QUANTUM's STORY

La physique quantique ou un siècle de paradoxes

Tout débute par une simple expérience : des électrons projetés sur deux fentes...

1. Une banale expérience débouche sur un monde nouveau
Au début du XX°s, on sait qu’il existe des ondes et des corpuscules, peu de scientifiques imaginent qu’il existe quoi que se soit qui échappe à ces deux catégories. Or, une simple expérience sur des électrons bouleverse le monde des physiciens. En effet, les électrons bombardés sur deux fentes se comportent à la fois comme des corps (minuscules billes) et des ondes (informations) !
On cherche alors à démêler les choses et cela se complique ! En effet, il est impossible de connaître à la fois la position et la vitesse d’une particule. Contrairement à un ballon lancé dans l’air, une particule ne répond absolument pas aux lois de la physique dite « classique » sensée expliquer l’intégralité du monde réel…Que faire ?

2. le "principe d’incertitude"

W. Heisenberg

C’est W. Heisenberg qui, le premier, met en équation cette limite de la physique : impossible de savoir toutes les informations sur une particule en mouvement… C’est le « principe d’incertitude », le fait de mesurer une particule la « change ». Dès lors, se pose la question de l’accessibilité au réel.
Avant de « regarder » et mesurer une particule, impossible de savoir où elle se trouve ! La physique dite « quantique » (du latin quantum / quantité) ne peut que calculer des probabilités de présence de la particule dans un espace donné.
En 1927, N. Bohr pense que les propriétés corpusculaires et ondulatoires des particules se complètent c’est la « complémentarité ». Dès lors la physique quantique calcule des amplitudes de probabilités (sous la forme d’un nombre complexe).

3. la constante de Planck
Autre innovation de la physique quantique : la constante dite de Planck.
En 1900 le physicien M. Planck arrive à la conclusion qu’il existe une « constante » dans l’univers : la plus petite quantité d’énergie qui existe, la plus petite action possible dans l’univers. C’est cette constante h (6,6 x 10-34 joules / seconde). Sans h, l’univers serait intégralement classique, c’est à dire que la physique quantique arriverait aux mêmes conclusions que la physique classique.
Cette constante explique la stabilité des atomes, sans cela les électrons seraient attirés par les noyaux et s’y écraseraient. En se rapprochant du centre, l’électron serait mieux « localisé », dès lors son impulsion augmente (énergie cinétique) et l’attraction cesse.

M. Planck définit la constante h, l'univers change...

4. Vecteurs d’état et réduction du paquet d’onde
L’état d’une particule se définit par sa position, sa vitesse (variables) et sa masse ainsi que sa charge (constantes).
La physique quantique exprime les états du système par des vecteurs d’états.
En 1927 Schröninger définit la « réduction du paquets d’ondes », c’est à dire la définition à un instant t de l’état d’une particule.
Mais la particule n’avait pas obligatoirement cet état avant la mesure ! C’est le fait d’observer qui lui donne un état (incertitude). Avant la réduction du paquet d’ondes, l’état est « indéterminé », c’est le « flou quantique ».
Avant la mesure, le vecteur d’état ne donne que des possibilités d’état, la mesure définit le système (et non l’inverse). Dès lors, qu’en est-il des particules avant la mesure ? C’est le paradoxe du chat de Shroninger (1935) qui exprime le fait de devoir observer pour savoir et donc fausser la mesure.
Dès lors de quoi relève la réduction du paquet d’ondes ? L’état de la particule existait-il avant la mesure ? Pas vraiment semble-t-il.
Ainsi L. de Broglie énonce-t-il un autre paradoxe célèbre en 1959 : soit un électron dans une boite : la probabilité de trouver la particule est égale dans toute la boite car son vecteur d’état comprend tout le volume de la boite.
On coupe alors la boite en deux parties égales : A et B, on éloigne les boites. Le vecteur d’état indique alors qu’on a une chance sur deux de trouver l’électron dans chacune des boites… On ouvre et on trouve la particule dans la boite A, du coup le vecteur d’état en B est nul. Mais avant la mesure il ne l’était pas. Ainsi si la physique quantique est dite « complète », alors l’électron avait une probabilité d’être présent à la fois dans les deux boites ! Comment est-ce possible ? Est-ce vrai ? Existe-t-il des « variables cachées » qui expliqueraient ces paradoxes ?

libre illustration du "chat de Schröninger", un des paradoxes les plus déroutant de la physique quantique

5. Peut-on aller plus vite que la vitesse de la lumière ?
Schröninger avait même trouvé que certaines particules étaient, de par leurs vecteurs d’état, « inséparables » avant la mesure (réduction du paquet d’ondes) car la connaissance des parties (les deux particules séparément) ne donne pas accès au tout (la paire de particules).
Mais pour Einstein la physique quantique n’est pas complète, elle ne peut donner que des probabilités et rien d’autre. Il exprime son point de vue dans le paradoxe E.P.R. (Einstein, Podolsky, Rosen) en 1935 : il pose trois conditions pour que la physique quantique soit complète :
1 : la physique quantique est juste.
2 : la « localité » (rien ne peut aller plus vite que la lumière).
3 : si on mesure une quantité, elle existe.
Si la physique quantique était complète, les sous-parties (particules) se comporteraient autrement…
N. Böhr lui répond que la mesure n’est jamais absolument objective, du coup la physique quantique ne peut donc décrire LA réalité.
En 1965 J. Bell, par ses « inégalités » aboutit à l’idée que les résultats sont très limités si on respecte les trois conditions d’Einstein…
En 1982 A. Aspect arrive à dépasser la localité : deux photos émis de la même source interagissent instantanément, sans écart d’espace ! La vitesse est, en quelque sorte, infinie…

Voilà le monde étonnant et paradoxal de la physique quantique. Et c'est sans doute un début !

Alain Aspect réalise en 1982 une expérience qui montre que deux photons interagissent quelque soit la distance...