LA SCIENCE

La mécanique quantique

Encore plus étrange que la relativité générale, la Mécanique Quantique s'attaque principalement aux phénomènes qui se passent au niveau de l'infiniment petit, à l'échelle des particules élémentaires, protons, électrons, etc...

La mécanique quantique doit son nom à son hypothèse fondatrice : le rayonnement électromagnétique n'est pas continu, mais se fait par paquets d'énergie, chaque paquet transportant une quantité d'énergie directement proportionnelle à la fréquence du rayonnement. Le rapport Energie sur Fréquence est constant, et noté h ; il s'agit de la constante de Planck, premier physicien à avoir avancé cette hypothèse de la discontinuité. Le paquet d'énergie associé au rayonnement électromagnétique est le photon.

En fait, cette théorie permet de réconcilier deux aspects contradictoires du rayonnement électromagnétique, l'aspect ondulatoire, mis en évidence par les expériences d'interférences, et l'aspect corpusculaire, qui explique les phénomènes photo-électriques.

Cette discontinuité se retrouve partout aux petites échelles ; elle éclaire d'un jour nouveau la structure de l'atome, postulant que l'électron qui tourne autour du noyau ne peut le faire qu'à des distances bien déterminées, le passage d'une orbite à l'autre s'accompagnant de l'absorption ou l'émission d'un photon dont la fréquence correspond à la différence d'énergie de l'électron entre les deux orbites.

Si une onde électromagnétique possède une particule associée, l'inverse est également vrai, comme le postula le Français Louis de Broglie. On a ainsi réussi à faire interférer entre eux des électrons, et même récemment des atomes, prouvant qu'onde et particule sont indissociablement liés et ne constituent en fait que deux aspects complémentaires de la représentation de la réalité.

A toute particule est donc associée une fonction d'onde, régie par l'équation de Schrödinger. Un autre principe fondamental de la mécanique quantique est l'incertitude d'Heisenberg, qui limite la précision avec laquelle on peut connaître à la fois la position et la vitesse d'une particule : mieux on connaîtra l'une, moins bien on connaîtra l'autre. Cette incertitude est liée à la structure fondamentale de l'Univers, et non à une quelconque limitation de nos moyens. Ainsi, la fonction d'onde associée à une particule matérialise la probabilité que la particule se trouve à un emplacement donné. Tant qu'une mesure n'a pas été faite, la particule n'est pas localisée. C'est ainsi qu'on arrive à obtenir les figures d'interférences, même en faisant passer les particules (photons, ou bien électrons) une à une. Mais si on place un détecteur pour essayer de savoir par où cette particule est vraiment passée, on détruit la figure d'interférence. En effet, toute mesure influe sur la fonction d'onde, en ce qu'on appelle une réduction de la fonction d'onde : la particule, qui pouvait se trouver à plusieurs endroits à la fois (avec une probabilité donnée pour chaque emplacement) se retrouve à un emplacement bien déterminé.

Cette réduction est encore plus spectaculaire dans le cas de particules liées : il s'agit par exemple de deux photons créés ensemble lors de l'annihilation d'un électron et d'un positron. Ces deux photons sont décrits par une seule fonction d'onde. La seule chose certaine, c'est que ces deux photons partent dans deux directions diamétralement opposées ; cependant, tant qu'on n'en a pas détecté un, on ne peut pas savoir dans quelle direction ils sont partis; lorsqu'on en détecte un, on est absolument certain de savoir où se trouve l'autre, même à de grandes distances (si bien sûr ils n'ont pas rencontré d'obstacle en chemin).

Le plus gênant dans l'affaire, c'est que cette réduction est instantanée, au mépris de la relativité restreinte qui interdit les interactions se propageant plus vite que la lumière. Ceci revient à dire que l'information de réduction d'un paquet d'onde peut remonter le temps !

L'autre problème est de définir ce qu'est cette fameuse observation qui provoque la réduction du paquet d'onde. Si une particule peut se trouver dans un état de superposition, c'est-à-dire être à plusieurs endroits à la fois, pourquoi ne pourrait-il pas en être de même pour le détecteur, une fois qu'il a interagi avec cette particule ? C'est le thème du paradoxe du chat de Schrödinger : un chat est enfermé dans une boite, avec un système qui le tue s'il détecte un événement quantique donné (par exemple, désintégration d'un noyau radioactif). Tant qu'on n'ouvre pas la boîte, on a aucun moyen de savoir ce qui s'est passé. Cette absence d'observation signifie-t-elle alors que le chat est dans une superposition de deux états, l'un dans lequel il est vivant, et d'autre dans lequel il est mort ? Cette superposition ne disparaîtra-t-elle que lorsqu'un observateur ouvrira la boite ?

Plusieurs interprétations s'affrontent. L'une, relativement mystique, soutient que c'est l'action de la conscience qui provoque cette réduction, ce qui revient à doter la conscience d'un statut très particulier dans le domaine de la physique. Une autre dit que la superposition d'états disparaît spontanément sur les systèmes macroscopiques. La plus simple, mais aussi la plus étrange, dit tout simplement que la réduction d'onde n'existe pas. La superposition d'états se propage alors au gré des interactions, même au niveau de l'observateur. Dans l'exemple du chat de Schrödinger, lorsque l'observateur ouvrira la boîte, il se dédoublera, et il y aura donc un observateur qui verra le chat mort et un autre observateur qui verra le chat vivant. Il ne s'agit ni plus ni moins que d'une théorie des univers parallèles.

Mais un grand nombre de scientifiques restent pragmatiques ; ils se bornent à constater que les équations fonctionnent et se refusent à spéculer sur ce qu'elles cachent.

A quoi sert la mécanique quantique ?

Après avoir lu ce qui précède, l'impression qui se dégage est que la mécanique quantique est une science très ésotérique, éloignée de notre vie de tous les jours, et pour tout dire, inutile.

Rien de plus inexact !

La mécanique quantique est à la base de toute l'électronique moderne des semi-conducteurs, donc de tout ce qui compose les ordinateurs, et la plupart des appareils électroniques. La mécanique quantique a également découvert l'effet LASER, bien avant qu'on puisse en réaliser le premier modèle.

Actuellement, des chercheurs mettent au point des systèmes de cryptage inviolables basés sur des propriétés quantiques, permettant de détecter toute écoute, qui provoque inévitablement une réduction de l'onde transportant l'information.

Et en parallèle, des recherches portent sur des ordinateurs quantiques, dans lesquels l'information à traiter serait en fait une superposition d'informations (on parle de Qbit, ou bit quantique), ce qui permettrait des calculs massivement parallèles avec un seul composant.

En conclusion

Avec la relativité générale, la mécanique quantique tente de mettre à jour la structure la plus intime de l'Univers. Il reste cependant un obstacle non négligeable : ces deux théories ne sont pas compatibles ! la relativité générale fonctionne bien dans l'infiniment grand, mais trouve ses limites dans l'infiniment petit, alors que la mécanique quantique décrit bien les mécanismes de l'infiniment petit, mais n'arrive pas à prendre en compte les effets relativistes. La tentative la plus en vogue pour unifier ces deux théories est la théorie des cordes, dans laquelle la matière est constituée de minuscules cordes vibrant dans un espace de dimension 10. Cette théorie est cependant loin d'être aboutie, et souffre de l'absence de vérification expérimentale, une telle vérification étant pour l'instant difficilement envisageable. D'autres théories semblent également intéressantes, telles la Gravitation Quantique à Boucles.

Hervé Jamet
Août 2003 - revu en août 2004