La quantique pour les clampins

Définitions des termes utilisés en physique quantique

Les descriptions des termes permet déjà d’expliquer l’essentiel de cette relativement nouvelle science.

Je ne vais pas suivre l’ordre alphabétique que chacun pourra rétablir selon son goût. Je vais suive une ordre qui me semble logique allant du plus simple au plus complexe.

Particule : une particule est le plus petit composant remarquable de la matière:il en existe maintenant des centaines selon leurs caractéristiques. Le plus facile à comprendre et à utiliser est la proton qui représente un état de la lumière la lumière .

Un état est un terme souvent utilisé dans la vie courante (une mère dit à son fils qui sort d’un jeu violent : tu as vu sans quel état tu es ! ) En physique c’est la même possible définition d’une chose : en physique classique le poids, le volume, la couleur, l’emplacement, la vitesse et son sens s’il se déplace, etc..

En physique quantique l’objet ne pouvant être vu étant donné qu’il est trop petit que la lumière puisse l’éclairé et que nous le voyons, ce sont ses caractéristiques mesurables qui sont notées. Je reviendrait dessus plus loin.

Un atome est un composé de particules avec un noyau et des électrons qui l’entourent. Il  est au bord de la physique quantique en raison de sa taille relativement importante. Mais dans certains états de ses composants il peut en faire partie. Justement par l’intrication qui suit.

L’intrication est un état possible des particules. Dans le langage courant ce terme représente un état d ‘une situation complexe parce que de nombreux éléments sont mélangée . C’est le même sens en physique quantique avec deux ou plusieurs particules qui se retrouvent en quelque sorte agglutinées entre elles. C’est un état très important de cette physique. Vous devez émettre en même temps deux particules identiques, puis vous les séparez et les envoyez aux deux bouts de l’univers (bon on en est à queques kilomètres mais c’est la même chose) Puis vous changer l’état d’une des particules et immédiatement l’autre change sans aucun délais. C’est à dire plus vite que la lumière ! Einstein ne l’a jamais accepté d’où la fameuse EPR d’une variable cachée qui a été démontrée fausse par un savant français en 1982 , Alain Aspect, bien vivant dont on peut entendre et voir les explications détaillées sur YouTube. C’est mon savant préféré, plein d’humour, de patience, de gentillesse et de simplicité.

La superposition d’états est une autre particularité importante de cette physique qui la différencie de la physique classique. Dans celle-ci un objet peut changer d’état, par exemple de température ou d’emplacement, mais ne peut jamais cumuler deux caractéristiques semblables en même temps : un objet ne peut en même temps être à 2° et à 25° ; En physique quantique une particule le peut : par exemple être dans deux endroits en même temps ou à deux vitesses différentes. En réalité c’est parce que nous ne pouvons pas le savoir ; cela fait partie du hasard. Nous ne pouvons connaître que la probabilité : la particule peut être là, ou là, ou encore là, etc.. Mais pas n’importe où !

Mais tout de même ce ne peut être n’importe quoi les emplacements et les vitesses et autres caractéristique que je développerai bientôt ne peuvent pas prendre n’importe quelle valeur : celle ci est quantifiée et c’est en raison de cela que cette physique porte ce nom = Quantique. La lumière par exemple est une onde mais qui se transforme en photons dès qu’elle touche une matière : c’est sa quantification.

Dans le langage courant c’est un synonyme de mesurer, chiffrer, évaluer, jauger, doser, calculer, calibrer.

Nous arrivons au centre du problème le plus difficile à concevoir de la physique quantique :

La dualité des particules : elles peuvent être particule ou bien ondes. Ceci a été prouvé par les innombrables expériences des deux fentes ; on envoie des particules une à une vers deux fentes dans une cloison et derrière on a placé une cloison sensible à leur réception. Et bien le résultat reproduit ce que donne deux cailloux lancés dans l’eau avec les interférences des ondes qui se rencontrent.

Alors qu’avec une seule fente le résultat est la représentation de particules réparties comme des balles. Donc une fente et la particule se montre telle, deux fentes et la particule se montre onde passant par les deux fentes en même temps !

C’ est le plus grand mystère de la matière dans l’infiniment petit. Avec son indéterminisme fondamental qui nous empêche de prévoir = On peut mesurer la position d’une particule ou sa vitesse mais jamais les deux ! Et aussi l’intrication ! Que de mystères utilisés mais encore incompris car inexpliqués. Nous somme hors de la causalité, on pourrait dire la magie !

En résumé on ne comprend pas la physique des particules mais ses applications sont tellement bouleversantes et rentables qu’elle est venue en quelques décennies changer toute notre façon de vivre et de penser : depuis le smartphone, le four micro-onde, le laser, et tant d’autres produits, le transistor etc.. que la recherche quantique est à la pointe de la recherche en physique.

Un laser que nous savons maintenant émettre des particule une à une et donc de pouvoir les étudier permet aussi de refroidir la matière presque au zéro absolu ce qui signifie que la particule examinée devient immobile puisque la chaleur est son moteur et donc être ainsi étudiée avec précision.

Il reste un point de questionnement évident auquel il doit être répondu : à quel moment passe-t-on du quantique au classique ; autrement dit à quel moment passe-t-on de l’indéterminisme quantique au certain classique.

Il faut pour cela revenir à la possibilité de l’intrication qui concerne les particules en se souvenant que la particule est une onde sauf si on veut la mesurer car alors elle devient définitivement une particule qui va composer un atome. Mais l’intrication disparaît aussi dès qu’un événement extérieur vient troubler l’ensemble intriqué ; la rencontre d’une autre particule extérieure ou d’une onde parasite.

C’est cela la grande difficulté de la conception d’un calculateur quantique dont je ne ferai pas la description qui nous entraînerai trop loin et qui est loin d’être simple dans sa réalisation pratique.

Aux dernières nouvelles on a réussi à intriquer quelques dizaines de particules alors qu’il en faudrait des milliers sous vide et à très basse température ! Mais nous saurons certainement le faire.

La quantique pour les clampins. Philippe Reiter février 2020

Cours de Parizot et accessoirement d’Espagnat