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Par Michel PONS

Vivre la révolution scientifique en vacances dans un transat…ou dans un refuge.

S’intéresser à la physique quantique en vacances mais pourquoi ?

Bon, si vous n’êtes pas amateurs éclairés de science ou professionnels du domaine, s’intéresser à la physique …ça ne vous inspire pas trop. 

Vous devriez quand même ne pas passer trop vite votre chemin et puis le mot « quantique » est devenu tellement à la mode depuis quelques années.

 Il existe des massages quantiques, de la médecine quantique,   des soins quantiques. Le mot quantique est mis à différentes sauces surtout dans le domaine des soins. L’enveloppe de mystère qui entoure (ou qui est supposé entourer) le mot « quantique » lui permet d’être associé à des domaines plus ou moins ésotériques et plus ou moins sérieux.

En fait la physique quantique telle qu’on l’apprend et la pratique à l’université et dans les centres de recherche est un ensemble conceptuel bien structuré dont l’opérationnalité est bien établie et vérifiée expérimentalement. Autrement dit elle rend bien compte des phénomènes physiques, des phénomènes de la nature, elle les explique et permet de prévoir le résultat de nouvelles expériences. C’est tout ce que l’on demande à un modèle physique de la nature . Elle a quelques défauts cependant mais c’est une autre histoire que nous évoquerons ultérieurement dans la Nouvelle Commune.

Mais reprenons les définitions de base.

 La physique est une science de la nature, science expérimentale qui étudie les phénomènes naturels et leurs évolutions. Elle établit des théories qui permettent de les modéliser et, de fait, de les prévoir. 

Il y a plusieurs domaines de la physique:la mécanique qui s’intéresse au mouvement des corps (les véhicules par exemple), l’optique s’intéresse à la lumière et à ses propriétés, l’électromagnétisme qui a produit l’électrotechnique (par exemple les moteurs électriques) et l’électronique que nous utilisons quotidiennement, l’astrophysique, …. (https://www.u-cergy.fr/fr/ufr-sciences-et-techniques/departement-physique/la-physique-pour-quoi-faire.html)

Le mot quantique est issu de « quanta » 

La théorie des quanta ancêtre de la physique quantique est une  théorie physique qui a tenté de modéliser le comportement de l’énergie à très petite échelle  (en particulier celui des particules élémentaires) à l’aide des quanta (pluriel du terme latin quantum), quantités discontinues.  

Un lien sur la « naissance » des quanta en physique: https://fr.wikipedia.org/wiki/Quantum 

Pas très fun tout ça, direz vous et pourtant ces quanta, ces « sauts discontinus » d’énergie (sans étapes intermédiaires) voilà une des aspects extraordinaire et subversif de cette physique.

Et oui il s’agit bien d’une révolution ! Elle commence avec le début 20 ème siècle.

Le 19 ème siècle finissait tranquillement de construire le « bel édifice » de la physique qui semblait « presque » achevé. En 1900 William Thomson, physicien anglais mieux connu sous le nom de Lord Kelvin déclara même « La connaissance en physique est semblable à un grand ciel bleu, à l’horizon duquel subsistent seulement deux petits nuages d’incompréhension »

 Il ne restait donc plus que quelques décimales à ajouter aux valeurs de résultats d’expériences et on verrait la fin de l’histoire des sciences.

(Aparté)

Tiens, la fin de l’histoire, cela ne vous rappelle rien…Fukuyama, le triomphe de la « démocratie libérale » sur toute la planète…mais je m’égare. 

Proclamer la fin de l’histoire comme celle de la science était bien imprudent.  

 Bruno Latour, le philosophe dit qu’il « n’y a pas plus de fin de la science que de fin de l’histoire » 

(Fin de l’aparté)

Mais revenons aux  petits nuages de Lors Kelvin. Ces deux petits nuages d’incompréhension étaient tellement porteurs des germes de nouveaux concepts qu’ils déclenchèrent une révolution majeure de la physique, une révolution construite chaotiquement mais finalement très sûrement . Parmi les assez nombreux pères de cette physique nouvelle on peut citer un certain Einstein, un certain Schrödinger et notre Louis De Broglie national. En 1925 les bases de la physique quantique étaient quasiment achevées mais nombres de questionnements (notamment liés à ses aspects extraordinairement déroutants et contre-intuitifs) persistent encore aujourd’hui.

 Ces deux petits nuages qui ont fait péter la physique classique, qui ont fait péter notre modèle du monde en fait,  quels sont-ils ? https://fr.coursera.org/lecture/mecanique-quantique/1-1-les-nuages-de-lord-kelvin-HHT9g 

Le premier petit nuage est l’absence de « vent d’éther » . le résultat de l’expérience de Michelson et Morley montre que la vitesse de la lumière est constante quel que soit le référentiel. Elle ne se compose pas avec la vitesse d’un objet. Une vidéo décrit le contexte et l’expérience :

C’est parfaitement contre intuitif et pourtant c’est la réalité.

