Six choses que tout le monde devrait savoir sur la physique quantique

La physique quantique est généralement juste intimidante dès le départ. C’est un peu bizarre et peut sembler contre-intuitif, même pour les physiciens qui s’en occupent tous les jours. Mais elle n’est pas incompréhensible. Si vous lisez quelque chose sur la physique quantique, il y a vraiment six concepts clés que vous devez garder à l’esprit. Faites-le, et vous trouverez la physique quantique beaucoup plus facile à comprendre.

Tout est fait d’ondes ; également, de particules

Il y a beaucoup d’endroits pour commencer ce genre de discussion, et celui-ci est aussi bon qu’un autre : tout dans l’univers a une nature à la fois particulaire et ondulatoire, en même temps. Il y a une phrase dans la duologie fantastique de Greg Bear (The Infinity Concerto et The Serpent Mage), où un personnage décrivant les bases de la magie dit « Tout est onde, sans rien qui ondule, sur aucune distance ». J’ai toujours beaucoup aimé cela comme description poétique de la physique quantique – au fond, tout dans l’univers a une nature ondulatoire.

Bien sûr, tout dans l’univers a aussi une nature particulaire. Cela semble complètement fou, mais c’est un fait expérimental, élaboré par un processus étonnamment familier :

(il y a aussi une version animée de ceci que j’ai faite pour TED-Ed).

Bien sûr, décrire des objets réels à la fois comme des particules et des ondes est nécessairement quelque peu imprécis. À proprement parler, les objets décrits par la physique quantique ne sont ni des particules ni des ondes, mais une troisième catégorie qui partage certaines propriétés des ondes (une fréquence et une longueur d’onde caractéristiques, une certaine propagation dans l’espace) et certaines propriétés des particules (elles sont généralement dénombrables et peuvent être localisées dans une certaine mesure). Cela donne lieu à un débat animé au sein de la communauté des enseignants de physique sur la question de savoir s’il est vraiment approprié de parler de la lumière comme d’une particule dans les cours d’introduction à la physique ; non pas parce qu’il y a une controverse sur la nature particulaire de la lumière, mais parce que le fait d’appeler les photons des « particules » plutôt que des « excitations d’un champ quantique » pourrait conduire à des idées fausses chez les étudiants. J’ai tendance à ne pas être d’accord avec cela, parce que beaucoup des mêmes préoccupations pourraient être soulevées au sujet de l’appel des électrons « particules », mais cela fait une source fiable de conversations de blog.

Cette nature de « porte numéro trois » des objets quantiques se reflète dans le langage parfois confus que les physiciens utilisent pour parler des phénomènes quantiques. Le boson de Higgs a été découvert au Grand collisionneur de hadrons en tant que particule, mais vous entendrez aussi les physiciens parler du « champ de Higgs » comme d’une chose délocalisée remplissant tout l’espace. Cela s’explique par le fait que, dans certaines circonstances, comme les expériences sur les collisionneurs, il est plus commode de discuter des excitations du champ de Higgs en mettant l’accent sur les caractéristiques particulaires, alors que dans d’autres circonstances, comme les discussions générales sur les raisons pour lesquelles certaines particules ont une masse, il est plus commode de discuter de la physique en termes d’interactions avec un champ quantique remplissant l’univers. C’est juste un langage différent décrivant le même objet mathématique.

La physique quantique est discrète

C’est là dans le nom – le mot « quantique » vient du latin pour « combien » et reflète le fait que les modèles quantiques impliquent toujours quelque chose venant en quantités discrètes. L’énergie contenue dans un champ quantique est un multiple entier d’une énergie fondamentale. Pour la lumière, ceci est associé à la fréquence et à la longueur d’onde de la lumière– une lumière à haute fréquence et à courte longueur d’onde a une grande énergie caractéristique, quelle lumière à basse fréquence et à longue longueur d’onde a une petite énergie caractéristique.

Dans les deux cas, cependant, l’énergie totale contenue dans un champ lumineux particulier est un multiple entier de cette énergie– 1, 2, 14, 137 fois– jamais une fraction bizarre comme un et demi, π, ou la racine carrée de deux. Cette propriété se retrouve également dans les niveaux d’énergie discrets des atomes et les bandes d’énergie des solides : certaines valeurs d’énergie sont autorisées, d’autres non. Les horloges atomiques fonctionnent en raison de la discrétisation de la physique quantique, en utilisant la fréquence de la lumière associée à une transition entre deux états autorisés dans le césium pour garder le temps à un niveau nécessitant la « seconde intercalaire » très discutée ajoutée la semaine dernière.

La spectroscopie ultra-précise peut également être utilisée pour rechercher des choses comme la matière noire, et fait partie de la motivation pour un institut de physique fondamentale à basse énergie.

