La physique quantique| CONTENU - Tutoriel de la série des compléments de culture scientifique: la physique quantique |
La "mécanique quantique" ou "physique quantique" ou "théorie quantique" est une théorie de la physique qui permet une description mathématique de la matière, laquelle est considérée comme ayant un comportement à la fois en termes de particule et en terme d'onde et qui a une interaction avec l'énergie. Cette théorie, d'une façon générale, représente pour le monde des particules ce que la Relativité d'Einstein est aux grandes structures de l'Univers. La physique quantique a été basée -et continue de l'être- sur l'idée que le monde des particules a à voir avec le hasard. Einstein -dont la théorie de la Relativité est classiquement déterministe, pensait que la mécanique quantique était incomplète et qu'il fallait continuer les recherches jusqu'à trouver une description réaliste du monde des particules (ce que les physiciens quantiques, comme Niels Bohr, refusèrent, défendant l'aspect unique de leur domaine). La physique quantique s'est développée à partir des années 1920 et a mené, dans les années 1970, au Modèle Standard de la physique; celui-ci permet l'étude précise de la matière et de l'énergie au niveau sub-atomique. Une application essentielle de la physique quantique réside en la recherche atomique. Le terme "quantum", lui, a été inventé par le physicien Max Planck car il avait observé que certaines quantités physiques ne varient que par quantités aléatoires, ou "quanta", qui sont des multiples de la constante de Planck; elles n'ont une variation ni continue ni arbitraire. La grande innovation de la physique quantique est qu'elle décrit l'évolution chronologique du comportement d'un système physique par le biais d'une structure mathématique dite "fonction d'onde". Une fonction d'onde est une onde qui représente le comportement d'un système et l'onde incorpore la possibilité que le système se trouve dans un état donné à un moment donné et que, donc, un état donné n'est qu'une probabilité (ce qui s'oppose à la perception de la physique classique selon laquelle les mesures faites d'un système sont toujours des certitudes). Une fonction d'onde est une expression mathématique qui définit tous les états observables possibles d'un système quantique, ainsi les différents emplacements possibles d'une particule et, lorsqu'une mesure est faite, la fonction d'onde s'effondre; une fonction d'onde permet tous les résultats observationnels d'un système quantique. La physique quantique permet aussi de calculer les effets qu'a la mesure des propriétés d'un système car cela définit les effets de la mesure sur la fonction d'onde. La mécanique quantique remet en cause le déterminisme de la science de l'ère moderne, lorsque la mathématique permettait de tout décrire et que tout avait une cause: le principe d'incertitude d'Heisenberg propulse le raisonnement scientifique dans un flou relatif. On ne pourra qu'approximativement décrire un évènement physique. La mécanique quantique, finalement,décrit de manière statistique des éléments moyens. La mécanique quantique est un monde étrange car ses équations ne peuvent pas prédire le résultat exact d'une mesure -ainsi, par exemple, la mesure de la position d'un électron- mais seulement les probabilités que la mesure donne des valeurs particulières. Aussi, les objets quantiques -tels les électrons- vivent-ils dans un nuage d'incertitude lequel est encodé mathématiquement dans une fonction d'onde dont la forme se modifie en douceur, un peu à la manière des vagues de la mer. Mais lorsqu'une propriété d'un objet quantique est mesurée -ainsi une position- on obtient toujours une valeur précise -et cette même valeur, d'ailleurs, est de nouveau obtenue si on se livre à une nouvelle mesure immédiatement après. Ce principe a été formulé dans les années 1920 par les pioniers que furent Niels Bohr et Werner Heisenberg; ils l'appelèrent l'"interprétation de Copenhague", du nom de la ville où vivait Bohr: le fait d'observer un système quantique fait que la fonction d'onde s'effondre et passe de l'état d'une courbe étalée à celui d'un point. Par ailleurs, bien que les objets quantiques se trouvent dans des états incertains, l'observation, elle, a lieu dans le monde classique de la physique et produit des résultats non-ambigus. Le monde quantique est souvent considéré comme étant, de façon inhérente, non-intuitif; les physiciens quantiques ont longtemps pensé que trouver une approche plus intuitive à la physique quantique pourrait permettre de résoudre des énigmes en suspens (même si nombreux sont ceux qui pensent que cela n'est pas possible sans théories nouvelles). Dans le monde quantique, la vitesse et l'énergie sont un compromis limité par le principe d'incertitude d'Heisenberg. La théorie de la Relativité générale est une théorie "classique" en ce sens que tout phénomène observé possède une valeur définie. Par opposition, la mécanique quantique, ce qu'on observe n'a pas de valeurs définies puisqu'une particule peut exister dans une "superposition" d'états. L'outil standard qui permet d'observer un comportement quantique est l'interférence: un système est mis dans une superposition d'état puis on le fait revenir à son état original. On a là la "symétrie" quantique qui fait que si on applique une même transformation deux fois à un système, on revient à l'état dont on est parti