Ce nuage a conduit à une partie de la révolution : la théorie de la relativité d’Einstein.(dont nous ne parlerons pas aujourd’hui)..théorie sans laquelle votre GPS ne pourrait pas fonctionner…

Le deuxième nuage, « la catastrophe de l’ultra-violet » concernait le rayonnement du corps noir. C’est celui-là qui a conduit à la naissance de la physique quantique.

 Les physiciens n’arrivaient pas à expliquer le spectre du rayonnement d’un corps chauffé (autrement dit par exemple la composition des différentes radiations ou couleurs émises par un fer chauffé à blanc). Les modèles prévoyaient un rayonnement différent de celui effectivement mesuré notamment pour la partie dans l’ultra-violet. Ce problème a été baptisée « catastrophe de l’ultraviolet ». Cette vidéo du CEA très intéressante explique notamment la dite catastrophe :

Cette catastrophe a engendré la deuxième partie de la révolution la « théorie de quanta », devenue mécanique quantique, plus connue de nos jours sous le nom de physique quantique.

Sans celle-ci beaucoup de nos objets du quotidien (par exemple ceux bourrés de puces électroniques) n’auraient pas pu voir le jour.

La vie quotidienne des gens a ainsi été modifiée, bouleversée par les applications de cette physique, voilà peut être une raison supplémentaire de s’y intéresser

En fait cette « période révolutionnaire » a mis en évidence d’autres gros nuages que la théorie a permis de chasser comme par exemple la stabilité  de la matière inexplicable dans la cadre de la physique classique. En fait tout est quantique ! (ndlr: même l’amour !) Si les forces qui maintiennent la cohésion de la matière n’étaient pas régies par des lois quantiques, aucune matière organisée n’existerait pas même les particules élémentaires .

Ainsi si le monde n’était pas complètement quantique, nous ne serions pas là pour en parler !

Pour résoudre la question de la catastrophe de l’ultra-violet, il aura fallu faire l’hypothèse que la nature procède par sauts (par exemple par sauts  d’énergie, les quanta d’énergie). Telle particule ne peut par exemple pas prendre toutes les valeurs d’énergie possibles (même si l’on fait tout pour cela,). Cette quantification de l’énergie qui introduit une notion de discontinuité est contraire au « sens commun », à ce que nous pensons connaître de notre expérience habituelle.

Il y a bien d’autres aspects de la physique quantique qui sont complètement déroutants, fascinants et qui interrogent fortement notre relation à la réalité : une particule qui semble être à deux  endroits à la fois et aller d’un lieu à l’autre sans passer par un quelconque lieu intermédiaire, un chat mort et vivant à la fois (le paradoxe du chat de Schrödinger), des particules intriquées qui gardent un lien entre elles hors de l’espace et du temps….

Une petite vidéo faite par le CEA sur les aspects déroutants:

Une révolution conceptuelle, une révolution dans la vie quotidienne, une révolution philosophique , voilà  autant de raisons de s’intéresser au monde quantique même en vacances à la plage ou en montagne.

 Et donc pour entrer vraiment dans le vif du sujet,  je vous propose la lecture du livre de Charles Antoine « Schrödinger à la plage » (La physique quantique dans un transat) aux éditions Dunod (paru en 2018).

Bien évidemment ce n’est pas un ouvrage de cours. Donc rassurez-vous, vous échappez complètement à l’arsenal mathématique habituel de la physique quantique.

Charles Antoine qui est prof à l’université Pierre et Marie Curie (Sorbonne Universités), fait une présentation moderne de la physique quantique sous une forme culturelle très sympa et trace des perspectives complètement décoiffantes de ses applications.

Bien évidemment nous reparlerons de la révolution quantique dans la Nouvelle Commune.

Mais avant cela  pour que vous puissiez continuer à fond (!)  dans le sujet je vous propose quelques liens internet  ci-dessous:

Vidéo du CEA qui fait bien le point du passage de la physique classique à la physique quantique et sur les perspectives:

Une vidéo sympa d’Étienne Parizot (prof de physique à l’université Paris Diderot)  qui fait de la vulgarisation scientifique sur les états quantiques et les qubits (perspective de l’informatique quantique) :

Et si vous voulez entrer dans le dur (avec les maths et tout), vous avez ici les 25 séances de cours de licence 2018-2019 du même Etienne Parizot (sans parler des TD!!)

Une conférence d’Étienne Klein «De la physique quantique au Quantum Computing » 

Un doc du CEA sur la mécanique quantique (autre terme pour désigner la physique quantique) ou sur Wikipédia

Illustrations possibles

Première photo d’intrication quantique (en 2019)

Corral quantique

Corral d’atomes de fer sur du cuivre (microscopie à effet tunnel)

La forme de l’orbitale d’un électron dans une boite quantique

Michel PONS

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