La physique quantique un truc de ouf ?

« Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas ». ( Richard Feynman)

Ce que je vais essayer de tenter de vous décrire là, est une révolution conceptuelle ,incroyable en physique. Les physiciens ont longtemps supposé que la nature était déterministe : si on refait deux fois exactement la même expérience (en principe), on retrouve deux fois le même résultat. Et si on connaît l’état d’un système à un instant donné, on peut (toujours en principe) prédire ce que sera le résultat d’une mesure.
Dans la physique quantique encore appelée mécanique quantique c’est un indéterminisme fondamental qui prévaut et les résultats des mesures dépendent du hasard, d’une manière qu’il est impossible de prévoir. Cette idée a tellement choqué Albert Einstein que c’est à son sujet qu’il a déclaré son fameux « Dieu ne joue pas aux dés ». Il refusait de penser que le hasard pouvait jouer un rôle fondamental en physique. Et pourtant il avait tort.
Cependant le fait qu 'une tige en métal soit conductrice d'électricité, le fait qu'un manche en bois soit isolant , le fait que, lorsque vous vissez, votre outil appuie bien sur la vis et ne passe pas au travers alors qu'on sait par ailleurs que la matière est faite essentiellement de vide, ces faits sont tous expliqués, par la physique quantique. Ainsi, donc la physique quantique n'est pas seulement une science du monde microscopique, c'est aussi une théorie scientifique, qui vise à comprendre, expliquer, prédire des phénomènes de très grandes variétés, sur des échelles très différentes, et qui a des applications concrètes innombrables comme le laser ,ou l'ordinateur. Elle ne tient pas d'un miracle mais bien de l'esprit humain. Mais avant de poursuivre dans ce qui peut apparaître comme du délire voyant un peu de quoi est constitué cette physique de l’infiniment petit.
Le monde de la physique quantique est le monde des particules subatomiques qui constituent la matière, où on manipule les énergies les plus petites de la nature (eV) et des longueurs extrêmement petites, de l'ordre de 10-15 à 10-17 mètre, bien en dessous de la taille d'un atome qui est de 10-10 mètre et qui est constitué de 99,99% de vide.

Le Modèle Standard

Les particules ne sont donc pas visibles mais cependant elles sont détectables si on y applique une énergie suffisante, de l'ordre du giga électronvolt (GeV).Comme vous le savez certainement Énergie et masse sont deux aspects d’un même phénomène, conformément à la célèbre équation d’Einstein (E = mc2), la masse pouvant se transformer en énergie et inversement. En raison de cette équivalence, masse et énergie peuvent être mesurées avec la même unité. À l'échelle de la physique des particules, il s’agit de l’électronvolt (eV).
Dans le modèle dit standard des années 70 les particules élémentaires de la matière sont les fermions c'est à dire les 6 quarks(Up, Charm, Top, Down, Strange, Bottom), les 3 électrons et équivalents(électron, muon, tau), les 3 neutrinos.(électronique, muonique, tauique) et les bosons.Ils sont classées en trois générations. Ceux de la première (leptons et quarks voir tableau) suffiraient en principe pour construire le monde qui nous entoure : les quarks up et down, l'électron et le neutrino. Les autres particules beaucoup plus lourdes, sont instables et se désintègrent rapidement pour rejoindre ces quatre particules. Voyons cela en détail.
Les fermions qui sont des particules dites asociales, refusent de "réduire leur espace vital" ; c'est pour cela que la matière n'est pas compressible et que nous pouvons marcher sur le sol par exemple. Par contre les bosons sont des particules qui elles sont sociales. Elles aiment se mélanger pour former les photons de la lumière. Et tout ce petit monde, s'agite en entretenant des relations particulières (interactions) selon leur appartenance .Le modèle Standard décrit avec succès trois des quatre interactions fondamentales : l'interaction forte, l'interaction faible et l'interaction électromagnétique (voir les 4 Forces )

Boson de Higgs

Dans les années 60, les physiciens commencèrent à prendre conscience de l'existence de liens très étroits entre deux des quatre forces fondamentales : la force faible et la force électromagnétique. Ces dernières pouvaient êtres décrites dans une théorie unifiée, qui constitue la base du modèle standard. Cette unification implique que l'électricité, le magnétisme, la lumière et certains types de radioactivité sont tous des manifestations d'une seule et même force appelée force électrofaible. Cependant, pour que cette unification soit vérifiée mathématiquement, il faut partir du principe que les particules porteuses de force n'ont pas de masse. Or, nous savons grâce aux expériences que cela n'est pas le cas. Les physiciens Peter Higgs, Robert Brout et François Englert ont proposé une solution à cette énigme. Leur théorie est que, juste après le Big Bang, aucune particule n'avait de masse. Lorsque l'Univers a refroidi et que la température est tombée en dessous d'un seuil critique, un champ de force invisible appelé « champ de Higgs » s'est formé en même temps que la particule qui lui est associée, le « boson de Higgs ». Ce champ est présent dans tout le cosmos : par l'intermédiaire du boson de Higgs, n'importe quelle particule interagissant avec lui acquiert une masse. Plus les particules interagissent avec le champ de Higgs, plus elles deviennent lourdes. Au contraire, les particules qui n'interagissent pas avec ce champ ne possèdent aucune masse et peuvent donc voyager à la vitesse de la lumière. .
le CERN a annoncé la découverte du boson de Higgs le 4 Juillet 2015, avec une certitude de 99.9999% grâce à un accélérateur de particules de 27 kilomètres de long, construit dans un tunnel sous la frontière franco-suisse. Encore une fois la fiction rejoint la réalité.

