La Science que l'on utilise quotidiennement pour décrire les phénomènes à l'échelle de l'Univers, notamment la relativité, ne fonctionne pas lorsqu'il s'agit du monde subatomique. Il est bien plus complexe qu'il en a l'air et est encore mal compris de beaucoup de physiciens aujourd'hui. En physique quantique, tout ce que la physique classique nous enseigne est presque entièrement obsolète.
Les scientifiques espéraient pouvoir prédir le comportement de chaque objet dans l'avenir avec des calculs mathématiques. Suite à la découverte du monde quantique, tous leurs espoirs se sont envolés, notamment avec Heisenberg. En effet, si on essaie de déterminer la position et la vitesse d'une particule en même temps, les résultats sont irrationnels et la particule a déjà changé de position : c'est le principe d'indétermination d'Heisenberg.
Le chat de Schrödinger :
Imaginons un chat, à l'intérieur d'une boîte. Dans celle-ci se trouve un mécanisme qui doit tuer le chat en se déclenchant à un moment totalement aléatoire. Ensuite, en fermant la boîte, il est impossible de savoir si le chat est en vie ou non. D'après la théorie quantique, le chat est à la fois vivant et mort ! car il est en superposition de deux états quantiques.
Le plus étonnant dans cette histoire, c'est que la théorie quantique est une théorie prouvée. Tous les physiciens l'utilisent pour décrire le monde subatomique !
Le modèle de l'atome de Schrödinger :
Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les électrons ne suivent pas des orbites prédéfinies autour du noyau de l'atome. C'est physiquement impossible ! Heureusement, la physique quantique est là pour nous aider. Enfin,... c'est surtout étrange. D'après elle, les électrons tournant autour du noyau n'ont pas d'orbites prédéfinies, nous ne pouvons pas savoir où ils se trouvent... En fait, ils ont des probabilités de se trouver près du noyau ! Donc, autour du noyau de l'atome se trouve un nuage de probabilités dans lequel on trouve un nombre spécifique d'électrons. L'espace entre le noyau et le nuage de probabilités a une taille d'un Ångström (Å). Les électrons ont plus de chances de se trouver près du noyau.
L'intrication quantique :
L'intrication quantique, également appelée enchevêtrement quantique, rend possible la téléportation à l'échelle subatomique : la téléportation quantique ! En outre, c'est un phénomène dans lequel deux particules forment un système lié et présentent des états quantiques dépendant l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare. Cela signifie que si une particule située sur Terre et une autre située à des milliards d'années-lumière subit des modifications, alors cette autre particule va elle aussi, instantanément, subir les effets de cette altération.
Cependant, les états intriqués ne peuvent pas être utilisés pour communiquer d'un point à un autre de l'espace-temps plus vite que la lumière, car on ne peut pas transmettre d'informations. La mécanique quantique respecte ainsi le principe de causalité.
Les états intriqués prévus par la mécanique quantique ont, depuis, été observés en laboratoire et leur comportement correspond à celui que prévoit la théorie. Cela fait d'elle une théorie physique non-locale.
Une théorie physique locale répond au principe de localité (ou principe de séparabilité) selon lequel des objets distants ne peuvent avoir une influence directe l'un sur l'autre : un objet ne peut être influencé que par son environnement immédiat. L'intrication quantique est contraire à ce principe.
La téléportation quantique :
La téléportation quantique est un processus permettant la communication quantique dans laquelle on transfère l'état quantique d'un système vers un autre système similaire et séparé spatialement du premier en mettant à profit l'intrication quantique. Ce n'est donc pas à proprement parlé une téléportation car cette dernière indique un transfert de matière et, ou d'énergie. On utilise le terme de téléportation car le processus est destructif : à l'issue de la téléportation, le premier système ne sera plus dans le même état qu'initialement.
Le principe de causalité :
En physique, le principe de causalité affirme que si un phénomène (nommé cause) produit un autre phénomène (nommé effet), alors la cause précède l'effet (ordre temporel). Le principe de causalité est une des contraintes réalistes imposées à toute théorie mathématiquement cohérente afin qu'elle soit physiquement admissible.
