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La physique quantique
La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de
théories physiques nées au xxe siècle qui, comme la théorie de la
relativité, marquent une rupture avec ce que l'on appelle maintenant la
physique classique, l'ensemble des théories et principes physiques
admis au xixe siècle. Les théories dites « quantiques » décrivent le
comportement des atomes et des particules — ce que la physique
classique, notamment la mécanique newtonienne et la théorie
électromagnétique de Maxwell, n'avaient pu faire — et permettent
d'élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique.
L'expérience d'Aspect est, historiquement, la première expérience qui a
réfuté de manière satisfaisante les inégalités de Bell dans le cadre de la
physique quantique, validant ainsi le phénomène d'intrication quantique,
et apportant une réponse expérimentale au paradoxe EPR.
Concrètement, elle consiste à produire deux photons dans un état
intriqué puis à les séparer pour réaliser enfin la mesure de leur
polarisation. La mesure du premier photon a alors 50 % de chance de
donner et autant de donner tandis que le second photon est
immédiatement projeté dans ce même état. Le paradoxe provient du fait
que les deux photons semblent s’échanger cette information à une
vitesse supérieure à celle de la lumière. Ce point n'est cependant pas
pertinent puisqu'aucune information ne peut être transmise par ce
moyen.
L'intrication quantique permet cependant d'échanger une clé de
chiffrement de manière sûre, ce qu'exploite la cryptographie quantique.
Malgré la puissance de la théorie des quanta, peu de
physiciens étaient enclins à imaginer que la théorie électromagnétique
classique puisse être invalidée. Einstein s’efforça alors de mettre en
évidence d’autres aspects des phénomènes atomiques et du
rayonnement qui rompaient avec la description classique. Il étendit ainsi
l’hypothèse quantique, par-delà les propriétés du rayonnement, à
l’énergie des atomes, par ses travaux sur les chaleurs spécifiques aux
basses températures. Il retrouvait l’annulation des chaleurs spécifiques
des corps au zéro absolu, phénomène observé mais inexplicable par la
théorie classique. D’autres physiciens (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A.
Lorentz, H. Poincaré) le rejoignirent peu à peu pour conclure au
caractère inéluctable de l’hypothèse quantique que Planck lui-même
hésitait à admettre. Elle n’était cependant encore acceptée
généralement que pour les échanges d’énergies
L’énergie apportée par le quantum de lumière à l’électron lié dans un
atome permet à celui-ci de se libérer si cette énergie est supérieure ou
égale à l’énergie de liaison de l’électron, nommée également travail de
sortie , en vertu de la relation où est l'énergie cinétique acquise par ce
dernier. Cet effet de seuil était inexplicable dans la conception continue
de l’énergie lumineuse de la théorie électromagnétique classique.
Onde ou corpuscule
Représentation classique de l'électron : la notion de
corpuscule
Classiquement, l'électron est représenté par un corpuscule. Un corpuscule est
assimilable à une toute petite bille : suivant cette représentation, les électrons
autour du noyau des atomes se comportent comme des satellites autour d'une
planète, et les électrons isolés ont un comportement analogue, toutes
proportions gardées, à celui d'une sphère à notre échelle : un ballon de
football, une boule de billard...
L'analogie utilisée par Feynman pour expliquer le comportement, suivant la
représentation classique -on va voir au 1.3. en quoi cette représentation est
inadaptée-, d'électrons lancés par un canon à électrons sur un détecteur, est
celle de balles de fusil.
Supposons que l'on tire des balles de fusil de façon aléatoire, avec une
dispersion très large, sur une plaque épaisse percée de deux trous, suivie d'un
détecteur. On suppose aussi que, lorsqu'elles passent par un trou, les balles
sont déviées de façon aléatoire, ce qui fait qu'elles arrivent sur le détecteur
avec une certaine dispersion autour du prolongement de la ligne fusil-trou.