Ce n’est pas toujours évident – même certaines choses qui sont fondamentalement quantiques, comme le rayonnement du corps noir, semblent impliquer des distributions continues. Mais il y a toujours une sorte de granularité à la réalité sous-jacente si vous creusez dans les mathématiques, et c’est une grande partie de ce qui conduit à la bizarrerie de la théorie.

La physique quantique est probabiliste

L’un des aspects les plus surprenants et (historiquement, du moins) controversés de la physique quantique est qu’il est impossible de prédire avec certitude le résultat d’une seule expérience sur un système quantique. Lorsque les physiciens prédisent le résultat d’une certaine expérience, la prédiction prend toujours la forme d’une probabilité de trouver chacun des résultats particuliers possibles, et les comparaisons entre la théorie et l’expérience impliquent toujours de déduire les distributions de probabilité de nombreuses expériences répétées.

La description mathématique d’un système quantique prend généralement la forme d’une « fonction d’onde », généralement représentée dans les équations par la lettre grecque psi : Ψ. Il y a beaucoup de débats sur ce que, exactement, cette fonction d’onde représente, se décomposant en deux camps principaux : ceux qui pensent que la fonction d’onde est une chose physique réelle (le terme de jargon pour ces théories est « ontique », conduisant une personne pleine d’esprit à surnommer leurs partisans « psi-ontologues ») et ceux qui pensent que la fonction d’onde est simplement une expression de nos connaissances (ou de leur absence) concernant l’état sous-jacent d’un objet quantique particulier (théories « épistémiques »).

Dans l’une ou l’autre classe de modèle fondateur, la probabilité de trouver un résultat n’est pas donnée directement par la fonction d’onde, mais par le carré de la fonction d’onde (vaguement parlant, de toute façon ; la fonction d’onde est un objet mathématique complexe (ce qui signifie qu’elle implique des nombres imaginaires comme la racine carrée du un négatif), et l’opération pour obtenir la probabilité est légèrement plus impliquée, mais « carré de la fonction d’onde » est suffisant pour avoir l’idée de base). Cette règle est connue sous le nom de « règle de Born », d’après le physicien allemand Max Born qui a été le premier à la suggérer (dans une note de bas de page d’un article de 1926), et certains la considèrent comme un ajout ad hoc peu élégant. Il y a un effort actif dans certaines parties de la communauté des fondations quantiques pour trouver un moyen de dériver la règle de Born à partir d’un principe plus fondamental ; à ce jour, aucun de ces efforts n’a été pleinement couronné de succès, mais cela génère beaucoup de science intéressante.

C’est aussi l’aspect de la théorie qui conduit à des choses comme les particules étant dans plusieurs états en même temps. Tout ce que nous pouvons prédire est la probabilité, et avant une mesure qui détermine un résultat particulier, le système mesuré est dans un état indéterminé qui correspond mathématiquement à une superposition de toutes les possibilités avec différentes probabilités. Que vous considériez cela comme le système étant réellement dans tous les états à la fois, ou étant juste dans un état inconnu dépend largement de vos sentiments sur les modèles ontiques par rapport aux modèles épistémiques, bien que ceux-ci soient tous deux soumis aux contraintes du prochain élément de la liste :

La physique quantique est non locale

La dernière grande contribution d’Einstein à la physique n’a pas été largement reconnue comme telle, principalement parce qu’il avait tort. Dans un article publié en 1935 avec ses collègues plus jeunes Boris Podolsky et Nathan Rosen (le « papier EPR »), Einstein a fourni un énoncé mathématique clair de quelque chose qui le dérangeait depuis un certain temps, une idée que nous appelons aujourd’hui « intrication ».

Le papier EPR soutenait que la physique quantique permettait l’existence de systèmes où les mesures effectuées à des endroits très éloignés pouvaient être corrélées de manière à suggérer que le résultat de l’une était déterminé par l’autre. Selon eux, cela signifie que les résultats des mesures doivent être déterminés à l’avance, par un facteur commun, car l’alternative nécessiterait de transmettre le résultat d’une mesure à l’emplacement de l’autre à des vitesses supérieures à celle de la lumière. Ainsi, la mécanique quantique doit être incomplète, une simple approximation de quelque théorie plus profonde (une théorie à « variable cachée locale », une théorie où les résultats d’une mesure particulière ne dépendent pas de quelque chose de plus éloigné de l’emplacement de la mesure qu’un signal pourrait voyager à la vitesse de la lumière (« local »), mais sont déterminés par un certain facteur commun aux deux systèmes dans une paire intriquée (la « variable cachée »)).

