phyquantique intro

 

Vous avez sans doute remarqué depuis ces dernières années que nous assistons à un florilège de termes « quantiques ». Tout le monde nous parle de physique quantique, thérapie quantique, des vertus des nanotechnologies cette course à l'infiniment petit...

C'est normal puisque toutes les approches psychosomatiques et les dernières recherches en matière de technologie, médecine, biologie, ... sont issues des théories de la physique quantique.

phyquantique particuleL'an dernier j'ai cependant entendu parler de « massage quantique ».... le terme est employé à toutes les sauces et les gens surfent sur la vague du quantique à grand renfort marketing. Mais osez leur poser la question de ce qu'est le « quantique » pour avoir soit un gros blanc soit une explication sans queue ni tête.

Ce qu'il faut savoir c'est que tous les appareils de dernières technologies que vous possédez, votre écran plat et téléphone portable, votre voiture, les puces électroniques, même les peintures et les textiles... découlent de l'application directe des théories de la physique quantique.

Et vous ? Quelle idée avez-vous de la physique quantique ?

Voici le sommaire de cet article :

- Définition de la physique quantique
- La naissance de la physique quantique
           A- L'état de la physique à la fin du 19ème siècle
           B- 1900-1927 vers un nouveau paradigme scientifique
- Les grands principes de la physique quantique
           A- La dualité onde-corpuscule
           phyquantique compasB- Le principe d'incertitude
           C- Le rôle de l'observateur
           D- L'intrication quantique
- En résumé

 

 

puceDéfinition de la physique quantique


La physique est l'étude du réel, la recherche de la réalité tangible du monde dans lequel nous vivons, la compréhension du fonctionnement des choses. Il s'agirait donc selon cette définition d'une science unique. Cependant nous assistons à une rupture dans le monde de la physique depuis le début du 20ème siècle.

D'un côté nous avons la physique classique amenée principalement par Isaac Newton qui décrit le monde macroscopique régit par des lois du déterministe, et de l'autre nous avons la physique quantique amenée par Albert Einstein et qui décrit le monde microscopique régit par des lois de probabilité.

Ces deux physiques sont rigoureusement exactes et leurs applications sont concrètes et observables tous les jours... mais ces deux physiques semblent être en oppositions radicales, défiant même notre rationalité. Les physiciens doivent pourtant faire avec pour comprendre le réel... et leur objectif : trouver une physique qui allie la physique classique ET la physique quantique (une première piste : la physique informationnelle que nous aborderons plus tard). La physique quantique n'est donc pas à remettre en question, il s'agit de faire évoluer notre compréhension du monde en sortant de nos croyances limitantes.

Pour faire simple, la physique quantique décrit les phénomènes qui agitent le monde de l'infiniment petit, à l'échelle atomique (voir article sur la matière). Il s'agit de la physique des quanta (un quantum, des quanta pour ceux qui ont des restes de latin), le quantum représentant la plus petite mesure indivisible.

phyquantique newtonUne petite représentation :
On dit souvent que Sir Isaac Newton a décrit les lois de la physique classique en observant une pomme tomber d'un arbre, il en déduisit les lois de l'apesanteur et de la gravité, cette force qui nous maintient les pieds au sol. Reprenons cette image.

Prenez une pomme, tenez-là à bout de bras et lâchez-là. Vous ne vous posez pas beaucoup de question, vous avez la certitude qu'elle va tomber... et elle tombe. La physique classique va décrire toutes les lois qui agissent sur cette pomme et nous permettra de comprendre les raisons pour lesquelles elle tombe.

Imaginez-vous maintenant de la taille d'un atome, tout petit petit petit petit, prenez une pomme (à l'échelle atomique), tenez-là à bout de bras et lâchez-là. La physique quantique nous dit qu'au lieu de tomber, la pomme resterait suspendue au-dessus du sol et tomberait à un moment imprévisible se calculant qu'en termes de probabilités.

Dans ce monde de l'infiniment petit les particules n'existent pas avec certitude à des places bien définies, elles ont une « tendance à exister », et les évènements les concernant ont une « tendance à survenir ». Ces tendances sont exprimées en termes de probabilités. La physique quantique est donc la science des probabilités, des potentialités.

Ce sont sans doute ces notions de « probabilité » et de « potentialité/possibilité » des univers mathématiques qui font encore rebuter les gens à la compréhension de la physique quantique. On se rappelle des cours de proba auxquels nous ne comprenions rien, quelque chose d'abstrait bien loin de notre réalité... et pourtant, c'est bien grâce à cela que vous pouvez utiliser un téléphone portable (ou lire cet article tout simplement) !

