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Mécanique quantique

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Schéma expliquant l'expérience du chat de schrödinger, une démonstration des plus connues parmi les mécanismes de la mécanique quantique

La mécanique quantique est un domaine de la physique qui explique comment se comportent les particules élémentaires (les électrons, les protons, …), les atomes ou les molécules, … c'est-à-dire des objets extrêmement petits, dont la taille est inférieure à environ un nanomètre. Les lois de la mécanique quantique, obtenues après de très nombreuses expériences avec des résultats surprenants, sont très différentes de celles de la mécanique classique, dont nous avons l'habitude à notre échelle de tous les jours.

Historiquement, Newton avait pensé que la lumière allant en ligne droite était formée de particules comme des balles ; puis un siècle après, des expériences sur la lumière, au début des années 1800 (Young et Fresnel), ont montré que la lumière était formée d'ondes transversales. Un siècle plus tard, des expériences menées par Planck et Einstein ont montré que la lumière était à la fois une onde et une particule, appelée photon, une chose étrange et difficile à comprendre avec nos habitudes de mécanique classique.

  • Max Planck a résolu le problème de mécanique statistique du rayonnement émis par la matière, comme le soleil, impossible à résoudre, car le soleil rayonnerait à une énergie lumineuse infinie, et à très haute fréquence, si la mécanique classique était valable au niveau des atomes du soleil.

Une onde peut être comparée à une vague sur l’eau. On peut voir une vague, par exemple, avec un bateau qui est secoué par la vague qui passe. À notre échelle, tous les bateaux sont secoués par la vague qui passe.

Cependant, à l'échelle microscopique de la mécanique quantique, on mesure le passage d'une vague à la fois onde et particule en secouant au hasard un seul bateau détecteur qui détecte et même reçoit la particule-onde. Cette onde ne touche cependant pas les autres bateaux : seul celui qui reçoit la particule-onde est secoué, et non les autres bateaux.

À notre échelle, c'est étrange qu'un seul bateau soit secoué par la vague onde, mais c'est observé en mécanique quantique pour toutes les particules détectées dans les détecteurs qui reçoivent les particules-ondes une par une. Si on reçoit un grand nombre de particules, alors on observe leurs propriétés d'ondes d'interférences avec les bateaux détecteurs secoués au hasard par chaque particule reçue, comme pour les photons des ondes de lumière.

Pour cette raison, une particule élémentaire ne se comporte pas du tout comme une petite bille, par exemple, mais de manière bien plus complexe (et parfois très surprenante). Par exemple, on ne peut pas savoir où se trouve une particule-onde quantique, on peut seulement déterminer un pourcentage de chances qu'un objet se trouve à un endroit précis. On parle alors de probabilité de présence.

Les lois de la mécanique quantique paraissent étranges, même aux physiciens ! C'est en tout cas ce qu'a dit le grand physicien Richard Feynman dans son discours lorsqu'il a reçu le prix Nobel.

*Malgré son étrangeté, la mécanique quantique a été vérifiée par de très nombreuses expériences et avec une très grande précision. Des expériences sont encore en cours de nos jours. La mécanique quantique a permis de comprendre de nombreux phénomènes physiques et de concevoir de nouveaux instruments :

  • Elle est indispensable, par exemple, pour comprendre les atomes et la manière dont ils émettent de la lumière, et ainsi d'inventer le laser ;
  • Elle est indispensable aussi pour comprendre comment l'électricité circule dans un métal puis dans des matériaux qu'on appelle semi-conducteurs. Ces matériaux sont à la base de tous les dispositifs électroniques et donc des ordinateurs, des téléphones portables
  • La mécanique quantique a également permis d'expliquer la radioactivité, les noyaux atomiques, qu'on a ensuite réussi à dompter pour construire les centrales nucléaires ;
  • Les physiciens constatent que la mécanique quantique aura encore beaucoup d'autres applications dans tous les domaines : les nanotechnologies, la biologie, l’astronomie, les trous noirs, en astrophysique, et même la naissance de notre univers quantique, il y a plus de 13 milliards d'années.

