La Physique Quantique

Il est très délicat d’aborder la physique quantique, et ce, pour plusieurs raisons. La première d’entre toutes est la complexité du sujet, et surtout, la singularité de ses particularités. La physique quantique va en effet à l’encontre de certains principes que nous considérons vous, moi, comme logiques. Décryptage…

Tout d’abord, il vous faut savoir que la physique quantique va, en tout premier lieu, à l’encontre des principes de la physique traditionnelle, que nous connaissons. Pourtant, elle est admise. Et pour cause ! Nous utilisons de nos jours la physique quantique dans de nombreux domaines: médical, nucléaire, chimie (la chimie quantique), informatique (bien que pour l’informatique, on en soit qu’aux prémices)…

Un appareil d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) utilise la physique quantique pour fonctionner. Comment fait-il ?

Mais qu’est donc la physique quantique ?

Nous y voici !

Quantique vient du mot latin « quanta » qui signifie quantité.

La physique quantique oriente ses lois sur le comportement des éléments du monde de l’infiniment petit, les atomes. Les atomes sont les « briques » de tout ce qui se trouve autour de vous. Même vous, êtes composé d’atomes.

Nous parlons là de comportements étudiés sur des éléments microscopique, c’est à dire des éléments dont la grandeur ne dépasse pas 1,0000*10^-12 m soit 0.000000000001 mètre ! L’unité de mesure n’est pas le mètre, ni le millimètre, ni le micromètre, mais le picomètre (encore plus petit). Ne cherchez donc pas les comportements quantiques à l’oeil nu, ses lois ne s’y appliqueront pas.

Voici les grandes lignes qui définissent la physique quantique:

– Ondes et particules: La physique classique distingue les ondes, et les particules comme deux notions différentes. La physique quantique en fait un seul et même élément. on parle alors de fonction d’onde.

– Comportement aléatoire: La physique classique explique tout type de comportement de l’atome, elle définit ses changements comme prévisibles, quantifiables, reproductibles. En somme, le comportement peut être anticipé, et calculé. Prenons un exemple à notre échelle: si je jette une balle sur un mur, celle ci va rebondir, et repartir dans le sens opposé au mur. Il est alors possible de calculer à quelle vitesse la balle va frapper le mur, sa trajectoire, le temps que cela lui prendra, où elle va rebondir, puis s’arrêter.

En physique quantique, notre balle pourrait avoir tout un tas de comportement possible. Il n’est donc pas possible de savoir ce qu’elle fera précisément. On peut dire qu’elle va peut-être rebondir sur le mur, et revenir, mais on peut aussi supposer qu’elle va passer au travers du mur ! Les résultats d’une expérience, en physique quantique, sont donc aléatoires, non prédictibles, mais confinés dans un ensemble de choix possibles. En somme, si je lance plusieurs fois la balle exactement de la même façon, la physique classique prédira « pour chaque lancer, le comportement de la balle sera exactement le même ». En physique quantique, nous dirons « Bien que les lancers de la balle soient toujours précisément identiques, le comportement de la balle ne sera jamais le même ».

– Etat d’une particule: la physique traditionnelle nous apprend qu’à un moment précis, une particule ne peut être que dans un état. Reprenons un exemple à notre échelle: si j’allume la lumière de mon salon, alors je peux dire « la lampe est allumée ». Or, en physique quantique, on peut observer plusieurs états simultanés pour une même particule, au même instant. En reprenant mon exemple de la lampe, en physique quantique, il est possible qu’au même instant, la lampe soit allumée ET éteinte. C’est une des notions qui va à l’encontre même de notre logique physique classique, et qui est pour autant belle et bien vraie…

– Localisation d’une particule: la physique classique définit un emplacement unique pour une même particule. Par exemple, mon bol est posé sur la table. En physique quantique, une même particule peut se trouver à deux endroits différents, et en même temps ! Par exemple, mon bol est posé sur la table ET rangé dans mon placard au même instant.