Max Planck

Jusque là , certes une description ardue et complexe mais accessible pour celui ou celle qui veut s'en donner la peine. Mais au fait , d'où vient le terme de quantique appliquée à la physique ?
L'origine de la physique quantique est étroitement liée à l'un des plus vieux problèmes de la physique théorique à savoir la théorie du corps noir
***Pour un physicien un corps noir est un objet idéal qui absorbe, sans réfléchir ni diffuser, toute l'énergie électromagnétique qu'il reçoit. Cette énergie est entièrement réémise, c'est ce qu'on appelle le rayonnement du corps noir. Les propriétés de ce rayonnement ne dépendent que de la température à laquelle se trouve le corps noir et non de la matière.Lorsqu'on regarde un objet , on lui attribue une couleur. Celle-ci est déterminée par les ondes lumineuses qui l'éclairent, et qui sont réfléchies par le corps. Par exemple, une boule rouge présente cette couleur parce qu'elle réfléchit les rayons rouges, et absorbe les autres. Lorsqu'on la regarde, on ne perçoit que les seuls rayons qu'elle renvoie, rouges. Si la boule est bleue, elle réfléchit le bleu, et absorbe le reste. Certains corps sont neutres. La neige par exemple est blanche parce qu'elle réfléchit pareillement toutes les couleurs. Lorsqu'on la regarde, on voit donc toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, dont le mélange est blanc. Les nuages sont gris, parce qu'ils réfléchissent pareillement aussi toutes les couleurs, mais ils en absorbent une partie, la même pour toutes. C'est pourquoi ils apparaissent moins lumineux, gris.Tout ceci donne l'autre aspect d'un corps noir : c'est un objet matériel qui n'échange aucune énergie avec l'extérieur. De ce fait, il n'émet rien, donc ne brille absolument pas, c'est ce qui justifie son nom . On devrait même dire qu'il est super noir, parce que les corps réels n'atteignent jamais cette limite. On peut considérer que le bilan énergétique du corps noir est nul, puisqu'il n'émet ni n'absorbe d'énergie. Mais une autre façon d'obtenir un bilan nul est que l'entrée soit exactement égale à la sortie ! C'est le cas si le corps est parfaitement absorbant, et aussi parfaitement émissif, indépendamment de la longueur d'onde. C'est pourquoi le spectre d'un corps noir ne dépend que de sa température, et nullement de sa composition.*** que l’on retrouve aussi bien lorsque l'on veut comprendre ce que sont fondamentalement la lumière et la matière que lorsque l'on étudie les étoiles, les trous noirs et même la cosmologie. Pour aborder cette théorie il faut se poser la question suivante :pourquoi et comment un corps émet-il de la lumière lorsqu'on le chauffe ? On savait bien que la couleur d'un corps changeait, passant du rouge au blanc au fur et à mesure que sa température augmentait et qu'il émettait alors d'autant plus de lumière. Ainsi, les lampes à incandescence émettent un rayonnement qui obéit à la loi du corps noir. Mais, quelles étaient les formules numériques précises pour rendre compte de ces phénomènes ?
C’est Max Planck qui démontra en utilisant un artifice de calcul ,une constante baptisée constante de Planck (h), que les échanges d'énergie entre la matière et le rayonnement s'effectuaient non pas de façon régulière et continue, mais par paquets, par quantités discontinues un peu comme nos ordinateurs qui véhiculent les informations par paquet de 8 bits; d'où le nom de quantum tiré du latin donné à chacun de ces paquets. Puis Albert Einstein démontra à son tour que la lumière, que l'on croyait fermement être une onde, était ,aussi formée de grains d'énergie qu'on appela plus tard des photons. La physique quantique venait de naître.
Par la suite c'est le physicien français Louis De Broglie.qui proposa l'idée de la dualité onde-corpuscule , les particules pouvant suivant les circonstances se comporter soit comme des particules, soit comme des ondes. Voyons comment.

Dualité onde corpuscule

Tout d'abord c'est quoi une onde et un corpuscule ?



Application de l'expérience des fentes de YOUNG à la physique quantique pour démontrer les propriétés corpusculaire et ondulatoire du photon.

