La physique – mécanique et l’intrication quantique simplement expliquées 1 sur 3

Partie 1 sur 3

Comme tout le monde le sait, le prix Nobel de physique 2022 vient récemment d’être accordé à trois chercheurs pour leurs travaux en mécanique quantique, le Français Alain Aspect, l’Américain John Clauser et l’Autrichien Anton Zeilinger.

A préciser qu’Alain Aspect (aidé de son équipe) a reçu ce prix Nobel pour ses expériences et explications  menées de 1972 à 1982 à l’Institut d’optique de l’université d’Orsay.

Au début des années 1980 Alain Aspect et son équipe (Philippe Grangier, Gérard Roger, Jean Dalibard) mena à bien une série d’expériences montrant, de façon irréfutable la confirmation des prédictions quantiques.

L’occasion est intéressante pour essayer de comprendre ces notions qui paraissent bien diffuses, impalpables, et abstraites, de la physique – mécanique quantique et les intrications qu’elle présente.

Ainsi l’existence de ce modeste article n’a pas pour objectif l’historique et les étapes qui ont abouti aux prix Nobel de ces trois chercheurs, mais d’expliquer simplement ce que signifie cette science.

La physique quantique devient très à la mode dans le grand public. En général, strictement personne ne sait de quoi il s’agit, mais le mot est cité parce que ça fait très bien, et pour montrer que les choses changent.

Alors, ami lecteur passionné, si tu regardes bien le titre du prix Nobel qui a été remis, il est question de « mécanique » quantique, et non de « physique » quantique. Quelle est donc la différence entre ces deux choses ?

Ca t’en bouche un coin, n’est-il pas ? Et oui, pour ma part il y a longtemps que le coin est bouché, mais il l’est encore tant les choses sont extraordinaires…Il y a eu de nombreux auteurs et acteurs concernant la physique quantique et des particules. Il serait très intéressant de connaître l’apport des principaux scientifiques sur ces phénomènes, mais l’article serait trop long, cher lecteur, et tu pourrais te mettre à ronfler avant de l’avoir terminé, ce qui n’est pas trop le but !

Comme la mécanique classique – qu’elle a supplantée – la mécanique quantique est une théorie-cadre, dans laquelle toutes les théories physiques de pointe (chimie théorique, physique des solides, physique nucléaire, électrodynamique quantique, etc.) trouvent leurs assises. À l’opposé de la classique, elle n’est contredite par aucun phénomène à ce jour connu. Elle possède une très grande portée ce qui ne signifie aucunement qu’elle aurait le pouvoir de tout prédire. Et non…

La mécanique quantique n’existe que par l’étude de la « mécanique ondulatoire » qui l’a précédée. C’est Louis de Broglie (1892 – 1987) qui, en 1923, a proposé d’abord une analogie entre, d’une part « l’atome de lumière » et l’onde électromagnétique qui lui est attachée et, d’autre part, un électron et son « onde fictive » associée. Cette onde guide les déplacements de l’énergie et intervient donc dans la dynamique.

Le prix Nobel de physique récompensera en 1929 de Broglie pour « sa découverte de la nature ondulatoire des électrons ». Il sera élu membre de l’Académie des sciences en 1933.

T’inquiète paupiette, on va, bien simplement, expliquer tout cela, et tu pourras rouler des mécaniques (quantiques) devant bobonne avant de remplir ton devoir vespéral, voir nocturne si le couvert est remis.

Les objets macroscopiques (meubles, maison, fourchettes, viande, voitures, ballons, et tout les millions d’autres qui existent) obéissent à des règles physiques : volume, déplacement, situation dans l’espace, dans le temps selon les objets.

Les objets microscopiques obéissent aussi à leurs propres règles qui sont très différentes de ce que nous connaissons macroscopiquement parlant. La mécanique quantique est actuellement la seule explication des phénomènes microscopiques (les atomes) et subatomiques (protons, électrons…).