La science, au XIXème siècle, s'était essentiellement contentée de faire utilisation de techniques analytiques de plus en plus développées et ceci dans le cadre plus général de concepts et d'idées énoncées auparavant, soit lors de la révolution scientifique des Temps Modernes. Elle n'avait donc pas réfléchi sur des principes universels ni sur les lois fondamentales de la matière ou du monde. Cela changea au tournant du siècle: la Relativité Générale ou la physique quantique renouvelèrent profondément la physique telle qu'elle avait été énoncée par Newton. Et cela amena à une autre étape, évidente, de la révolution scientifique. Le XIXème siècle avait été le siècle du charbon, de la vapeur et du rail; le XXème allait être celui du pétrole, de l'atome et du moteur à explosion. Comme cela est souvent le cas dans l'histoire des sciences, ce changement vint de la convergence de chemins divers. Les recherches, au XIXème siècle, concernant la puissance, l'énergie, la radiation ou la lumière avaient déjà amené au problème de la radiation du corps noir, lequel, en 1900, fut finalement brillament résolu par Max Planck, sur la base de l'idée qu'avait eu Boltzmann, en 1877, que les états d'énergie d'un système peuvent être aléatoires. Selon l'hypothèse de Planck, l'énergie, d'une facon générale, est émise et absorbée sous la forme de quanta aléatoires, ou l'énergie d'ondes peut être décrite comme consistant en petits paquets, ou quanta, aussi. L'idée fut développée par Einstein même: en 1905, il travaillait sur l'effet photo-électrique et il démontra comment un rayon lumineux qui frappe une plaque de métal n'en libère des électrons que sur la base du fait que la lumière agit par le biais de petits paquets d'énergie, dit photons. Il avait ainsi trouvé qu'une onde, telle la lumière, peut être décrite en tant qu'étant aussi une particule! Einstein, cette même année, avait également énoncé sa fondamentale "Théorie de la Relativité Restreinte" par laquelle il affirmait, sur le point de savoir comment la lumière se déplace dans l'espace, d'abord que la vitesse de la lumière était constante pour tous les cadres de référence inertielle et que les lois de l'électromagnétisme restaient valables indépendamment du cadre de référence, ensuite que les observations du temps et de la dimension varient fonction de comment l'observateur se déplace par rapport à l'objet mesuré et, finalement, que la masse et l'énergie sont des quantités interchangeables, selon la formule célèbre E=Mc2. L'idée de Planck fut également appliquée par le physicien danois Niels Bohr, en 1913, qui expliqua ainsi la stabilité du modèle de l'atome tel qu'énoncé par Rutherford. Ces idées s'accrurent, dans les années 1910 par la Théorie de la Relativité Générale, du même Einstein, qui était une extension de la Relativité Restreinte aux cas où les cadres de référence sont en accélération; il affirmait alors qu'il y avait équivalence entre la force inertielle d'accélération et la gravité et que l'espace était donc courbé par la matière et fini en taille. Ainsi, ces trois révolutions fondamentales de la physique d'alors, la Relativité d'Einstein, la nature quantique de la transmission de la lumière de Planck et le modèle de l'atome selon Niels Bohr, allaient permettre la révolution qui consistait à réviser la physique newtonienne et à la refonder sur de nouveaux principes fondamentaux. A partir de là, cette révolution se sépara en deux chemins distincts dans les années 1920: l'un qui menait à l'astronomie et la cosmologie et qui allait conduire au Big Bang, l'autre qui menait à la physique des particules et qui allait conduire à la bombe atomique et au Modèle Standard de la physique. Einstein, finalement, avait interprété les conceptions de l'atome et la théorie corpusculaire de la lumière et le résultat de ses recherches, désormais complètement admises, peut être considéré comme ce qu'on appellerait plus tard les théories quantiques de la matière et de la radiation électromagnétique
Pour ce qui du second chemin de la révolution scientifique de ces années, les années 1920 en vinrent à inventer la physique quantique au complet, via la participation de noms comme Niels Bohr, Werner Heisenberg, Max Planck, Louis de Broglie, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert et autres. Les débuts de la théorie quantique en venaient en fait à remettre en cause le point de vue que les théories scientifiques admises reflétaient la réalité et à la conférence Solvay de 1927 à Bruxelles, 29 scientifiques se réunirent pour discuter la théorie quantique et les désaccords entre Bohr, Einstein, Schrödinger et de Broglie se firent jour. Einstein, défendant une vue classique de la science, lança son célèbre "Dieu ne joue pas aux dés". Les phénomènes quantiques restaient extraordinairement stupéfiants pour certains. Les vues des partisans de la théorie remettaient en cause la localisation, la causalité et le déterminisme de la science d'alors. Einstein continua même d'affirmer que l'interprétation de Copenhague était incomplète, émettant l'hypothèse qu'il pouvait exister des variables ou des processus cachés qui sous-tendaient les observations quantiques mais, en 1932, le mathématicien John von Neumann fournit la preuve qu'il ne pouvait pas y avoir de variables cachées en mécanique quantique. En 1928, la physique quantique était définitivement devenue la formulation standard de la physique atomique. Comme la causalité, en mécanique quantique, concerne comment les objets s'influencent par delà le temps et l'espace, la théorie quantique pourrait aider à unir le Modèle standard de la physique avec la Relativité générale dans laquelle la structure causale joue un rôle central. Le hasard apparent que Niels Bohr et Werner Heisenberg ont installé au coeur de la théorie quantique -l'"interprétation de Copenhague" (d'une conférence qui se tint dans la ville)- insiste sur le fait que le résultat d'une mesure quantique -la vérification de l'orientation du plan de polarisation d'un photon, par exemple- est déterminé au hasard et seulement à l'instant où la mesure est faite (et aucune raison ne peut être invoquée pour expliquer ce résultat particulier). L'interprétation à laquelle menait le formalisme de la mécanique quantique devint, pour l'essentiel, accepté par la communauté scientifique. >The hydrogen atom plaid a great role in quantume physics. The optical spectrum of hydrogen was measured with great accuracy in the 1880's, before being quantitatively explained in the 1910's as the structure of that hydrogen atom was then at the heart of the formulation of quantum mechanics and in the generalization of this theory to relativistic (fast-moving) particles in the 1920's. And it was the unexpected