La mécanique quantique est la physique de la matière. Elle s’intéresse à la nature profonde des objets qui évoluent dans l’espace-temps. Elle les décompose en objets de plus en plus petits, jusqu’à atteindre un millionnième de l’épaisseur d’un cheuveu, ou même encore plus petit pour la physique nucléaire (centrales nucléaires, radioactivité).
Ces très petits objets s’appellent des particules. Certaines d’entre elles sont dites composées, comme par exemple les atomes, car constituées de particules plus petites. D’autres sont dites élémentaires car elles semblent indivisibles en objets plus petits. C’est notamment le cas des électrons, qui transportent le courant électrique.
Mais il s’avère que la mécanique quantique, c’est-à-dire la description de ces particules et de leurs interactions, est plus difficile à appréhender que l’espace-temps ou l’électromagnétisme.
Pour l’espace-temps, tout le monde sait ce qu’est un mètre ou une seconde, et peut à peu près s’imaginer tracer une trajectoire dans l’espace avec un axe en plus pour le temps.
Pour l’électromagnétisme, tout le monde a déjà vu un aimant ou une boussole. Et même s’il peut paraître un peu mystique qu’une sorte de “courant” invisible coule dans un fil de cuivre pour acheminer une sorte d’énergie, chacun peut constater que cette énergie est effectivement disponible dans sa maison, acheminée par ces fameux fils de cuivre.
En ce qui concerne la mécanique quantique, si je vous dis qu’il est très intéressant d’envoyer un électron sur un cristal pour constater qu’il se comporte en quelque sorte comme si c’était une onde, tout en restant une particule entière, vous allez avoir du mal à visualiser ce dont il s’agit. Déjà c’est quoi un électron ? Vous en avez déjà vu un ? C’est un peu une minuscule bille invisible, un peu une sorte de vague, mais aussi un minuscule aimant… Bref, tout cela peut paraître assez déroutant.
D’un autre côté, de nos jours, chacun est habitué à toutes sortes d’appareils électroniques. Et la mécanique quantique est indispensable au bon fonctionnement de ceux-ci. De plus, la compréhension des phénomènes physiques élémentaires entre particules permet d’expliquer et de prédire de nombreux phénomènes chimiques et physiques.
La mécanique quantique est donc très difficile à appréhender mais aussi très utile. On va donc essayer d’en expliquer les principes de base.
La matière et l’énergie se décomposent en particules élémentaires. C’est à dire que lorsque vous avez un morceau de fer, ou un rayon de soleil, on peut compter le nombre de particules de fer, ou de lumière, qui le compose. On peut donc tout compter avec des nombres entiers, ce qui donne son nom à la mécanique quantique (du latin quantum, qui signifie combien).
Chaque type de particule possède des caractéristiques intrinsèques dont notamment sa masse et sa charge électrique.
Par exemple, un électron est une particule de matière très légère avec une charge électrique négative. Un proton est aussi une particule de matière, environ mille fois plus lourde qu’un électron, avec la même charge électrique que celui-ci, mais positive. Un photon est une particule de lumière dont la masse et la charge électrique sont nulles.
L’association d’un proton et d’un électron forment une particule de matière plus grosse : un atome d’hydrogène, dont la masse et la charge électrique sont la somme de celle d’un proton et d’un électron.
Il existe ainsi de nombreuses particules différentes, mais toutes les particules du même type, par exemple les électrons, ont des caractéristiques identiques.
Une particule n’existe pas en un seul point de l’espace mais est répartie dans un volume, avec une concentration plus ou moins importante en chaque point. Cette concentration ayant une valeur en chaque point de l’espace-temps, c’est un champ dans l’espace-temps. On appellera ce champ la densité de présence de la particule. Il peut par exemple s’exprimer en pourcentage de particule par nanomètre cube.
Du coup, la particule n’a pas une vitesse bien définie puisque chaque portion peut avoir une vitesse différente. Elle a en fait un champ de vitesses dans l’espace-temps. De la même façon, elle ne suit pas non plus une seule trajectoire bien définie dans l’espace-temps mais un ensemble de trajectoires qui couvrent tout ou une partie de l’espace-temps.
Les différentes parties d’une même particule se repoussent. Donc une particule seule a tendance à se disperser dans l’espace.
En pratique, une particule est soumise à de nombreuses interactions avec son environnement, qui confinent la particule dans un certain volume d’espace, l’empêchant de se disperser à l’infini.
Cette propriété est la source de nombreux phénomènes surprenants en mécanique quantique, qui peuvent faire penser au comportement d’une onde.
Tant qu’on ne force pas une particule à choisir entre plusieurs configurations possibles, elle les choisit toutes à la fois.
On a par exemple vu qu’une particule n’existe pas en un seul point de l’espace mais est répartie dans un volume. Ainsi, elle ne choisit pas un emplacement précis mais un ensemble d’emplacements possibles qu’elle occupe tous à la fois. Mais si quelque chose tente de sonder si elle se trouve effectivement à un certain emplacement, elle sera en quelque sorte forcée à choisir si oui ou non elle s’y trouve, suite à quoi soit elle s’y trouvera entièrement, soit elle ne s’y trouvera plus du tout.
De ce point de vue, une particule se comporte comme une entité entière indivisible car c’est l’image qu’on a d’elle lorsqu’on l’observe : on la trouve entière ou alors on ne la trouve pas.
Cet indéterminisme peut aussi s’étendre à un ensemble de particule, qui peuvent par exemple rester indécise sur le fait qu’elles aient interagi entre elles d’une façon ou d’une autre lors d’une rencontre passée. Du coup, l’observation d’une particule peut avoir un impact sur l’état d’une autre particule puisqu’elles doivent conjointement se décider sur l’interaction qu’elles ont eu entre elles dans le passé.
En plus de la masse et de la charge électrique dont on a l’habitude, les particules ont une autre caractéristique intrinsèque appelée spin, qui caractérise leur torsion intrinsèque dans l’espace-temps.