Annexe : qu'est-ce que la mécanique quantique ?

"La Mécanique quantique... sujet vaste et pas des moindres. C'est une théorie physique très abstraite, faisant intervenir des notions mathématiques (d'algèbre) assez compliquées, qui permet d'expliquer avec une precision incroyable la plupart des phénomènes se produisant à l'echelle atomique (monde bien singulier...).

A la fin du XIXieme siecle, en Physique, ill y avait trois grandes théories qui permettaient d'expliquer (toujours assez imparfaitement) le monde physique :
-La mécanique (mise en forme par Newton vers 1680, expliquant les mouvements des solides -et généralisable à certains fluides- reposant néanmoins sur des postulats assez lourds sur la structure de l'espace et du temps et sur l'existence de ce qu'on appelle "force" et qui n'a aucune signification objective) ;
-L'electromagnétisme (théorie des ondes électromagnétiques, unification faite par James Clerk Maxwell au début du XIXieme siecle du magnétisme, de l'électricité, décrivant aussi la lumière, qui peut être vue comme une onde électromagnétique) ;
-La thermodynamique (XIXieme siecle, ensemble de lois souvent phénomenologiques -c'est à dire basées sur l'expérience, et non sur une théorie particulière- décrivant les transferts de chaleur, d'énergie, les notions de température, de pression - il s'agit de la description de systemes contenant des milliards de milliards de particules élémentaires, systèmes macroscopiques : de notre expérience courante).
Ces trois théories avaient des difficultés à se rencontrer, la synthèse était difficile. Ainsi, la lumière est décrite dans la théorie électromagnétique comme une onde et en mécanique classique comme une particule (où est la "réalité"?), la mécanique décrit des mouvements réversibles et peut être appliquée à une particule élémentaire à priori : d'où se fait-il alors que lorsqu'on passe à un grand nombre de particules (avec la thermodynamique), les phénomènes ne soient plus réversibles, mais irréversibles ? (Lorsqu'on fait tomber une goutte d'encre dans un verre d'eau, l'encre est diluée dans l'ensemble du verre ; on ne verra jamais le contraire, à savoir de l'eau teintée qui se décolore pour concentrer l'encre en un point donné et reformer la goutte)

C'est à l'interface entre chacune de ces disciplines que naît la Physique moderne :
- Entre la mécanique et l'électromagnétisme : la relativité restreinte de Poincaré et d'Einstein, qui met en cause le caractère absolu du temps et de l'espace (remise en cause d'un des postulat de base de la mécanique classique) ;
- Entre la mécanique et la thermodynamique : La Physique Statistique, permettant de passer du microscopique (un atome) au macroscopique (des milliards de milliards d'atomes) par une analyse statistique. A partir de la mécanique d'un atome, on retrouve la thermodynamique pour pleins d'atomes ;
- Entre la thermodynamique, la mécanique et l'electromagnétisme : la Mécanique Quantique.