– Influence d’une particule: En physique classique, le changement d’état d’une particule peut influer sur les particules environnantes uniquement, et dans une logique d’action / réaction. Pour illustrer cet exemple, imaginez verser du café chaud dans une tasse. Les molécules chaudes du café vont réchauffer les molécules de la tasse, et celle ci va ensuite se réchauffer progressivement. La tasse ne pourra se réchauffer QUE lorsque le café chaud y aura été versé (logique).

En physique quantique, on admet que le changement d’état d’une particule peut influer instantanément sur une autre particule située dans un environnement extérieur. Ainsi, en considérant la physique quantique, si je verse du café chaud dans ma tasse, instantanément (et non progressivement), la tasse située chez mes voisins sera chaude. C’est la seconde grande Loi qui paraît tellement abstraite qu’elle en devient difficilement concevable, car elle semble remettre en cause les Lois et théories d’Albert Einstein sur la relativité…

Conséquences des évènements: On considère en physique classique que lors d’une expérience, les réactions qui ne se produisent pas ne peuvent donc pas influer sur le résultat de l’expérience. Si je bouge une table sur laquelle un verre est posé, celui ci va tomber. Si je ne bouge pas la table, le verre ne tombera pas.

En quantique, les évènements qui ne se produisent pas influent tout de même sur un évènement. Par exemple, je ne bouge pas la table, mais le verre tombe tout de même. Encore une Loi qui va à l’encontre de notre logique et notre bon sens…

Mesures: La physique quantique admet que le manque de précision des appareils de mesure ne peut donc pas permettre l’élaboration de calculs précis et fiables, systématiques, lors de l’étude d’une particule, d’un atome, bref, d’un élément. Les erreurs de calculs ne peuvent donc être imputés à une faute humaine, mais à un manque de précision parfaite des appareils de mesure. Ce principe se nomme principe d’indétermination de Heisenberg.

Expérience chez IBM ou sont placés en cercle 48 atomes de fer déposés sur du cuivre. Cette expérience a démontré l’existence d’une mécanique quantique, grâce aux vagues observables au centre, produites par la superposition des fonctions d’onde des atomes.

Mais alors la physique quantique est-elle là uniquement pour aller à l’encontre de la physique classique ?

La réponse est non: la physique quantique précise simplement que les éléments microscopiques ne peuvent être prévisibles, que leur réaction et leur fonctionnement ne peuvent être assurément prédis, et qu’alors tout n’est qu’hypothèse. Cette notion extrêmement abstraite est une chose très difficile à concevoir, même pour les plus grands scientifiques. D’ailleurs, tous sont d’accord pour dire que « personne ne comprend complètement la physique quantique », mais pourtant, elle est bien là !

La physique quantique décrit le comportement des atomes, ainsi que des particules, et le fait en allant à l’encontre de la physique classique, qui définit les atomes, les particules comme inertes. Or, la physique quantique les décrit comme des éléments en perpétuel mouvement, en perpétuel changement d’état.

Comment concevoir qu’une particule peut se trouver à plusieurs endroits simultanément ?

En voila une question, et plutôt même une excellente question ! Comme vous l’avez lu dans les Lois de la physique quantique, décrites ci-dessus, ceci est bel et bien possible. Mais alors comment l’expliquer ? Car, en effet, ce phénomène a été observé en laboratoire mais va à l’encontre de notre conception logique de la physique. Comment, pour reprendre mon exemple, mon bol peut être en même temps sur la table, et dans le placard ? Des théories sont nées à ce propos. En particulier, une théorie mentionne la possibilité de plusieurs dimensions, qui se superposeraient à celles que nous connaissons, et voyons. Ainsi, la même particule se trouverait dans plusieurs dimensions, et serait donc observable simultanément dans chacune.

D’autres théories considère que la particule ne se trouve pas dans plusieurs dimensions, mais plusieurs univers parallèles, ces univers étant des copies conformes au nôtre, mais dans lequel les actions et réactions seraient différentes.

Ainsi, en observant la même molécule à plusieurs endroits différents, nous pourrions voir sous nos yeux plusieurs univers différents. Etonnant non ?

Notre Univers pourrait ne pas être unique…

Des Univers parallèles ?