Le principe d'incertitude d'Heisenberg :
En mécanique quantique, le principe d'incertitude, ou plus correctement, le principe d'indétermination (qui n'est techniquement pas un principe étant donné qu'il est démontrable : c'est un théorème), impose une limite fondamentale à la précision mathématique avec laquelle on peut calculer la quantité de mouvement et la position dans l'espace d'une même particule.
Son inventeur, Werner Heisenberg, énonce : toute amélioration de la précision de mesure de la position d'une particule se traduit par une moindre précision de mesure de sa vitesse et vice-versa. L'inégalité formelle relie l'écart type (mesure de la dispersion des valeurs d'un échantillon statistique ou d'une distribution de probabilité) de la position et l'écart type de la quantité de mouvement. Le produit des deux écarts types est important surtout pour les particules microscopiques. Pour les objets macroscopiques d'une grande masse, ce produit est négligeable de sorte que leur mouvement est bien décrit par la mécanique newtonienne.
Si par contre, on renonce à considérer la particule comme objet corpusculaire défini par des valeurs scalaires (position, vitesse, etc), mais plutôt comme une onde, alors il est possible de la représenter par une fonction décrivant sa distribution spatiale. Toute l'information relative à une particule est alors contenue dans une fonction d'onde. Une fonction d'onde correspond à la représentation de l'état quantique, décrivant tous les aspects d'un système, dans le but de prévoir les résultats des expériences que l'on peut réaliser. Autrement dit, il s'agit d'une amplitude de probabilité.
Einstein n'aimait pas le théorème d'incertitude. Lors du cinquième congrès Solvay (1927), il soumet à Bohr un fameux défi expérimental : nous remplissons une boîte avec un matériau radioactif qui émet, de manière aléatoire, une radiation. La boîte a une fente qui est ouverte et immédiatement fermée par une horloge de précision, permettant à quelques radiations de sortir. Donc le temps est connu avec précision. Nous voulons toujours mesurer précisément l'énergie qui est une variable conjuguée. Aucun problème, répond Einstein, il suffit de peser la boîte avant et après. Le principe d'équivalence entre la masse et l'énergie donnée par la relativité restreinte permet ainsi de déterminer précisément l'énergie qui a quitté la boîte. Bohr lui répondit ceci : "si de l'énergie avait quitté le système alors la boîte plus légère serait montée sur la balance, ce qui aurait modifié la position de l'horloge dans le champ gravitationnel terrestre." La relativité générale montre alors que le temps propre de l'horloge est (très légèrement) accéléré, ce qui conduit inévitablement à une marge d'erreur. En fait, l'analyse détaillée montre que l'imprécision est donnée correctement par la relation d'Heisenberg (cf. Wikipedia, La controverse Bohr-Einstein).
Dans l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, le principe d'indétermination implique qu'à un niveau élémentaire, l'univers physique est comme un ensemble de réalisations potentielles, exactement déterminées en probabilité : les probabilités sont, elles, déterminées avec une précision absolue.
L'interprétation de Copenhague :
Il s'agit d'un courant de pensée qui donne une interprétation cohérente de la mécanique quantique. L'interprétation de Copenhague considère que le caractère probabiliste de la mécanique quantique et que les relations d’incertitude de Heisenberg proviennent de l’interaction entre l’appareil de mesure et ce qui est mesuré. L’effet de l’appareil de mesure sur son objet ne peut pas être négligé.
La dualité onde-corpuscule :
La dualité onde-corpuscule est le principe selon lequel tous les objets physiques peuvent présenter parfois des propriétés d'ondes et parfois des propriétés de corpuscules (particules). Cela dépend de l'appareil de mesure utilisé. L'exemple le plus simple est celui de la lumière : elle apparaît soit ondulatoire, d'où le concept de longueur d'onde, soit corpusculaire, d'où le concept de photons (particules de lumière).