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 La Physique quantique : quelques notions de base

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Golden Awaken
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MessageSujet: La Physique quantique : quelques notions de base   Mer 11 Sep - 15:24

Physique quantique : notions de base

La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle ayant des répercussions jusqu'en philosophie (remise en cause du déterminisme) et en littérature (science-fiction). Elle a permis nombre d'applications technologiques : énergie nucléaire, imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, diode, transistor, microscope électronique et laser.



La physique quantique nous a montré que beaucoup de lois physiques qui semblaient figées et inflexibles sont en fait violées. En effet, et là c'est de la physique reconnue de manière officielle, l'univers est constitué de plusieurs dimensions (infiniment petites), toutes les parties de l'univers sont interconnectées les unes avec les autres et agissent les unes sur les autres à distance infinie, les particules de matière existent simultanément à plusieurs endroits de l'univers (même à des années lumières les unes des autres), il est possible de téléporter de la matière à travers de la matière sur des distances infiniment faibles, ou de l'information à travers l'univers instantanément, le vide de l'univers est rempli d'énergie quantique en des proportions astronomiques dans chaque petite cuillère à café de vide.


La mécanique quantique est la théorie physique issue d'un des plus grands défis de la science : celui de vouloir comprendre le comportement des particules qui nous composent, et qui composent jusqu'à nos intruments de mesure ! Et c'est là l'obstacle principal que la mécanique quantique a eu a surmonter. Comment réussir à comprendre le comportement des particules quand les objets que nous manipulons sont constitués de plusieurs milliards de milliards de ces mêmes particules ?

La mécanique quantique est à présent, elle et les théories qui en sont issues, comme la théorie quantique des champs, la théorie la mieux vérifiée expérimentalement. On a beaucoup dit qu'elle était la théorie la plus éloignée de notre logique. La mécanique quantique, la théorie, la vraie, ne fournit que des outils mathématiques très complexes qui permettent de prévoir les résultats des mesures. Elle dit "voici ce que vous allez mesurer". Elle ne dit pas "voici ce qui s'est passé". Et pour cause ! Tout ce qui se passe en mécanique quantique n'est pas accessible à notre expérience directe : on ne peut pas constater de nos yeux ce qui se passe. Tout est donc une question d'interprétation, et pour l'instant il en existe plusieurs qui ne sont pas départagées, parce qu'elles expliquent toutes, bien que d'une manière différente, pourquoi on observe ce qu'on observe.

Ce qui est présenté ici est une interprétation plutôt moderne, on va dire. Et peut-être qu'on pourra un jour départager toutes ces interprétations. Mais peut-être que ça n'est pas la bonne. Il faut prendre tout ça avec prudence...


Comment imaginer une particule de matière ?

Longtemps on a pensé que les particules qui nous composaient étaient des sortes de petites billes dures. On a donc imaginé par exemple que les atomes étaient comme des systèmes planétaires, où des électrons tournaient autour du noyau comme les planètes tournent autour du soleil. Mais on a fait des expériences qu'on ne pouvait pas expliquer si on continuait de considérer que les particules étaient "ponctuelles", c'est à dire des petites billes dures. Ce sont les premiers résultats de la mécanique quantique. Un électron par exemple c'est tout le contraire d'une bille indéformable : c'est au contraire un "blob", un nuage léger et très déformable. En général, on trouve les électrons dans les atomes : ils forment ce qu'on appelle le "nuage électronique", c'est à dire un nuage d'électrons autour d'un noyau qui lui ressemble, vu de loin, à une petite sphère indéformable.


Deux électrons peuvent se marcher sur les pieds, c'est à dire s'interpénétrer. Par contre, ils ne peuvent absolument pas se "recouvrir" complètement : c'est ce qu'on appelle "le principe d'exclusion". Il est en fait le signe de quelque chose de beaucoup plus profond qu'on aborde dans la théorie fille de la mécanique quantique, la théorie des champs. Un électron est donc un petit nuage. Ce nuage peut parfaitement se diviser en deux, avec chacun des morceaux allant dans une direction différente, pourquoi pas. Mais vous voyez du coup qu'il n'est plus possible de dire où est l'électron, ni quelle est sa vitesse. Puisque l'électron n'est pas une bille, ces questions n'ont aucun sens.

Imaginez maintenant que ces deux morceaux d'électrons s'éloignent l'un de l'autre : cela reste cependant la même particule. Un exemple ? Eh bien en appuyant sur un des morceaux, l'autre réagit instantanément. C'est normal, puisque c'est la même particule ! Cela s'appelle la "non-localité". En général, et c'est important, les électrons n'occupent guère plus de place qu'un atome. Il est rare qu'il leur soit donné la possibilité de prendre leurs aises, et de s'étaler. Mais lorsqu'ils le font, on s'aperçoit qu'ils se comportent comme des ondes : prenons encore nos deux morceaux d'un même électron, et imaginons qu'ils se rencontrent. Eh bien le résultat n'est pas simplement l'addition des deux morceaux : il se produit ce qu'on appelle des interférences, ce qui est une propriété que l'on croyait réservée aux ondes !