Mais commençons par le début...

 

puceLa naissance de la physique quantique


La notion de physique quantique nous arrive seulement depuis quelques années, mais il faut bien avoir en tête qu'il s'agit d'une physique qui date de 1900. Le début du 20ème siècle a marqué le bouleversement des consciences, un changement de paradigme scientifique.

La science est censée chercher à comprendre la réalité au-delà des croyances... mais elle reste pourtant prisonnière d'influences culturelles. Croire nous permet d'avoir des références, une base sur laquelle s'appuyer... et vous allez voir qu'en matière de physique quantique cette base n'existe plus :

« C'était comme si le sol s'était dérobé sous nos pieds,
sans aucune fondation visible nulle part où l'on eût pu construire »
Albert Einstein

 

A- L'état de la physique à la fin du 19ème siècle

Même si les découvertes de Galilée et de Descartes ont été considérables, c'est sans conteste celles d'Isaac Newton (mathématicien, astronome, physicien, alchimiste et théologien) qui ont marquées cette ère scientifique et créées le modèle de physique classique que nous connaissons.
Dans Philosophiae Naturalis Principia Mathematica qu'il publie en 1687, Isaac Newton définit la gravitation universelle et les trois lois du mouvement. Ce faisant il va tout simplement dominer la vision scientifique de l'univers physique pour les trois siècles qui suivent.

phyquantique dominosA la fin du 17ème, l'ensemble des découvertes nous a extrait de la trame de cet Univers, créant un modèle mécaniste où nous sommes tous séparés les uns des autres, ou les évènements sont déterministes régis par un principe immuable et linéaire de cause et d'effet.

 

En 1871, James Clerk Maxwell associe les principes d'électricité et de magnétisme à l'aide de 4 équations qui constituent les postulats de base de l'électromagnétisme (je ferai un article complet dessus). Il complète ainsi les lois fondamentales de la physique classique.

En 1899 on peut dire que chaque chose était à sa place et que chaque place avait sa chose. Presque tous les phénomènes physiques trouvent une explication... du moins c'est ce que tout le monde pensait à l'époque !

Si bien que Lord Kelvin (entre autre découvreur du 0 absolu) rassemble, à grand renfort médiatique, les plus grands scientifiques de la planète à Londres pour faire un état de la science. Il en ressort avec cette déclaration :

« 95 % des phénomènes de la nature sont aujourd'hui expliqués et résolus. Seules, quelques broutilles restent à régler [...] il n'y a pas grand avenir dans la profession de scientifique. »

Moins de 20 ans plus tard, ces « quelques broutilles » ont donné naissance à deux grandes théories qui bouleversèrent 95% de toutes les conceptions antérieures : La relativité générale et La théorie quantique.


B- 1900-1927 vers un nouveau paradigme scientifique

phyquantique planckEn 1900, Max Planck (prix Nobel de physique en 1918) expliqua les phénomènes d'émission/absorption de la lumière avec la matière (rayonnement du corps noir, l'une des broutilles qui restait à expliquer). Dans sa démonstration il dû admettre l'existence de l'atome en émettant l'hypothèse que la matière était discontinue.

Rappelons qu'à l'époque, la théorie de l'atome suscitait de grandes polémiques et n'était pas du tout adoptée par la majorité, loin s'en faut ! Ces hypothèses très farfelues à l'époque, n'étaient pour lui que des « jeux » mathématiques qui trouveraient une explication plus tard.

phyquantique constanteSon postulat, auquel il ne croyait pas, était que la lumière était émise par « paquet » d'énergie. Il nomma ces paquets « h » pour helfen ("au secours" en français) car il le décrivait lui-même comme un acte désespéré.

h étant nommé la constante de Planck, la plus petite partie indivisible... un quantum !

Même si Max Planck reste le père de la théorie des quanta, il y a un autre grand monsieur qui en est le parrain ! Il s'agit d'Albert Einstein.

phyquantique einsteinJusqu'alors inconnu, Albert Einstein travaillait à l'office des brevets à Berne en Allemagne, il avait pour mission de vérifier les brevets avant leur validation. Il étudiait, entre autre, et de manière autonome, l'effet photoélectrique (la particularité de la lumière à arracher des électrons à un métal). Voyant passer les brevets de Max Planck il comprit l'utilité du paquet d'énergie pour ses recherches.

