La physique quantique, nommée parfois mécanique quantique n’est pas quelque chose de nouveau en soit. Cette théorie a été développée au début du XXe siècle. Il s’agit d’une branche fondamentale de la physique. Mais contrairement à la physique classique, qui décrit le comportement des objets à des échelles macroscopiques, la physique quantique s’intéresse aux particules élémentaires comme les électrons, les photons et les quarks. Elle explore les phénomènes à l’échelle atomique et subatomique.
En recherchant des informations sur le sujet, je constate que nos gouvernements s’y intéressent eux aussi de près. Sur le site du gouvernement français, nous pouvons d’ailleurs trouver une définition courte de la physique quantique. Je cite :
« La physique quantique, c’est une théorie qui décrit le comportement des objets physiques au niveau nanoscopique. Elle couvre notamment les atomes, les électrons et les photons. »
D’après le site impots.gouv.fr
Différence entre physique quantique et mécanique quantique
Comme indiqué en introduction, la physique quantique et parfois nommé mécanique quantique. En réalité, il existe une différence entre les deux termes sur le plan théorique. En effet, la physique quantique représente une branche majeure de la science. Alors que la mécanique quantique est une branche de la physique quantique. La mécanique quantique est l’ensemble des directeurs qui expliquent le comportement de la matière et de l’énergie.
Composition d’un atome
Rappelons la composition d’un atome : les éléments subatomiques.
2 éléments essentiels :
- l’électron : particule à charge négative
- le noyau atomique
Le noyau atomique est composé :
- de protons : particules à charge positive. Un de ses composants est le quark.
- de neutrons : particules sans charge
Les fondements de la physique quantique
Le principe de superposition
L’un des concepts clé de la physique quantique est le principe de superposition. Selon ce principe, une particule quantique peut exister dans plusieurs états simultanément jusqu’à ce qu’une mesure soit effectuée.
Par exemple, un électron dans un atome ne se trouve pas simplement à un endroit précis, mais plutôt dans un « nuage » de probabilités. Un nuage qui décrit toutes les positions possibles, où il pourrait se trouver. Ce n’est qu’au moment de la mesure (ou observation) que l’électron « choisit » une position spécifique.
Pour comprendre cela, imaginons une pièce de monnaie. Dans le monde classique, la pièce est soit côté face, soit côté pile. Cependant, dans le monde quantique, avant de regarder cette pièce, elle n’est pas seulement face ou pile. Elle est dans une superposition de ces deux états. En d’autres termes, elle est en même temps face et pile. Car, nous ne l’avons pas encore observée, mesurée.
Exemple concret de superposition
Soyons un peu plus concrets. Pour illustrer ce qui précède, prenons l’exemple d’un électron. Dans un atome, un électron n’est pas à un endroit précis autour du noyau. Au lieu de cela, il est décrit par une « fonction d’onde » qui donne la probabilité de le trouver à divers endroits. Tant que nous ne le mesurons pas, l’électron existe dans une superposition de toutes les positions possibles qu’il pourrait occuper. C’est seulement lorsque nous mesurons la position de l’électron que nous le trouvons à un endroit spécifique, et sa fonction d’onde « s’effondre » en une seule position (voir prochain paragraphe).
Expérience du chat de Schrödinger
Une des célèbres illustrations de ce principe est l’expérience de pensée du « chat de Schrödinger ». Imaginez un chat enfermé dans une boîte avec un dispositif quantique qui a 50 % de chances de tuer le chat et donc, 50 % de chances de le laisser en vie.
Selon la physique quantique, jusqu’à ce que quelqu’un ouvre la boîte et observe l’état du chat, celui-ci est simultanément vivant et mort. Dans une superposition de ces deux états. C’est l’acte d’observation qui fait « s’effondrer » cette superposition en un état définitif. Le chat est soit vivant, soit mort.
L’intrication quantique
L’intrication quantique est un phénomène fascinant de la physique quantique où 2 particules deviennent si étroitement liées, que les actions effectuées sur l’une affectent directement l’autre. Même si elles sont séparées par de grandes distances.
Cette connexion instantanée a été qualifiée par Albert Einstein de « spooky action at a distance ». Soit une action fantomatique à distance. En effet, cette connexion semble se produire plus rapidement que la lumière. Ce qui contredit notre compréhension classique de la physique, où rien ne peut voyager plus vite que la lumière.
L’intrication quantique a des implications profondes pour la transmission de l’information. Et elle est à la base des technologies de communication quantique.
Application pratique en communication
L’intrication quantique a des applications pratiques importantes, notamment dans le domaine de la communication et du calcul quantique. Par exemple, les communications quantiques pourraient théoriquement permettre des transmissions parfaitement sécurisées, car toute tentative d’interception perturberait l’intrication et serait immédiatement détectée.
Un exemple simple
Pour illustrer plus simplement ce principe, imaginez que vous avez 2 gants intriqués. Un gauche et un droit. Et que vous les séparez en les envoyant dans 2 boîtes différentes à des extrémités opposées du monde.
Si quelqu’un ouvre une boîte et trouve le gant gauche, il saura instantanément que l’autre boîte contient le gant droit. Cette connexion instantanée est semblable à ce qui se passe avec des particules intriquées, mais avec des propriétés quantiques plutôt que des objets physiques, comme ici des gants.