On peut fermer un trou, et regarder les balles qui arrivent sur le détecteur :
Si on ferme l'autre trou, on obtient une courbe similaire, qui est simplement
décalée par rapport à la première :
Si les deux trous sont ouverts, le nombre d'impacts de balle reçus sur le
détecteur est la somme des impacts de balles passées par le trou A, donnés
par la courbe 1, et de ceux des balles passées par le trou B, donnés par la
courbe 2.
Le résultat
de cette expérience se déduit donc aisément de la connaissance des courbes
1 et 2.
Représentation de la lumière dans l'électromagnétisme de
Maxwell : la notion d'onde
Dans l'électromagnétisme de Maxwell, la lumière se comporte comme une
onde tridimensionnelle. Cette onde, qui peut se propager dans le vide, sans
support matériel, est généralement plus difficile à appréhender que les ondes
que l'on peut observer à la surface d'un plan d'eau, toutefois, bon nombre de
ses comportements peuvent se comprendre à l'aide de cette analogie.
Lorsqu'une onde sphérique se propageant à la surface de l'eau rencontre une
plaque percée de deux trous (semblable au dispositif du 1.), au-delà de la
plaque, deux ondelettes sphériques se propagent à partir des deux orifices et
interfèrent entre elles.
L'intensité de la perturbation perçue au niveau du détecteur lorsque les deux
trous sont ouverts n'est pas égale à la somme des intensités détectées
lorsque A et B sont ouverts séparément. Il y a interférence.
De la même façon, une onde lumineuse passant à travers deux orifices suivis
d'un
écran
donne
une
figure
d'interférence
:
Cette expérience reproduit,
avec des moyens modernes, les résultats de l'expérience dite "des trous
d'Young". De ce point de vue là, le comportement d'une onde lumineuse et
celui d'une onde à la surface de l'eau sont très proches.
La physique quantique introduit une autre notion sans
analogie dans notre vie quotidienne
Lorsque les balles de fusil sont remplacées par des électrons... La
"dualité onde-corpuscule"
Effectuons à nouveau, au moins par la pensée, l'expérience que nous avons
décrite pour des balles de fusil, mais cette fois-ci avec des électrons. On place
donc un canon à électrons, qui envoie des électrons suivant des trajectoires
assez dispersées, sur une plaque munie de deux trous, suivie d'un détecteur.
On fait l'expérience lorsqu'un seul trou, le trou A, est ouvert :
On fait l'expérience lorsque le trou B seul est ouvert :
On fait l'expérience lorsque A et B sont ouverts :
Classiquement, on représente les électrons comme des corpuscules, mais,
lorsqu'on envoie un grand nombre d'électrons sur la plaque, on constate que
l'on obtient sur le détecteur une figure d'interférence très semblable à celle
que l'on obtient avec une onde.
Les électrons seraient-ils donc une onde ?
On peut faire d'autres expériences pour tester cette hypothèse. Par exemple,
on envoie les électrons un par un à travers la plaque. A chaque impact sur le
détecteur, on reçoit un "bip" localisé à un endroit précis du détecteur. Ceci
n'est pas le comportement d'une onde, mais d'un corpuscule.
Les électrons sont-ils alors des corpuscules qui, lorsqu'ils sont envoyés en
grand nombre sur la plaque, créent une "figure d'interférence" à cause des
chocs qui surviennent entre eux ?
Pour tester cette hypothèse, il suffit d'envoyer les électrons un par un,
empêchant ainsi tout choc. Lorsqu'on fait l'expérience, on obtient tout d'abord
un "bip" localisé, puis un autre, etc... comme on s'y attendrait avec des
corpuscules sans interaction mutuelle, cependant, lorsqu'on attend
suffisamment longtemps pour avoir un grand nombre d'impacts d'électrons
individuels sur le détecteur, on voit la figure d'interférence obtenue
précédemment se reconstituer...
Qu'en déduire ?
L'électron quantique n'est pas un corpuscule classique : un corpuscule
classique ne pourrait pas créer une telle figure d'interférence... Cependant, ce
n'est pas non plus une onde comme celles dont on a l'habitude : avec une
onde, on ne peut pas obtenir un "bip" localisé sur le détecteur, ce
comportement-là est plutôt caractéristique d'un corpuscule...