On connaît Albert Einstein surtout pour ses théories sur la relativité restreinte et générale, pour sa description de l'espace temps mais très peu dans ce domaine quantique.... et pourtant, il a reçu son prix Nobel en 1921 pour sa description de l'effet photoélectrique et c'est lui qui a étayé solidement toute la démonstration de Planck.

C'est donc en 1905 qu'il détermina l'effet photoélectrique par l'émission de quanta de lumière (appelé plus tard « photon »). Tout se vérifie mathématiquement, c'est la naissance des Quanta.

Les échanges d'énergie entre lumière et matière ne sont plus quelconques, ils sont quantifiés !
C'est la naissance de la physique quantique.

En 1905 il publia donc 5 articles dont la relativité restreinte et l'effet photoélectrique.

A partir de là s'enchainent toutes les découvertes quantiques. Il n'y a plus de doute possible sur l'existence de l'atome. La lumière qui était jusque-là une onde devient aussi une particule, tous les échanges sont quantifiés et la quantité minimale d'énergie est « h » (la constante de Planck).

En 1927 tous les grands principes de la théorie quantique étaient définis, un nouveau paradigme venait de prendre forme, et pour en affiner les contours, arrondir les angles et bâtir un référentiel commun le 5ème conseil de Solvay fut tenu en octobre : 17 des 29 personnalités présentes à ce congrès étaient ou allaient devenir lauréats du prix Nobel.

phyquantique solvay

Petite anecdote et hommage en passant, vous constaterez que sur cette photo la parité est loin d'être respectée... 28 hommes - 1 femme... mais c'est la seule à avoir eu 2 prix Nobel... Marie Curie !

Même si aujourd'hui il n'y a plus de doute dans l'esprit des gens sur la véracité des théories d'Einstein à propos de la relativité générale et restreinte puisqu'on en fait l'expérience tous les jours, en 1919, après les démonstrations et preuves scientifiques, beaucoup qualifiaient ces découvertes d' « absurdité vaudou »... au même titre que les gens jugent actuellement la théorie quantique, uniquement parce que cela remet en cause leurs croyances... et pour cause... nous allons maintenant voir ces grands principes.

« Ceux qui ne sont pas scandalisés en découvrant la théorie des quanta
ne peuvent sûrement pas l'avoir comprise »
Niels Bohr

 

puceLes grands principes de la physique quantique


 

A- La Dualité Onde-Corpuscule

Le fondement de la théorie quantique, découlant des expérimentations d'Einstein, a été de constater que la lumière était à la fois un phénomène ondulatoire (longueur d'onde) et un phénomène corpusculaire (les photons). Ce constat, généralisé par la suite à toutes les particules subatomiques, posa le premier des grands principes de la physique quantique : la dualité onde-corpuscule, le fait que des particules puissent se comporter tantôt comme des ondes, tantôt comme des corps de matière dense.

Je vous laisse regarder une petite vidéo extrait du film « What the bleep do we know » que je trouve très bien faite, elle est sous-titrée en français et très accessible :

Cette expérimentation est aussi connue sous le nom des fentes de Yung.

phyquantique dualitePouvez-vous imaginer dans un plan un objet qui soit à la fois un cercle ET un rectangle.... ? Impossible me direz-vous. Pourtant un cylindre bien éclairé projettera sur les parois les caractéristiques tantôt d'un cercle, tantôt d'un rectangle (voir image ci-contre), cet objet existe donc mais pour cela il faut ajouter une dimension à notre conception du monde, passer de la 2D à la 3D.

Il en est de même pour une particule. Si vous la mesurez avec un appareillage pour détecter les ondes, la particule se comportera comme une onde, au contraire si vous utilisez un appareillage de mesure de corpuscule, la particule se comportera comme un corpuscule.

Nous n'avons, à l'heure actuelle, que ces deux types d'appareillages, mais il est fort possible que la particule se comportera encore d'une autre manière en fonction de ce que l'on cherche à observer.

La particule n'est donc ni un corpuscule, ni une onde mais présente les deux aspects. C'est une énergie qui se manifeste d'une manière ou d'une autre en fonction de ce que l'observateur veut observer. Cette dualité change complètement notre vision du monde microscopique. L'observateur influence le système qu'il observe, son intention va influencer le réel.

Contrairement à une particule, une onde n'est pas localisée dans l'espace, elle n'a pas de position précise (voir article sur les ondes). Dès que nous cessons de l'observer, la particule développe son aspect ondulatoire et ne possède plus de position précise. Il nous est alors impossible de prédire avec certitude où la particule se trouvera la prochaine fois que nous l'observerons : Le déterminisme dominant la physique classique disparaît pour laisser la place au probabilisme de la physique quantique.