discovery of an energy gap between the 2S and 2P1/2 excited states of hydrogen by physicist Willis Lamb in 1947 that motivated the development of quantum electrodynamics. L'atome d'hydrogène a joué un grand rôle dans la physique quantique: le spectre optique de l'hydrogène avait été mesuré avec une grande précision dans les années 1880 avant d'être expliqué, sur le plan quantitatif, dans les années 1910; la structure de l'atome d'hydrogène fut alors au coeur de la reformulation de la physique quantique et de la généralisation de la théorie, dans les années 1920, aux particules à haute vitesse -ou relativistiques. Enfin, ce fut la découverte inattendue, en 1947, d'un fossé d'énergie entre les niveaux excités 25 et 2P1/2 de l'hydrogène par le physicien Willis Lamb, qui encouragea le développement de l'électrodynamique quantique. Pendant un temps, la physique quantique s'était basée sur la correspondance, aux échelles importantes, entre le monde quantique de l'atome et la continuité physique du monde de la physique newtonienne mais, désormais, elle était devenue une théorie à part entière, une théorie fondée sur le probabilisme. Louis de Broglie émit alors l'idée, logique, que, si la lumière pouvait être décrite en termes de particules, la matière pouvait être décrite en termes d'onde. Cela donna la théorie qu'il y avait unité entre les particules sub-atomiques et les ondes électromagnétiques, théorie dite "dualité onde-particules" qui fait que les particules et les ondes ne sont ni l'une ni l'autre mais présentent les particularités des deux. Vint ensuite Schrödinger, qui formula mathématiquement la physique quantique, soit l"équation d'onde" du monde des particules, qui décrit la gamme des probabilités de la position et du mouvement de l'une d'elles. La fonction d'onde traite la particule comme un oscillateur harmonique quantique et la mathématique quantique est parente de celle de la résonance acoustique. Sa méthode permettait de déterminer les chances statistiques qu'un électron soit à tel endroit à tel moment. Cela, ainsi, reformulait de façon significative la théorie quantique en l'éloignant de ce qu'on appelait la "théorie quantique ancienne". L'équation de Schrödinger gouverne la structure atomique; elle décrit une fonction d'onde. Mais observer cette structure la détruit inévitablement. Schrödinger avait aussi des idées sur le point de savoir comment la physique pouvait éclairer la faculté peu compréhensible des organismes vivants à maintenir un ordre et une organisation moléculaires face à ce qui semblait être les forces aléatoires de la Nature. Ces conférences de Schrödinger furent réunies dans ce qu'il appellait son "petit livre", "Qu'est-ce que la vie?" (en anglais "What is life?") publié en 1944. Certains le considèrent comme l'un des livres scientifiques les plus importants du XXème siècle. "Qu'est-ce que la vie?" argumentait que les questions profondes à propos du monde physique étaient transdisciplinaires et la concluion de Schrödinger sur le déterminisme et la volonté indépendante appelait à l'aide Kant et l'hindouisme. Werner Heisenberg, Max Born et Pascual Jordan, en 1925, se fondant sur la relation probabiliste entre différents états aléatoires, de plus, réfutèrent la possibilité qu'il existe, dans la nature, un principe de causalité. Le "principe d'incertitude" d'Heisenberg, en 1927, affirma l'impossibilité de déterminer avec précision et simultanément à la fois la position et la vitesse d'une particule; principe qui définit aussi que le simple fait d'observer une particule élémentaire peut affecter son existence. Pauli, lui, définit son principe d'exclusion: deux particules ayant les mêmes caractéristiques ne peuvent pas se trouver au même endroit au même moment. Le débat, à ce point, devint philosophique car la physique quantique en venait à nier la possibilité qu'existe le principe de causalité, élément fondamental de la physique classique et des opposants se firent jour, tels Einstein lui-même, qui affirma que "Dieu ne jouait pas aux dés avec l'Univers". Il n'acceptait pas les conséquences philosophiques ni les interprétation de la mécanique quantique, telles le manque d'une causalité déterministe et l'affirmation qu'une même particule pouvait occuper plusieurs points de l'espace en même temps. Si c'était les lois classiques de la physique qui expliquaient le fonctionnement d'un atome, les électrons ne mettraient pas longtemps à dériver vers le noyau et s'y heurter; l'atome serait instable. Comme, en fait, les électrons demeurent sur des chemins orbitaux incertains, brouillés et non-déterministes, la stabilité de l'atome, donc du monde physique sont assurées. La physique quantique devait ainsi être considérée, finalement, comme une renonciation terminale à l'idée classique de causalité. La physique quantique revendiqua toujours d'être reliée à l'expérimentation car différentes expériences produisent des preuves complémentaires entre elles. On notera aussi qu'une version précoce du concept des multivers, dès 1956, affirme que toutes ces possibilités simultanées de la physique quantique auraient lieu dans un "multivers" qui serait composé d'univers parallèles essentiellement indépendants et qu'une telle superposition de combinaisons d'états cohérents de différents systèmes s'appelle un "entangled state", "état entremêlé". Alors que le multivers appartient à un monde déterministe, nous ne percevons que des comportements non-déterministres soumis au régime de la probabilité car nous ne pouvons observer que notre Univers. Le concept de multivers, ainsi, est apparemment inhérent à la physique quantique. En 1930, la théorie quantique reformulée avait été encore formalisée et unifiée par Paul Dirac ou John von Neumann, un plus grand accent étant mis sur la mesure, la nature statistique de notre connaissance du réel et des spéculations philosophiques sur le rôle de l'observateur. A l'époque, sur un autre plan, l'absence de preuves expérimentales concluantes de la théorie amena à l'apparition d'interprétations opposées. Albert Einstein, quant