On parle de " dualité onde-corpuscule ". Ce mot, qui traduit le mélange de
comportements ondulatoires et corpusculaires caractéristique de l'électron,
cache en fait une notion sans équivalent en physique classique .
Localisation de l'électron
Si un électron n'est, ni vraiment une onde, ni vraiment un corpuscule, qu'estce que c'est ?
Les expériences faites jusqu'à présent n'ont pu trouver aucune interprétation
"classique" au comportement de l'électron, ou à celui de la lumière (qui -on
peut le montrer par des expériences semblables à celles que l'on a évoquées
pour les électrons- se comporte elle aussi tantôt comme une "particule" de
lumière, le photon, et tantôt comme une onde); comme à celui des protons,
des neutrons, ou des quarks... Un électron (ou un photon, etc.) est un type
d'objet totalement différent de ceux que l'on perçoit autour de nous dans la vie
de tous les jours.
Une façon de comprendre le comportement de l'électron consiste à se le
représenter comme un corpuscule (une "toute petite bille") qui est le plus
souvent non localisée*.
Qu'est-ce qu'une "bille non localisée" ?
Une petite bille classique sur votre bureau est localisée, elle se trouve à un
endroit précis. Une petite bille classique que vous avez perdue de telle sorte
que vous ignoriez totalement où elle se trouve est là encore localisée : elle se
trouve bien quelque part même si vous ne savez pas où....
Un corpuscule quantique non localisé est très différent : il se comporte comme
une petite bille qui se trouverait en plusieurs endroits à la fois : par exemple,
surtout sur votre bureau mais aussi un peu par terre!
La "bille délocalisée"... Une idée bien étrange... Mais, si cette idée est irréaliste à
notre échelle, elle est pertinente à l'échelle atomique
On représente un corpuscule non localisé non pas par sa position, car il n'en a
pas qu'une seule, mais par ses positions. Comme toutes ses positions ne sont
pas équivalentes, cependant, on représente la corpuscule non localisé par un
nuage de points plus ou moins dense selon les positions.
Dans l'analogie utilisée précédemment de la petite bille se trouvant "surtout
sur votre bureau mais aussi un peu par terre", le nuage de points serait plus
dense sur le bureau et moins dense à terre.
Figure 10.
Exemple : nuage de points représentant l'électron de l'atome d'hydrogène lorsque ce
dernier est dans son "état fondamental" (c'est l'état usuel de l'atome d'hydrogène).
les points sont plus denses près du noyau et moins denses loin de ce-dernier. Audelà d'une certaine distance au noyau, la densité de points est négligeable.
Cet exemple montre que l'électron n'est pas localisé en un seul point, comme
un corpuscule physique classique.
Le caractère non localisé d'une onde classique est un des éléments
permettant l'existence d'interférences, qui sont des interactions d'une onde
avec elle-même. De façon analogue, le caractère non-localisé de l'électron est
à l'origine des phénomènes d'interférences que l'on a décrits au 1.3.1. :
l'électron interagit avec lui-même.
L'image de la "bille non localisée" est simplificatrice, et pourrait amener le
lecteur à croire l'électron porteur d'aussi peu d'informations qu'une bille lisse. Il
n'en est rien, comme on va le voir au paragraphe suivant.
Etat des particules en physique quantique
Ce que nous venons de dire au 1.3.2. peut se généraliser de deux façons :
De la même façon que l'électron n'a pas généralement une seule position
bien déterminée, mais un état qui inclut plusieurs positions -"certaines
plus que d'autres"- (comme dans l'analogie macroscopique de la petite
bille qui serait "surtout sur le bureau mais aussi à terre"), ses autres
caractéristiques (quantité de mouvement p = m v proportionnelle à la
vitesse, mais aussi spin, etc...) ne sont généralement pas bien
déterminées. L'électron est généralement dans un état qui inclut
plusieurs quantités de mouvement. Dans l'analogie de la petite bille
fictive précédente, la bille serait par exemple dans un état qui inclut
toutes les vitesses entre 2 cm/s et 7 cm/s... Notre bille fictive pourrait
même être dans un état de couleur indéterminé incluant les couleurs
jaune, orange et rouge!