 

B- Le Principe d'Incertitude

Le deuxième grand principe a été mis en évidence en 1927 par Werner Heisenberg (prix Nobel en 1932), il s'agit du principe dit d'incertitude : on ne peut pas déterminer avec la même précision et en même temps la position et la vitesse d'une particule. Ce principe d'incertitude ou d'indétermination est à l'origine du système probabiliste de la mécanique ondulatoire.

phyquantique incertitudePour faire simple, toute précision dans la mesure d'une des deux quantités se fait au détriment de l'autre. Cette incertitude n'est pas liée à la mesure, mais est une propriété réelle des valeurs en question : améliorer la précision des instruments n'améliorera pas la précision de cette mesure simultanée.

Heisenberg éloigne de fait le rêve de pouvoir prédire parfaitement tous les phénomènes physiques, pourtant fer de lance de la physique classique avant le XXème siècle. Dans le déterminisme Newtonien, si on connaît toutes les positions de toutes les variables on peut prédire l'avenir.... mais dans l'infiniment petit on ne peut plus rien savoir. Ce sujet a fait l'objet de grands débats entre Niels Bohr et Albert Einstein pendant plus de 20 ans.

Vous avez d'ailleurs sans doute dû lire cette célèbre citation d'Einstein : « Dieu ne joue pas aux dés ! » et Bohr de répondre : « Einstein, cessez de dire à Dieu ce qu'il doit ou ne doit pas faire ! »

 

C- Le Rôle de l'Observateur

phyquantique positionLes deux premiers principes impliquent qu'à un niveau élémentaire l'univers physique existe comme un ensemble de réalisations potentielles, exactement déterminées en probabilité. Il existe alors un champ de probabilité appelé « fonction d'onde ψ(t) » qui définit tous les états possibles de la particule. Cela signifie que nous n'avons aucune certitude sur la position d'une particule (un électron par exemple) tant que nous ne l'avons pas mesuré/observé...

Tout existe en superposition, une mesure fait brusquement s'écrouler la fonction d'onde dans un seul état.
Pour Heisenberg : « Les particules ne sont pas des choses, ce sont des possibilités de la conscience. Nos sens sont des appareils de mesures qui créent le réel. »

L'observateur a donc un rôle essentiel puisque c'est lui qui va faire écrouler la fonction d'onde et déterminer la position de la particule. Pour prendre une analogie : comment savez-vous si un arbre qui tombe dans le fin fond de la forêt fait du bruit s'il n'y a personne pour l'entendre ?

Bien entendu il s'agit là de comportement de particules invisibles à l'œil nu. La physique quantique se cantonne à une partie du monde bien loin de notre quotidien, et c'est sans doute la raison pour laquelle elle est encore perçue comme abstraite, voir absurde pour beaucoup. Mais l'expérience de l'électron ci-dessus, utilisé pour simplifier l'explication, peut être ramenée à notre échelle...

L'exemple le plus célèbre est sans aucun doute le chat de Schrödinger : Je vous rassure avant que vous vous braquiez, dans cette expérience de pensée aucun chat n'a fait l'objet d'un quelconque sadisme scientifique :)

Erwin Schrödinger, prix Nobel de physique en 1933 et l'un des pères de la physique quantique, écrivit son équation déterminant la fonction d'onde à l'issue de ce qu'il décrivit lui-même comme un « épisode érotique et fulgurant tardif ».

phyquantique chatPour illustrer sa théorie il imagina une expérience consistant à mettre dans une boite fermée un chat vivant, un atome d'uranium radioactif, un détecteur (genre compteur Geiger), une fiole de poison mortel et un marteau avec 50% de chance pour que l'atome d'uranium se désintègre en éjectant un électron au bout de 2 minutes. Si l'électron est éjecté il ira frapper le détecteur qui actionnera alors le marteau brisant la fiole de poison mortel... et tuant le pauvre matou.

Il y a donc 50% de chances pour qu'au bout de 2 minutes le chat soit vivant et autant pour qu'il soit mort. La boite étant fermée, l'observateur n'a aucun moyen de savoir si le chat est vivant ou mort. La physique quantique nous dit que le chat est alors dans les deux états à la fois, vivant ET mort.... une fois que l'observateur ouvre la boite il constate que le chat est soit vivant soit mort... il fait écrouler la fonction d'onde !

Une autre interprétation de cette expérience consiste à dire qu'il s'est constitué deux univers parallèles, dans le premier le chat est vivant, dans le second le chat est mort... ne riez pas, cette interprétation datant des années 50 et remise au gout du jour avec la théorie des cordes et des supercordes est très crédible et fera l'objet d'un article complet de ma part.

