La mécanique quantique, ou physique quantique, est un ensemble de lois scientifiques qui décrivent le comportement étrange des photons, des électrons et d’autres particules subatomiques qui composent l’univers. À la plus petite échelle, l’univers se comporte très différemment du monde quotidien que nous observons autour de nous. La mécanique quantique est la branche de la physique qui décrit ce comportement étrange des particules microscopiques: atomes, électrons, photons et presque tout le reste dans le domaine moléculaire et submoléculaire.
Développés dans la première moitié du XXe siècle, les résultats de la mécanique quantique sont souvent extrêmement étranges et contre-intuitifs. Cependant, leur étude a permis aux physiciens d’acquérir une compréhension plus profonde de la nature de l’univers et pourrait un jour changer la façon dont nous, les humains, traitons l’information. Live Science a présenté les principaux concepts clés de la physique quantique.
En quoi la mécanique quantique diffère-t-elle de la physique classique?
À l’échelle des atomes et des électrons, de nombreuses équations de la mécanique classique qui décrivent le mouvement et l’interaction des corps à des tailles et des vitesses ordinaires cessent d’être utiles.
En mécanique classique, les objets existent à un endroit précis à un moment précis. En mécanique quantique, les objets existent dans un brouillard de probabilité; ils ont une certaine chance d’être au point A, une autre chance d’être au point B, et ainsi de suite.
Contrairement à la célèbre théorie de la relativité d’Albert Einstein, développée à peu près à la même époque, les origines de la mécanique quantique ne peuvent être attribuées à un seul scientifique. Au contraire, plusieurs scientifiques ont contribué à ce cadre, qui a progressivement gagné en acceptation et en vérification expérimentale entre la fin des années 1800 et 1930, selon l’Université de St. Andrews en Écosse.
En 1900, le physicien allemand Max Planck essayait d’expliquer pourquoi les objets à certaines températures, comme le filament d’une ampoule électrique à 1 470 degrés Fahrenheit (800 degrés Celsius), brillent d’une certaine couleur — dans ce cas, le rouge, selon l’Institut Perimeter. Planck a réalisé que les équations utilisées par le physicien Ludwig Boltzmann pour décrire le comportement des gaz pouvaient être traduites en une explication de cette relation entre température et couleur. Le problème était que le travail de Boltzmann reposait sur le fait que tout gaz donné est composé de minuscules particules, ce qui signifie que la lumière est également composée de bits discrets.
Cette idée contredisait les idées sur la lumière de l’époque, lorsque la plupart des physiciens pensaient que la lumière était une onde continue plutôt qu’une minuscule particule. Planck lui-même ne croyait pas aux atomes ou aux particules discrètes de lumière, mais son concept a reçu du soutien en 1905 lorsqu’Einstein a publié un article intitulé «Sur une vision heuristique de l’émission et de la transformation de la lumière».
Einstein imaginait la lumière se déplaçant non pas comme une onde, mais comme une sorte de «quanta d’énergie». Ce paquet d’énergie, suggérait Einstein dans son article, ne peut être «absorbé ou généré que dans son ensemble», en particulier lorsque l’atome «saute» entre des vitesses vibratoires quantifiées. C’est de là que vient la partie «quantique» de la mécanique quantique.
Avec cette nouvelle façon de comprendre la lumière, Einstein a offert dans son article un aperçu du comportement de neuf phénomènes, y compris les couleurs spécifiques que Planck a décrites comme émises par le filament d’une ampoule électrique. Il a également expliqué comment certaines couleurs de lumière peuvent arracher des électrons des surfaces métalliques, un phénomène connu sous le nom d’effet photoélectrique.
Dualité onde-corpuscule
En mécanique quantique, les particules peuvent parfois exister sous forme d’ondes et parfois sous forme de particules. L’exemple le plus célèbre est l’expérience de la double fente, dans laquelle des particules telles que des électrons sont tirées sur une carte percée de deux fentes, derrière lesquelles se trouve un écran qui s’allume lorsqu’un électron le frappe. Si les électrons étaient des particules, ils créeraient deux lignes brillantes là où ils frapperaient l’écran après avoir traversé une fente ou l’autre, selon un article populaire dans Nature.
