La physique quantique est un ensemble de théories physiques nées au , qui décrivent le comportement des atomes et des particules et permettent d'élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique.
Comme la théorie de la relativité, les théories dites « quantiques » marquent une rupture avec ce que l'on appelle maintenant la physique classique, qui regroupe les théories et principes physiques connus au , et qui ne permettaient pas d'expliquer certaines propriétés physiques.
La physique quantique recouvre l'ensemble des domaines de la physique où l'utilisation des lois de la mécanique quantique est une nécessité pour comprendre les phénomènes en jeu. La mécanique quantique est la théorie fondamentale des particules de matière constituant les objets de l'univers et des champs de force animant ces objets.
Histoire vignette|Max Planck est considéré comme le père de la physique quantique. La constante de Planck, , joue un rôle central dans la physique quantique, bien au-delà de ce qu'il imaginait lorsqu'il l'a introduite. Au cours du , les cristallographes et les chimistes essaient de prouver l'existence des atomes, mais ce n'est qu'au début du qu'ils seront définitivement mis en évidence, grâce à la diffraction des rayons X. Pour les modéliser, la quantification de la matière est un passage obligé, ce qui donne naissance à la physique quantique. En 1900, Max Planck émet l'hypothèse que les échanges d'énergie avec la matière se font par petites quantités : les « quanta ».
Louis de Broglie est à l'origine de la mécanique quantique qui permet de modéliser correctement l'atome. La physique quantique finit par absorber tous les domaines de la physique classique en une seule discipline. Les accélérateurs de particules montrent alors que les atomes sont composés de particules plus élémentaires, comme le proton ou le neutron, eux-mêmes composés de quarks. C'est la théorie quantique des champs, construite à partir de l'électrodynamique quantique qui décrira l'ensemble des particules élémentaires.
Principe À l'échelle macroscopique, les objets possèdent une masse, une position et une vitesse. Ces caractéristiques définissent l'état physique de l'objet. Chacune de ces caractéristiques est une valeur absolue (chaque caractéristique possède une valeur unique à un instant t). Nous sommes dans le champ d'étude appelé physique classique (celle définie par les travaux de Newton).
À l'échelle microscopique (à l'échelle des atomes), les objets physiques possèdent des caractéristiques différentes de celles observées à l'échelle macroscopique. Par exemple un atome de fer isolé, dans le vide et sans lumière, pourra occuper une infinité de positions différentes en même temps. On parle alors de .
À l'échelle microscopique, les objets physiques ont la particularité d'agir à la fois comme une onde et à la fois comme une particule. L'objet est alors présent partout autour d'une position comme de l'eau autour d'une vague.
Panorama général La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle ayant des répercussions jusqu'en philosophie (remise en question du déterminisme) et en littérature (science-fiction). Elle a permis nombre d'applications technologiques : énergie nucléaire, imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, diode, transistor, circuit intégré, microscope électronique et laser. Un siècle après sa conception, elle est abondamment utilisée dans la recherche en chimie théorique (chimie quantique), en physique (mécanique quantique, théorie quantique des champs, physique de la matière condensée, physique nucléaire, physique des particules, physique statistique quantique, astrophysique, gravité quantique), en mathématiques (formalisation de la théorie des champs) et, , en informatique (ordinateur quantique, cryptographie quantique). Elle est considérée avec la relativité générale d'Einstein comme l'une des deux théories majeures du .
La physique quantique est connue pour être contre-intuitive (choquer le « sens commun ») et nécessiter un formalisme mathématique ardu. Richard Feynman, l'un des plus grands théoriciens spécialistes de la physique quantique de la seconde moitié du , a ainsi écrit :
La raison principale de ces difficultés est que le monde quantique (limité à l'infiniment petit, mais pouvant avoir des répercussions à plus grande échelleViatko Vedral, « Vivre dans un monde quantique », Pour la science , septembre 2011, p. 22 et suivantes.) se comporte très différemment de l'environnement macroscopique auquel nous sommes habitués. Quelques différences fondamentales qui séparent ces deux mondes sont par exemple :
la quantification : certaines observables, par exemple l'énergie émise par un atome lors d'une transition entre états excités, sont quantifiées, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent prendre leur valeur que dans un ensemble discret de résultats. , la mécanique classique prédit le plus souvent que ces observables peuvent prendre continûment n'importe quelle valeur ; la dualité onde-corpuscule : les notions d'onde et de particule (ou corpuscule), qui sont séparées en mécanique classique, deviennent deux facettes d'un même phénomène, décrit de manière mathématique par sa fonction d'onde. En particulier, l'expérience prouve que la lumière peut se comporter comme des particules (photons, mis en évidence par l'effet photoélectrique) ou comme une onde (rayonnement produisant des interférences) selon le contexte expérimental, les électrons et autres particules pouvant également se comporter de manière ondulatoire ; le principe d'indétermination de Heisenberg : une fondamentale empêche la mesure exacte simultanée de deux grandeurs conjuguées. Il est notamment impossible d'obtenir une grande précision sur la mesure de la vitesse d'une particule sans obtenir une précision médiocre sur sa position, et vice versa. Cette incertitude est structurelle et ne dépend pas du soin que l'expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système ; elle constitue une limite à la précision de tout instrument de mesure ; le principe de superposition quantique : si l'évolution d'un système est bel et bien déterministe (par exemple, la fonction d'onde régie par l'équation de Schrödinger), la mesure d'une observable d'un système dans un état donné connu peut donner aléatoirement une valeur prise dans un ensemble de résultats possibles ; l'observation influe sur le système observé : au cours de la mesure d'une observable, un système quantique voit son état modifié. Ce phénomène, appelé réduction du paquet d'onde, est inhérent à la mesure et ne dépend pas du soin que l'expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système ; la non-localité ou intrication : des systèmes peuvent être intriqués de sorte qu'une interaction en un endroit du système a une répercussion immédiate en d'autres endroits. Ce phénomène contredit en apparence la relativité restreinte pour laquelle il existe une vitesse limite à la propagation de toute information, la vitesse de la lumière ; toutefois, la non-localité ne permet pas de transférer de l'information ; la contrafactualité : des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent sur les résultats de l'expérience.