On attaque.

Fonction d’onde

NOTIONS FONDAMENTALES DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE

Les objets quantiques peuvent être dans plusieurs états au même instant ce qui n’est pas possible pour les objets macroscopiques dits classiques. Un électron par exemple peut se trouver dans deux endroits différents au même moment. Il peut aussi se déplacer à deux vitesses différentes au même moment. C’est ainsi qu’il peut être dans deux états au même moment.

Voyons ça ami passionné !

La notion de fonction d’onde est étroitement liée à la superposition de deux états quantiques. La physique classique décrit un objet en spécifiant sa forme, sa matière, sa localisation, son mouvement quantifié par sa vitesse par exemple, et d’autres quantités du même type. Les forces s’exerçant sur un système modifient sa forme ou sa trajectoire, selon des équations qui décrivent l’évolution dans le temps des positions de ses composants.

En physique quantique, un objet – continuons l’exemple de l’électron, mais ce qui suit s’applique à tout système – est décrit par une fonction d’onde qui n’est pas directement accessible à l’expérience. Cette fonction d’onde varie avec le temps et cette variation dépend des forces qui s’exercent sur l’électron lorsqu’il traverse par exemple un champ magnétique ou qu’il s’approche d’un noyau atomique. Son énergie est reliée à l’action sur la fonction d’onde d’un « opérateur » (rencontre ou environnement), appelé hamiltonien en l’honneur du mathématicien et physicien irlandais William Rowan Hamilton (1805-1865).

Dans l’expression de cet opérateur sont codées toutes les forces qui pourraient agir sur l’électron. La mécanique quantique fait que cette action de l’opérateur ne donne pas, en général, une valeur unique à l’observable, mais au contraire un ensemble de valeurs possibles, chacune assortie d’une amplitude de probabilité. C’est en ce sens que la physique quantique décrit les phénomènes avec un flou probabiliste quant à l’occurrence d’une situation ou d’une autre parmi les possibles, tout en restant prédictive puisqu’elle permet de calculer les probabilités de chacune d’elles. 

Puisque notre électron, peut se trouver à différents endroits au même moment, compte tenu des différentes possibilités probabilistes, on va tracer une courbe qui suit les endroits où il se trouve, appelée courbe de probabilité de présence.

En résumé, la mécanique quantique décrit les phénomènes subatomiques mais sans précision réelle, en restant dans la probabilité, du fait du caractère imprévisible des objets quantiques relatives à leurs ondes, ce qui fait qu’Albert Einstein n’était justement pas très chaud pour cela. Mais nous verrons cela à la fin de la troisième et dernière partie.

Une telle courbe ne représente la présence de l’électron qu’à un instant T. Seulement, l’électron se déplace ensuite, et on va établir de nouvelles courbes qui se suivent les unes après les autres, pour aboutir finalement à la création d’une onde.

Alors, il est plus exact de définir les objets quantiques par des ondes que par des emplacements fixes. Certains appellent ce phénomène la « dualité onde-corpuscule ».

La physique classique décrit différemment un corpuscule (atome, particule) et une onde (lumière, électricité) tandis que la mécanique quantique confond les deux descriptions : un photon, un électron, un atome ou même une molécule sont à la fois onde et corpuscule.

Tout va bien ma cousine ?

Principe de superposition

La possibilité de superposition des fonctions d’onde est un principe fondateur de la physique quantique, et ses conséquences ont été de nombreuses fois vérifiées expérimentalement.

Prenons l’exemple d’un photon qui peut être polarisé (dirigé) dans deux directions, créant ainsi deux ondes que nous appellerons N et E. Le principe de superposition stipule que toute combinaison aN +bE (a et b sont en général deux nombres complexes) décrit aussi un état possible du photon.