La lumière est justement composée de particules, appelées photons. Chacune de ces particules est capable d'interférer avec elle-même, et de produire donc des interférences. Donc un troupeau de ces particules produit des interférences, puisqu'elles le font toutes. Ce qui explique que la lumière se comporte comme une onde : elle fait des interférences. Et on a mis longtemps à comprendre que la lumière n'était pas seulement une onde, mais bien constituée de particules. Aidons-nous de l'analogie suivante: Regardé sous deux angles différents, un cylindre nous apparaît tantôt comme un cercle, tantôt comme un rectangle. Pourtant il n'est ni l'un ni l'autre.


Ainsi en est-il du photon, de l'électron ou de toute particule élémentaire dont l'image corpusculaire ne serait qu'une facette d'une entité plus complexe. Ce point précis peut poser un problème philosophique très troublant: La réalité objective (s'il elle existe indépendamment de l'esprit humain) est-elle accessible ? Ou sommes-nous condamner à n'observer qu'un monde d'apparences trompeuses?

Voilà une petite animation montrant la différence de comportement des particules comme onde ou corpuscule: elles sont les deux à la fois et ont tantôt un comportement, tantôt l'autre.

Dr Quantum  La fente de Young par zorro---

Ce sont les premières leçons que vous donne la mécanique quantique : les particules de matière sont parfaitement "déformables", ce ne sont pas des billes minuscules, et du coup, elles sont capables de se comporter comme des ondes. Mais que l'on agisse sur une partie de la particule, et instantanément, le reste réagit.
Source de l'article : Comment imaginer une particule de matière ?

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MessageSujet: La quantification de l'infiniment petit...   Jeu 12 Sep - 17:31

La quantification de l'infiniment petit...

En regardant la lumière qu'émettaient les atomes, on s'est aperçu qu'un atome d'un élément donné (comme le carbone, ou l'hydrogène) n'émettait que des couleurs très précises, ce qu'on appelle un spectre de raies.



Une raie spectrale est une ligne sombre ou lumineuse dans un spectre électromagnétique autrement uniforme et continu. Les raies spectrales sont le résultat de l'interaction entre un système quantique (généralement des atomes, mais parfois aussi des molécules ou des noyaux atomiques) et le rayonnement électromagnétique.

On a imaginé au début qu'en fait les électrons étaient des petites billes qui tournaient autour du noyau, et que le fait que les atomes n'émettent qu'un certain type de lumière signifiait que seules certaines orbites étaient permises, c'est à dire que les électrons ne pouvaient pas tourner à la distance qu'ils voulaient, mais à des distances fixées du noyau. On pensait que la lumière émise était le signe d'un changement d'orbite. Ce n'est pas vraiment ça, puisqu'un électron n'est pas une petite bille...


On a donc fini par comprendre que c'était dû aux changements de forme de l'électron autour de l'atome. Quand on observe un atome, c'est à dire qu'on cherche à savoir comment sont les électrons qui entourent le noyau, on trouve toujours que les électrons adoptent des formes particulières. On a continué à les appeller des orbitales atomiques, comme quand on croyait que l'électron était une bille, juste pour ne pas changer.


En fait, on en a déduit (parce qu'on ne peut pas vraiment voir les orbitales, c'est à dire les formes des électrons), que les électrons ne bougeaient pas autour des noyaux, ils prenaient simplement des formes particulières. La plus simple, c'est juste une sphère autour du noyau, mais il en existe plein, et des compliquées...

C'est ça, la quantification : le fait que ce qu'on croyait "continu" était "discret". Par exemple qu'on ne voit pour les électrons que des formes précises, et pas n'importe quelle forme. C'est pour cela qu'on a appellé la mécanique de l'infiniment petit la mécanique quantique : parce que dans l'infiniment petit, le discret intervient bien plus souvent que le continu.

Par exemple, on pensait aussi que la lumière était "continue", qu'on pouvait en émettre aussi peu qu'on voulait. En fait, on s'est aperçu que la lumière aussi pouvait être quantifiée : on n'envoie toujours un certain nombre de "grains" de lumière, ce qu'on appelle des quanta (pluriel de un quantum). On a appellé le quantum de lumière, donc la particule, un photon. Et on ne peut pas envoyer moins de lumière qu'un photon !



Mise en ligne le 5 nov. 2010 par cphysique

Jusque là, tout semble relativement simple, et de la mécanique quantique, il faut garder ces leçons, les plus essentielles : les particules ne sont pas des petites billes, mais bien des nuages déformables. D'autre part, en mécanique quantique, on n'observe que des états bien précis et discrets : des formes fixes pour les électrons, etc...

Alors oui, c'est ce qu'on observe. Mais en mécanique quantique, ce qu'on observe est différent de la réalité sous-jacente. Par exemple, ça n'est pas parce qu'on observe des formes particulières pour les électrons que les électrons ne prennent effectivement que ces formes particulières. En fait, ils peuvent prendre toutes les formes possibles, mais ne nous en montrent qu'une partie.

Mais la difficulté à laquelle se sont heurtés les physiciens, ça a justement été de comprendre qu'il y en avait d'autres que celles que nous observons. Sinon, on ne pouvait pas expliquer d'autres expériences...
Source de l'article : La quantification de l'infiniment petit...

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