à lui, ne croyait pas complètement que les lois de la physique quantique décrivaient la réalité; avec d'autres, il pensait qu'il devait exister des variables cachées qui devaient permettre à un système quantique d'≖tre prédictible (finalement, en 1964, John Bell énonça que tout modèle du monde physique avec de telles variables cachées devait aussi permettre l'influence instantanée d'une particule sur une autre; alors qu'Einstein avait montré que l'information ne peut pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière, les particules, selon Bell, peuvent cependant s'influencer l'une l'autre bien que distantes les unes des autres; on considère le théorème de Bell comme une fondation importante de la physique moderne. Ce ne fut qu'en 2015, après de nombreux essais de prouver le théorème, que 3 études menées séparément furent publiées, toutes en accord avec les prévisions de la mécanique, dont celles de l'entangled state)
Cela n'empêcha pas Einstein de participer, dans les années 1920, à la découverte du boson mais les théories, à partir des années 1930 et pendant la Seconde Guerre Mondiale, se transformèrent en sciences appliquées. Les théoriciens furent de retour en 1945: Schwinger, Feynman et Tomonaga, de façon indépendante, inventèrent l'électrodynamique quantique ("quantum electrodynamics" ou QED dans le monde anglo-saxon) soit l'électromagnétisme transcrit en termes quantiques. L'électrodynamique quantique est la théorie qui décrit les interactions entre les particules et la lumière. Tout un ensemble de particules nouvelles en vinrent à être trouvées du fait des recherches qui avaient permis la bombe atomique et les nouveaux, puissants accélérateurs de particules permirent d'en augmenter la liste. Le neutron, le positron ou le muon avaient déjà été découverts dans les années 1930. L'idée apparut aussi que des champs pouvaient devenir quantiques via des forces d'échange régulées par l'échange de particules virtuelles à vie courte -qui, selon les lois sur les incertitudes, pouvaient théoriquement exister- ou, plus simplement que les liens entre les particules fondamentales se faisaient par le biais de particules transporteuses de force. Des physiciens, tels Murray Gell-Mann, se préoccupèrent de caractériser et de classifier toutes ces particules découvertes, ce qui, en retour, permit des modélisations qui permirent d'en découvrir d'autres. La "chromodynamique quantique" ("quantum chromodynamics" en anglais), dans les années 1970, finit par définir un ensemble fini de particules fondamentales, de forces et de particules transporteuses de force et elle permit aussi la définition de ce qu'on appelle le "Modèle Standard de la physique", qui se fonde sur les mathématiques de l'invariance de gauge. La chromodynamique quantique est la théorie fondamentale de la force forte; cette interaction au sein du noyau atomique est grandement déterminée par la dynamique sous-jacente des quarks et des gluons; elle varie aussi en fonction de la distance. Le Modèle Standard, non seulement décrit toutes les particules et les forces -sauf la gravité- mais il sert également de modèle théorique sur la base duquel toute la physique s'est développée depuis lors. Le Modèle Standard, en termes de physique quantique est la rencontre de la théorie de l'interaction électrofaible et de la chromodynamique quantique en une structure notée par le groupe de gauge: SU(3)×SU(2)×U(1). La fusion des forces électromagnétique et faible en une seule, la force électrofaible, réalisée au CERN par Abdus Salam, Steven Weinberg and Sheldon Glashow a joué un rôle fondamental dans l'élaboration du Modèle Standard. Le Modèle Standard, ou mécanique quantique, de nos jours sert de base à quasi toutes les branches de la science ou des sciences appliquées
Un dernier point concerne les relations entre la Relativité Générale et le Modèle Standard: jusqu'à présent, aucune théorie n'a été capable de les fusionner. Alors qu'astronomie et physique atomique avait chacune pris un chemin dans les années 1920, la physique des particules, depuis les années 1970, a renouvelé la question du fait que le Modèle Standard, modèle solide, via les particules fondamentales qu'il décrit et leurs interactions, en vient à permettre des avancées de la connaissance concernant ce qu'était l'Univers primitif, tel que décrit par la théorie du Big Bang -lui, une conséquence de la Relativité Générale- et comment il a produit ces particules fondamentales. Cette convergence renouvelée a de nouveau été questionnée, depuis les années 1980, du fait des questions posées par la découverte de la matière noire et de l'énergie noire
Comme la physique quantique affirme que la position et la vitesse d'une particule, ainsi que son énergie et sa localisation dans le temps, sont deux paires solidaires chacune, on ne peut pas donner une valeur définitive à l'une quelconque de ces caractéristiques mais, seulement, une gamme de possibilités d'où la particule peut se trouver fonction de sa vitesse. Cette vue s'oppose à la physique classique et à la perception habituelle du monde où tout objet à une position, une vitesse, une relation au temps, etc. definies. La physique quantique ne permet que des prédictions en termes de probabilités. Certains états quantiques, cependant, peuvent avoir une valeur définie. On les appelle des "eigenstate" ("états définis" dans ce terme qui mêle allemand et anglais). Cela vaut spécialement lorsqu'un système quantique interagit avec un système de mesure car les fonctions d'onde de chacun s'entremêlent de telle sorte que le système quantique d'origine cesse d'exister en tant qu'entité indépendante et la nature probabiliste de la physique quantique provient, alors, de la mesure effectuée. Le résultat en est que la fonction d'onde qui contient l'information de probabilité pour le système s'effondre, passant d'un état initial donné à un eigenstate particulier. En théorie quantique en général, ce qu'"information" signifie en termes d'enchevêtrement n'est ni l'information quantifiée en termes d'entropie, qui s'accroît quand le "message" devient plus aléatoire, ni dans le sens d'une prise de note, par exemple, où l'information n'acquiert du sens que dans le bon contexte. La question de la nature de l'information en physique quantique reste, en fait, intacte. Les électrons, par exemple, sont considérés se trouvant quelque part dans une région de l'espace mais leurs positions exactes ne sont pas connues; on ne peut parler que de "nuages" de positions et l'état du système à un moment donné se décrit comme une fonction d'onde complexe, dit aussi "vecteur d'état", dans un espace vectoriel complexe. Cela permet de calculer la probabilité de trouver un électron à tel ou tel endroit autour du noyau, à un moment donné. Du fait du principe d'incertitude d'Heisenberg, on ne peut jamais faire avec précision -comme on le fait en physique classique- une prédiction simultanée pour des variables solidaires (position et vitesse, par exemple). Les résultats possibles d'une mesure, de plus, sont les eigenvaleurs de l'opérateur de l'observation. Les états possibles d'un système mécanique quantique sont représentés par des vecteurs d'unité -les vecteurs d'état- qui se trouvent dans un "espace de Hilbert" du système, complexe et séparable, dit "espace d'état" ou "espace d'Hilbert associé". Les états possibles du systèmes sont des points dans un espace de projection de l'espace de Hilbert, ou "espace projectif complexe". Chaque caractéristique observable est représentée par un "Hermiten maximal" ou "opérateur linéaire auto-adjoint" qui agit sur l'espace d'état. Chaque eigenstate d'une caractéristique observable correspond à un eigenvecteur de l'observateur et la eigenvaleur associée correspond à la valeur de la caractéristique pour cet eigenstate. Si le spectre de l'observateur est aléatoire la caractéristique observée ne peut qu'atteindre ces eigenvaleurs aléatoires. Pour un observateur Hermitien, tous les eigenvaleurs sont vraies. La distribution des probabilités pour une caractéristique observable dans un état donné se fait en calculant la décomposition spectrale de l'observateur correspondant. Ou aussi: l'espace d'état d'un système et l'espace de Hilbert et les caractéristiques observables de ce système sont des observateurs Hermitiens qui agissent sur cet espace même s'ils ne renseignent pas sur quel est l'espace de Hilbert ni de quels observateurs il s'agit car ces derniers peuvent être choisis en accordance de façon à obtenir une description quantitative d'un système quantique. Le principe d'incertitude d'Heisenberg se représente par l'affirmation que les observateurs Hermitiens correspondant à certaines caractéristiques observables ne sont pas interchangeables. Il s'avère que les solutions de l'équation de Schrödinger ne valent, en fait, que pour un petit nombre de cas d'école, tels l'exemple d'une particule isolée, l'ion moléculaire d'hydrogène ou l'atome d'hydrogène. Même l'atome d'hélium, qui ne contient d'un électron de plus que l'hydrogène, résiste à toutes les tentatives d'un traitement analytique complet. Mais plusieurs techniques existent qui permettent de générer des représentations approximatives, certaines passant par le déplacement des particules en termes de physique classique. La formule de Schrödinger n'est pas la seule formule utilisable en mécanique quantique; d'autres existent. Selon celle de Paul Dirac, qui enseignait à Cambridge, l'état instantané d'un système quantique "encode" les probabilités de ses propriétés mesurables ou "observables", qui peuvent être soit continues soit aléatoires. La formule dite "Feynman's path" est également employée. La physique quantique amène à ce que, au contraire de la vision classique des électrons circulant sur des orbites autour du noyau de l'atome à l'instar d'une sorte de système solaire miniature, les électrons ne sont plus considérés que se trouvant au sein d'un nuage flou de positions non-définies. Aussi, l'orbite la plus stable -et donc la plus probable- d'un électron se trouve-t'elle ni trop près ni trop loin du noyau
L'évolution chronologique d'un état quantique se décrit aussi par l'équation de Schrödinger dans laquelle le "Hamiltonien" (l'observateur correspondant à l'énergie totale du système) génère cette évolution chronologique. L'évolution de fonctions d'onde dans le temps est de type déterministe en ce sens que, si l'on prend une fonction d'onde à un temps initial donné, celle-ci fait une prédiction définitive de ce que sera la fonction d'onde à n'importe quel temps suivant. Une fonction d'onde, cependant, peut changer au fur et à mesure que le temps s'écoule: le paquet d'onde, ainsi, se disperse, ce qui signifie que la position devient plus incertaine et les positions eigenstate se transforment en paquets d'onde élargis n'en sont plus. Les fonctions d'onde d'un état quantique sont semblables aux représentations des modes de vibration acoustique de la physique classique et sont aussi des modes oscillatoires: elles ont une énergie aigue et donc une fréquence apparentée. Le moment angulaire et l'énergie prenant des valeurs aléatoires semblables aux fréquences de résonance en acoustique. L'état de base ("ground state") dans la théorie quantique est un état d'énergie non-zéro, le plus bas permis par l'état d'énergie du système et non pas un système de physique classique ou l'état de base n'est qu'un état au repos avec une énergie cinétique zéro