Cette caractéristique majeure de la physique quantique : des états qui sont
un mélange de plusieurs états "classiques" (par exemple un mélange de
plusieurs positions) s'applique, non seulement aux électrons, mais aussi
à toutes les particules à petite échelle : plus précisément, les effets
quantiques sont généralement perceptibles pour des objets de la taille
d'un électron, d'un proton, d'un neutron, d'un quark, d'un photon...
Les informations dont sont porteuses les particules incluent non seulement
l'état de position et d'impulsion, mais aussi l'état de spin, l'état de "couleur"
(cette grandeur étant très différente de ce que nous appelons généralement
"couleur") pour les quarks, etc.
Observation et localisation ou état de l'électron
Une objection peut être faite à ce que l'on vient de dire. Si l'électron n'est pas
localisé, comment se fait-il que, lorsqu'on envoie un électron isolé sur un
détecteur, on obtienne un "bip" parfaitement localisé?
La réponse fait appel à une autre des "étrangetés" de la physique quantique.
Outre le caractère non localisé des électrons et autres particules quantiques,
la physique quantique met en évidence un autre phénomène, assez déroutant,
qui est l'influence de l'observateur sur l'objet observé.
Certes, en physique classique, on sait que mesurer quelque chose (la position
d'un objet, sa vitesse, etc.) perturbe automatiquement, quoique la plupart du
temps très peu, l'objet observé : même si l'on ne fait qu'envoyer un rayon
lumineux sur l'objet pour que celui-ci nous le renvoie et ainsi pouvoir l'oberver,
on l'a "perturbé" car les photons, lorsqu'ils sont arrivés sur l'objet, lui ont
communiqué une quantité de mouvement infinitésimale, certes, mais non
rigoureusement nulle.
Mesure en mécanique classique de la position d'un objet grâce à la réflexion d'un
rayon laser : cette mesure perturbe un peu l'objet, puisqu'elle lui fournit une
impulsion égale à p - p ', différence d'impulsion des photons incidents et réfléchis.
Cette perturbation reste cependant généralement négligeable
Cependant, en principe, rien n'empêche, en physique classique, de rendre
l'influence de la mesure sur l'objet si faible qu'elle soit largement négligeable.
Voilà pourquoi, en règle générale, en physique classique, on mentionne
rarement l'influence de l'observateur sur l'objet observé.
En physique quantique, par contre, la mesure d'une grandeur (par exemple la
position d'un électron) a un effet radical : l'objet observé est généralement
fortement perturbé.
Localisation de l'électron après observation de sa position
Considérons un électron, par exemple l'électron d'un atome d'hydrogène qui,
avant mesure, est délocalisé comme nous l'avons expliqué précédemment.
Après mesure de sa position, l'électron est parfaitement localisé. Cette
localisation est une des positions de l'électron délocalisé. Dans l'analogie de la
bille qui serait "surtout sur le bureau mais aussi par terre", si on mesure la
position de cette bille, après mesure la bille va être localisée, soit sur le
bureau, soit par terre.
Lorsqu'on n'observe pas l'électron (ici l'électron d'un atome d'hydrogène), il est
délocalisé
Dès que l'on
observe l'électron il a une position bien déterminée
Peut-on prédire le résultat de la mesure de la position de l'électron
quantique ?
Alors qu'on peut déterminer avec une parfaite précision mathématique l'état
délocalisé de l'électron avant mesure pour peu que l'on connaisse les
conditions initiales, le résultat de la mesure ne peut être prédit qu'en terme
probabiliste.
Dans l'analogie de la bille qui serait "surtout sur le bureau mais aussi par
terre", si on mesure la position de cette bille, la bille va être localisée après la
mesure, soit sur le bureau, soit par terre, on ne peut pas prédire où on la
trouvera... On peut juste donner les probabilités de la trouver à chaque
endroit. On aura, dans l'exemple en question, plus de chance de trouver la
bille sur le bureau que par terre car la bille était "surtout sur le bureau, mais
aussi un peu par terre".
