r - Canalblog

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 :