1. Niveaux microscopique et macroscopique

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Conception de la nature et physique quantique
Concepts et principes de base de la physique quantique et interrogations qu'ils
suscitent sur la nature de la réalité.
Sommaire :
1. Niveaux microscopique et macroscopique
2. Principe d’indétermination d’Heisenberg
3. Principe de complémentarité
4. Conception mathématique
5. Principe de superposition des états
6. Principe de décohérence
7. Principe de non localité
8. Effet Aharonov-Bohm
1. Niveaux microscopique et macroscopique
La physique quantique décrit le niveau microscopique (atomes, particules
élémentaires), l'infiniment petit, inaccessible aux ''sens'' comme l’est l'infiniment
grand (gravitation) et à la différence du macroscopique qui est notre niveau.
Il existe des liens, des relations entre les deux niveaux comme en attestent les
applications pratiques (supraconducteurs, transistors).
La difficulté de compréhension de la physique quantique a 2 origines principales :
1. la description de l’évolution d’un système microphysique nécessite 2
approches conceptuelles différentes selon qu’il est ou non observé
(complication supplémentaire, le système d’observation et/ou l’observateur
peuvent être décrits quantiquement) ;
2. les lois, les principes du microscopique sont très différents de ceux du
macroscopique et ils ne sont pas immédiatement compréhensibles par les
modes habituels de pensée ; il ne s’agit pas d’une différence de degré mais de
nature parce qu’ils sont basés sur des outils intellectuels abstraits de type
mathématique.
Cette difficulté a 2 conséquences :
? elle facilite l’expression de toutes les ‘’croyances’’ ou irrationalités sur le
monde (parapsychologie, vision orientaliste du monde, voire base scientifique
à une religion …) ;
remarque : blason de Bohr = symbole du Ying et du Yang ;
? elle rend fréquent le recours à l’analogie et/ou à la métaphore pour
comprendre.
Remarque : en physique, les états quantiques sont désignés par la lettre grecque
PSY !!

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2. Principe d’indétermination d’Heisenberg
1927
Impossibilité d’attribuer à une particule à 1 instant donné 1 position ET 1 vitesse.
De surcroît, plus la position est déterminée et moins la vitesse l’est et inversement.
Analogie
Oiseau nocturne très éclairé : ébloui, il ne bouge pas donc étude de la morphologie
possible ; par contre, s’il est peu éclairé : il bouge donc étude du comportement
possible mais pas de la morphologie.
De façon plus générale, il faut envoyer de la lumière sur les systèmes
microphysiques pour les étudier, leur comportement va être modifié par celle-ci. Le
dispositif expérimental détermine les résultats.
Ce fait est à l’origine de l’expression : ‘’la réalité est créée par l’observateur’’, soit le
problème de l’objectivité du réel confrontée à ‘’l’étrangeté’’ quantique.
Exemple dans la problématique onde-particule, des électrons sont projetés sur une
plaque comportant 2 trous avec étude de la distribution de sortie et avec ou non de la
lumière pour voir par quel(s) trou(s) ils sortent (Pagel pp. 139-143 et Pour la Science
p.47 : expérience du ‘’choix retardé’’) :
? quand pas ou peu de lumière c’est à dire quand on ne cherche pas à savoir
par quel trou ils passent, les résultats sont analogues à ceux obtenus avec les
ondes c’est à dire que les électrons se comportent comme une onde, ils
passent par les 2 trous à la fois ;
? si on met de la lumière à la sortie pour détecter par quel trou ils passent (ce
dispositif présuppose que c’est possible c’est à dire que l’électron est une
particule : il passe par un trou et pas par l’autre), alors il se comporte comme
une particule.
Discussion
La réalité microscopique ne peut être connue en elle-même, son essence reste
inconnue.
La réalité microscopique existe-t-elle en dehors de l’observateur ? A-t-elle une
existence ‘’objective’’ ? (pour Einstein, la réponse est affirmative).
Du point de vue quantique, 3 positions (avec des degrés dans chacune) :
1. idéaliste : elle n’a pas d’existence, c’est la conscience de l’observateur qui la
crée ;
2. matérialiste : elle a une existence même si sa description n’est pas possible
et elle se comporte comme le décrit la physique quantique et le monde
macroscopique n’est qu’une partie ‘’de ce qui est’’ ;
3. empiriste ou opérationnaliste (Bohr/école de Copenhague) : ce qui compte
c’est la connaissance que la Physique donne de la réalité ; il est inutile de se
demander ce qu’est exactement le réel microscopique à partir du moment où
la description qu’en donne la physique quantique est vérifiée ; conception
fonctionnaliste : le critère de vérité est l’accord avec les observations et les
conséquences théoriques et pratiques de cette concordance.

