Étienne KLEIN : Brève histoire de la mécanique quantique

Si vous avez compris que que j’ai tenté de vous enseigner, c’est que je n’ai pas était clair. Niels BOHR.

En effet, il n’y a rien de moins intuitif que la mécanique quantique. C’est un monde où les objets peuvent être à plusieurs endroits à la fois. Un monde où on peut connaitre leur position ou leur vitesse, mais jamais les deux à la fois, où la téléportation est possible, voire le hasard… Un monde de fou donc que tente de nous faire découvrir Etienne KLEIN.

La catastrophe ultraviolette

Tout commence au XIXème siècle, lorsqu’il a fallu expliquer la catastrophe ultraviolette du corps noir. Un corps noir (de température (en °K ) nulle) chauffé rayonne de la lumière à différentes fréquences. Cette fréquence est fonction de sa température. Plus il est chaud, plus la couleur de la lumière émise va du rouge, au orange, puis vers le jaune, le vert, le bleu, et enfin le violet. L’idée était alors de déterminer la relation entre la fréquence et la température. Les équations de la mécanique classique (dites « de Maxwell ») montraient en effet que l’énergie rayonnée devait être infinie et que le corps noir devait donc exploser, ce qui n’était manifestement pas le cas. Il y avait donc un problème que l’on ne parvenait pas à résoudre

Randonner sur un volcan en feu : Femme Actuelle Le MAG

Max Planck – 1900

Max Planck s’intéressait à irréversibilité des phénomènes : pourquoi y avait-il une flèche du temps ? Pourquoi un vase pouvait-il se briser en chutant et jamais l’inverse ? La réponse, selon lui, résidait dans les interactions entre la lumière et la matière, donc dans les lois de l’électromagnétisme, donc cachée dans les équations de Maxwell. Boltzmann lui indiqua poliment que ce n’était pas possible, car justement ces équations montraient, au contraire, que les phénomènes étaient réversibles. Il se lança quand même dans les calculs et tomba, malgré son scepticisme, sur une expression qui montrait que l’énergie (transférée par la lumière à la matière) ne pouvait se faire que par paquets ou quantités. Un peu comme les achats de beurre à l’épicerie qui ne peuvent se faire que par livres ou demi-livres. Pour déterminer le volume de ces paquets, Planck introduisit sa fameuse constante h (dite « de Planck »).

Jeune Femme En Short Jeans Avec Des Jambes Sexy, Faire Du Shopping Dans Le  Supermarché Flou Fond Orange. Mains Féminines Achètent Des Produits, En  Utilisant Un Téléphone Intelligent En Magasin. Personne De
Comme en mécanique quantique, le beurre s’échange entre le commerçant et le client par paquet.

Einstein 1905 – l’effet photo-voltaïque

Einstein s’intéressait de son côté à l’effet photo-voltaïque : lorsque l’on éclaire un métal, les électrons se mettent en mouvements. Lenhard, en 1902, avait montré toutefois que ce phénomène n’était vrai qu’au delà de certaines fréquences : avec de la lumière rouge ou infra-rouge, ça ne marchait pas. Pourquoi ? Dans son papier de mars 1905, Einstein montra que c’était lié à la structure granuleuse de la lumière. Celle-ci serait formée de grains (que l’on appellera plus tard les photons). Donc, non-seulement le beurre (l’énergie) ne pouvait s’échanger que par paquet, mais en plus il n’existait du beurre (de la lumière) que sous forme de paquets préemballés !

Rutherford – 1911

Rutherford donna une première image de l’atome constitué d’un noyau autour duquel tourneraient des électrons. Il expliqua la similarité avec le système solaire où des planètes tournent autour du soleil selon des lois bien déterminées. Mais les équations de la mécanique classique (de Newton) donnaient des atomes instables où l’électron s’écrasait sur son noyau en quelques fractions de seconde.