Schrödinger montre ainsi que des interactions quantiques peuvent influencer notre monde macroscopique...Tout existe en juxtaposition, l'observateur fait brusquement s'effondrer le système en un seul état.

 

D- L'Intrication Quantique, la non-localité.

Deux objets qui ont été créés ensemble sont intriqués. Ils peuvent se situer tous deux aux extrémités de l'univers, si vous faites quelque chose à l'un, l'autre réagira instantanément. Ils sont reliés l'un à l'autre en dehors de l'espace et du temps. Ce principe est également appelé le principe de non-localité.

Une petite vidéo valant mieux que 2 pages d'explication je vous laisse regarder cette explication très accessible, encore une fois extraite du film « what the bleep do we know » :

Albert Einstein n'approuvant pas cette théorie, puisque selon lui cela remettait en cause sa théorie sur la relativité qui stipule que rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière, imagina une expérience pour prouver que l'intrication quantique n'était pas réelle... les moyens expérimentaux de l'époque ne lui permettant pas de réaliser cette expérience il en laissa le protocole, connu sous le nom de paradoxe EPR (pour Einstein-Podolsky-Rosen), mentionnant qu'une fois réalisée les théories quantiques d'intrication s'écrouleraient.

phyquantique geluckEn 1982, Alain Aspect réalisa cette expérience selon le protocole EPR... et prouva qu'Einstein avait tort, l'intrication quantique existe bel et bien. Mais contrairement à ce que pensait Einstein cela ne remet pas en question la théorie de la relativité puisqu'il n'y a pas de notion de vitesse.

Lors de la création de notre univers, toutes les particules étaient intriquées, ce qui signifie que tout se touche encore. L'espace n'étant qu'une notion qui donne l'illusion que les choses sont séparées.

Pour faire le parallèle avec le grand principe précédent, et illustré du Chat de Philippe Geluck : « Tant que vous ne savez pas où vous êtes, vous êtes dans tous vos états, une fois que vous le savez, tout le monde le sait ! »

Le paradoxe EPR nous oblige ainsi à introduire un nouveau concept : la non-séparabilité. Les particules ne peuvent pas toujours être décrites comme des entités totalement indépendantes, mais doivent parfois être considérées comme des éléments d'un tout : Le concept de séparabilité s'effondre, nous sommes tous reliés.

« Tout est un, Un est en tout », les peuples premiers et les cultures ancestrales ont toujours considéré l'univers comme un tout où nous étions tous interconnectés, nous redécouvrons cela par la science et bientôt, je l'espère, par le cœur.

Vous vous interrogez sûrement sur une application pratique de cela ?
L'armée utilise ce principe pour le cryptage des messages de télécommunication au moyen de paires de photons intriqués, garantissant l'inviolabilité des codes.

Ce principe est à la base des travaux sur la Synchronicité de C.G Jung et des champs morphiques (ou morphogénétiques) de Ruppert Sheldrake dont vous trouverez les articles prochainement sur ce site :)

 

phyquantique fin

Beaucoup de phénomènes restent inexplicables en physique classique, de la télépathie aux pattes du gecko, mais trouvent un sens en physique quantique. Plusieurs autres principes découlent alors de l'insuffisance de la physique à expliquer les phénomènes observables, le principe de décohérence, d'univers parallèle, le principe de supersymétrie, les théories des supercordes,... nous aborderons tous ces principes un peu plus tard.

Vous avez là les bases de la physique quantique... les bases pour commencer à faire les liens entre ce qui se passe à l'extérieur et à l'intérieur de vous !

 

puceEn résumé

- Toute chose se comporte telle qu'on s'attend à la voir se comporter. Toutes les possibilités existent en juxtaposition, c'est nous qui avons le choix des possibilités.

- Deux systèmes peuvent être corrélés à travers l'espace et le temps.

- La physique quantique n'est pas à remettre en question, elle est fondamentalement aussi exacte que la physique classique. Il s'agit donc de faire évoluer notre compréhension du monde en sortant de nos croyances limitantes.

- La physique quantique nous apporte également un éclairage pour comprendre la pertinence de toutes les approches psychosomatiques notamment en médecine qui fait de plus en plus de lien entre l'esprit et le corps.

 

phyquantique conclusion

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Commentaires  

# Anne 01-05-2018 11:02
Bravo pour cet article passionnant, à la fois accessible et très documenté scientifiquemen t :)
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