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3. Principe de Complémentarité
Expérience des fentes de Young (Cantique des quantiques pp.48-51).
La réalité microphysique peut apparaître soit sous un aspect corpusculaire soit sous
un aspect ondulatoire. Ce sont 2 représentations du même élément qui apparaissent
en fonction du dispositif d’étude.
En revanche, ils sont mutuellement exclusifs.
Discussion
Conserve mais dépasse la dualité discret-continu.
Réalité globale non connaissable en tant que telle (exclusion réciproque).
4. Conception mathématique
1. Heisenberg
Traduction des intensités et des fréquences de la lumière émise par l’atome sous la
forme de matrices.
Le calcul matriciel permet de calculer les différents niveaux d’énergie d’un atome qui
correspondent en termes figuratifs au saut d’une orbite sur une autre.
2. de Broglie et Schrödinger
Fonction d’onde
Transparent : atome
(Cantique des quantiques pp.34-35)
Remarque : l’expression vecteur d’état est quelquefois employée parce qu’un
système quantique est un espace vectoriel.
1923 : de Broglie = le mouvement d’une particule est associé à la propagation d’une
onde.
La particule n’est pas un point avec une trajectoire mais une superposition de
mouvements potentiels dans toutes les directions = paquet d’ondes (qui donne la
probabilité de trouver une particule à un endroit donné).
Analogie
1 homme rentre chez lui, il ne trouve pas sa femme et apprend qu’elle est sortie vers
10h en voiture : où est-elle ? En fonction du temps, de la circulation, de la saison, de
ses préoccupations, dans un cercle spatial délimité, elle peut être à tel ou tel endroit :
exposition, sport, amie, magasin.
Transparent : équation
(Pour la Science p.11)
1926 : Schrödinger détermine l’équation de propagation de la fonction d’onde des
électrons.

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Analogie
Transparent : quantique/classique
(Cantique des quantiques p.10)
Justification : la mare=1 boite, le poisson=un électron, la canne à pêche=sonde qui
réagit à l’électron, le pêcheur= l’observateur qui réagit au signal de la sonde.
Avant d’être pêché, le poisson quantique occupe toute la mare = ‘’potentialité’’ de
poisson plus concentré ou plus dilué dans l’espace de la mare.
Il est partout avec des probabilités de présence différentes, proportionnelles à la
concentration, selon le lieu et le moment = fonction d’onde.
Il ne se concrétise que quand il est pêché.
La fonction d’onde contient également l’énergie = poisson qui changerait de couleurs
continues rapidement ; au début l’électron est concentré autour du noyau (centre de
la mare), plus l’énergie augmente et plus il occupe une zone importante (dilution) et
plus il perd de l’énergie.
La fonction d’onde est une fonction complexe : combinaison de 2 fonctions.
Elle permet de prévoir l’évolution d’un système dans l’espace et dans le temps mais
elle est impossible à vérifier expérimentalement parce que le dispositif de mesure
introduit une perturbation dans le système.
Effet tunnel
(Rohrer et Binnig Nobel en 1986)
Transparent : TunnelVerre
(Pagel p.144)
Une partie de la courbe de la densité de probabilité c’est à dire de la fonction d’onde
de la bille sort de la tasse et donc un objet peut être à l’extérieur de son contenant.
Transparent : TunnelMur
(Pour la Science pp.56-57)
Effet tunnel = traverser le mur.
Problème du temps de passage ( ???)
Remarque : l’effet tunnel serait à l’origine des erreurs ‘’douces’’ (dysfonctionnements
aléatoires) des ordinateurs (Pagel p.147).
Réduction du paquet d’ondes
Passage du microscopique au macroscopique (réexaminé ensuite avec l’étude du
principe de décohérence).
Quand une observation intervient c’est à dire quand il y a mesure, l’équation de la
fonction d’onde se réduit à une des possibilités qu’elle décrit.
Dans l’analogie (pêcheur et poisson), la détection de l’électron correspond au fait
que le poisson est pêché : les possibles de la fonction d’onde se réduisent à un seul
cas.

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Remarque :
Transparent : matérialisme/idéalisme
(Cantique des quantiques p.12)
La réduction du paquet d’ondes a lieu à des moments différents selon les
conceptions quantiques :
? matérialistes : quand l’électron interagit avec la sonde (quand le poisson
mord) ;
? idéalistes : quand l’expérimentateur voit le signal de la sonde (quand le
poisson sort de l’eau).
Note (Cantique des quantiques p.46) :
1 atome à 1 année lumière de la terre émet 1 photon.
Quantiquement le photon est une onde sphérique qui a la vitesse de la lumière et
dont la surface, quand elle atteint la terre, est 1027 kms² (1 milliard de milliards de
milliards de kms²). Si un observateur a une cellule photoélectrique qui détecte le
photon, l’onde disparaît et aucun autre observateur ne pourra détecter le photon.
Discussion
Réalité mathématique et probabiliste VS qualitative (la notion de trajectoire ou
d’orbite pour un atome n’est pas pertinente par exemple) et déterministe.
Quelle est la nature des probabilités dans la physique quantique ?
La théorie quantique détermine la forme de l’onde et son mouvement. c’est à dire la
façon suivant laquelle les probabilités, changent en fonction de l’espace et du temps.
Donc, seule la distribution de probabilité est déterminée pas les événements
individuels (tout vs partie). Ce qui est déterminé au niveau individuel c’est la
probabilité en cas d’observation (pas la probabilité de présence en elle-même).
Comment être sûr que la prévision donnée par l’équation de Schrödinger est juste ?
Elle est impossible à vérifier : s’il y a mesure, il y a modification du système. Les
explications proposées sont peu claires (Cantique des quantiques pp.45-46 et Pour
la Science p.70). D’Espagnat se demande même si elle est ‘’réelle’’ (Science et
Avenir p.75).
En dehors de la mesure, c’est à dire de l’intervention humaine, L’équation de
Schrödinger révèle une conception implicite de la nature de type déterministe.
En essayant d’expliciter l’implicite de la perspective quantique, est-il possible de dire
que, dans cette approche, la Nature :
1. est déterminée quand on ne cherche pas à la connaître ;
2. est incertaine (probabiliste) si on fait un pronostic ;
3. devient réelle (macroscopique) ou certaine (à l’intervalle de confiance de la
mesure près) dans la rencontre avec ce qui procède de l’humain (instrument
de mesure) ?