Le principe d’incertitude
Formulé par un certain Werner Heisenberg, le principe d’incertitude stipule qu’il est impossible de connaître simultanément avec précision certaines paires de variables physiques. Comme par exemple la position et la vitesse d’une particule. En d’autres termes, plus on mesure précisément l’une, moins on peut connaître l’autre. Ce principe remet en question l’idée « classique » que des valeurs exactes peuvent être attribuées à toutes les propriétés d’une particule à tout moment.
Exemple concret de la lumière
Pour illustrer concrètement le principe d’incertitude de Heisenberg, prenons l’exemple de la lumière, qui peut être décrite comme étant composée de particules appelées photons.
Exemple avec des photons
Imaginons un faisceau de lumière que vous essayez d’étudier en termes de position et de quantité de mouvement (ou de vitesse) de ses photons.
- Détermination de la Position :
- Pour mesurer précisément la position d’un photon, vous devez utiliser un dispositif comme un microscope (très puissant). Plus le microscope est précis (et donc plus la résolution est élevée), plus vous pouvez déterminer la position du photon avec précision.
- Incertitude de la Quantité de Mouvement :
- Cependant, pour obtenir une image très précise du photon, vous devez utiliser de la lumière avec des longueurs d’onde très courtes. Les photons de lumière de courtes longueurs d’onde ont des quantités de mouvement élevées et incertaines.
Par conséquent, en déterminant précisément la position du photon, vous introduisez ainsi une grande incertitude quant à la mesure de sa quantité de mouvement.
D’autres exemples concrets de la physique quantique
1. Les transistors et l’électronique moderne
Les transistors, qui sont la pierre angulaire de l’électronique moderne, tirent parti des principes de la physique quantique. Un transistor est un dispositif semi-conducteur utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électroniques.
À l’échelle microscopique, les propriétés des matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, sont régies par les lois de la mécanique quantique. Les ingénieurs utilisent ces lois pour manipuler le flux des électrons dans les transistors. Ce qui permet le fonctionnement des ordinateurs, des smartphones et d’autres appareils électroniques. Sans la physique quantique, le développement de la microélectronique comme nous la connaissons aujourd’hui aurait été impossible !
2. L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM)
L’IRM est une technique médicale de pointe qui utilise les principes de la physique quantique pour produire des images détaillées de l’intérieur du corps humain.
Et oui, cette technologie repose sur la propriété quantique du spin des protons dans les atomes d’hydrogène présents dans les tissus corporels. Lorsque ces protons sont placés dans un champ magnétique puissant et exposés à des ondes radio, ils absorbent et réémettent l’énergie sous forme de signaux que l’IRM peut détecter.
En analysant ces signaux, les médecins peuvent obtenir des images précises des structures internes du corps, ce qui aide au diagnostic et au traitement de nombreuses conditions médicales.
3. La cryptographie quantique
La cryptographie quantique utilise aussi les principes de la mécanique quantique pour sécuriser les communications. L’une des techniques est la distribution quantique de clés qui permet à 2 parties de partager une clé secrète. Une clé qui va chiffrer et déchiffrer des messages. La sécurité de la clé repose sur les propriétés de la superposition et de l’intrication quantiques (vu plus haut).
Par exemple, toute tentative d’interception d’une clé quantique modifie inévitablement l’état des particules impliquées, alertant ainsi les parties légitimes de la présence d’un espion. Cette méthode offre une sécurité théoriquement infaillible, rendant la cryptographie quantique particulièrement intéressante et prometteuse pour les communications sensibles.
L’ordinateur quantique : développement de la physique quantique
Avez-vous déjà entendu parler des ordinateurs quantiques ? Contrairement aux ordinateurs classiques, qui utilisent des bits pour représenter les données, les ordinateurs quantiques, eux, utilisent des qubits. Grâce à la superposition et à l’intrication, les qubits peuvent effectuer un nombre exponentiellement plus grand de calculs simultanément.
Cette capacité offre ainsi le potentiel de résoudre des problèmes bien plus complexes que les ordinateurs d’aujourd’hui. Et ce, avec des applications allant de la cryptographie à la simulation de molécules pour la chimie et la médecine.
Pour conclure cet article
Vous l’aurez compris, la physique quantique est une discipline scientifique qui non seulement a changé et change notre vision du monde microscopique, mais a également conduit à des avancées technologiques révolutionnaires.
En explorant les comportements des particules élémentaires, elle a permis le développement de technologies importantes comme les transistors, l’IRM et la cryptographie quantique. À l’avenir, les recherches en informatique quantique (entre autres) promettent de nouvelles découvertes qui pourraient encore transformer notre compréhension de l’univers et notre capacité à manipuler le monde à des niveaux fondamentaux.
Quel lien entre la physique quantique et la vitalité ?
Bien que controversées et non scientifiquement prouvées dans de nombreux cas, certaines approches de la médecine énergétique et des thérapies holistiques s’inspirent des concepts de la physique quantique. Par exemple, les praticiens de la guérison énergétique peuvent évoquer des idées de champ quantique et de vibrations pour expliquer leurs méthodes.
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