Vous trouverez ci-dessous un schéma d’une expérience à double fente dans laquelle les électrons créent un motif d’onde à l’aide de deux fentes. geai gris, Shutterstock
Au lieu de cela, lorsque l’expérience est réalisée, un motif d’interférence se forme sur l’écran. Ce modèle de bandes sombres et claires n’a de sens que si les électrons sont des ondes avec des crêtes (points hauts) et des creux (points bas) qui peuvent interférer les unes avec les autres. Même lorsqu’un seul électron passe à travers les fentes à la fois, un motif d’interférence apparaît – un effet similaire à l’interférence d’un seul électron avec lui-même.
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En 1924, le physicien français Louis de Broglie a utilisé les équations de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein pour montrer que les particules peuvent présenter des propriétés ondulatoires et que les ondes peuvent présenter des propriétés corpusculaires, une découverte pour laquelle il a reçu le prix Nobel quelques années plus tard.
Les atomes en mécanique quantique
Dans les années 1910, le physicien danois Niels Bohr a tenté de décrire la structure interne des atomes en utilisant la mécanique quantique. À cette époque, on savait qu’un atome est constitué d’un noyau lourd, dense et chargé positivement, entouré d’un essaim d’électrons minuscules, légers et chargés négativement. Bohr a placé les électrons sur des orbites autour du noyau, comme les planètes d’un système solaire subatomique, sauf qu’ils ne pouvaient avoir que certaines distances orbitales prédéterminées. En sautant d’une orbite à une autre, un atome pourrait recevoir ou émettre un rayonnement avec certaines énergies reflétant sa nature quantique.
Peu de temps après, les deux scientifiques, travaillant indépendamment et utilisant des approches mathématiques distinctes, ont créé une image quantique plus complète de l’atome, selon l’American Physical Society. En Allemagne, le physicien Werner Heisenberg y est parvenu en développant la «mécanique matricielle». Le physicien austro-irlandais Erwin Schrödinger a développé une théorie similaire appelée «mécanique ondulatoire». En 1926, Schrödinger a montré que ces deux approches étaient équivalentes.
Le modèle atomique de Heisenberg-Schrödinger, dans lequel chaque électron agit comme une onde autour du noyau de l’atome, a remplacé le modèle antérieur de Bohr. Dans le modèle atomique de Heisenberg-Schrödinger, les électrons obéissent à une «fonction d’onde» et occupent des «orbitales» plutôt que des orbites. Contrairement aux orbites circulaires du modèle de Bohr, les orbitales atomiques se présentent sous une variété de formes, allant des sphères aux haltères en passant par les marguerites, selon le site Web explicatif du chimiste Jim Clark.
Le paradoxe du chat de Schrödinger
Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée souvent mal comprise qui décrit les doutes que certains des premiers développeurs de la mécanique quantique avaient sur ses résultats. Alors que Bohr et nombre de ses étudiants croyaient que la mécanique quantique suggérait que les particules n’avaient pas de propriétés bien définies jusqu’à ce qu’elles soient observées, Schrödinger et Einstein ne pouvaient pas croire à une telle possibilité car cela conduirait à des conclusions absurdes sur la nature de la réalité.
En 1935, Schrödinger proposa une expérience dans laquelle la vie ou la mort d’un chat dépendrait du retournement aléatoire d’une particule quantique, dont l’état resterait invisible jusqu’à l’ouverture de la boîte. Schrödinger espérait démontrer l’absurdité des idées de Bohr avec un exemple concret qui dépendait de la nature probabiliste d’une particule quantique mais produisait un résultat dénué de sens.
Selon l’interprétation de la mécanique quantique par Bohr, jusqu’à ce que la boîte soit ouverte, le chat était dans une position duale impossible: il était à la fois vivant et mort. (Aucun véritable chat n’a jamais été soumis à une telle expérience.) Schrödinger et Einstein pensaient tous deux que cela contribuait à démontrer que la mécanique quantique était une théorie incomplète et qu’elle serait finalement remplacée par une théorie en accord avec l’expérience ordinaire.
Aujourd’hui encore, les physiciens peinent à expliquer pourquoi les particules subatomiques peuvent apparemment exister dans une superposition d’états différents, mais que les grandes structures, comme l’univers lui-même, ne le peuvent apparemment pas. Les modifications proposées aux équations de Schrödinger pourraient aider à résoudre cette tension, mais jusqu’à présent, aucune d’entre elles n’a été largement acceptée par la communauté scientifique.