Un appareil de mesure qui détecte un tel photon indique que sa polarisation (= particule chargée libre mise en mouvement sous l’impulsion d’un champ électrique) pointe vers le nord avec une certaine probabilité et qu’elle pointe vers l’est avec la probabilité complémentaire. Après la mesure, la fonction d’onde est « projetée », soit sur sa composante N, soit sur la composante E, si bien qu’une seconde mesure confirme la même orientation de la polarisation. Soulignons que cette théorie de la mesure est fondamentalement différente de celle adoptée dans le cadre classique où on considère que le processus ne perturbe presque pas le résultat final.

Pour dire les mêmes choses autrement, reprenons notre électron qui se balade à 1000 km/s ou 2000 km/s comme vu plus haut. La question est comment faire pour mesurer la vitesse de l’électron ? Eh bien, la vitesse ne sera pas la minimum, ni la maximum, ni la moyenne, mais on obtiendra une fois sur deux 1 000 km/s et une fois sur deux 2000 km/s. C’est le hasard qui décide du résultat au fil des répétitions de l’expérience. Certains appellent ça l’indéterminisme de la mesure.

Ce hasard quantique est fondamental, il est intrinsèque à la mécanique quantique.

Dans les objets macroscopiques lorsque l’on fait une expérience dans les mêmes conditions on obtient les mêmes résultats : « même cause, même effet ». Et bien, en mécanique quantique, cela n’est plus valable du tout. On ne peut prévoir aucun effet avec les mêmes causes.

Par contre, si l’on prend une deuxième mesure pour la même expérience d’un objet quantique, on obtient exactement le même résultat de la première mesure. On l’explique par le fait que la première mesure a désorganisé l’électron et qu’il n’est plus dans un état superposé à savoir deux existences simultanées. Il a été réduit à un seul état d’où le même résultat obtenu dans la deuxième mesure. Cela s’appelle la réduction des états quantiques.

Bien, ami passionné des sciences, je pense que l’on peut arrêter là cette première partie. La mécanique quantique est contre intuitive et il faut du temps, et bien relire les explications, pour la digérer.

Nous commencerons la deuxième partie par « l’intrication quantique » élément fondamentale de la physique quantique. Nous verrons toujours dans cette deuxième partie la « superposition cohérente d’états » et finirons cette partie par l’effet tunnel. Tout simplement, t’inquiète !

A la prochaine !

Bye bye !

Professeur Têtenlair

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25 Commentaires

  1. En fait la mécanique quantique semble n’être qu’un modèle crée par les scientifiques, mais sans «  »preuve » constatée… Non?

    • La mécanique quantique est, dans son intrinsèque, de la probabilité. C’est toute la différence avec la mécanique physique classique qui aboutit à des certitudes fixes et inamovibles. Le fait que le quantique soit basé sur la probabilité ne veut pas dire qu’il n’existe pas.
      Lors d’une élection, lorsque les sondages prévoient entre X et Y % de vote en faveur d’un candidat, on est dans la probabilité, mais cela ne veut pas dire que le candidat ni le vote n’existent.
      Donc, à mon humble avis, cher collègue, je ne pense pas que l’on puisse dire qu’elle n’est « qu’un modèle créé par les scientifiques », ni qu’elle soit sans « preuve ».

      Je trouve que le mot de Tournesol est bien choisi. La Terre tournant sur son axe, le sol tourne forcément !
      Professeur Têtenlair (!!!)

  2. J’admire les chercheurs qui trouvent actuellement de nombreuses applications pratiques à ces découvertes.
    Dans les bouquins de science fiction, les écrivains ont supposé , et cela avant les découvertes récentes, que nous pourrions être en train de vivre simultanément dans deux , voire plusieurs univers différents, tout proches les uns des autres.
    Ces écrivains sont capables de prévoir ce qui va être découvert dans leur futur, comme notre fameux JULES VERNE.