Un exemple typique d'un corpuscule est la balle de tennis , une bonne image d'une onde est celle des vagues que l'on peut créer à la surface de l'eau en tapotant son doigt pour faire des ronds dans l'eau (comme le musicien et chef d'orchestre Michel Legrand)
Prenons maintenant un canon qui lance des balles de tennis enduites de peinture en direction d'un mur ,mais en les faisant passer à travers 2 fentes ; sur le mur on observera deux bandes parallèles constituées de points colorés Imaginons maintenant un dispositif qui reproduirait un système de vagues colorée qui passerait à travers 2 fentes; une onde est une alternance de « creux » et de « bosses » qui se propage à partir de la source. On verrait que lorsque l'onde traverse les deux fentes, chacune se comporte comme le point de départ d'une nouvelle onde.Puis ces deux ondes se rencontrent, se superposent. Lorsque deux « bosses » se superposent, l'intensité est maximale (bande colorée). Lorsque ce sont deux « creux », l'intensité est minimale (bande blanche). C'est le phénomène d'interférence et la figure que l'on obtiendrait sur le mur est une alternance de bandes colorées et de bandes blanches.
Mais alors comment réconcilier ces deux visions ?
Si la lumière, que l'on croyait être une onde, se comporte aussi comme un corpuscule, pourquoi un électron, que l'on croyait être un corpuscule, ne se comporterait pas comme une onde ?
Revenons à notre expérience des deux fentes; avec "un canon" type balle de tennis faisons passer des électrons ou des photons ( ça marche aussi) à travers deux fentes.Nous pouvons remarquer que les électrons laissent des marques individuelles sur l'écran, comme tout corpuscule, mais la figure produite est un motif d'interférence, comme le ferait une onde.CQFD
Et c'est là que ça se complique
L'expérience de Young ( du nom du physicien qui a proposé cette expérience des deux fentes) a par la suite été affinée, notamment faisant en sorte que la source S émette un quantum à la fois. Par exemple, on peut à l'heure actuelle émettre des photons ou des électrons un par un. On tire donc un seul photon à travers un écran qui a deux fentes, jusqu'à un autre écran. Le photon ne devrait logiquement ne passer que par une fente. Il passe simultanément par les deux et interagit avec lui même lorsqu'il arrive sur le second écran. Comment est-ce possible ? Cela ne devrait pas l'être. Mais si on met un détecteur au dessus de chaque fente pour savoir par où le photon est passé, mystérieusement le photon s'en aperçoit et ne passe plus que par une seule fente.
Le fait de pouvoir savoir par où le photon passe change son comportement. Ces particules peuvent se trouver à différents endroits ou dans des états différents au même moment, et c'est le fait d'être observées qui les fixe. Hallucinant... en video : toutestquantique:dualité et quantification
Y a t'il une explication ?
Pour des "scientifiques" comme le Dr Amir Aczel de confession juive ou le Professeur Chems Eddine Chitou de confession musulmane , c'est NON point barre; pour eux seul dieu ou une erreur peut expliquer ce phénomène. Une position bien connue sécurisante et qui ne mange pas de pain.
D'autres scientifiques ont cherché à comprendre et à pouvoir interpréter l'observation.
Certains se réunirent en 1927, à la conférence de Solvay (du nom de Ernest Solvay, fondateur de la société chimique Solvay). il en ressortit une position commune à laquelle la plupart des physiciens se rallièrent qui pourrait se résumer par le principe de complémentarité proposé par Niels Bohr :
Principe de complémentarité :
un objet quantique est à la fois une onde et un corpuscule. Le comportement observé est celui qui est mis en évidence par les expériences : certaines expériences mettent en évidence son comportement corpusculaire, d'autres son comportement ondulatoire mais ces deux comportements ne sont que deux visions complémentaires du même objet.
Si il est pratiquement impossible de décrire de façon imagée un objet quantique tant il échappe à notre expérience quotidienne, l'onde d'un objet quantique n'est pas une onde plane simple mais la superposition de plusieurs, voire même d'une infinité, d'ondes planes. La superposition de ces ondes planes peut prendre des formes très diverses et notamment celle d'un paquet d'ondes (voir la figure ci-dessus). Dans le cas d'un paquet d'ondes concentré en un volume réduit, le comportement de l'onde tend à ressembler à celui d'un corpuscule. Ainsi, il est possible de décrire des phénomènes propres à la mécanique des corpuscules à l'aide de paquets d'ondes qui sont des objets spécifiquement ondulatoires. Ces constats ont une conséquence de toute première importance qui fut mise en évidence par Heisenberg.
Principe d'incertitude d'Heisenberg :
En physique classique, on définit une « trajectoire « comme étant l'ensemble des points qu'occupe successivement un objet au cours du temps. Qu'en est-il du point de vue quantique ?
La notion de trajectoire exacte n'a pas de sens pour les particules. Ce paradoxe quantique (encore un!) est lié à la difficulté d'observer un électron et est défini par la relation d'incertitude de Heisenberg qui a énoncé en 1927 :
"Il est impossible de déterminer à la fois exactement la position et la vitesse d'une microparticule car le produit de leurs incertitudes n'est jamais nul. Ce produit ne peut jamais être inférieur à la valeur de la constante de Planck." .
Si on mesure l'une avec une très bonne précision, autrement dit avec une marge d'erreur (E) très faible, alors la marge d'erreur sur l'autre grandeur sera supérieure à l'inverse de (E) (ie un très grand nombre) multiplié par une constante. Et cette constante, est la constante de Planck. Ces marges d'erreur dont nous parlons, ne sont pas dues à l'imprécision des appareils de mesure. On ne peut mesurer avec une précision aussi grande que l'on veut la vitesse d'un électron, au prix d'avoir une très grande incertitude sur sa position au même moment. Et vice-versa..
