Comprendre et découvrir la physique quantique simplement

La physique quantique, celle qui fait peur, celle des scientifiques dans leurs collisionneurs de particules peut vous sembler loin à côté de toute la physique classique utilisée par exemple dans le moteur de votre voiture, ou dans le four à micro-ondes de votre cuisine.

Pourtant, la physique quantique n’est pas aussi élitiste que vous pourriez le penser. En fait, malgré le fait que sa découverte date de seulement un siècle, les applications directes de la physique quantique sont nombreuses et, vous allez le voir, omniprésentes dans votre vie !

Découvrons donc 10 choses qui s’expliquent entièrement grâce à la physique quantique.

1. Le Laser (CD, BluRay, imprimante, souris, …)

Le CD, laser disc

On ne peut pas parler de la physique quantique sans parler du Laser. Le principe Laser a été imaginé par Einstein en 1917, plus de quarante ans avant que les ingénieurs réussissent à le mettre au point (mais ce délai est surtout la conséquence de l’absence d’applications utiles de l’idée d’Einstein).

Le Laser, pour « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (ou amplification de lumière par émission stimulée de rayonnements) utilise l’émission stimulée : le fait pour un atome déjà excité de pouvoir dupliquer un photon qui passe assez proche de lui.

Les caractéristiques d’un faisceau Laser sont telles qu’elle a aujourd’hui d’innombrables applications absolument partout : on les trouve dans tous les lecteurs CD, DVD ou BluRay ou encore dans les dans les systèmes de détection des intrusions (comme dans les films). Le Laser est également utilisé dans la découpe de pièces plastiques ou métallique, dans la soudure industrielle au laser, le nettoyage des trottoirs, le gravage sur métal ou dans les souris d’ordinateur et les imprimantes laser.

Aujourd’hui, il n’y a pas un objet chez vous qui n’a pas passé par une étape de conception ou de distribution impliquant un Laser, ne serait-ce que lors de la lecture de son code barre quand vous l’avez acheté.

2. L’horloge de votre téléphone

L'horloge NIST-F1 qui sert d'étalon aux USA.

L’horloge NIST-F1 qui sert d’étalon aux USA.

Votre téléphone (ou smartphone de nos jours, plutôt) maintient son horloge interne à jour en se connectant à un serveur de temps. Ces serveurs de temps sont reliés à des horloges « atomiques » qui utilisent là encore un phénomène de nature purement quantique : la désexcitation énergétique d’atomes de césium 133.

L’atome de césium, comme tous les atomes, possède des électrons. Ces électrons peuvent avoir différents niveaux d’excitations, et quand un électron passe d’un niveau d’excitation à un autre, il émet une radiation dont la longueur d’onde est très précise : pour définir la seconde, on compte 9 192 631 770 périodes d’oscillation de la radiation issue de deux niveaux d’excitation bien précis de l’atome de césium 133.

Autrement dit, l’unité « 1 seconde » est définie grâce à un phénomène quantique.

Voilà comment votre téléphone utilise la physique quantique pour vous réveiller le matin… mais tout ça ne suffit visiblement pas à éviter d’arriver en retard au travail !

3. Le GPS

Le GPS peut vous localiser partout sur la planète avec une précision centimétrique (précision métrique seulement pour les usages civiles). Cette précision est obtenue avec une synchronisation parfaite entre les 32 satellites GPS en orbite. C’est cette synchronisation qui utilise la physique quantique, grâce, là également, à des horloges atomiques.

4. La couleur de la flamme d’une gazinière

Le Laser, les horloges atomiques, le GPS… Ce sont là des dispositifs hautement technologiques utilisant des théories de la physique quantique. Mais il y a bien plus simple : allumer sa gazinière et voir une flamme bleue, par exemple, c’est de la physique quantique !

Flammes colorées

La couleur bleue de la flamme du gaz est produite l’émission d’un rayonnement bleu par la désexcitation des liaisons atomiques « C-H » du gaz que vous brûlez. La désexcitation correspond là encore à la transition d’un électron d’un niveau quantique d’énergie à un autre.

La couleur rouge-jaune d’une flamme de bougie est, au contraire, d’origine non-quantique, puisque c’est une couleur spécifique à la température de la flamme.

Pour en savoir plus sur ce qu’est une flamme, lisez cet article : « C’est quoi une flamme ? ».