Ceci a été considéré comme une note de bas de page étrange pendant une trentaine d’années, car il semblait n’y avoir aucun moyen de le tester, mais au milieu des années 1960, le physicien irlandais John Bell a travaillé plus en détail sur les conséquences de l’article EPR. Bell a montré que vous pouvez trouver des circonstances dans lesquelles la mécanique quantique prédit des corrélations entre des mesures distantes qui sont plus fortes que n’importe quelle théorie possible du type préféré par E, P et R. Cela a été testé expérimentalement au milieu des années 1970 par John Clauser, et une série d’expériences d’Alain Aspect au début des années 1980 est largement considérée comme ayant montré définitivement que ces systèmes intriqués ne peuvent pas être expliqués par n’importe quelle théorie de variable cachée locale.

L’approche la plus courante pour comprendre ce résultat est de dire que la mécanique quantique est non-locale : que les résultats des mesures effectuées à un endroit particulier peuvent dépendre des propriétés d’objets distants d’une manière qui ne peut être expliquée en utilisant des signaux se déplaçant à la vitesse de la lumière. Cela ne permet toutefois pas d’envoyer des informations à des vitesses supérieures à celle de la lumière, bien que de nombreuses tentatives aient été faites pour trouver un moyen d’utiliser la non-localité quantique à cette fin. Réfuter ces tentatives s’est avéré être une entreprise étonnamment productive – consultez How the Hippies Saved Physics de David Kaiser pour plus de détails. La non-localité quantique est également au cœur du problème de l’information dans les trous noirs qui s’évaporent, et de la controverse sur le « pare-feu » qui a suscité beaucoup d’activité récemment. Il existe même des idées radicales impliquant une connexion mathématique entre les particules intriquées décrites dans l’article EPR et les trous de ver.

La physique quantique est (surtout) très petite

La physique quantique a la réputation d’être bizarre parce que ses prédictions sont dramatiquement différentes de notre expérience quotidienne (du moins, pour les humains – la conception de mon livre est que cela ne semble pas si bizarre aux chiens). Cela s’explique par le fait que les effets impliqués sont de plus en plus petits à mesure que les objets deviennent plus grands – si vous voulez voir un comportement quantique sans ambiguïté, vous voulez essentiellement voir des particules se comporter comme des ondes, et la longueur d’onde diminue à mesure que le momentum augmente. La longueur d’onde d’un objet macroscopique comme un chien qui traverse la pièce est si ridiculement minuscule que si vous étendiez tout pour qu’un seul atome dans la pièce ait la taille du système solaire entier, la longueur d’onde du chien serait à peu près la taille d’un seul atome dans ce système solaire.

Cela signifie que, pour la plupart, les phénomènes quantiques sont confinés à l’échelle des atomes et des particules fondamentales, où les masses et les vitesses sont assez petites pour que les longueurs d’onde deviennent assez grandes pour être observées directement. Cependant, dans de nombreux domaines, des efforts sont déployés pour augmenter la taille des systèmes présentant des effets quantiques. J’ai beaucoup parlé dans mon blog des expériences du groupe de Markus Arndt qui montrent un comportement ondulatoire dans des molécules de plus en plus grandes, et plusieurs groupes d' »optomécanique des cavités » essaient d’utiliser la lumière pour ralentir le mouvement de morceaux de silicium jusqu’au point où la nature quantique discrète du mouvement deviendrait claire. Il y a même des suggestions selon lesquelles il serait possible de faire cela avec des miroirs suspendus ayant des masses de plusieurs grammes, ce qui serait incroyablement cool.

La physique quantique n’est pas de la magie

Le point précédent mène très naturellement à celui-ci : aussi bizarre que cela puisse paraître, la physique quantique n’est absolument pas de la magie. Les choses qu’elle prédit sont étranges selon les normes de la physique quotidienne, mais elles sont rigoureusement contraintes par des règles et des principes mathématiques bien compris.

Donc, si quelqu’un vient vous voir avec une idée « quantique » qui semble trop belle pour être vraie – énergie gratuite, pouvoirs de guérison mystiques, moteurs spatiaux impossibles – c’est presque certainement le cas. Cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas utiliser la physique quantique pour faire des choses étonnantes – vous pouvez trouver de la physique vraiment cool dans la technologie mondaine – mais ces choses restent bien dans les limites des lois de la thermodynamique et du simple bon sens élémentaire.

Voilà donc les éléments essentiels de la physique quantique. J’ai probablement laissé de côté certaines choses, ou fait des déclarations insuffisamment précises pour plaire à tout le monde, mais cela devrait au moins servir de point de départ utile pour des discussions ultérieures.

La physique quantique est une science qui a besoin d’être approfondie.