Intrication quantique
Schrödinger et Einstein ont contribué à mettre en évidence un autre résultat étrange de la mécanique quantique qu’aucun d’eux ne pouvait pleinement comprendre. En 1935, Einstein, avec les physiciens Boris Podolsky et Nathan Rosen, a montré que deux particules quantiques pouvaient être réglées de manière à ce que leurs états quantiques soient toujours corrélés l’un à l’autre, selon l’Encyclopédie de philosophie de Stanford. Les particules ont toujours «connu» les propriétés des autres. Cela signifie que mesurer l’état d’une particule vous indiquera instantanément l’état de sa jumelle, quelle que soit la distance qui les sépare, un résultat qu’Einstein a appelé «action fantomatique à distance» mais que Schrödinger a bientôt surnommé «intrication».
Illustration conceptuelle d’une paire de particules ou d’événements quantiques intriqués (gauche et droite) interagissant à distance. L’intrication quantique est l’une des conséquences de la théorie quantique. Les deux particules sembleront connectées à travers l’espace et le temps, les changements dans une particule (comme une observation ou une mesure) affectant l’autre. Cet effet instantané semble être indépendant de l’espace et du temps, ce qui signifie que dans le domaine quantique, l’effet peut précéder la cause. MARK GARLICK/BIBLIOTHÈQUE DE PHOTOGRAPHIE SCIENTIFIQUE
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Il a été démontré que l’intrication est l’un des aspects les plus fondamentaux de la mécanique quantique et se produit constamment dans le monde réel. Les chercheurs mènent fréquemment des expériences utilisant l’intrication quantique, et ce phénomène fait partie des fondements du domaine émergent de l’informatique quantique.
Informatique quantique
Contrairement aux ordinateurs classiques, qui traitent les données à l’aide de bits binaires pouvant être dans l’un des deux états (0 ou 1), les ordinateurs quantiques utilisent des particules telles que des électrons ou des photons. Ces bits quantiques, ou qubits, sont une superposition de 0 et de 1, ce qui signifie qu’ils peuvent exister dans plusieurs états à la fois.
Photographie d’un ordinateur quantique doré. John D/Getty
Cette superposition permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer des calculs en parallèle, en traitant tous les états des qubits simultanément. De plus, l’intrication quantique permet à plusieurs qubits d’échanger des informations et d’interagir simultanément, quelle que soit la distance entre les particules.
Bien que la superposition et l’intrication quantiques rendent le potentiel de calcul des ordinateurs quantiques bien supérieur à celui des ordinateurs classiques, le domaine a encore un long chemin à parcourir. Actuellement, les ordinateurs quantiques sont trop petits, trop difficiles à entretenir et trop sujets aux erreurs pour rivaliser avec les meilleurs ordinateurs classiques. Cependant, de nombreux experts s’attendent à ce que cela change un jour à mesure que le domaine évolue.
Mécanique quantique et relativité générale
Actuellement, les physiciens ne disposent pas d’une explication complète de toutes les particules et forces observées dans l’univers, ce que l’on appelle souvent une théorie du tout. La relativité d’Einstein décrit les choses grandes et massives, tandis que la mécanique quantique décrit les choses petites et immatérielles. Ces deux théories ne sont pas totalement incompatibles, mais personne ne sait comment les faire concorder.
Une image de « l’anneau d’Einstein » prise par le télescope spatial Hubble. Ce phénomène cosmique se produit lorsque l’énorme gravité d’un objet au premier plan courbe la lumière d’un objet à l’arrière-plan, comme l’avait prédit Albert Einstein. ESA/Hubble/NASA
De nombreux chercheurs ont tenté de créer une théorie de la gravité quantique qui introduirait la gravité dans la mécanique quantique et expliquerait tout, des royaumes subatomiques aux royaumes supergalactiques. Il existe de nombreuses propositions pour y parvenir, comme l’idée d’une particule quantique hypothétique pour la gravité appelée graviton, mais jusqu’à présent aucune théorie n’a pu prendre en compte toutes les observations des objets de notre univers. Une autre proposition populaire, la théorie des cordes, qui postule que la plupart des entités fondamentales sont de minuscules cordes vibrant dans de nombreuses dimensions, est devenue moins largement acceptée par les physiciens car peu de preuves ont été trouvées pour la soutenir. D’autres chercheurs ont également travaillé sur des théories impliquant la gravité quantique à boucles, dans lesquelles le temps et l’espace existent sous forme de fragments discrets et minuscules, mais jusqu’à présent, aucune idée n’a gagné beaucoup de terrain au sein de la communauté des physiciens.
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