La "théorie du champ quantique" ou "QFT" (pour "quantum field theory"), par ailleurs, est un cadre ou un langage quantique théorique qui s'applique à la physique des particules ainsi qu'à la physique de la matière condensée. Le Modèle Standard, par exemple, exprime les particules et leurs interactions en termes de théories relativistes du champ quantique. Dans les expériences des accélérateurs cela permet de compter les particules qui entrent et qui sortent d'une expérience. Certains considèrent même que la théorie du champ quantique est la seule et correcte issue de la tentative de combiner les règles de la physique quantique avec la Relativité restreinte. La QFT est particulièrement intéressante en ce qui concerne les particules transporteuses de force. Les photons, par exemple, sont des "quanta de champ", des sortes de plis en paquets -dites "excitations"- d'un champ. Chaque fermion ou chaque électron possède aussi son champ. La théorie mène éventuellement à cette idée que les particules sont considérées comme les états excités d'un champ, ou "quanta de champ", chaque particule étant associée à un champ. La théorie du champ quantique est apparue dans les années 1920 comme l'effort fait pour énoncer une théorie quantique, ou "quantisation", du champ électromagnétique -soit le comportement de la matière chargée- et elle s'est graduellement transformée en le Modèle Standard via l'association physique quantique-Relativité restreinte (où les "commutateurs de champ" des invariantes de Lorentz), l'anti-matière de Dirac ou des physiciens soviétiques découvrant que les particules -ou quanta- peuvent apparaître ou disparaître du fait des interactions entre elles. Dans les années 1940 et au début des années 1950, le concept de "renormalisation" apparut en tant qu'outil pratique: la masse ou la charge "pures" d'une particule ne sont que cela, c'est-à-dire que de simples abstractions qu'on ne peut produire en laboratoire via une interaction car toute mesure ne peut que donner une masse et une charge "renormalisées" que la particule a acquises par l'interaction, laquelle a produit des déviations. L'énergie que porte un électron, ainsi, n'est pas la valeur pure de celui-ci mais elle inclut aussi l'énergie qui est contenue dans son champ quantique électromagnétique ou le nuage de photons qui l'accompagne. L'électrodynamique quantique ("quantum electrodynamics" ou QED) est devenue le prototype d'une théorie du champ quantique réussie. La QED et, en fait, toutes les théories du champ, se sont généralisées en une classe de théories du champ quantique connues sous le nom de "théories des gauges". Cela signifie que toute expérience qui, dans un accélérateur, génère une interaction peut s'interpréter en termes de champs quantiques. En termes quantiques détaillés, la physique quantique, comme on l'a vu, est une théorie d'opérateurs abstraits -ou phénomènes observables- qui agissent sur un espace d'état abstrait, un espace de Hilbert, où les "observables" représentent des quantités physiquement observables et l'espace d'état les états possibles du système objet de l'étude. Chaque observable correspond à l'idée classique dite "degré de liberté" ainsi les opérateurs concernant une position ou une vitesse. Un champ quantique est un système physique quantique qui contient un nombre de degrés de liberté de grande taille voire infini. Le nombre de positions, ou observables, dans un champ quantique est un ensemble infini ou continu. En théorie du champ quantique, à la différence de la physique quantique, la position n'est pas un observable et donc, on n'a pas besoin du concept d'une densité de probabilité position-espace. En pratique, les interactions entre différents ensembles de particules s'analysent en des interactions entre des champs quantiques. Les mathématiques du champ quantique restent, encore de nos jours, un champ de recherche. Le Modèle Standard, en général, décrit ce que sont les interactions fondamentales du monde physique via les théories des gauges
Le champ gravitationnel et le champ électromagnétique sont les deux seuls champs fondamentaux de la physique qui ont une dimension infinie et une limite correspondate de basse-énergie en physique classique. Cela fait que leurs excitations de type particulaire sont grandement diminuées et masquées. L'intégration de la gravité ou de la force forte à la QED restent aujourd'hui des objets de recherche
Un "état du vide", ou "vide quantique", ou "vide", en termes de la théorie du champ quantique est un état quantique qui possède l'énergie la plus basse possible et, généralement, il ne contient pas de particules. Mais, en aucun cas, cela signifie qu'il soit un espace vide ni "absolument vide". Il contient, en fait, des ondes électromagnétiques et des particules passagères qui apparaissent et disparaissent. Le principe d'incertitude implique que, du vide, un couple de particules avec une énergie supérieure au vide peut être spontanément créée pendant un temps court. Si on admet qu'on peut décrire correctement la théorie du champ quantique via la théorie de la perturbation, alors les propriétés du vide sont semblables au propriétés de l'état de base d'un oscillateur harmonique de la physique quantique (ou, plus précisément, l'état de base d'un problème de physique quantique). Dans ce cas, la valeur attendue du vide ("vacuum expectation value" ou VEV) de tout opérateur de champ disparaît. Dans de nombreux cas, le vide quantique peut être défini comme ayant une énergie zéro, bien que la réalité soit considérablement plus subtile. Le vide quantique est associé à une énergie de point zéro mais celle-ci a des effets mesurables. En laboratoire, cette énergie se détecte sous la forme de l'"effet Casimir". Les particules qui apparaissent du néant, pendant de courtes périodes de temps, dans un vide quantique sont dûs au principe d'incertitude énergie-temps: une mesure limitée à un court moment mène à de grandes fluctuations d'énergie pendant le temps de l'observation. En cosmologie, certains pensent que l'énergie du "vide cosmologique" est, en fait, la constante cosmologique d'Einstein
