Site de vulgarisation scientifique d'Etienne Klein
"Il me plaît de penser que la physique est une sorte d’alpinisme intellectuel consistant à grimper jusqu’à des hauteurs himalayennes où le logos est rare et la vérité mutique."
En 1905 apparaissait une nouvelle physique qui allait révolutionner la façon de décrire la matière et ses interactions : la physique quantique. Avec elle s’ouvraient les portes d’un monde qui n’obéit pas aux lois de la physique classique : l’infi niment petit, avec ses atomes et ses particules. Elle obligea ses pères fondateurs, Einstein, Bohr, Heisenberg et Schrödinger notamment, à rediscuter le déterminisme et les critères de réalité de la physique classique, ainsi que la traditionnelle séparation entre observateur et objet observé. Pour la première fois dans l’histoire des sciences, une discipline exigeait même que soit mis en œuvre un travail d’interprétation afi n d’être comprise et appliquée : quelle sorte de réalité représente le formalisme quantique ? Aujourd’hui, quel crédit convient-il d’accorder aux diverses interprétations proposées depuis les années 1920 ? La physique quantique ne laisse pas d’intriguer, de fasciner, d’exaspérer parfois. Elle demeure pourtant méconnue, victime de stéréotypes : on l’invoque pour cautionner tel phénomène étrange, mais on néglige d’en décrire les principes fondamentaux. Quels sont ces principes qui trouvent des applications toujours plus fascinantes, du laser à la cryptographie quantique, en passant par la téléportation ? D’où provient cette incroyable efficacité de la physique quantique ?
Introduction
Modèle planétaire de l’atome d’hydrogène
Physique quantique : introduction, étymologie et terminologie, applications, nécessité d’une interprétation au-delà du formalisme, rapport au réel, efficacité
Incompatibilité avec la relativité générale
1. La faillite des concepts familiers
Ondes, corpuscules et superposition classiques ; nature de la lumière
Expérience des deux fentes (fentes de Young) : insuffisance des interprétations strictement corpusculaire ou ondulatoire, interférences avec des électrons, disparition des interférences
1ère leçon : une particule n’est pas un corpuscule, influence de l’environnement
2e leçon : rôle de la mesure, citation de Bohr : rapport de la mesure avec le réel
3e leçon : rôle des appareils de mesure dans l’observation des phénomènes
4e leçon : fin de la notion de trajectoire
5e leçon : fin du déterminisme classique
2. Vers une nouvelle représentation des objets physiques
Notion de complémentarité (Bohr)
Classification de l’ornithorynque, analogie avec ondes et corpuscules
Description mathématique de l’expérience des deux fentes, amplitudes de probabilité
3. Le principe d’Heisenberg ou le sens de la mesure
Analogie classique, explication de l’origine de l’indétermination
Interprétation correcte du principe : indétermination n’est ni imprécision, ni incertitude
La constante de Planck, action (grandeur physique)
Conséquence du principe d’Heisenberg : stabilité des atomes
4. L’effet tunnel ou les nouvelles règles du saute-mouton
Bille lancée sur la montagne de Chamonix
Gamow, ses vaches et son effet tunnel ; description de la radioactivité alpha
Principe du microscope à effet tunnel ; probabilité d’observer un effet tunnel, rôle de la constante de Planck (en note : les aventures de Mr. Tompkins), explication à la main de l’effet tunnel
5. L’addition ou la quintessence du formalisme
Etat physique d’une particule
Bases du formalisme quantique : principe de superposition et vecteur d’état
Superposition macroscopique : présentation du baril de poudre d’Einstein et du chat de Schrödinger
Illustration d’un état superposé, particule dans un canal
Réduction du paquet d’ondes, influence de la mesure sur l’état d’un système
Redéfinition de la notion d’objet ; débats houleux sur le statut de la réduction du paquet d’ondes
Paradoxe de de Broglie, question de la complétude de la physique quantique, variables cachées
6. L’intrication quantique ou l’effet Rolling Stones
Localité et séparabilité
Vecteur d’état de deux particules après collision : intrication, description mathématique du phénomène, relation entre le tout et les parties
Analogie avec les Rolling Stones
7. La « non-séparabilité » et la controverse Bohr – Einstein
Objection d’Einstein : sur le hasard en tant que principe et sur le rôle de la mesure (au nom du réalisme)
Article EPR : hypothèses de départ, critère de réalité, paradoxe EPR
Réponse de Bohr
Théorème et inégalités de Bell, expériences liées (en particulier celle d’Aspect)
8. D’étonnantes machines intricantes
Cryptographie quantique
Fax et téléportation quantiques
Ordinateur quantique ; premiers résultats expérimentaux (quantronium)
9. Quand le réel semble se dérober
Particule dans une chambre à bulles
Représentation de l’atome
Difficultés conceptuelles nouvelles, question du lien entre formalisme et réalité
Détection d’un atome
10. Une affaire d’interprétation(s)
Liens entre théorie, intuition physique et réel ; contrafactualité remise en cause par la physique quantique et débats associés
Interprétation de Copenhague (Bohr), statut de l’opération de mesure
Objectivités forte et faible (d’Espagnat)
Réalisme physique
Indéterminisme quantique
Questions récurrentes dans les débats sur l’interprétation de la physique quantique
Attitudes positiviste, constructiviste
Théorie à variables cachées non locales (Bohm), description et difficultés induites (en note)
Interprétation de Wigner avec influence de la conscience
Interprétation avec des univers parallèles (Everett) : réalisation de tous les possibles
Théorie de la décohérence : interaction avec l’environnement, solution possible au chat de Schrödinger
Annexe
Genèse de la physique quantique, inexactitudes de la version conventionnelle ; rayonnement du corps noir (Planck)
Réflexion de Planck sur le second principe de la thermodynamique
Histoire du corps noir (Kirchhoff, Stefan, Wien, Planck) ; loi de Rayleigh, prise en compte par Planck des arguments de Boltzmann