5. Les feux-d’artifice

« La belle bleue ! La belle rouge ! »

Comme pour la couleur de la flamme d’une gazinière, la couleur des feux-d’artifice est d’origine quantique : selon le combustible (poudre de cuivre, de strontium, de potassium…) utilisé dans un feu-d’artifice, la couleur sera différente : chaque élément possède en effet ses propres niveaux d’énergie quantique, et donc la désexcitation de chaque atome libérera un rayonnement d’une couleur bien spécifique.

Le vert est obtenu avec du cuivre, le jaune avec du sodium, le rose avec le potassium, le blanc avec le magnésium…

6. Les lumières LED

Les LED sont un autre produit de la physique quantique : comme les lasers ou les feux-d’artifices, ils utilisent eux aussi la désexcitation des électrons des atomes pour produire de la lumière dite « froide » (car pas besoin de chauffer, comme une ampoule à incandescence ou une bougie).

Des lumières LED

Des lumières LED

La lumière des LED est produite sans filament ni gaz : c’est directement la matière (un semi-conducteur) qui émet des photons sous l’effet du passage d’un courant, et selon le semi-conducteur choisit dans la LED, la couleur émise sera différente.

7. La phosphorescence

« Éclairez, éteignez et… Oh, ça brille dans le noir ! »

Voilà ce qui se passe quand vous avez entre les mains un objet phosphorescent : ça brille dans le noir… grâce à la physique quantique !

La phosphorescence a lieu quand des électrons montent d’un niveau quantique d’énergie et y restent de quelques minutes à quelques heures avant de se désexciter, et là encore, au moment de se désexciter, un photon est émis (donc de la lumière).

Contrairement à la fluorescence (qui est aussi d’origine quantique, au passage), la phosphorescence dure bien dans le temps. C’est pour ça que les objets enduits d’une peinture phosphorescente continuent de briller même une fois la lumière éteinte.

Quand tous les électrons sont désexcités et que ça ne brille plus du tout, il suffit d’éclairer l’objet pour les exciter et le cycle recommence.

8. La cellule photovoltaïque

La cellule photovoltaïque produit de l’électricité à partir de la lumière. C’est un peu le contraire de la LED.

Ici, un photon incident arrive à exciter un électron et le faire circuler dans la cellule. Et qui dit « circulation d’électrons » dit « courant électrique » : on fait alors de l’électricité avec de la lumière.

Calculatrice avec cellule photovoltaïque

Calculatrice avec cellule photovoltaïque

Donc votre vieux convertisseur euro avec ses cellules à énergie solaire, elle ne fonctionnerait pas sans l’aide de la physique quantique… Ni sans l’aide d’Einstein, qui a eu un prix Nobel justement pour l’effet photoélectrique !

9. Le verre, et la transparence

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi le verre est transparent et pas l’acier ou le bois ? Non ? Ben sachez que la réponse réside une nouvelle fois dans la physique quantique !

Dans un panneau photovoltaïque, on a vu qu’un photon de la lumière arrive à exciter un électron et à le faire circuler. Ce que je n’avais pas dit par contre, c’est qu’une fois l’électron excité, le photon est détruit : l’électron l’a absorbé.

Si vous vous étiez placé de l’autre côté du panneau photovoltaïque, le photon n’aura donc pas pu arriver dans votre œil et vous ne le verriez pas. Le photon est bloqué par le panneau solaire, et ce dernier n’est pas transparent. Il en va de même avec le bois ou l’acier : même s’ils ne produisent pas d’électricité, ils bloquent quand même les rayonnements et émettent de la chaleur en retour. Ils chauffent au soleil !

Dans le verre, le diamant ou divers plastiques ou cristaux, c’est différent : les niveaux quantiques d’énergie des atomes les constituant sont trop importants et aucun photon visible par l’œil ne peut les exciter. Résultat si le photon n’excite pas l’électron ? Il n’est pas absorbé ni détruit : il le traverse.

10. Le téléporteur de Star Trek

« Qu… quoi ? Oui, le téléporteur… quantique ! »

Des portails de téléportation imaginés en science fiction

Des portails de téléportation imaginés en science fiction

J’explique la téléportation quantique en détails ici, mais sachez que la physique quantique, de la conséquence de l’une de ses nombreuses particularités permet la téléportation : le déplacement d’un endroit à un autre sans effectuer de déplacement !

Ne vous emballez cependant pas trop vite : pour le moment, on n’en est seulement à un stade expérimental et seules quelques particules simples ont pu être téléportées.