En termes de pratique, les physiciens ont finalement élaboré des équations complexes qui prédisent où et quand les électrons se trouvent sur leurs orbites autour du noyau de l'atome. Différents états quantiques de la matière amènent à ce que des recherches pratiques peuvent être menées sur la base de la physique quantique. Deux particules, par exemple, peuvent être liées ensemble de façon à ce que, même séparées par de larges distances, elles peuvent communiquer de façon instantanée et ce qui affecte l'une affecte l'autre. Etat dit de "entanglement", en anglais, "intrication". Mesurer l'un des deux objets détermine immédiatement les caractéristiques de l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare (Einstein avait appelé cela "une action bizarre à distance"). Au niveau du photon, les lois de la physique deviennent étranges: on peut "entremêler" (en anglais, "entangle") deux particules de sorte que leurs propriétés deviennent liées. Des particules avec des caractéristiques (on dit, en physique quantique, des "états" -en anglais "states") différentes peuvent être liées entre elles et conserver ce lien à distance: ce qui va affecter une particule affectera l'autre fût-elle située à des kilomètres. La physique quantique, d'une façon générale affirme aussi que le fait d'observer une particule dans un état donné revient, finalement, à "geler" cette situation -ou "moment quantique- la particule, pendant ce temps, pouvant alors se trouver à un autre endroit dans un autre état (le principe quantique à la base de cela se fonde sur le principe d'incertitude d'Heisenberg: observer une particule en change l'état car les particules, du fait de la Relativité restreinte, du fait qu'elles se déplacent à la vitesse de la lumière, ne cessent d'avancer et de reculer dans le temps; l'exemple en est les électrons d'un atome: ils orbitent dans divers états dans le même temps. Ce n'est que lorsqu'on mesure la position d'un électron qu'on l'oblige à se trouver à une position donnée). Le physicien quantique autrichien Schrödinger, en 1935, avait aussi démontré que certaines caractéristiques des particules restent indéterminées jusqu'à ce qu'une force extérieure, en les mesurant, les force à choisir, état quantique dit "état du chat de Schrödinger". Cet état est appelé "superposition" et il inclut même la possibilité pour une particule de se trouver dans deux endroits à la fois. Schrödinger avait, en effet, envisagé que l'on plaçait un chat dans une boîte contenant un peu d'une substance radioactive. Il y avait alors 50% de chance que la substance se désintègre sur une heure, libérant des substances nocives et 50% que la substance ne se désintègre pas. On ne pouvait donc déterminer si le chat était mort ou vivant que si on ouvrait la boîte et que, donc, une "observation" mesure la situation. Aussi longtemps que la boîte restait fermée, le système se trouvait suspendu dans un état incertain dans lequel le chat pouvait être l'un ou l'autre. Les expériences sur les particules, depuis, ont effectivement montré que celles-ci semblent bien exister dans de tels états incertains, suspendues entre de multiples possibilités, jusqu'à ce qu'elles soient obligées de choisir l'une d'entre elles du fait d'une observation. Le chat était placé dans une boîte scellée où se trouvait une source radioactive et un poison lequel se déclenchait si l'un des atomes de la substance radioactive émettait de la radioactivité. Pourquoi le chat peut être vivant ou mort lorsque la boîte est ouverte trouve son explication dans le concept de superposition quantique: un système quantique peut se trouver dans deux états simultanément et il accomplit un saut aléatoire lorsqu'il y a observation. L'université de Yale, en juin 2019, dit avoir été capable d'attraper un chat de Schrödinger et de le sauver en anticipant son saut quantique en temps réel (ce qui infirmerait la pierre angulaire dogmatique de la physique quantique). Le signe qui révèle l'imminence du saut quantique est la soudaine absence d'un type de photons provenant de l'atome. Cette expérience représente une potentielle avance majeure en termes de comprendre et contrôler de l'information quantique. Par ailleurs, on a une autre possibilité de savoir si un saut quantique se prépare: il suffit de surveiller la population d'un niveau auxiliaire d'énergie couplé à l'état de base du matériau, ce qui démontre également que l'évolution de tout saut quantique complet est continu, cohérent et déterministe. La matière, la lumière, une particule, ainsi, peuvent être placées dans un état du chat de Schrödinger par lequel elles se trouvent, dans le même temps, dans deux états aux propriétés physiques différentes et contradictoires; seul le fait de pratiquer une mesure -généralement pratiquée au niveau non-particulaire, à un macro-niveau- fait retomber l'objet dans l'un de ces deux états: l'observation oblige la particule à quitter son état de superposition (ce qu'on appelle la "décohérence"). Les expériences, dans les laboratoires, sont aujourd'hui capables de lier, par exemple, un paquet de lumière à l'une de deux particules, éloignées l'une et de l'autre et dans un état d'"entanglement"; on détruit la lumière ainsi que la particule en question; l'autre particule, cependant, conserve le lien avec la particule qui a disparu et donc l'information sur le paquet de lumière; ce qui permet de "reconstruire" à l'identique la lumière à l'emplacement de cette seconde particule! On utilise aussi, sur le plan pratique, la physique quantique pour des recherches sur des ordinateurs quantiques dans lesquels des "bits quantiques" se trouveraient dans deux états "superposés" (1 et 0, haute et basse énergie) en même temps jusqu'à ce qu'une mesure advienne, ce qui permettrait une informatique beaucoup plus rapide que l'actuelle (comme par exemple en termes de recherches sur des bases de données géantes). Les travaux sur les photons, eux, permettent, de façon idéale, le transfert rapide d'informations sur de longues distances alors que ceux sur les atomes permettent d'obtenir des medias de qualité en termes de mémoire quantique sur la durée. La cryptologie quantique se fonde aussi sur de tels travaux, la clé de codage, sous forme de particules lumineuses -de photons- étant envoyée en même temps que le texte et tout essai de décryptage étant immédiatement repéré (les pirates informatiques, eux, visent à faire passer pour des erreurs -qui sont habituelles à la transmission- ces efforts de décryptage). Des expériences récentes revendiquent d'avoir pu transmettre ainsi des messages jusqu'à 16 km ou plus, se fondant sur des photons intriqués, tout changement apporté à l'un se traduisant immédiatement sur l'autre. Les voyages dans