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 prédire 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. L'univers n'est donc pas déterministe.
On appelle "décohérence" le principe selon lequel des particules transitent d'un état indéterminé, intriqué, de la physique quantique, à un état unique, précis, de la physique quantique. L'interaction avec l'environnement serait donc la raison pour laquelle les étranges propriétés quantiques d'une particule subatomique ne sont observées qu'en laboratoire.
Le chat de Schrödinger :
Imaginons un chat, à l'intérieur d'une boîte. Dans celle-ci se trouve un mécanisme radioactif qui doit tuer le chat en se déclenchant à un moment totalement imprévisible. 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 très largement admise. Tous les physiciens l'utilisent pour décrire le monde subatomique !
Le modèle de l'atome de Schrödinger :
Contrairement à ce que l'on a l'habitude de voir dans les représentations conventionnelles des atomes, les électrons ne suivent pas des orbites prédéfinies autour du noyau de l'atome. C'est physiquement impossible. D'après la mécanique quantique, les électrons ont des probabilités de se trouver près du noyau, ils sont plus vraisemblablement dans un lieu que dans un autre, mais jamais réellement dans un endroit à un instant donné ! 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.
Ceci dépend de l'atome en question et du nombre d'électrons. Le modèle ci-dessus correspond à une "orbitale s". En fonction de la quantité d'énergie de l'électron, l'orbitale peut gagner en taille (on parle alors d'orbitale 2s, 3s, etc.). Un électron adoptera toujours l'orbitale de la plus basse énergie possible. Plusieurs électrons peuvent habiter une même orbitale, mais chaque orbitale a un nombre de places limité, se développent donc de nouvelles orbitales, plus hautes, plus éloignées du cœur, qui se remplissent par ordre d'énergie croissante. Dans certains cas, le nuage de probabilités peut adopter des formes particulières. On distingue 4 types d'orbitales : "s", "p", "d" et "f".
La position des particules subatomiques est alors représentée sous la forme d'une onde de probabilités, et il faut utiliser l'équation de Schrödinger pour espérer obtenir une approximation de sa position exacte dans l'espace, à un moment donné. La fonction d'onde est l'outil fondamental des physiciens quantiques, lorsqu'ils veulent, par exemple, localiser l'électron d'un atome d'hydrogène. Une fois la mesure réalisée, on dit que la fonction d'onde s'est "effondrée" ("the wave function collapse").
Pour être plus précis, tous les électrons d'un même atome ne peuvent pas occuper la même orbitale non pas parce qu'il n'y a pas assez de "places", mais en raison du principe d'exclusion de Pauli. En bref, à chaque électron est associé quatre nombres quantiques entiers constants qui déterminent, dans cet ordre, la taille, la forme et l'orientation de l'orbitale, et enfin l'état de spin de l'électron. Le principe d'exclusion nous dit qu'aucun électron doté du même ensemble de quatre nombres quantiques ne peut coexister dans la même orbitale. Les électrons doivent donc s'arranger en plusieurs coquilles, même si le niveau d'énergie de l'atome est à son plus bas, et c'est cette répartition qui explique les propriétés chimiques des éléments. Le principe d'exclusion de Pauli implique donc une limite minimale à la taille des atomes, et ne peuvent être serrés les uns contre les autres. Puisque son principe s'applique également aux neutrons, il permet aux scientifiques de comprendre pourquoi les étoiles à neutrons ne s'effondrent pas sur elles-mêmes.
Pour finir, un électron n'est pas bloqué au sein de son orbitale, il peut sauter d'une orbite à l'autre en gagnant de l'énergie, processus au cours duquel ce surplus d'énergie sera finalement dégagé par l'émission de photons, et l'électron regagnera sa place. On dit que l'atome est "excité". C'est ce phénomène qui est responsable, entre autres, des aurores polaires.
Si vous vous demandiez pourquoi le tableau périodique des éléments était arrangé de cette manière et pas d'une autre, voici enfin votre réponse :
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.
L'intrication quantique :
Dans un article scientifique écrit par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen, un argument massue y est développé pour décrédibiliser la théorie quantique. En effet, cette dernière affirme que l'on ne peut connaître la vitesse précise et la position exacte d'une particule. Cependant, les auteurs de la thèse EPR (de l'initiale des trois auteurs), propose une expérience de pensée. Imaginons un couple de particules qui sont séparées et propulsées à la même vitesse dans une direction opposée l'une de l'autre. Nous pourrions mesurer la vitesse de l'une, et par réciprocité, sa position en mesurant l'autre (en effet elles vont à la même vitesse, dans une direction opposée, donc elles doivent avoir parcouru la même distance). La thèse conclut sur ceci : soit la théorie quantique est fausse, soit un évènement caché et inconnu se produit qui permet à la seconde particule de recevoir instantanément l'information selon laquelle la fonction d'onde de la première s'est effondrée, chose qui serait contraire au principe de localité (selon lequel une chose ne peut agir à distance sur une autre sans qu'il y ait transmission de l'une à l'autre).