Imaginons un microscope qu'on utiliserait pour observer un électron..On ne voit un objet que parce que nos yeux détectent de la lumière émise ou réfléchie par celui-ci. Il faut donc éclairer notre électron pour espérer le voir avec notre microscope. Pas avec de la lumière visible, parce que sa longueur d'onde est trop grande par rapport à la taille de l'électron, mais on pourrait utiliser du rayonnement gamma, dont la longueur d'onde est plus courte.Quand on envoie de la lumière sur un électron, c'est comme si on le bombardait de photons. Et ça le perturbe car on lui apporte de l'énergie! Dans la vie quotidienne, lorsque nous allumons la lumière de notre salle à manger et que nous voyons la table, nous la bombardons effectivement de photons. Mais la table est un objet macroscopique et à cette échelle, cette perturbation est indétectable. Mais c'est très différent pour un électron, qui est un objet minuscule. En résumé la trajectoire d'un objet quantique comme l'électron est définie de la manière suivante: Si je ne fais rien , je ne vois pas l'électron . Que fait-il ?, où va t'il ? je ne sais pas; on dit qu'il est dans un état délocalisé. Si j'observe l'objet alors celui-ci est localisé et pour définir sa trajectoire ,je dirais qu'il existe avec précision une forte probabilité (définie par la constante de PLANCK ) pour qu'il se trouve " beaucoup là à un endroit donné ,tout en sachant qu'il peut être un peu ailleurs." Alors qu'on peut déterminer avec une parfaite précision mathématique l'état délocalisé de l'électron avant mesure pour peu que l'on connaisse les conditions initiales, le résultat de la mesure ne peut être prédit qu'en terme probabiliste. Heisenberg abolit donc l'idée de trajectoires bien définies; seules existent des trajectoires floues sur lesquelles la position de l'électron est indéterminée ; c'est une conséquence de la nature ondulatoire des particules. En fin de compte tout se passe comme ci on regardait un cylindre; d'un point de vue il peut être un disque; d'un autre pont de vue c'est un rectangle (voir figure); un objet et 3 états différents selon l'observation. Pour faire une analogie avec le milieu macroscopique on dira qu'une balle placée sur une table éclairée est beaucoup sur la table, mais aussi un peu sous la table par exemple . version animée
Remarque:
Dans un ordinateur, l'univers n'est composé que de zéros et de uns, représentés respectivement par O et 5 V . Entre les deux se situe une zone interdite où nul signal ne doit s'aventurer. Des signaux déformés modifient le fonctionnement de l'appareil que l'on observe, et une fois encore, Heisenberg triomphe car très souvent, brancher un appareil de mesure, comme un oscilloscope, empêche un ordinateur de fonctionner à cause l' effet capacitif , et l'ingénieur doit trouver une autre façon de se rendre compte de ce qui se passe à l'intérieur de sa machine sans esquinter les fragiles signaux.)
Que la lumière soit et la lumière fut ...
L'auteur parle souvent de photon mais au fait c'est quoi un photon ?
Animations montrant le fonctionnement d'une onde électromagnétique et comment elle peut engendrer le mouvement
Le photon est sans doute un des éléments le plus mystérieux de la physique. En 1864 le physicien écossais James Clark Maxwell mettait au point les équations fondamentales auxquelles obéissent les champs électrique et magnétique; c'est ce qu'on appelle le champ électromagnétique . Ce dernier peut vibrer et ses oscillations se propagent dans le vide pour former une onde électromagnétique , la lumière, à la vitesse de 300 000 km/sec Les travaux de Max Planck en 1900 sur le rayonnement du " corps noir " et les travaux d'Albert Einstein en 1905 sur les effets photoélectriques complétèrent les travaux de Maxwell .Les quanta de lumière seront renommés photons qui sont les vecteurs de la force électromagnétique. Ils n'ont ni masse, ni charge électrique. Pour qu'il y ait de la lumière,.un électron doit être arraché à l'orbite le plus éloigné du noyau atomique. Il faut donc une énergie plus grande que celle qui unie le dernier électron à son noyau. Cette énergie existe sous forme de photons. Voyons de plus près comment cela fonctionne:
Ue photon au contact d'un atome, est absorbé par un électron . L'électron qui était jusqu'alors tranquille sur son orbite autour du noyau va devenir instable et va commencer à tourner plus vite.La conséquence de cette augmentation de vitesse est qu'il va s'éloigner de son noyau (un peu comme la force centrifuge qui vous déporte dans une courbe par exemple lorsque vous arrivez trop vite) et changer d'orbitale. Mais il cherche toujours à retourner sur son orbite de départ car "avaler "le photon le rend instable. Il fait donc le processus inverse et rejette le photon, pour allez moins vite , retrouver à son orbitale initiale pour redevenir stable.(ce processus se passe en un temps extrêmement court).
L'électron se trouve sur son orbite fondamentale. Si il reçoit une énergie suffisante communiquée par des chocs avec d'autres atomes, par un champ électrique, ou bien par un photon dont la couleur correspond à cette énergie le photon est absorbé. C'est là l'origine des raies d'absorption.Les orbites basses étant de moindre énergie que les orbites hautes,et plus stables, l'électron aura donc tendance à retomber vers une orbite basse et son énergie diminue donc. Pour assurer la conservation de l'énergie, il émet un photon dont la couleur est exactement celle qui correspond à la différence d'énergie entre les deux orbites.C'est l'origine des raies d'émission. Puisque les raies d'émission et d'absorption correspondent à des transitions dans les deux sens entre les mêmes niveaux d'énergie, elles ont nécessairement la même couleur ici rouge pour un atome d'hydrogène.