De même, le nuage de points représentant la position de l'électron d'un atome
d'hydrogène était plus dense près du noyau, donc c'est là que l'on a le plus de
probabilité de trouver l'électron.
Comme,
dès
qu'on
observe sa position, l'électron devient localisé, on ne l'observe jamais dans
son état délocalisé, on peut seulement inférer son état des nombreuses
observations physiques qui ont été faites et qui, à ce jour, n'ont fait que
confirmer la physique quantique.
Une physique aussi étrange peut-elle être vraie ?
En fait, ironiquement, en dépit de cette impossibilité d'observer un électron
délocalisé, comme la physique quantique est une des théories que les
physiciens ont eu le plus de mal à accepter, c'est aussi l'une de celles qui a
subi le plus de tests... et, par suite, l'une des théories physiques les mieux
confirmées au monde !
Mesure de la vitesse de l'électron
La situation est similaire lorsqu'on cherche à mesurer la vitesse de l'électron :
si celle-ci peut être indéterminée avant mesure, après mesure, elle est
parfaitement déterminée. On ne peut prédire avec certitude le résultat de cette
mesure, mais seulement donner une probabilité. Dans le cas de l'exemple de
la bille qui avait une vitesse non déterminée, et dont l'état incluait toutes les
vitesses entre 2 cm/s et 7 cm/s, on ne sait pas après mesure si la bille ira à
3 cm/s ou 6,5 cm/s, par contre, on peut dire avec certitude qu'elle n'ira pas à
8 cm/s ou 1 cm/s.
Ainsi, en physique quantique, chaque fois que l'on mesure une grandeur
(position, vitesse, etc...), on ne peut prédire le résultat de la mesure qu'en
terme probabiliste. Cette mesure modifie l'état de l'objet observé : après
mesure, la grandeur correspondante (position, vitesse, etc.) est parfaitement
déterminée.
Représentation mathématique de l'état de l'électron
Les propriétés de l'électron en physique quantique sont
convenablement en utilisant des outils mathématiques adéquats.
décrites
Notre but n'est pas de faire un cours complet de physique quantique. Nous
nous abstiendrons donc de rentrer dans les détails, et nous nous limiterons à
donner l'expression mathématique de l'état d'une particule quantique comme,
par exemple, un électron *.
|ψ> = ∫ ψ( r ) | r > d
r
Ce-dernier est décrit par ce que l'on appelle une "fonction d'onde", que l'on
note souvent |ψ>, et qui peut s'écrire comme une somme pondérée de toutes
les positions possibles de l'électron.
où ψ( r ) est une fonction numérique ordinaire* et | r > l'état "l'électron est
localisé au point de coordonnées r ".
On a omis l'état de spin de l'électron
On norme |ψ> en imposant ∫ |ψ( r )|2 d r = 1
Si ψ( r ) = 0 pour tout r sauf en une seule position r = r 0, cela signifie que
l'électron est localisé en r 0.
Dans le cas contraire, l'électron n'est pas localisé, puisque sa fonction d'onde
|ψ> inclut plusieurs valeurs de r , donc plusieurs positions différentes.
Le nuage de points représentant la position de l'électron est d'autant plus
dense que la norme de ψ( r ) est importante. En fait, si on veut être plus
précis, la densité du nuage est proportionnelle à |ψ( r )|2.
Supposons
que l'on connaisse parfaitement la fonction d'onde |ψ> de l'électron. Cette
fonction d'onde décrit parfaitement l'électron à l'instant considéré, mais ne
permet pas de prédire le résultat d'une mesure de la position de l'électron : le
résultat de cette mesure, en physique quantique, ne peut être décrite qu'en
termes probabilistes. Ainsi, la probabilité que le résultat de la mesure soit la
position | r 0> est |ψ( r 0)|2, proprotionnelle à la densité du nuage de points
représentant l'électron délocalisé. Après la mesure, la fonction d'onde de
l'électron est modifiée (sauf dans le cas d'un électron localisé) : elle est
maintenant |ψ>après mesure = | r 0>
Les relations d'incertitude
Si on mesure une grandeur (par exemple la position de l'électron), on ne peut
généralement pas, en physique quantique, être sûr du résultat : le résultat de
la mesure s'exprime en effet, comme nous l'avons vu plus haut, en terme
probabiliste.