    • Certes, ami frejusien.
      Mais pour éclaircir ta réflexion, je te cite un extrait que tu liras dans mon 3ème et dernier article sur ce sujet :
      « Une autre application du phénomène d’intrication est ce qu’il est convenu d’appeler – avec une connotation malheureusement volontaire de sensationnalisme fort éloigné de la rigueur scientifique – la téléportation quantique. Il s’agit en fait non pas de transporter instantanément une parcelle de matière d’un endroit à un autre comme les auteurs de science-fiction aiment à l’imaginer, mais seulement de transférer l’état quantique d’un système vers un autre système, en pratique d’une unité d’information (un qubit) vers une autre. »

      • Bonsoir@Cachou,
        C’est un peu compliqué , il faut s’accrocher, mais ça fait du bien d’être obligé de réfléchir, ce que tes articles nous poussent à faire.
        Pour en revenir à la science fiction, qui, j’ai bien compris , ne t’intéresse pas trop, car elle est imaginaire, il y a aussi en plus de la téléportation que tu évoques, le phénomène de bilocation.
        C’est également un cas intéressant et probable ?? ou pas ??
        Explicable par la physique quantique ?

  3. Bel article! Pour chipoter, je crois qu’il est impropre de dire que l' »action » de l’operateur donne un ensemble de valeurs possibles assorties d’une amplitude de probabilite. Il vaudrait mieux dire assorti d’une probabilite. L’amplitude de probabilite est un nombre complexe dont la phase n’a de sens physique que quand on fait des superpositions (me semble-t-il)

    • REPONSE A MON AMI PASSIONNE DCO 1 SUR 2
      Un grand merci, ami dco, de l’intérêt que tu portes à ce modeste article et de la très intéressante remarque que tu fais.
      Je comprends bien tes explications, et, si j’ai bien compris ce que tu dis, nous sommes (presque) d’accord.
      L’opérateur ne donne pas de valeur unique à l’observable mais un ensemble de valeurs possibles. Chaque valeur est dotée d’une amplitude de probabilité. Pourquoi amplitude ? Parce que la valeur n’est pas associée à une amplitude fixe. Elle peut varier. Et c’est là l’aspect probabiliste du quantique qui fait qu’une situation peut exister parmi plusieurs.
      Toujours si j’ai bien compris ce que tu dis, tu exprimes ce qui est ci-dessus expliqué quand tu dis : « L’amplitude de probabilité est un nombre complexe dont la phase n’a de sens physique que quand on fait des superpositions ». La petite différence est que dans l’article, la phase n’est pas les superpositions d’autres phases, mais une d’entre elles décidée par le hasard.

    • REPONSE A MON AMI PASSIONNE DCO 2 SUR 2
      Tu remarqueras que ce passage dans l’article auquel tu fais allusion est écrit en italique de couleur verte. Si je l’ai isolé ainsi, c’est parce que j’ai repris les explications de tout cela par Bernard PIRE. C’est donc lui qui parle ainsi, mon rôle ayant été de simplifier ses propos mais de les respecter rigoureusement. Bernard PIRE est Directeur de recherche au CNRS (Chercheur émérite) spécialisée dans la physique des particules dans tous ses aspects et principalement dans la mécanique quantique. Il publie beaucoup et ses recherches actuelles portent sur la physique hadronique ( = hadron = particule élémentaire en physique nucléaire), la chromodynamique quantique perturbative, et la phénoménologie des réactions exclusives dures.
      J’espère que tu partageras les modestes explications à te répondre.
      Bien à toi

  4. C’est super intéressant, merci pour cet article. je ne comprends pas grand chose, mais j’essaie … 🙂
    vivement la suite

    • Je reste à ta disposition pour expliquer les choses autrement si tu as quelques difficultés.
      Merci de l’intérêt que tu portes à mes humbles articles.