Une histoire de chats


Pour finir avec cette dualité onde et corpuscule et la superposition d'état en physique quantique voici une histoire imaginée par Erwin Schrödinger en 1935 :un chat est placé dans une boîte fermée aux côtés d'un petit échantillon de substance radioactive, choisie de telle sorte qu'il y a une chance sur deux que l'un de ses atomes se désintègre en l'espace d'une heure. Si c'est le cas, la désintégration est détectée par un compteur Geiger, ce qui active un petit marteau qui vient briser une fiole contenant un produit toxique et fait passer le chat de vie à trépas.
La curieuse boîte imaginée par Schrödinger n'a qu'un but : transposer un comportement quantique d'un objet minuscule , à un objet macroscopique qui nous est plus familier : un chat. Jusqu'à ce que la boîte soit ouverte, le malheureux animal semble en effet devoir être décrit selon les lois de la mécanique quantique moitié vivant, moitié mort. Autrement dit, tant que personne n'ouvre la boîte, le chat se trouve dans une superposition de l'état « mort » et de l'état « vivant » ( En réalité,il n'est ni l'un ni l'autre). Et c'est l'observation qui détermine l'état du chat avec une probabilité de 50%; seulement voilà ce passage d'une superposition de plusieurs états à un état unique n'est pas juste une curiosité mathématique une vue de l'esprit mais un véritable phénomène physique, appelé « décohérence », qui peut aujourd'hui être observé .Ainsi un atome radioactif d'uranium peut exister dans deux états superposés: intact et désintégré. Cet état de superposition cesse immédiatement dès qu'il y a observation, et donc interaction de la particule; on dit alors qu'il y a décohérence lorsqu'un système A et B devient un système A ou B. Cependant le fait de décrire un chat (qui est un ensemble de molécules dépendant d'un système macroscopique) dans une superposition d'état(qui est du domaine du microscopique) relève d'une absurdité décrite sciemment par Schrödinger afin de mettre en évidence la bizarrerie du monde quantique que l'on souhaite appréhender . Le principe de superposition ne s'applique pas à notre monde humain sauf peut être "avec les morts-vivants".