Actuellement, l'ordinateur quantique est une application qui devient de plus en plus réelle passant d'espoir futur à une réalité qui fonctionne : ainsi, des calculs quantiques ou plutôt simulations quantiques se terminent en 200 secondes, alors que sur un ordinateur classique actuel puissant ils auraient pris 2,5 milliards d'années comme réalisé et prouvé il y a quelques mois en Chine, fin 2020.

  • On appelle cette énorme différence suprématie, avantage ou supériorité quantique.

Un ordinateur quantique permettra de réaliser des calculs impossibles actuellement, comme décoder des clés secrètes ou calculer les propriétés réelles d'atomes et électrons quantiques, par exemple la supraconductivité, impossibles à réaliser actuellement avec un ordinateur classique actuel.

L'origine de cette suprématie quantique vient de la dualité onde / particule, car une onde est délocalisée en de nombreux endroits à la fois, explorant tout l'espace et les configurations avec une seule particule ou un seul système quantique délocalisé.

À notre échelle macroscopique, si on était quantique on pourrait être à plusieurs endroits à la fois, travaillant à Paris, aussi en vacances au bord de la mer et aussi skiant en montagne tout en même temps sous forme d'onde délocalisée ! C'est possible pour les particules même un peu grosses pour être délocalisées faisant plein de choses superposées à la fois, parfois sur des milliards de milliards d'endroits à la fois.

Une mesure n'obtient qu'un résultat au hasard parmi les possibilités !

L'ordinateur quantique exploite cette possibilité de faire travailler un système délocalisé sur une armada d'ordinateurs effectuant toutes les tâches possibles à la fois ! On comprend sa suprématie gigantesque !

Depuis 1900, on a pris plus d'un siècle pour imaginer cette suprématie bien cachée dans la mécanique quantique de Planck et obtenir le début de sa réalisation réelle.

Cela correspondant au fait que dans un système, un bit peut avoir deux états étant 1 et 0 (par exemple spin ou 2 niveaux) alors que dans un ordinateur classique, un bit mémoire n'est que dans un seul état : soit 0 soit 1.

Ainsi en 200 secondes, on effectue un calcul qui demande des milliards d'années sur ordinateur classique. Notre 21iéme siècle verra se perfectionner les ordinateurs quantiques avec des applications inimaginables. Le monde microscopique est infiniment plus complexe que notre monde macroscopique avec plus de systèmes ou micro-univers travaillant en parallèle qu'il y a d'atomes dans l'univers, conséquence directe de la dualité onde / particule.

Ondes ou particules ?[modifier | modifier le wikicode]

Albert Einstein est l'un des précurseurs de la mécanique quantique après Planck. Au début du XXe siècle, tous les physiciens étaient convaincus par les expériences d'interférences de Young et Fresnel 100 ans avant, que la lumière était une onde comme les ondes radio, les micro-ondes, etc.

Mais personne ne parvenait à expliquer l'effet photo-électrique. avec un seuil d'absorption en fréquence même à forte énergie des ondes. Einstein en 1905 , partant du quantum de Planck découvert en 1900 a montré qu'on pouvait expliquer cette expérience en supposant que la lumière était constituée de grains de lumière, des particules qu'on appelle des photons. L'énergie minimum ou seuil pour émettre un électron imposait une énergie minimale du photon, ce qui par la relation de Planck énergie égal à h fois sa fréquence imposait un seuil en fréquence. Donc on n'observe aucun effet photo-électrique pour des ondes photons électriques de trop faible fréquence.en dessous de ce seuil en fréquence.

Vers 1925 à 1927, Louis de Broglie a réalisé que les électrons, qu'on croyait être des particules, se comportaient aussi comme une onde dans les expériences, confirmé avec diffraction d'électrons, ce qui a conduit au microscopique électronique indispensable pour voir les atomes et les virus trop petits pour être visibles avec un microscopique optique !

Alors, un électron est-il une particule ou une onde ? A partir des faits expérimentaux, par exemple avec un microscope électronique, le danois Niels Bohr a tranché on obtient une particule avec une onde qui disparait ou collapse, lors de la mesure, dans des expériences sur ondes on mesure des effets d'ondes comme interférences, comme pour la lumière, interférences visible en microscopie électronique aussi. Selon le type d'expérience, on observera le comportement d'une onde ou celui d'une particule.

