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Une question de Pierre-Luc

par Stéphane Durand

La mécanique quantique est la théorie qui décrit le monde microscopique des atomes et des particules. Développée au début du XXe siècle, cette théorie a grandement remis en question la physique classique, héritage d'Isaac Newton et de Galilée. Pendant longtemps on a cru que le fonctionnement du monde atomique, inaccessible directement à nos sens, était similaire à celui du monde macroscopique, celui de la vie de tous les jours. On croyait, par exemple, que l'atome ressemblait à un système solaire miniature, les électrons jouant le rôle de planètes autour du noyau de l'atome. Mais il n'en est rien. Qu'est-ce qu'un électron? Voilà bien le problème: il est extrêmement difficile de donner une explication simple car, selon les principes de la mécanique quantique, la nature d'un électron (tout comme celle d'un proton, d'un neutron ou de toute autre particule) ne correspond à aucune image familière de la vie de tous les jours.

Voici brièvement six caractéristiques fondamentales de la physique quantique. Certaines sont très déroutantes et sans équivalents dans la vie courante.

1. La dualité onde-corpuscule: Une particule subatomique peut se comporter à la fois comme une onde (l'équivalent d'une vague) et un corpuscule (l'équivalent d'un petit caillou). En fait, elle n'est ni l'un ni l'autre: c'est une entité beaucoup plus abstraite qui, selon les situations, donne l'impression de se comporter soit comme une onde, soit comme un corpuscule. La même chose s'applique pour la lumière. (On appelle les particules de la lumière des photons).

2. L'indéterminisme: Contrairement à la physique classique, la mécanique quantique n'est pas déterministe, c'est-à-dire que les mêmes causes ne produisent pas nécessairement les mêmes effets. Dans des conditions initiales identiques, le choix entre les différents effets se fait au hasard. Mais attention: ce n'est pas un hasard superficiel dû à notre ignorance de certains paramètres - comme lorsqu'on joue à pile ou face, par exemple, où le hasard n'est qu'apparent puisqu'on ne connaît pas exactement la position initiale de la pièce, la force du coup de pouce, etc. Au contraire, le hasard quantique est authentique et irréductible; c'est une loi fondamentale. Ainsi, contrairement à l'image classique de la physique de Newton, l'univers n'est pas réglé comme un gigantesque mécanisme d'horlogerie.

3. Le principe d'incertitude de Heisenberg: On ne peut pas connaître précisément à la fois la position et la vitesse d'une particule. En fait, ce principe va beaucoup plus loin: en général, une particule ne possède pas de position et de vitesse bien définies. N'étant pas l'équivalent d'une minuscule bille, une particule ne se déplace pas en suivant une trajectoire ordinaire et elle n'a donc pas simultanément de positions et de vitesse précises. Tirées de la vie courante, les concepts de position et de vitesse sont des notions classiques qui perdent leur sens dans le monde quantique.

4. Le principe de superposition: Une particule peut être à deux endroits en même temps. On dit que la particule est dans un état superposé: à la fois ici et là-bas. Cette caractéristique est celle qui conduit aux effets quantiques les plus déroutants: l'interférence des particules de matière et la non-localité.

5. La non-localité: Dans certaines situations, l'observation d'une particule à un endroit peut influencer instantanément l'état d'une autre particule à un autre endroit, aussi lointain qu'on le veut du premier. Par conséquent, «quelque chose» peut circuler plus rapidement que la vitesse de la lumière. Ce «quelque chose» est cependant non matériel et non énergétique. De plus, et cela est fondamental, il ne peut pas être contrôlé et servir à communiquer un message. Malgré les apparences, cette influence instantanée quantique ne va pas à l'encontre de la relativité d'Einstein qui demande, non pas que rien ne puisse voyager plus vite que la lumière, mais uniquement que aucune forme de matière, d'énergie ou de communication ne puisse le faire. (Il n'y a donc pas de paradoxe en jeu même si, historiquement, certains ont cru en voir un, d'où le nom de «Paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)» souvent attribué à ce phénomène.) Cette influence instantanée est à la base de ce qu'on appelle la «téléportation quantique».

6. Le problème de la mesure: Dans la physique classique, l'observateur est «neutre»: lorsqu'il mesure les paramètres d'un système, on considère qu'il ne change pas le comportement de ce système. Dans le monde quantique, ce n'est pas le cas: une particule se comporte de manière fondamentalement différente selon qu'elle évolue librement ou qu'elle interagit avec un appareil de mesure. La «fonction d'onde» est le terme technique utilisé pour décrire l'état quantique d'une particule, c'est-à-dire le fait qu'elle n'est pas «localisée» comme un corpuscule mais plutôt «étendue» dans l'espace comme une onde. Durant une expérience d'interférence, par exemple, avant qu'on tente de la mesurer, une particule se trouve dans cet état «étendu» (ou état de superposition) et elle peut alors passer par deux chemins complètement distincts en même temps. Par contre, dès qu'on effectue une mesure (en déterminant sa position sur un écran de télévision par exemple), la fonction d'onde «s'effondre» en seul point : un pixel s'illumine sur l'écran cathodique et la particule devient localisée. C'est à ce moment que le facteur hasard entre en jeu puisque le choix du lieu de l'effondrement de la fonction d'onde se fait aléatoirement (suivant certaines probabilités déterminées par le contexte expérimental); on ne peut pas prédire où la fonction d'onde va s'effondrer. Cependant, ce passage d'un état superposé à un état localisé déclenché par l'acte de mesurer n'est pas encore bien compris...