La téléportation quantique ou le paradoxe EPR

Des chercheurs Australiens ont téléporté en 2002 un état de la matière ( le lazer ), et non la matière elle-même. Selon la théorie de la physique quantique, deux particules (en l'occurrence ici des photons), peuvent être reliées dans ce qu'on appelle un enchevêtrement quantique.Ils ont utilisé deux faisceaux A et B enchevêtrés (intriqués) et disposés aux deux extrémités d'une table. En dirigeant le laser Z sur B , l'état des particules du faisceau Z sont transmises à A situé à l'autre bout de la table et un faisceau équivalent est créé : c'est le laser téléporté ; puisque A est enchevêtré avec B, le nouvel état de A est ensuite transmis à B, et le faisceau Z du départ est détruit; il y a bien eu téléportaion. "L'oeil", c'est à dire l'observation est remplacé par le rayon laser "qui joue le même rôle d'état déterminé".
Paradoxe EPR, pour Einstein-Podolsky-Rosen (les trois pysiciens qui en sont à l'origine),
En physique quantique, deux photons (ou particules) ayant une source commune( un même atome excité par exemple)ne peuvent être considérées comme deux systèmes indépendants. Ces deux photons, comme tous les photons, sont dotés d'une propriété particulière, la polarisation, qui est définie comme la direction du champ électrique qui leur est associé: Deux photons auront une mesure de polarisation de +1 pour l'un et obligatoirement de -1 pour l'autre. On dit alors qu'ils sont intriquées; l'état de l'une de ces particules dépend exclusivement de l'état de l'autre particule.
Selon l'interprétation quantique,(que l'on a déjà vue), tant que personne n'a effectué de mesure, la polarisation de chaque photon reste indeterminée. Ce n'est donc qu'au moment où la mesure est faite sur un photon que l'autre acquiert ses caractéristiques: si la polarisation d'un photon est +1, l'autre devient -1 et vice-versa. Les deux particules forment un ensemble inséparable, même si elles sont infiniment éloignées... La connaissance de l'une influe sur l'autre instantanément, sans transmission d'information résultant d'une action physique (un photon aura par exemple une polarisation horizontale et son homologue intriqué nécessairement une polarisation verticale)..
Le paradoxe EPR peut donc se résumer par l'expérience suivante déjà maintes fois réalisée :
Malgré son incongruté, l'intrication quantique n'en est pas moins une réalité, et nombre d'expériences l'ont prouvées. Historiquement, la première expérience concluante sur l'intrication quantique fut celle d'Alain Aspect réalisée en 1982 à Orsay.Encre une fois , la réalité rejoint la fiction.


Les 4 Forces de la nature : tout est mouvement

Tous les phénomènes physiques, chimiques ou biologiques tels que la chute d'une pomme d'un arbre (salut newton), la lumière émise d'une ampoule électrique, les battements de votre coeur , l'eau qui bout dans la marmite etc ..., tous ces phénomènes courants ne peuvent exister que parce qu'il y a mouvement. Cela paraît évident et pourtant, comment le mouvement de toute chose est-il possible? Il y a toujours à l'origine d'un mouvement une impulsion, une force qui en est la cause... Or les physiciens, dans leur quête d'une vision unifiée du monde, ont réussi le tour de force de réduire à exactement quatre voire 3 le nombre de forces qui existe dans le vaste Univers. Nous avons vu dans le chapitre Le modèle standard qu'il existait 4 forces fondamentales avec "le mouvement" qui lui est associé.(revoir le tableau vu plus haut).Ces forces qui sont liées entr'elles selon des mécanismes fort complexes sont appelées interactions et s'exercent chacune dans un domaine bien précis ( voir les diagrammes ci-dessous)
Tableau récapitulant l'organisation imbriquées de la matière ,du macroscopiques au microscopique et l'infuence des vecteurs "boson" responsables de la "cohésion " qui caractérise l'interaction de la force concernée.
Chaque neutron d'un atome est formé de 3 quarks qui sont en perpétuelle agitation en échangeant entre eux la particule "gluon" qui maintient la cohésion des quarks pour former le nucléon. C'est l'interaction forte qui concerne les quarks udd
Chaque proton contient églement 3 quarks appelés uud qui s'agitent également perpétuellement en échangeant le gluon qui joue le même rôle , mais de plus ils interréagissent aussi avec les quarks du neutron pour assurer la cohésion du noyau atomique.Il font aussi parti de l'interaction forte.
Voici quelques uns des diagrammes que le physicien Richard Feyman utilisa pour illustrer les liens complexes qui unissent les différentes particules selon la situation où ils sont mis en oeuvre.Richard Phillips Feynman est l'un des physiciens les plus influents de la seconde moitié du XX? siècle, en raison notamment de ses travaux sur l'électrodynamique quantique, les quarks et l'hélium superfluide.
la multiplicité des matériaux naturels (métaux, pierres, liquide...) a été expliqué par la théorie atomique et toute la matière a trouvé ses briques de bases dans le tableau périodique des éléments. Les atomes et les nombreuses particules découvertes avec l'aide des collisionneurs ont été disséquées, classifiées et réduites à un petit nombre dans le Modèle Standard. La même évolution s'est produite en ce qui concerne les forces qui gouvernent notre Univers: Newton a expliqué en 1687 que la force d'attraction astronomique et la gravité terrestre ne sont qu'une seule et même interaction dite gravitationnelle. Après Oersted, Maxwell a expliqué en 1873 que le magnétisme, l'électricité et la lumière ne sont que les manifestations différentes d'une seule et même interaction dite électromagnétique. Le grand rêve des physiciens est de simplifier le modèle standard et d'unifier les 4 forces : ce sont les théories de la Grande Unification et de la Superforce afin d'arriver au Big Bang. Déjà, l'électromagnétisme et l'interaction faible ont été unifiée en une force électrofaible.Le grand rêve des scientifiques est d'unifier maintenant toutes les particules élémentaires en une seule: c'est la théorie des cordes.
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La théorie des cordes (et supercordes)