  5. Merci pour cet article passionnant !

    Cela fait un moment que je m’intéresse à ce sujet même si je n’ai réussi bien sûr (ce n’est pas mon domaine) qu’à avoir de vagues idées de ce qu’il s’agit, juste les grandes lignes (j’en retiens notamment imprévisibilité, les effets qu’aurait l’observateur sur le phénomène quantique aussi,…) même si j’en pressens les implications dans notre conception du monde.

    Une autre vision du monde donc et qui, sans doute, pourrait expliquer bien des choses que nous ne comprenons pas aujourd’hui, en s’appuyant sur les concepts et postulats purement cartésiens inopérants dans certains domaines.

    • Oui, la physique quantique est très déroutante. Elle est contre intuitive, c’est-à-dire qu’elle va contre toute logique et bon sens apparent.
      Une autre notion contre intuitive très importante est la Relativité Générale d’Einstein qui explique que la pomme qui tombe par terre ou le poids que l’on sent sur ses jambes ne sont pas dues à la gravité mais aux courbures d’espace-temps.
      J’ai expliqué simplement tout cela dans mes articles sur la Relativité Générale sur RR qui sont, pour ce sujet, au nombre de 6.
      Si tu veux aller y faire un tour, clique sur le lien ci-dessous. Ce lien te fera arriver au dernier exposé, le 6ème, au début duquel tu trouveras tous les liens des 5 premiers.
      https://resistancerepublicaine.com/2022/01/19/la-relativite-generale-dalbert-einstein-et-oui-partie-6-et-derniere/

      • Merci beaucoup Cachou, je viens seulement de voir ce post. J’irai voir et me donnerai le « temps » d’essayer de bien comprendre et intégrer le mieux possible.

        J’ai lu et vu aussi des documentaires qui montraient des applications concrètes de cette logique quantique, et c’était très intéressant, une autre façon de concevoir le monde et peut-être de trouver une possible explication de phénomènes actuellement inexplicables.

        • Merci, Amélie, de l’intérêt que tu portes à mon modeste article.
          La partie 2 sur 3 paraît demain mercredi.

          • De rien Cachou, merci au contraire pour tout ce temps passé à transmettre ce savoir (investissement énorme sans doute, je sais ce que c’est que de rédiger avec des mots simples et compréhensibles, des choses compliquées).

            Je vais regarder l’article d’aujourd’hui mais il faut que je m’imprègne des précédents et il faudra du temps !

          • Pour ma part, je faisais le lien avec la psychologie, j’ai vu des expériences qui utilisaient la logique quantique justement (notion d’énergie et de transmission d’informations) et je pense que ce paradigme pourrait expliquer certains phénomènes empiriquement constatés mais non vraiment expliqués tel la télépathie, la notion de « membre fantôme aussi après une amputation, les effets de l’homéopathie avec l’idée de la mémoire de l’eau décriée mais qui a été confirmée à nouveau récemment par un prix Nobel, etc…

            Bref, j’ai l’impression d’avoir plein de représentations éparses sans pouvoir créer une cohérence et des liens, c’est pour cela que j' »essaie » (pas simple… quand on n’est pas physicien ni mathématicien) d’approfondir les bases de cette théorie qui, pour ma part, m’a fascinée car j’en ressens les applications possibles même si ce n’est pas précis dans mon esprit.

  6. Cher professeur, merci pour ce cours, brillantissime. Les lois de la physique sont impitoyables, je me suis pété le médius gauche en tombant d’un escabeau. Finalement, l’atmosphère de notre planète aurait été le même que sur Séléné, je m’en serais sorti sans mal. mini-fracture sans gravité, dans quinze jours, c’est fini.Du coup, je tape d’une main sur mon clavier. Personne aux urgences, je suis passé tout de suite. J’ai pu méditer sur Newton, ayant moi-même joué le rôle de la pomme. Le toubib ne parlait presque pas le francais. Sûrement un électron libre de nos anciennes colonies. Heureusement, je peux conduire. Amitiés !

