Aujourd'hui, je vous explique la mécanique quantique (Première partie )




Un des éléments déclencheurs qui, au début du XXeme siècle, a conduit à la naissance de la mécanique quantique, c'est un problème qui a été posé par les lois de l'époque. Deux physiciens Anglais ont démontré que tout corps qui émet un rayonnement lumineux, comme une étoile, devrait émettre de l'énergie en quantité infinie. Bien sur, ce résultat est faux, mais ce n'est pas une erreur de leur part : Ce sont les lois physiques de l'époque qui étaient incomplètes... En effet, elles prédisaient qu'une étoile devait émettre un rayonnement électromagnétique (rayons X, ultraviolets, lumière visible, infrarouges, ondes radio, etc...) en quantité égale à toutes les fréquences. Par exemple, elle devait émettre une quantité égale d'énergie en ondes dont la fréquence est comprise entre 1 et 2 milliards d'ondes par seconde, qu'entre 2 et 3 milliards d'ondes par seconde. Le nombre d'ondes émises en une seconde n'est pas limité : L'étoile en question émet donc une quantité infinie d'énergie.

Pour résoudre ce problème, le physicien Max Planck mit en place sa Théorie des Quanta (quanta est le pluriel de quantum). Le principe de base de sa théorie est que les ondes électromagnétiques ne peuvent pas être émises à un taux arbitraire, mais seulement en petits "paquets" d'énergie qu'il appela des quanta. Plus la fréquence de l'onde est haute, plus il faut d'énergie pour émettre un quantum. A une fréquence suffisamment élevée, l'émission d'un seul quantum demande plus d'énergie que toute celle qui est disponible, et i lest donc impossible pour l'étoile d'émettre des rayonnements de trop haute fréquence. L'étoile émet donc une quantité finie d'énergie.
Cette théorie fut validée par les diverses observations et mesures, puisque tous les résultats calculés concordaient avec ceux qui avaient étés relevés. Einstein la compléta un peu plus tard en suggérant que le rayonnement électromagnétique (la lumière), est constitué de petites particules dont chacune dispose d'un quantum d'énergie : Ces particules de lumière, ce sont ce qu'on appelle aujourd'hui les photons.

Mais les conséquences de cette théorie ne furent découvertes que beaucoup plus tard, quand un autre scientifique, Heisenberg, formula son célèbre "principe d'incertitude". C'est ce principe qui est à la base de toute la mécanique quantique, qui est aujourd'hui une des deux grosses branches de la physique moderne (l'autre étant la relativité générale).
Si l'on veut déterminer la vitesse d'une particule et sa position dans l'espace, on doit l'éclairer. La lumière heurtant la particule nous revient et nous renseigne sur sa position et sa vitesse. Mais on ne peut pas envoyer une quantité arbitrairement petite de cette lumière : Il faut envoyer au moins un quantum. De plus, on ne peut pas déterminer précisément la position de la particule avec une grande longueur d'onde. On sait que celle-ci se trouve entre deux crêtes d'onde, mais on ne peut pas avoir d'information plus précise. il faut donc avoir la distance la plus petite possible entre ces deux crêtes d'onde, afin de déterminer précisément la position de la particule. Mais qui dit faible longueur d'onde, dit haute fréquence ! Et à haute fréquence, un quantum contient beaucoup d'énergie. La lumière, en heurtant la particule, va modifier sa vitesse de façon ALÉATOIRE. Plus on veut calculer sa position précisément, moins l'information qu'on a sur sa vitesse sera précise. De même, si on veut déterminer précisément sa vitesse, sa position sera imprécise.

Le principe d'incertitude, c'est ça : On ne peut connaitre à la fois la position et la vitesse d'une particule. Mieux encore, Heisenberg démontra que ce principe ne dépend pas de la façon dont on essaie de mesurer la position et la vitesse de la particule : Dans tous les cas, quoi qu'on fasse, c'est impossible de connaitre les deux à la fois précisément. Ce principe est une propriété fondamentale de l'univers, si on rencontrait des extraterrestres aussi avancés que nous scientifiquement, ils se seraient heurtés exactement au même problème.

Ce principe a totalement chamboulé la pensée de l'époque, qui était basée sur le déterminisme du marquis de Laplace. Selon lui, tout l'univers était basé sur des lois strictes, même le comportement humain, et en connaissant toutes ces lois, on pourrait prédire l'état futur de l'univers. Si on considère le mouvement des planètes par exemple, ça parait possible. Mais dans l'infiniment petit, on n'est même pas capable de déterminer précisément l'état présent de l'univers, comment pourrait on prédire son état futur ?

La mécanique quantique a alors été développée, notamment par Heisenberg, Paul Dirac, et Erwin Schrödinger. La mécanique quantique est une branche de la physique totalement différente de la physique classique : on n'y détermine pas un résultat déterminé, mais on met en place diverses probabilités.
Si on refait une expérience plusieurs fois, on peut trouver approximativement combien de fois le résultat A se produira, combien de fois B se produira, etc... Mais en faisant une seule fois l'expérience, il est impossible de dire quel sera le résultat. Il y a donc un élément d'imprécision et de hasard dans la science.
Beaucoup de scientifiques s'y opposèrent, et certains des postulats de la mécanique quantique sont encore aujourd'hui controversés. On peut citer notamment Einstein, pour qui "Dieu ne joue pas aux dés.", malgré qu'il ait grandement contribué à la mécanique quantique.
Mais la mécanique quantique est aujourd'hui utilisée dans presque tous les domaines, elle détermine le comportement des transistors et des circuits intégrés, utilisés dans la plupart des composants électroniques ; Elle est aussi utilisée dans la chimie et la biologie modernes, même les lampes à néons l'utilisent