L'idée directrice de la Grande Unification des différentes interactions est de réduire le nombre de particules vraiment fondamentales en une seule. Souvenons nous, avec le modèle standard, le zoo des particules fondamentales se limitait Toutes les particules observées sont alors soit des leptons, soit composées de quarks. A noter que les leptons et les quarks appartiennent à la famille des fermions (particules de spin demi-entier).
.Selon la nouvelle théorie révolutionnaire des cordes les briques fondamentales de l'Univers ne seraient pas des particules ponctuelles mais des sortes de cordelettes vibrantes possédant une tension, à la manière d'un élastique. Ce que nous percevons comme des particules de caractéristiques distinctes (masse, charge électrique, etc.) ne seraient que des cordes vibrant différemment. Mais leur longueur à toutes seraient des milliards de milliards de fois inférieure à celle d'un noyau d'atome. A plus grande échelle, elles apparaîtraient comme de simples points et l'on retrouverait alors l'aspect de nos particules "habituelles". L'échelle de dimension des cordes s'approcherait donc de 10-33 cm, c'est-à-dire la longueur limite de Planck. Les différents types de cordes, vibrant à des fréquences différentes, seraient ainsi à l'origine de toutes les particules élémentaires de notre Univers .
Certaines cordes se refermeraient en boucles, comme le graviton, boson médiateur de la gravitation qui serait une particule de spin 2 et de masse nulle , d'autres seraient ouvertes et comporteraient donc deux extrémités.
La théorie des cordes satisfait donc les conditions physiques suivantes: On sait que la trajectoire d'une particule ponctuelle dans l'espace-temps est une courbe nommées ligne d'univers. De même, en se déplaçant, les cordes ouvertes parcourent des surfaces qu'on appelle "membrane" ou feuillet d'univers. Les cordes fermées décrivent des volumes d'univers semblables à des tubes de formes complexes; la surface engendrée par une corde fermée isolée ressemblerait à un simple tuyau d'arrosage tandis que celles engendrées par un ensemble de cordes fermées se rejoignent et se séparent laissant entre elles des trous donnant au feuillet d'univers l'aspect de beignets soudés entre eux.
Cependant la théorie des cordes semblent d'après les calculs mathématiques n'être valables que si l'espace temps possède 10 ou 11 dimensions au lieu de nos 4 habituelles! Si elles existent pourquoi n'en voyons-nous que 4, 3 pour l'espace et une pour le temps ? En fait, on suppose que dans un univers primitif les autres dimensions sont courbes dans un espace de très petite taille (de l'ordre de 10-30 au mieux.) et que certaines dimensions (les quatre que nous voyons) se sont ouvertes, d'où la différence entre les cordes dites fermées et celles dites ouvertes . Autrement dit durant le Big Bang, 6 des 10 dimensions se sont recourbées sous la forme d'une petite balle ou d'un tore, pendant que les autres dimensions se sont étendues de manière explosive et exponentielle, donnant naissance à notre Univers visible. Les physiciens essaient rechercher les traces de ces éventuelles dimensions excédendaires compactifiées ou cachées. A petite échelle, il pourrait s'agir de légères déviations aux lois classiques de la gravité ou des traces à très grandes échelles qui auraient conservé la mémoire du temps de Planck. Dernièrement une anomalie gravitationnelle a été découverte allant dans ce sens
Remarque :
Quant on parle de 10 ou 11 dimensions, en fait Il s'agit non pas de la dimension intrinsèque de la corde comme sa taille, qui reste à 2 dimensions à l'image d'une membrane qui n'aurait pas d'épaisseur, mais bien des dimensions liées à ses degrés de liberté de rotation: le spin (Le spin signifie que chaque électron ou proton par exemple peut être considéré comme un minuscule aimant et ne concerne par conséquent avant tout que les fermions et leurs composés comme l'atome. Cela ne concerne pas les bosons comme le photon lumineux. Ce qui explique que les fermions ne veulent pas se rapprocher alors que les bosons n'ont aucun problème pour s'agglutiner.)
Imaginez un robot. Il peut fonctionner dans l'espace tridimensionnel et présenter en même temps une main dont l'articulation présente 10 degrés de liberté ou dimensions (déplacements gauche-droite, haut-bas, avant-arrière, inclinaison, rotation, 5 doigts, il y a là au moins dix degrés de liberté). C'est en ce sens qu'une corde possédant 10 degrés de liberté de spin présente 10 dimensions.
Concluons ce chapitre par une analogie.
Imaginons un lion représentant le principe de la Grande Unification ; trois hommes aveugles autour d'un lion et un physicien demande de quoi il s'agit.
Le premier va attraper la queue de l'animal et dira qu'il s'agit d'une corde : "Le lion est une corde".
Le second va attraper l'oreille du lion. Sentant qu'il s'agit d'une surface à deux dimensions, il s'écrira : "Non, le lion est une feuille d'univers".