Si on s'interroge sur la position de l'objet à un instant donné, |ψ( r )|2
représente la probabilité de présence en r , c'est-à-dire la probabilité de
trouver l'objet observé au point r , proportionnelle à la densité du nuage de
points représentant la localisation de l'objet. En termes statistiques, ce nuage
de points peut être décrit par des grandeurs telles que la valeur la plus
probable de r (en laquelle la densité du nuage de points est la plus grande),
l'incertitude, etc.
Notons Δ r l'incertitude sur r . Cette incertitude traduit grosso modo la taille
caractéristique du nuage de points. Δ r est variable selon les situations. Si on
mesure la position d'un électron, aussitôt après la mesure l'électron est
localisé. Si on refait une seconde mesure, on a donc, à ce moment-là, Δ r = 0.
Inversement, dans certaines situations physiques (métal conducteur par
exemple), on peut avoir un électron tellement délocalisé que Δ r est infini ou
quasi-infini.
Ce que l'on vient de dire s'applique aussi à l'incertitude sur l'impulsion ( p = m
v proportionnelle à la vitesse v de l'objet et à sa masse m) Δ p ...
En physique classique aussi, on a des incertitudes, même si la situation
physique est plus facile à appréhender. Ces incertitudes viennent de la
précision de la technique utilisée pour mesurer la position de l'objet, ou son
impulsion, ou toute autre grandeur qui nous intéresse.
Les relations d'incertitude d'Heisenberg mettent en évidence une différence
supplémentaire entre l'incertitude en physique classique et l'incertitude en
physique quantique. En physique classique, il est toujours possible de se
donner une limite supérieure sur l'incertitude que l'on veut obtenir sur la
position et sur l'impulsion d'un objet, et de faire une mesure avec une
incertitude inférieure à cette limite. Autrement dit, le produit Δ r Δ p peut être
aussi petit que l'on souhaite. En physique quantique, on montre que, quelle
que soit la situation physique considérée, Δ r Δ p sera toujours supérieure à
une certaine valeur, notée h, et appelée "constante de Planck". Autrement dit,
il existe des situations physiques dans lesquelles un électron est parfaitement
localisé (Δ r = 0) et il existe des situations physique dans lesquelles un
électron a une impulsion parfaitement définie (Δ p = 0), cependant, on ne
peut pas avoir les deux à la fois. Plus l'électron est localisé, moins son
impulsion est définie, et inversement.
Relation d'incertitude d'Heisenberg
Cette relation entre l'incertitude sur la position et sur l'impulsion : Δ r Δ p > h
avec h ≃ 6,63 × 10-34 J.s fait partie des relations que l'on appelle "relations
d'incertitude d'Heisenberg".
Indiscernabilité
Soient deux boules de pétanque absolument identiques : Arrivez-vous à les
distinguer l'une de l'autre ?
Probablement pas, mais même si vous n'arrivez pas à faire la différence entre
les deux en cet instant, vous pouvez toujours, au moins en théorie, prendre
une des boules de pétanque, et peindre un "1" dessus, puis prendre l'autre et
peindre "2" dessus :
Désormais, vous pouvez distinguer les deux boules de pétanque.
Ainsi, dans la vie courante, si l'on n'arrive pas toujours à faire la différence
entre deux objets, il est toujours, du moins en théorie, possible d'imaginer un
moyen de les distinguer.
Faisons de même avec les électrons... Voici deux électrons :
Première hypothèse
Oh, non !!! En fait, les électrons en physique quantique ne sont pas vraiment
localisés... Qu'à cela ne tienne, on peut faire un dessin similaire :
Bon il est exact que des électrons sont encore plus difficiles à distinguer que
des boules de pétanque... Surtout des électrons délocalisés quantiques, mais
n'est-ce pas, tout au moins "en théorie", la même chose ? Ces électrons que,
dans la pratique, on ne peut pas discerner, sont probablement théoriquement
discernables ?