Il y une différence importante entre une particule et une onde : une particule est un point infiniment petit qui se déplace dans l'espace alors qu'une onde remplit peu à peu l'espace. Effectivement, si on enferme un électron dans une boîte, il va peu à peu se « délocaliser » et occuper toute la boîte, un peu comme un liquide qui remplit un récipient. Mais alors où est vraiment l'électron ? Partout à la fois dans la boîte ! Si on utilise un détecteur d'électrons, on trouvera l'électron à des positions différentes à chaque fois qu'on répète l'expérience. La mécanique quantique constate et affirme que la seule chose qu'on peut savoir sur l'électron est sa détection avec la probabilité de le trouver à un certain endroit par exemple. En mesurant un million de fois la position de l'électron, la mécanique quantique en accord précis avec les expériences permet de calculer le nombre de fois qu'on trouvera l'électron à tel endroit ou à tel autre. Tous les phénomènes macroscopiques sont régis au niveau microscopique par la mécanique quantique et impossibles à expliquer avec la mécanique classique comme constaté le premier par Planck en 1900.,

Pourtant une bille ou un stylo par exemple sont à des endroits bien définis. On ne les a jamais vu se comporter comme des ondes et s'écouler un peu comme un liquide ! Selon les physiciens, ce n'est pas le cas parce que ces objets sont très gros (environ dix millions de fois plus gros qu'un atome) mais parce qu'ils sont en interaction avec beaucoup d'autres objets (toutes les molécules d'air autour) qui localisent en mesurant les fonctions d'ondes. Pour ces objets, on utilisera donc la mécanique classique et pas la mécanique quantique.des effets quantiques sont observés expérimentalement sur des système macroscopiques de plus en plus grands, comme diffraction comme des ondes avec des molécules assez grosses ou des systèmes macroscopiques supraconducteurs à basse température.

Les atomes[modifier | modifier le wikicode]

La matière est constituée d'atomes qui sont eux-mêmes composés d'électrons et d'un noyau contenant des protons et des neutrons. Avant la mécanique quantique, les physiciens pensaient qu'un atome ressemblait au système solaire. À cause de sa charge électrique, le noyau attire les électrons un peu comme le Soleil attire la Terre. Ils pensaient donc que l'atome était formé d'électrons tournant autour du noyau. La mécanique quantique a montré que cette image est fausse.

Tout d'abord, l'électron est à la fois une onde et une particule. Il ne peut donc pas tourner autour du noyau comme la Terre autour du Soleil. En fait, un atome est un peu comme une boîte. Parce qu'ils sont attirés par le noyau, les électrons peuvent difficilement sortir de cette boîte. D'après la mécanique quantique, les électrons ont tendance à remplir complètement la boîte. C'est comme si les électrons formaient une espèce de nuage autour du noyau. Mais la mécanique quantique interdit aussi à deux électrons d'occuper le même espace. Les électrons sont donc obligés de former des nuages de formes différentes qu'on appelle orbitales. Seules certaines orbitales bien particulières sont permises.

Lorsqu'on envoie de la lumière sur un atome (c'est-à-dire un photon, d'après la mécanique quantique), le photon est absorbé par un électron. Celui-ci récupère alors l'énergie du photon, ce qui lui permet de passer à une autre orbitale, plus éloignée du noyau. Toutefois, il ne peut absorber le photon que si l'énergie de ce dernier est égale à la différence d'énergie entre son orbitale initiale et son orbitale finale.

L'effet tunnel[modifier | modifier le wikicode]

Article à lire Article à lire : Effet tunnel

Imaginons qu'une personne souhaite sauter au-dessus d'un mur de trois mètres de haut. Pour y parvenir, elle court et saute une fois arrivée au pied du mur. Pour sauter plus haut, elle prend donc de l'élan, ce qu'on appelle en physique de l'énergie cinétique. Plus elle parviendra à courir vite et plus elle sautera haut. La physique classique permet de calculer la hauteur si on connait la vitesse au pied du mur. Pour une personne normale, il est impossible de sauter à trois mètres de hauteur parce qu'elle ne peut pas courir assez vite.