L'intrication quantique, également appelée enchevêtrement quantique, rend cela possible. 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. La téléportation fonctionne en changeant le lieu où loge l'information quantique et en détruisant l'original au cours du processus.
Une expérience de téléportation quantique a déjà été réussi, à une distance de 144 kilomètres (record actuel). Cependant, une téléportation instantanée n'est pas vraiment possible, du moins pour l'instant, car des consignes émises par l'émetteur doivent être reçues par la cible, en utilisant les moyens de communication habituels, afin de reconstituer correctement les particules de la position initiale.
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 avec laquelle on peut calculer avec précision la valeur mathématique de certaines paires de propriétés physiques, telles que la position et la vitesse à un moment donné 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. Pour la vie courante, ceci est négligeable de sorte que leur mouvement est bien décrit par la mécanique newtonienne.
Einstein n'était pas d'accord avec Heisenberg. Lors du cinquième congrès Solvay (1927), Bohr est soumis à un défi expérimental : imaginons une boîte fermée dans laquelle des radiations sont émises au travers d'une fente là où une horloge de précision est positionnée de manière à laisser sortir quelques radiations. Le temps est donc connu avec précision. Einstein pense avoir la solution, il propose que l'on mesure, à l'aide d'une balance, la masse exacte de la boîte avant et après l'expérience. Puisque que de l'énergie, sous forme de radiations, est sortie de la boîte, on devrait pouvoir mesurer une infime différence de masse (selon sa propre théorie de la relativité), et donc précisément la quantité d'énergie qui a quitté la boîte, et quand elle est sortie. Cependant, 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". Par conséquent, selon la relativité générale, l'horloge s'est donc accélérée (très légèrement), ce qui conduit inévitablement à une marge d'erreur. L'imprécision est donnée correctement par la relation d'Heisenberg.
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.
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.
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).
Cette bizarrerie quantique est quelque chose d'aisément observable au travers d'une expérience très simple : l'expérience de la double fente. Commençons avec des particules de lumières (photons). Imaginons que nous les lançons sur une plaque opaque avec une fente au milieu pour les laisser passer. Nous observons, sur l'autre côté, une simple ligne de lumière, correspondant aux photons qui sont passés au travers de cette fente. La lumière s'est apparemment comportée comme un flux de particules.
Changeons l'expérience en y ajoutant une seconde fente. On peut supposer que les photons vont donc passer par les deux fentes et laisser deux traits de lumière sur l'autre côté... et bien c'est faux. Nous pouvons constater beaucoup plus de lignes que prévu :
Apparemment la lumière s'est comportée comme une onde. Les intervalles entre les lignes du motif d'interférence sont le résultat de l'annulation des ondes là où le sommet d'une onde entre en contact avec le creux d'une autre.
Les particules virtuelles :
Selon la célèbre équation d'Einstein, E=mc2, masse et énergie sont des propriétés dépendantes l'une de l'autre, et selon la physique quantique, de l'énergie peut spontanément se transformer en matière. Des "bulles" de particules emprunteraient de l'énergie à l'espace pour apparaître, puis disparaître pour rembourser leur dette énergétique. Ces "bulles" sont appelées "particules virtuelles" qui apparaissent et disparaissent en paires très rapidement, si rapidement que leur durée de vie est inférieure au temps de Planck, quantité de temps si petite qu'il est physiquement impossible d'étudier, et donc de prouver l'existence même de ces particules.
Cependant, si on en parle, c'est bien pour une raison. Ces particules sont fondamentales à la physique quantique et expliquent beaucoup de choses. En effet, elles expliquent par exemple le magnétisme qui serait régit par cette particule, ou encore pourquoi un électron reste autour du noyau, par l'échange constant de photons virtuels.
En particulier, elles sont utilisées pour prédire le spectre des lumières émises et absorbées par les atomes. En effet, une particule de lumière qui interagit avec un électron a pour effet de l'exciter, lui donnant plus d'énergie, avant finalement de la réémettre sous forme de lumière. Les scientifiques ont remarqué que s'ils prenaient en compte l'existence d'un électron virtuel positif (positron virtuel) et d'un électron négatif virtuel (électron virtuel) au sein même du modèle atomique, alors les précisions deviennent d'une extrême précision.
Ces particules ont une masse, et si elles existent bel et bien au sein des atomes, alors elles doivent constituer une bonne partie de notre masse !
Ce concept de particules virtuelles est bien admis au sein de la communauté scientifique. Il est bien connu qu'il s'agit de la raison pour laquelle les trous noirs s'évaporent au fil du temps, tel que Stephen Hawking l'a prédit.