La Mécanique quantique postule une certaine description des phénomènes atomiques qui se traduit par un cadre conceptuel mathématiquement abstrait. Elle rapproche la notion d'onde et de particule pour s'en détacher : il n'y a plus ni onde, ni particule, mais quelque chose entre les deux (une "fonction d'onde"). Un objet quantique (cette fonction d'onde) n'est plus localisé à un endroit précis, comme l'étaient les particules auparavant : on peut juste accéder à une "probabilité de présence" à tel ou tel endroit, et l'état meme de la particule est indéterminé : pour une même mesure, il est possible d'obtenir deux résultats différents. Et ce ne sont pas les conditions de la mesure qui font ces différences, même si la mesure etait effectuée dans des conditions rigoureusement identiques, il pourrait y avoir deux résultats différents, chacun ayant une certaine probabilité : il y a donc un indéterminisme absolu (rejeté d'ailleurs par Einstein, qui croyait à un determinisme abolu : "Dieu ne joue pas aux dés", mais il avait tort). Donc :
- Il n'y a plus ni onde, ni particule (tout dépend de l'echelle : à certaines echelles, une description ondulatoire conviendra comme approximation, à d'autres une desciption particulaire conviendra comme approximation) ;
- Un objet n'est plus localisé (conséquence du "Principe d'incertitude de Heisenberg", qui dit que si l'on connaît précisement la position d'un objet, alors on connait d'autant moins sa vitesse et vice-versa : on ne paut pas connaitre à la fois precisement la vitesse et la position), mais n'a plus qu'une probabilité de présence ;
- Le résultat d'une mesure est de nature probabiliste (on ne peut rien connaître précisément a priori), et de plus la mesure change de maniere irréversible l'objet mesuré (si on mesure l'état d'une particule, il y a par exemple 50% de chances d'obtenir le résultat "+" et 50% d'obtenir "-", l'état avant la mesure est intermédiaire entre "+" et "-", si on mesure "+", après la mesure, la particule sera dans l'etat "+", différent de l'etat d'avant la mesure) -avant la mesure, le chat de Scrôdinger n'est ni mort ni vivant ;
- Deux particules aussi lointaines qu'on veut peuvent en quelque sorte "interagir" de manière instantanée. Il s'agit du paradoxe EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) : si deux particules sont "intriquées" (vérifiant certaines propriétés particulières, en pratique on peut les intriquer initialement, puis les éloigner autant qu'on veut ensuite), une mesure sur l'une ne fera pas que fixer l'etat de la particule mesurée (avec l'exemple de mesure précédent, elle serait fixée dans l'etat "+"), mais aussi l'état de l'autre particule. Cela pose probleme car cela viole apparemment la théorie de la relativité, avec un transfert d'information à une vitesse supérieure à celle de la lumiere (instantanément en fait), mais en fait ce n'est pas un transfert d'information.
- Conséquences intéressantes : il n'est pas théoriquement impossible de faire de la téléportation (même si cela necessite beaucoup de preparation, car en fait il faut "préparer" des états intriqués), et il serait aussi possible de faire de la cryptographie quantique indécodable (applications en informatique).

En pratique, à notre échelle et tous les jours, il n'est pas nécessaire d'utiliser la mécanique quantique, et des théories approchées suffisent (grâce à la mécanique quantique, on peut par contre montrer le bien fondé de ces approximations), mais depuis les années 1920 où se forme cette théorie (avec Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Bohr) elle n'a pas fini d'etonner : si une théorie en physique n'est jamais une réelle description du monde (on fait toujours appel à des notions qui sont commodes pour notre raisonnement mais auquelles on n'a pas accès et qui ne peuvent donc pas être vérifiées ), la mécanique quantique a donné des résultats au dessus de toutes les espérances : les résultats théoriques s'accordent extraordinairement bien avec les résultats expérimentaux. Elle permet de comprendre un peu mieux les phénomènes atomiques, même si la complexité des équations qui en découle fait que l'on ne peut accéder qu'a des résultats approchés (ce sont eux qui sont en très bon accord avec l'expérience) : Spectre de l'atome d'hydrogène (lumière émise par l'hydrogène), conduction electrique, semi-conducteurs, formation de condensats de Bose Eistein (agglomération de particules dans le meme état quantique, prédit par la théorie depuis longtemps, mais observés qu'il y a une dizaine d'années : il était nécessaire de refroidir les particules à des températures telles - 0.001 K = -273.149°C - que des techniques spéciales devaient etre développées), analyse et compréhension de la structure des étoiles. Et puis, elle n'a pas que permis des decouvertes théoriques, étant à la base ou jouant un rôle dans bien des technologies actuelles : informatique et semi-conducteurs (pas d'ordinateurs sans la mécanique quantique), laser et télécomunications, fibres optiques, IRM, GPS, horloges atomiques,..."

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