le temps deviennent également intellectuellement explicables: les particules, qui se déplacent à la vitesse de la lumière, ont, du fait de la physique quantique ou de la Relativité restreinte, une relation spéciale au temps; une particule qui se déplace à la vitesse de la lumière "vieillit" moins qu'une particule immobile puisque l'une d'elles se trouve dans le futur de l'autre... Les physiciens commencent même d'être capables de placer dans deux états simultanés des objets de plus grande taille: ainsi de minuscules plaques métalliques peuvent être vues, à la fois, vibrer et rester immobiles! De telles recherches pourraient mener aux voyages dans le temps dès lors qu'on disposera d'appareils capables de distordre l'espace-temps pour passer dans des univers parallèles. Le concept des multivers, enfin, est aussi une conséquence de la physique quantique, puisqu'une théorie de celle-ci permet de dire que quand on observe l'Univers (dans un état donné), cela "divise" l'Univers en deux parties, l'Univers entier se "gelant" du fait de l'observation et amenant donc à ce que l'observateur ne perçoive qu'une réalité. La physique quantique, pendant des décennies, est restée très ésotérique pour avoir de quelconques applications pratiques mais celles-ci se développent depuis les années 2010: capteurs gravitationnels pour la recherche du pétrole et des minerais, horloges pour améliorer le système GPS, communications sécurisées
De dernières découvertes montrent que même la chimie du vivant, tels la photosynthèse, les enzymes et la stabilitè de l'ADN, ces bases du vivant, semblent impliquer aussi la mécanique quantique! Les biologistes savaient que la mécanique quantique se trouve nécessairement à la base de l'activité biologique via les atomes mais ils pensaient qu'ils pouvaient se passer de ce formalisme. Ainsi, la superposition d'état (une particule peut passer par deux chemins en même temps) permet l'efficacité à 100% de la photosynthèse car les électrons excités par la lumière solaire se propagent dans les plantes par tous les chemins possibles à la fois sans déperdition; l'effet tunnel, qui permet à une particule, du fait de sa double nature corpusculaire et ondulatoire, de traverser un obstacle a priori infranchissable fait que, si la particule comme matière se heurte à un obstacle, elle le traverse en tant qu'onde. L'effet tunnel quantique fait que, du fait du principe d'incertitude, une particule peut -quoique rarement- atteindre un emplacement alors que la physique considère que c'est impossible: l'effet tunnel, par exemple, permet aux protons et neutrons d'échapper au noyau de l'atome via la radioactivité; cet effet peut exister sur des distances relativement longues. Aussi, les échanges entre molécules déclenchés par les enzymes se déroulent ainsi sans frein et les réactions chimiques sont facilitées. Enfin, l'intrication (deux particules sont liées, ainsi que leurs propriétés, malgré la distance qui les séparent) favoriserait sa stabilité de l'ADN: tous les éléments de celui-ci (bases, brins) sont soudés entre eux ce qui lui donne la stabilité extraordinaire. Les biologistes pensent que même l'olfaction ou le sens de l'orientation des oiseaux puiseraient aussi à la mécanique quantique
Pour ce qui est des relations de la physique quantique avec la physique classique -ou le monde tel qu'on le perçoit- la physique quantique affirme que la mécanique classique est tout simplement une mécanique quantique des grands systèmes ou, en d'autres termes, que les prédictions de la physique quantique se réduisent à celles de la mécanique classique lorsqu'un système acquiert de plus hautes énergies ou, ce qui revient au même, à de plus grands nombres quantiques: dans des systèmes qui comprennent des millions de particules, un phénomène de moyenne prend le pas et la probabilité statistique des comportements aléatoires avoisine zéro à la limite supérieure d'énergie. Selon le "principe de correspondance" tous les objets suivent les lois de la physique quantique et la physique classique n'est qu'une approximation utile aux systèmes de grande taille ou encore une "physique quantique statistique d'un grand nombre de particules". De nombreuses propriétés macroscopiques des systèmes classiques sont une conséquence directe du comportement quantique de leurs composents, ainsi la rigidité des solides ou les différentes propriétés de la matière, qui sont le résultat de l'interaction des charges électriques en termes quantiques. La physique newtonienne, ainsi, demeure exacte pour la grande majorité des objects plus grands que la taille d'une grande molécule. Pour ce qui est de ses rapports à la Relativité, une théorie quantique complète de la Relativité demanderait le développement d'une théorie du champ quantique, qui appliquerait les concepts quantiques à un champ plutôt qu'un ensemble immobile de particules. Seule l'électrodynamique quantique fournit une description quantique complète de l'interaction électromagnétique. La théorie du champ quantique de la force nucléaire forte s'appelle la chromodynamique quantique et elle décrit l'interaction entre les quarks et les gluons. La force nucléaire faible et la force électromagnétique ont été unifiées, dans leur forme quantique, en une seule théorie quantique de champ, la théorie électrofaible. Pour ce qui est des modèles de gravité quantique, ils sont impossibles du fait des incompatibilités apparentes entre la Théorie de la Relativité Générale et certaines des assertions fondamentales de la physique quantique. Chacune de ces théories ont été prouvées, elles ne se contredisent pas directement mais elles n'ont pu être fusionnées. La gravité est négligeable dans de nombreux domaines de la physique des particules et donc cette fusion n'est pas urgente. Le manque d'une telle théorie quantique de la gravité, cependant, représente un problème important dans le domaine de la cosmologie. Sur les très petites échelles de temps, la thermodynamique habituelle laisse la place à la mécanique quantique
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