Avant la mécanique quantique, on pensait qu'en courant toujours à la même vitesse, on sautait toujours à la même hauteur. D'après la mécanique quantique, on saute en passant par des états virtuels au dessus du mur très peu de temps, à des hauteurs qui changent à chaque fois qu'on essaye. La plupart du temps, la personne sautera à une hauteur inférieure à trois mètres et ne franchira pas le mur. Mais la mécanique quantique affirme qu'elle essaye sous forme d'onde un très grand nombre de fois, et parfois elle a une chance de sauter plus haut que trois mètres et de passer au-dessus du mur. C'est ce qu'on appelle l'effet tunnel.

Évidemment, une personne normale devrait essayer un nombre de fois tellement grand avant d'avoir une chance de passer par effet tunnel que l'âge de l'univers ne lui suffirait pas ! En revanche, un électron a beaucoup plus de chances de passer une barrière qu'il ne pourrait pas franchir normalement, parce qu'il est bien plus petit qu'une personne. L'effet tunnel est exploité dans certains microscopes à effet tunnel. On fabrique une pointe très fine, tellement fine qu'il n'y a qu'un atome au bout de la pointe. On approche cette pointe au-dessus du métal qu'on veut étudier. La pointe ne touche pas le métal donc aucun courant électrique ne peut passer de la pointe au métal à cause de l'air ou le vide qui les sépare. Grâce à l'effet tunnel, un électron peut traverser la barrière d'air. On mesure alors un courant électrique très faible. Plus l'épaisseur de la barrière est petite et plus ce courant est fort, parce que plus d'électrons peuvent franchir le « tunnel ». En mesurant ce courant tunnel en fonction de la position de la pointe, les physiciens peuvent obtenir grâce à des ordinateurs des images atomiques de la surface des métaux. Ce genre de microscope grossit tellement qu'on voit les atomes du métal, c'est-à-dire des détails plus petit qu'un milliardième de mètre ! Ce sont les microscopes les plus puissants actuellement.

Grands noms de la mécanique quantique[modifier | modifier le wikicode]

  • Max Planck, le précurseur en 1900. Il est le premier à découvrir que l'énergie des ondes de la lumière est sous forme de paquets d'énergie proportionnelle à leur fréquence d'onde avec le facteur de proportionnalité h appelé constante de Planck, seul moyen d'expliquer le rayonnement de la lumière par la matière, sinon .le soleil rayonnerait une énergie lumineuse infinie si la mécanique classique était valable avec des énergies des ondes sans relation avec .leur fréquence.
  • Albert Einstein utilise en 1905 l'hypothèse de Planck et affirme que la lumière est faite de grains de lumière, les photons.avec une énergie de Planck, Aussi la statistique de Bose-Enstein en 1923, toutes les particules bosons (photons) dans le même état comme dans un champ électrique ou un laser.
  • Louis de Broglie (prononcer Breuil), un français qui a étendu les idées d'Einstein à l'électron sous forme d'onde et particule, ce qui a provoqué les découvertes suivantes..
  • Erwin Schrödinger, celui qui a découvert l'équation d'onde qui porte son nom, un des piliers de la physique quantique.
  • Werner Heisenberg, qui a formulé le principe d'incertitude d'Heisenberg selon lequel on ne peut connaître précisément la vitesse et la position d'une particule : plus l'on dispose d'informations précises sur la vitesse, moins l'on connaît avec précision sa position, et inversement. On peut remplacer vitesse et position par n'importe quelles propriétés de la particule.
  • Niels Bohr qui a proposé que les électrons, les protons, ... étaient à la fois des particules et des ondes.
  • Paul Dirac qui a prédit l'antimatière en mettant la relativité dans les équations d'ondes de mécanique quantique pour l'électron Fermion.

Sources[modifier | modifier le wikicode]

  • Encyclopédie des sciences Larousse sur CD-ROM.
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