Niels BOHR – 1913

Niels BOHR expliqua que les électrons ne pouvaient se trouver que sur certaines trajectoires dites « autorisées, avec certains niveaux d’énergie. Leur passage d’une orbite à une autre (de plus basse énergie) se traduirait alors par l’émission d’un photon.

https://i2.wp.com/blog.univ-angers.fr/astrophysique/files/2015/02/modele.gif?w=720
Les différentes conception de l’atome au cours du temps BOHR

Le paquet d’énergie que dégagerait un électron, lorsqu’il passe d’une orbite à une autre, se calcule avec la constante h de Planck. Tout est donc histoire de quantités. La mécanique quantique était née.

Le principe de superposition

Le principe de superposition est difficile à appréhender. Il dit qu’une particule quantique (par exemple un électron) peut avoir un état A ou un état B simultanément, mais aussi un état A+B, voire nA et nB, où n est un nombre entier… L’état est défini pas plusieurs variables : l’énergie, la position et la vitesse. Dans le monde macroscopique, cela pourrait vouloir dire qu’une seule voiture pourrait être simultanément à plusieurs endroits différents, avoir des vitesses différentes… un tel état de superposition expliquerait, par exemple, les liaisons chimiques où un électron appartient simultanément à plusieurs atomes.

Liaison covalente. - [Cours de Physique et de Chimie]
Liaison covalente : les électrons sont partagés entre deux atomes de chlore.

Pour Bohr, tout serait une question de probabilité (et aussi de hasard). L’électron peut être dans un état A avec une probabilité 1/2 ou B avec la même probabilité. Einstein lui répondit que « Dieu ne joue pas aux dés ».

Schrödinger et Heisenberg et la controverse entre Bohr et Einstein

En 1925, Heisenberg montra que l’on ne peut pas connaitre simultanément la position et la vitesse d’une particule quantique. La question de la réalité des objets quantiques commença à se poser ! C’est le fameux principe d’incertitude.

Schrödinger mis en équation la superposition des états. Einstein, défenseur du déterminisme, engagea une polémique avec Bohr, partisan du hasard. Einstein pensait que des « variables cachées » nous empêchaient de tout connaitre et refusait ainsi le principe d’incertitude. Il en conclut que la mécanique quantique n’était pas une théorie achevée. Il illustra son désaccord avec la métaphore du baril de poudre, à laquelle Schrödinger répondit par la métaphore du chat simultanément mort et vivant : il imagina un atome radioactif (une particule quantique) posée devant un détecteur de particules. Selon Bohr, l’atome est simultanément dans ses deux états : au repos et désintégrée. Le détecteur est relié à un marteau qui vient fendre, en cas de détection de particule, une fiole remplie de poison qui se répand dans une cage où est enfermé un chat. Comme le noyau est dans ses deux états, le chat l’est aussi : il doit être considéré comme simultanément mort et vivant. D’ailleurs, son état (mort ou vivant) ne sera déterminé que lorsque l’on ouvrira la cage ! Absurde pour Einstein ! Réel pour Bohr.

Qu'est-ce que l'expérience du Chat de Schrödinger ?
Le chat de Schrödinger

Pour quelle raison, au niveau macroscopique, n’a-ton plus de superposition des états ?

Modèle standard des particules

Ce modèle standard, reconnu par tous, complété récemment par le boson de Higgs, est un enfant de la mécanique quantique.

Modèle standard de la physique des particules — Wikipédia
Modèle standard de la physique des particules

1964 – John BELL et 1981 Alain ASPECT

La controverse entre Einstein et Bohr trouva son épilogue en faveur du second grâce à Bell (1964) et aux expériences d’Aspect (1981). Ce dernier montra qu’un système peut se partager en deux : deux particules peuvent ainsi s’éloigner l’une de l’autre à de très longues distances, tout en restant « intriquées », c’est-à-dire tout en restant un même système ! Alain Aspect montra que la mesure réalisée sur l’une des particules (par exemple son spin) a immédiatement des conséquences sur l’autre même si cette dernière se situe à plusieurs centaines de kilomètres. Il s’agit d’une téléportation de l’information encore aujourd’hui incomprise. Pour une fois, einstein s’était un peu trop avancé.

L'intrication quantique pourrait en réalité posséder une distance maximale

Intrication quantique