En fait, ce n'est pas le cas !!
Les résultats des expériences montrent que, même par la pensée, vous ne
pouvez pas prendre un électron et "peindre" un "1" dessus puis prendre l'autre
et "peindre" un "2" dessus. En fait, vous ne pouvez pas, même par la pensée,
choisir un des électrons plutôt que l'autre. Vous savez qu'il y a deux électrons,
mais il n'est pas possible d'en choisir un. Non seulement vous n'arrivez pas à
les discerner dans la pratique (ce qui est une situation que l'on peut rencontrer
en physique classique), mais c'est aussi théoriquement impossible.
On
dit
que
les
électrons
sont
indiscernables...
L'état de cet ensemble
de deux électrons est un mélange de "l'électron 1 est à gauche et l'électron 2
est à droite" et de "l'électron 2 est à gauche et l'électron 1 est à droite"*
Le signe -, qui peut sembler étrange, est une particularité des particules
appelées "fermions", comme les électrons, alors que les autres particules
quantiques, appelées "bosons", sont caractérisées par un signe plus...
Paradoxe ? Le chat de Schrödinger
La physique quantique, plus encore peut-être que la relativité dont le célèbre
"paradoxe" des jumeaux a été fort popularisé (lire à ce sujet l'article
« Relativité et vitesse de la lumière »), peut donner lieu à un certain nombre
de situations qui semblent paradoxales.
Si l'on a pris l'exemple d'une petite bille fictive, c'était pour aider à comprendre
le comportement des électrons, mais aucune bille macroscopique ne se
comporte de façon "quantique" comme le fait un électron. En général, donc, la
physique quantique, quoique intriguante, parfois perturbante, se cantonne à
une partie du monde qui ne fait pas partie de notre quotidien : des électrons
invisibles à l'oeil nu, et d'autres particules tout aussi petites...
Cependant, le célèbre "paradoxe de Schrödinger" montre comment on pourrait
traduire (au moins dans "une expérience de l'esprit", théoriquement faisable, si
ce n'est pratiquement réaliste) les paradoxes microscopiques de la physique
quantique, en paradoxes sur des "objets" à notre échelle...
Supposons que l'on mette un chat dans une boite, dans laquelle se trouve une
capsule contenant du poison, et dont l'ouverture est commandée par l'état de
spin d'un électron. Un électron peut avoir seulement deux états de spin, "up"
ou "down", et son état est généralement un mélange de ces deux états. Tant
que l'on n'ouvre pas la boite pour observer ce qui se passe, l'électron a à la
fois un spin "up" et un spin "down", donc la capsule de poison est à la fois
ouverte et fermée, donc le chat est à la fois mort et vivant...
Les dessins ci-dessous illustrent le paradoxe de Schrödinger sous une forme
légèrement modifiée, avec des capsules de peintures bleue et rouge plutôt
que du poison, commandées par l'état de spin de l'électron (le spin "up"
correspondant à l'ouverture de la capsule bleue, le spin "down" à l'ouverture
de la capsule rouge) *.
Figure 22.
Gabrielle Bonnet
Chat de Schrödinger avant observation : il est à la fois dans l'état "chat bleu" et dans
l'état "chat rouge"
Chat de
Schrödinger après observation : sa couleur est bien déterminée... ici, le chat est bleu
L'auteur de ce texte aime trop les chats pour dessiner l'expérience originale du
"chat de Schrödinger" ;)
Il existe aussi des ordinateur quantique qui serve a calculer la vitesse et autre
chose de la physique quantique
Un ordinateur quantique opère ses
calculs grâce, entre autre, à la superposition d'états quantiques. La
mémoire d'un ordinateur classique est faite de bits. Chaque bit porte
soit un 1 soit un 0. La machine calcule en manipulant ces bits. Un
calculateur quantique travaille sur un jeu de qubits. Un qubit peut
porter soit un un, soit un zéro, soit une superposition linéaire des
deux. Le calculateur quantique calcule en manipulant ces
distributions.