    • RÉPONSE À L’AMI ARGO 2 SUR 2
      Mais tu es un garnement insupportable car je te dis depuis de nombreuses années d’aller vivre sur Pluton. Sur cette belle planète naine tu pèserais 75 x 0.06 soit 4,5 kg. Ton médius t’aurait dit merci.

      Si tu veux connaître ton poids sur d’autres planètes y compris sur le Soleil (sur lequel tu pèserais 75 x 27,01 = 2 025,75 kg) clique sur le lien ci-dessous, tu aboutiras à une page de mon site sur le ciel et l’univers :
      http://www.ciel-et-univers.com/ton-poids-sur-les-planetes-du-systeme-solaire.html
      De même, les années n’ayant pas la même durée sur les différentes planètes, si tu veux savoir l’âge que tu aurais sur les autres planètes, rendez-vous sur mon site également en cliquant ci-dessous :
      http://www.ciel-et-univers.com/ton-age-sur-les-planetes-du-systeme-solaire.html

    • RÉPONSE À L’AMI ARGO 1 SUR 2
      Si j’ai bien compris, en voulant jouer la pomme de Newton, tu es tombé dans les pommes puis dans la gravité et ton médius gauche a déclaré forfait. C’est pas de chance ! Enfin, je te souhaite un prompt et complet rétablissement.

      Si l’atmosphère terrestre avait été la même que sur Séléné, dans l’hypothèse où tu pèses actuellement 75 kg, tu en pèserais sur la Lune 75 x 0,166 soit 12,45 kg. Ton médius aurait peut-être tenu le coup ?

  7. Ah super, à quand le deuxième épisode ?
    Merci beaucoup. Je suis très intéressée depuis toujours par la physique quantique, je tourne autour, en quelque sorte, et suis tellement ravie quand je comprends quelques articles. Mais je dois régulièrement me replonger dans les définitions pour avancer, effort nécessaire mais gratifiant. Et quel plaisir immense !

    • Merci à toi, ami passionné F Manca.
      Effectivement, quand tu écris : « (…) je tourne autour en quelque sorte et suis tellement ravi quand je comprends quelques articles ». Tu es d’une très grande honnêteté intellectuelle. C’est rare.
      C’est justement pour cela que j’ai écrit dans mon article : « La physique quantique devient très à la mode dans le grand public. En général, strictement personne ne sait de quoi il s’agit, mais le mot est cité parce que ça fait très bien, et pour montrer que les choses changent. »
      J’ai, de temps en temps, des discussions avec quelques amis et connaissances lesquels ne connaissent pas l’astronomie ni les sciences, mais, pour certaines d’entres elles, pensant impressionner la galerie, parlent de physique quantique sans savoir du tout ce qu’il y a derrière ce mot.
      La suite aura lieu dans 15 jours.

  8. J’ai étudié tout cela pendant plus de 150heures à l université, calculé comme un chien, pour avouer ne rien comprendre.
    Cependant, je ne suis pas d accord pour dire que l electron se trouve à 2 endroits en même temps. En fait le paradoxe de Heinsenberg nous montre bien pire: les notions de vitesse et de position n ont tout simplement pas de sens avant qu on les mesure. J ai déjà mal à la tête rien que d y repenser

    • Oui, Alain, tu as raison, les notions de mécanique quantique sont contre intuitive. Cela veut dire qu’elles vont contre le bon sens et contre ce qu’il paraît évident.
      Dans la deuxième partie je parlerai de l’intrication quantique qui est le fondement même de cette science. Deux objets quantiques sont liés par une inséparabilité appelée intrication. Comme dit dans le présent article, ces éléments doivent être lus et relus calmement pour bien les digérer.
      Cela dit, cette science quantique n’étant pas contredite raisonnablement jusqu’à aujourd’hui, nombre de scientifiques essaient d’en trouver ses éventuelles failles. Le paradoxe de Heinsenberg en fait partie.

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