Le troisième homme aveugle trébuchera sur une des pattes du lion et sentira qu'il s'agit d'un corps solide tridimensionnel et s'exclamera, "Vous avez tous les deux tord. Le lion est un tube!"
Ils ont tous les trois raisons. Comme la queue, l'oreille et la patte forment les différentes parties « du même lion, » .
Des parties « palpables »( les cordes ont une dimension contrairement aux particules anciennement décrites) différentes pour un même et unique phénomène. Dans le prolongement de la théorie des cordes,la théorie M des membranes du Pr Witten prédit que les cordes
La gravité : son explication relativiste , son explication quantique
à 11 dimensions peuvent s'étirer pour former une membrane qui a l'aspect d'une tranche spatiotemporelle dynamique comme une tranche de pain. Certaines membranes peuvent devenir aussi vastes qu'un univers.La théorie M affirme que notre univers est une membrane parallèle à d'autres univers/membranes. Comme les membranes sont des structures dynamiques parallèles, elles peuvent entrer en collision, leur entre-choquement donnant naissance à un nouvel univers sous la forme d'un Big-Bang. "Pour la première fois nous voyons le profil du lion et il est magnifique.Uu jour nous l'entendrons rugir." Pr Michio Kaku
Cependant ,il existe un problème frustrant concernant la théorie des cordes : d'où viennent elles ? A défaut de le savoir ,rétrospectivement ce modèle n'est pas apparu par hasard. Les scientifiques ont démontré que les protons et les neutrons ne sont pas élémentaires : ils sont constitués de quarks, liés entre eux par l'interaction forte. L'intensité de celle-ci augmente lorsque les quarks s'éloignent l'un de l'autre, précisément comme s'ils étaient attachés par une corde, un ressort.Malgré tout, l'ancienne théorie des cordes était très approximative et, pendant une dizaine d'années, de 1974 à 1984, elle est tombée dans l'oubli.Puis on s'est ensuite rendu compte, en changeant considérablement la valeur de la tension, qu'elle pouvait fournir une description quantique de la gravité, et donc réconcilier la mécanique quantique avec la relativité générale d'Einstein. Pour ce qui est de la gravité, dans la théorie d'Einstein on la considère comme une déformation de l'espace-temps. Mais il y a le problème de la gravité quantique. En gros, les deux théories (relativité générale et physique quantique) reposent sur des postulats incompatibles (par exemple la mécanique quantique peut autoriser un transfert instantané d'information ce qui semble violer la vitesse-limite de la lumière imposée en relativité générale) mais chacune fait d'excellentes prédictions à une échelle spatiale différente (respectivement macroscopique et microscopique). A l'échelle macro, c'est la gravité qui l'emporte sur les autres interactions. D'où l'efficacité explicative de la relativité générale à cette échelle. A l'échelle micro, nous n'avons pas d'instrument pour faire des mesures de la gravité, donc on ne sait pas trop ce qui se passe. Mais comme la physique quantique permet d'expliquer les autres forces en jeu à cette échelle , tout a été entrepris pour qu'elle puisse aussi expliquer la gravité.Et c'est là la raison du succès de la théorie des cordes.. Pour en terminer avec la physique quantique, il est frappant de constater que, de plus en plus souvent, la technologie moderne permet de réaliser concrètement les équations de physique -mathématique proposées par les pères fondateurs et les plus grands théoriciens de la mécanique quantique pour en illustrer toute la magie. Les concepts de physique quantique n'ont qu'une centaine d'années, pourtant ils permettent des découvertes dont on se sert déjà au quotidien. Le laser est l'une d'elles.Cliquer ici pour en savoir plus et choisissez "laser". Une autre application de la physique quantique est l'existence de microscopes électroniques de plus en plus puissants qui permettent maintenant de "visualiter" l'atome.
Le MET ou microscope électronique à transmission. Il permet d'étudier la structure interne de la matière à l'échelle du nanomètre (10 -9 m). Les rangées atomiques deviennent donc visibles. Par exemple, cette photo d'un cristal de formule SrTiO3 nous permet d'admirer la présence d'atomes de Strontium (Sr) en surbrillance.
Le microscope à effet tunnel permet de "palper" les aspérités d'une surface, atome par atome. Une de ses variantes, le microscope à force atomique, permet même de déposer des atomes un par un sur une surface. C'est ainsi que le logo IBM a été écrit avec des atomes de Xénon.
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Ainsi en a peine un siècle on est passé d'une vision déterministe de l'atome à une vision où la probabilité joue un rôle majeur dans l'intrépration des phénomènes liés aux atomes.




Pour finir voici un petit lexique pour ceux qui souhaitent en savoir plus.

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