Oui, et nous ne sommes pas dans le domaine de la Science Fiction, mais bel et bien dans un cadre scientifique contemporain, tout ce qu’il y a de plus réel et actuel. A première lecture, ces théories peuvent faire sourire. Comme je le disais dans mon article sur les théories de l’Univers, elles sont toutefois prises au sérieux par le corps scientifique, notamment parce qu’à ce jour, ce sont les seules théories qui expliquent l’intégralité des propriétés pour le moins exotiques de la théorie quantique !

Observer un atome à plusieurs endroits, mais aussi dans plusieurs états simultanément peut être expliqué par sa présence au sein de différents Univers ou dimensions parallèles !

Des ordinateurs quantiques ?

Peut être avez vous entendu parler d’ordinateurs quantiques. Pour l’heure, ces ordinateurs relèvent encore de la science fiction. Toutefois, ils n’en sont pas pour le moins impossibles à concevoir ! Des recherches en ce sens offrent des résultats vraiment prometteurs, et il n’est pas exclu que des ordinateurs quantiques fassent leur apparitions dans un futur relativement proche (quelques dizaines d’années).

L’ordinateur quantique révolutionnerait la conception même de l’informatique, et démultiplierait de façon exponentielle les possibilités, ainsi que le temps de traitement des informations !

En voici le principe de fonctionnement:

Afin d’afficher ce blog, ou bien d’afficher votre bureau, de lancer de la musique, ou un film, bref, de faire tout ce qu’il sait faire, votre ordinateur reçoit des informations en quantité considérables. Ces informations (appelées bit pour BInary digiT) sont composées de 0 et de 1 uniquement. On appelle cela le langage binaire. Il décrypte ces ensembles de lignes binaires, qu’il va décrypter, analyser, et  interpréter afin de réaliser la tâche demandée.

Le langage binaire ne peut donc définir que deux états pour un seul bit: 0 (faux) et 1 (vrai).

Un ordinateur quantique fonctionne de la même façon, à la différence près qu’il peut définir, pour un seul bit, et au même instant, les deux états 0 (faux) et 1 (vrai) ! Mieux encore, l’ordinateur quantique est capable d’interpréter cette donnée, et reconstituer la tâche à accomplir.

La première conséquence de cette aptitude est une rapidité accrue de façon exponentielle. Votre ordinateur, s’il était quantique, serait 1000, 100 000, voire peut être 1 000 000 fois plus rapide, peut être même plus rapide encore ! Autre conséquence: si les composants sont également régis par la mécanique quantique, alors ils pourraient être encore plus miniaturisés, simplifiés. Ainsi, votre ordinateur quantique tiendrait peut être dans le creux de votre main, et cela sans surchauffer !

Vous comprendrez donc qu’en ce domaine, la maîtrise quantique pourrait bien représenter un Graal ! Et comme tout le monde utilise l’informatique de nos jours, les bénéfices de la maîtrise quantique s’appliqueraient à toutes les entreprises, tous les corps de métier, toute la science… Inutile de vous préciser que tous les scientifiques du domaine travaillent à l’étude, la modélisation, et la réalisation d’un tel ordinateur !

Ce n’est plus qu’une question de temps avant que l’ordinateur quantique fasse son apparition !

Conclusion

Il est tout à fait normal que malgré tous mes efforts pour vulgariser le sujet, la physique quantique reste pour vous quelque chose de très abstrait, et aux recoins sombres. Moi-même, je ne parviens pas à visualiser, concevoir la physique quantique dans son ensemble. Rassurons nous: les scientifiques ne peuvent pas se vanter de mieux non plus ! Comme l’a très justement dit Richard Feynman, un physicien qui a reformulé la quasi totalité de la théorie quantique: « Personne ne comprend vraiment la physique quantique. »

C’est peut être justement l’occasion de creuser un peu plus le sujet ! Voici ci-dessous quelques liens utilisés pour la réalisation de cet article, et qui vous permettront d’assouvir votre soif de connaissance:

– Physique quantique (WikiPédia)
– Comment palper les molécules de la vie ? (Pourquoi, Comment, Combien ?)
– Le binaire (Comment ça marche)
– Richard Feynman (Wikipédia)
– L’ordinateur quantique (AstroSurf)
– Les premiers pas dans la réalisation d’un ordinateur quantique (vidéo)