point précis, peut-être juste sur le net ... bref, le destin n'est pas prévisible.

Bien à l'opposé de ce qu'ils prétendaient au Ve siècle. à. C. les Grecs Leucippus et Democritus, selon lesquels le monde était composé d'atomes qui se déplacent dans le vide de manière prévisible. Bien qu'un siècle plus tard, un autre Grec, Épicure, ait émis l'hypothèse que parmi les atomes, il y avait des bosses aléatoires aux conséquences imprévisibles. La physique classique, dans les années 1800, semblait donner raison aux deux premiers. La mécanique quantique, en revanche, bien que sur des bases complètement différentes, est plus proche de la pensée d'Épicure.

L'UNIVERS EXISTE-T-IL INDÉPENDAMMENT DE NOUS?

Esse est percipi: pour exister, les choses doivent être perçues. Le philosophe britannique George Berkeley l'a soutenu au XVIIIe siècle, selon lequel une boule ou un arbre n'existe pas en soi, indépendamment de nous: ce que nous percevons sont les stimuli sensoriels qui viennent directement de Dieu. Et le philosophe allemand Immanuel Kant, toujours dans le '700, il a réitéré que l'on ne peut pas connaître le monde "tel qu'il est en soi" (défini par lui comme un noumène), mais seulement "ce qui apparaît". Quelque chose de similaire, deux siècles plus tard, dit la mécanique quantique: pour déterminer la position d'une particule, par exemple, vous devez l'éclairer ... puis la particule, frappée par la lumière, jaillit. Nous savons où il se trouve, mais pas où il se trouvera après un moment.

Pour observer la réalité, en somme, il faut la "déranger": "Selon l'interprétation de Copenhague" explique Giulio Giorello, professeur de philosophie des sciences à l'Université d'État de Milan "les événements quantiques dépendent de la présence de l'appareil d'observation qui doit mesurer".

Einstein n'a pas pu digérer cet aspect de la théorie: il était en effet convaincu que la réalité était bien déterminée et indépendante de l'observateur. Mais aujourd'hui, les experts sont en faveur de l'interprétation de Copenhague.

Et si l'effet précédait la cause?

L'un des piliers de la science classique est la règle selon laquelle, dans le monde où nous vivons, chaque cause a nécessairement un effet: si je jette une pierre vers une fenêtre, je la casse, si je touche le feu, je me brûle. Au XVIIIe siècle, le philosophe écossais David Hume remet en cause ce principe: même si deux événements se succèdent chaque jour, il ne faut pas considérer ce lien comme une conséquence logique, car il pourrait s'agir d'une association habituelle d'idées à nous.

La science traditionnelle n'a jamais remis en cause le principe de cause à effet. La mécanique quantique semble la violer, mais ce n'est pas le cas: la théorie permet de calculer avec certitude certains aspects de l'évolution des particules, mais pas tout (sinon il faut se contenter de calculer la probabilité qu'un certain phénomène se produise). Mais en aucun cas la théorie n'admet des situations dans lesquelles, par exemple, l'effet précède la cause ou en est déconnecté.

NOTRE ESSENCE S'ÉTEND-ELLE À TOUT L'UNIVERS?

Lorsque nous surfons sur Internet, l'espace semble être aspiré par un clic de souris, au sein de liens hypertextes entre des systèmes distants de milliers de kilomètres. Dans le monde subatomique, dans certaines conditions, la même chose peut se produire: il y a des particules "jumelles", liées les unes aux autres par la propriété d'enchevêtrement qui, bien qu'elles soient en des points opposés de l'univers, pourraient communiquer instantanément les unes avec les autres, agissant comme un tout 'une.

Ce phénomène, désormais avéré, démolit l'un des piliers de la physique traditionnelle: le principe de localité. Autant que pour soulever un doute: vivons-nous dans un ensemble indivisible et dynamique, dont les parties sont interconnectées comme le philosophe néerlandais Baruch Spinoza l'a affirmé au 17ème siècle?

Selon sa vision «panthéiste», il existe une substance unique et infinie, un ordre géométrique dans lequel Dieu et la nature coïncident (Deus sive natura, «Dieu ou la nature») comme cause interne à l'ensemble.

LA NATURE REFUSE-T-ELLE LE VIDE?

Natura abhorret a vacuo ("la nature rejette le vide"): la phrase remonte au Moyen Âge, mais le concept est ancien: dès le IVe siècle. à. C. Le Grec Aristote et ses disciples ont nié l'existence d'un "endroit où il n'y a rien", où "il n'est pas possible qu'un seul objet bouge".

Le tabou en Occident est resté pendant des millénaires, même assimilé par l'Église, qui ne tolérait pas l'existence d'un lieu sans Dieu. La physique classique avait alors montré que le vide pouvait être créé, par exemple en éliminant l'air d'un récipient . Il semblait également possible de créer le "vide parfait", c'est-à-dire une région de l'espace complètement dépourvue d'atomes et de lumière.

Mais la mécanique quantique a établi que ce n'est pas possible: même le "vide parfait" contiendrait des fluctuations énergétiques infinies capables de générer des particules virtuelles qui naissent de rien et disparaissent en continu en très peu de temps. Bref, Aristote avait raison dans un certain sens.

LA RÉALITÉ EST-ELLE MATIÈRE OU INFORMATION?

Aujourd'hui, nous assistons au triomphe de l'informatique: textes, images, sons et films voyagent sur Internet d'une partie du monde à l'autre sous forme de séquences de 0 et 1: les bits. Ces briques numériques, élément essentiel de notre vie, nous conduisent à une réflexion: la réalité est-elle constituée de matière ou de bits? Peut-être, comme nous le dit le film de science-fiction Matrix, nous vivons dans un grand cerveau électronique qui simule le monde. À la différence près que les bits de la mécanique quantique sont différents des bits "classiques": ils sont appelés qubits et permettent des combinaisons (et opérations logiques) d'une complexité inégalée dans le monde de l'informatique traditionnelle

EXISTE-T-IL UNE THÉORIE POUR TOUT EXPLIQUER?

Les physiciens recherchent une théorie de tout, capable de tout unifier: l'homme et les étoiles, petits et grands ... réussiront-ils? Ce n'est pas dit, mais l'ambition est ancienne. À sa manière, il l'avait déjà essayé au VIe siècle. à. C. le philosophe grec Pythagore, confiant la tâche de maintenir l'univers uni aux nombres, ultimes constituants de la nature.

Aujourd'hui, cependant, l'accent est mis sur une évolution de la théorie des cordes appelée "Théorie M". Plus qu'une seule théorie, c'est actuellement un système de 5 théories distinctes qui s'appliquent dans des contextes différents.

Nous pourrions la comparer à une grande carte du monde: pour représenter fidèlement toute la surface de la terre, de nombreuses petites cartes géographiques sont nécessaires qui, se chevauchant partiellement, montrent différents aspects du même paysage.

Réadapté d'un article de Roberto Rizzo et Carolina Borella

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