De gauche à droite Werner Heisenberg et Niels Bohr, deux des pères fondateurs de la mécanique quantique, la théorie expliquant la physique quantique. © AIP Niels Bohr Library
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 jeux. 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.
Un cadre de lois physiques de l’infiniment petit à l’infiniment grand
Combinée avec la relativité restreinte, la mécanique quantique a en effet permis de construire le modèle standard des particules élémentaires à partir de ce qu’on appelle la théorie quantique des champs. On tente d’unifier les lois de la mécanique quantique avec la relativité générale. La théorie de la gravitation quantique est encore en chantier, mais les deux tentatives les plus prometteuses sont la théorie des supercordes et la théorie de la gravitation quantique à boucles. Elles permettent de faire de la cosmologie quantique qui, là aussi, est encore en cours de développement. Contrairement au modèle standard solidement confirmé par des expériences comme celles de la découverte des bosons W et du boson de Brout-Englert-Higgs, il n’existe pour le moment aucune preuve à l’appui des théories de gravitation quantique.
On voit ici deux des plus célèbres équations gouvernant le monde quantique. C’est l’équation de Schrödinger (en haut), célèbre en mécanique quantique, avec en dessous l’une des inégalités de Heisenberg. L’image de fond est celle de particules spiralant dans une chambre à bulles plongée dans un champ magnétique. En bas à droite, un diagramme de Feynman illustre la désintégration bêta d’un neutron (n) en proton (p). © www.wallchan.com
La théorie derrière la physique quantique est hautement mathématique et très subtile du point de vue des concepts. Il existe d’ailleurs un large spectre d’interprétations physiques de la mécanique quantique au-delà de l’interprétation orthodoxe dite de Copenhague. La mécanique quantique donne une description étonnante et peu intuitive des particules, électrons ou photons par exemple, qui d’une certaine façon sont aussi des ondes, et qui peuvent se retrouver simultanément en deux endroits, ou traverser des obstacles que l’on penserait infranchissables (effet tunnel).
Au cœur de la physique quantique se trouvent les mystérieuses amplitudes de probabilité pour tous les processus physiques. Les valeurs des grandeurs physiques y sont alors gouvernées par des lois de probabilité lors d’une mesure. Les amplitudes de probabilité présentent des phénomènes d’interférence, de diffraction et d’autres s’apparentant aux ondes stationnaires sur des cordes vibrantes ou dans des cavités résonnantes. Elles conduisent à la quantification de l’énergie dans beaucoup de systèmes physiques, à commencer par les atomes et le champ électromagnétique. Elles limitent l’interprétation des phénomènes en matière d’ondes ou de particules classiques. Les inégalités de Heisenberg, par exemple, ne permettent pas d’attribuer simultanément une vitesse et une position à un électron.
Dans un atome, comme celui d’hydrogène ici, un électron ne se comporte ni comme une bille ni comme une onde à la surface de l’eau. Il peut se retrouver sur différentes orbitales atomiques qui sont décrites comme des densités de probabilité de trouver l’électron en un point lors d’une expérience. Ces densités de probabilité dérivent des amplitudes quantiques gouvernées par l’équation de Schrödinger. Quelques-unes de ces densités de probabilité, qui dépendent de nombres entiers, sont représentées sur ce schéma. Elles sont de plus en plus importantes en passant du violet au jaune. © PoorLeno, Wikimedia Commons, DP
De l’atome aux étoiles, toujours de la physique quantique
Entre le monde de l’infiniment petit (les particules élémentaires), et celui de l’infiniment grand (le Big Bang et la cosmologie quantique), la physique quantique se déploie dans tous les domaines de la physique atomique, moléculaire et bien sûr nucléaire. Il y a par exemple la chimie quantique, l’optique quantique et la physique de la matière condensée.
Ainsi, les lois de la mécanique quantique expliquent pourquoi les atomes et les molécules sont stables, peuvent émettre et absorber de la lumière, mais aussi se combiner dans les réactions chimiques. Elles rendent compte de phénomènes aussi surprenants que la supraconductivité et la superfluidité de l’hélium, mais aussi de phénomènes moins exotiques comme le ferromagnétisme des aimants et la conduction électrique des métaux ou l’existence d’isolants. Il s’introduit d’ailleurs à l’occasion en physique du solide tout un zoo de nouvelles excitations quantiques, que l’on appelle des quasiparticules. Les plus connues sont les phonons, les magnons et les excitons.
Un aimant flotte au-dessus d’un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l’azote liquide. La physique quantique est indispensable pour comprendre ce phénomène via la formation de paires de Cooper, qui s’écoulent comme un liquide superfluide dans un supraconducteur. © Mai-Linh Doan, Wikimedia Commons, GNU 1.2
La mécanique quantique explique en outre pourquoi et comment le Soleil brille, avec des réactions de synthèse de l’hélium et du deutérium, et l’origine des noyaux de carbone de notre corps. Elle permet de comprendre l’existence des naines blanches, des étoiles à neutrons ainsi que de connaître la composition des étoiles dans les galaxies et la structure de la Voie lactée via l’étude des raies spectrales comme celle à 21 cm de l’hydrogène.
Physique quantique et technologie
La physique quantique est enfin au cœur de la technologie moderne, car le fonctionnement des lasers, des masers, des CCD et des composants électroniques de nos lecteurs et de nos ordinateurs repose sur ses lois. On peut citer aussi le domaine de l’IRM et des techniques basées sur la RMN, ainsi que la microscopie électronique. Dans quelques décennies, les réacteurs à fusion contrôlée, qui succéderont peut-être à Iter, emploieront comme lui des aimants supraconducteurs. Il est possible aussi qu’une révolution technologique de grande ampleur se prépare avec de jeunes disciplines de l’information quantique et les mythiques ordinateurs quantiques. On spécule même sur le rôle que pourrait jouer la mécanique quantique en biologie et en neurosciences.
La physique quantique n’est pas un domaine achevé : elle contient des paradoxes qui ne sont pas encore complètement bien compris, comme ceux du chat de Schrödinger et de l’effet EPR, bien que l’on ait accompli de grands progrès dans leur compréhension depuis le début des années 1980.