Le quantique et le vivant Existe-t-il dans le monde du vivant des phénomènes obéissant à ces règles de l'infiniment petit ? Depuis quelques années, des études dans divers domaines de la biologie indiquent que c'est le cas. Ces résultats vont à contre-courant de l'idée généralement admise que le monde macroscopique est trop chaotique pour permettre des effets de décohérence quantique. Le vivant serait capable de tirer parti de cette agitation désordonnée des particules, du moins en ce qui concerne la photosynthèse P. Ball, Physics of life: The dawn of quantum biology, Nature, 15 juin 2011, 474, 7351, p. 272-274.. Les récepteurs de l'odorat semblent dépendre de l'effet tunnel, pour acheminer des électrons à l'intérieur même des molécules odorantes, ce qui permet de les distinguer d'autres molécules structurellement analogues. Certaines structures protéiques bactériennes se comportent comme des ordinateurs quantiques primitifs, « calculant » le meilleur canal de transport des électrons parmi tous les chemins possibles..
vignette|gauche|Les réactions physicochimiques présidant à la photosynthèse sont bien comprises mais l'efficacité du processus en biologie était demeurée une énigme, jusqu'à la découverte d'une coordination supramoléculaire de ces opérations par la cohérence quantique, qui est une « influence à distance ». vignette|Les setæ des geckos adhèrent au verre par un processus inexplicable en physique classique.
De récents travaux sur la photosynthèse ont révélé que l'intrication quantique des photons joue un rôle essentiel dans cette opération fondamentale du règne végétal, phénomène que l'on tente actuellement d'imiter pour optimiser la production d'énergie solaire.
L'adhérence aux surfaces des setæ des geckos fonctionne grâce aux forces de van der Waals, des interactions de nature quantique qui font intervenir des particules virtuelles sans aucune interaction moléculaire classique : article scientifique sur les propriétés des setæ.. Ce phénomène est également à l'étude en vue d'applications militaires et civiles.
Liste des expériences
Des physiciens américains seraient parvenus à observer la trace des premiers instants du Big Bang, atteignant un des selon les termes de John Kovac, professeur à Harvard et responsable de l'équipe à l'origine de cette découverte en . La survenue du Big Bang marquant la naissance de l'Univers il y a d'années, s'est accompagnée de l'émission d'ondes gravitationnelles primordiales et des théories prédisent que leur présence . L'observation de l'empreinte que ces ondes ont laissée sur le rayonnement fossile a été effectuée via le télescope Bicep2. Pour Alan Guth (MIT), , et ces travaux .. Mais cette annonce a été démentie par les mesures faites par le satellite Planck, ce dernier étant capable de différencier les effets de poussières de la Galaxie..
Fentes de Young cadre|Densité de probabilité d'un seul électron au passage des deux fentes. L'expérience originelle de Thomas Young avait mis en évidence le comportement ondulatoire de la lumière en montrant que deux faisceaux lumineux pouvaient entrer en interférence. L'expérience des fentes de Young, effectuée avec une seule particule (en faisant en sorte que la source d'émission n'émette quun quantum à la fois), montrera qu'un seul électron et produit des franges d'interférences au sortir des deux fentes, comme s'il s'agissait de deux flux de particules interférant l'un avec l'autre.
Effet Aharonov-Bohm (Ehrenberg et Siday) vignette|gauche|redresse=1.2|La figure d'interférence entre deux faisceaux d'électrons peut être modifiée par la présence d'un champ magnétique en dehors des trajectoires classiques des électrons. Dans la mécanique classique, la trajectoire d'une particule chargée ne peut pas être affectée par la présence d'un champ magnétique si elle se trouve hors de ce champ. L'effet Aharonov-Bohm est un phénomène quantique décrit en 1949 par Ehrenberg et Siday et redécouvert en 1959 par David Bohm et Yakir Aharonov. Il décrit le paradoxe suivant :
L'effet Aharonov-Bohm démontre donc que ce sont les potentiels électromagnétiques, et non les champs électriques et magnétiques, qui fondent la mécanique quantique. En physique quantique, une entité mathématique utile, le potentiel vecteur magnétique, peut avoir de véritables effets.
Expérience de Stern et Gerlach L'expérience de Stern et Gerlach fut l'une des premières à mettre en évidence la nature purement quantique du monde microscopique et plus particulièrement du spin. Construite en 1921-1922 pour tester l'hypothèse de quantification spatiale, elle ne put obtenir une description théorique satisfaisante que cinq ans plus tard grâce au développement de la mécanique quantique.
Expérience d'Aspect