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Comprendre la physique quantique en partant de zéro

Vous avez peut-être entendu dire tout et son contraire à propos de la physique quantique :

  • Selon la physique quantique, il existerait des univers parallèles au nôtre ;
  • La physique quantique nous permettrait de nous téléporter ;
  • Schrödinger a tué son chat (“mais en fait, pas vraiment… oui et non quoi… bref, j’ai rien compris”).

Avant de découvrir tous ces aspects incroyables, fantastiques et futuristes du monde quantique, il est important que vous compreniez le point de départ de tout ce chahut scientifique.

Tout a commencé avec un petit photon

Si vous n’avez pas fait de physique depuis longtemps, le mot “photon” doit vous renvoyer à vos cours de lycée. Faisons simple : le photon est la particule responsable de la lumière.

Pour comprendre ce qu’est un photon, dites vous qu’une lampe torche est un canon à photons. La lumière de votre lampe se compose en réalité de milliards de photons, assimilables à de minuscules billes de lumière. Si vous éclairez un mur avec votre lampe, les photons sont envoyés contre le mur, un peu comme de l’eau qui sort d’un tuyau d’arrosage.

Les photons sont partout autour de nous chaque seconde. Ils s’échappent de n’importe quelle source lumineuse (le soleil, une ampoule, un truc phosphorescent, l’écran de votre téléphone….).

Pourquoi je ne sens rien quand des photons me frappent ?

Si vous vous éclairez le bras avec une lampe torche, vous ne sentirez pas la lumière vous frapper le bras contrairement à un jet d’eau dirigé sur vous. Pourquoi ça ? La lumière existe réellement alors pourquoi n’est-elle pas palpable ?

Si la lumière n’est pas palpable, c’est parce que les photons qui la composent par milliards sont en réalité des petites billes d’énergie. Rappelez-vous les films ou les jeux vidéos dans lesquels un perso envoie une boule d’énergie sur ses ennemis : eh bien ! c’est un peu ça un photon, sauf que c’est minuscule.

La lumière n’est donc pas un jet de matière (contrairement à un jet d’eau par exemple), mais un jet d’énergie. Pour utiliser les bons mots, on dit que la lumière est une onde électromagnétique.

Une onde ? Comme l’onde créée par un caillou jeté dans un étang ?

Exactement. Lorsque vous jetez un caillou dans l’eau, vous créez une onde. L’eau se déplace car elle a été perturbée. La lumière agit de la même manière : les photons se déplacent autour de nous car ils sont perturbés. En se déplaçant, ils créent des faisceaux lumineux.

Cool, mais quel rapport avec les univers parallèles et la physique quantique ?

On va y venir, le chemin n’est plus très long (mais vraiment nécessaire).

Au XVIIIe siècle, l’ami Newton — celui qui s’est pris une pomme sur la tête — disait à qui voulait bien l’entendre que la lumière était un flot de particules. Autrement dit, Newton pensait que la lumière se comportait comme l’eau d’un tuyau d’arrosage. A cette époque, les photons n’avaient pas encore été découverts. On parlait juste de “flot de matière”.

Un peu avant Newton, Huygens disait exactement le contraire. Pour lui, la lumière était une onde. Et devinez quoi : Newton était tellement célèbre que sa théorie remporta tous les suffrages… à tort.

Heureusement, au début du XIXe siècle, Monsieur Thomas Young put rétablir la vérité grâce à une expérience absolument incontournable.

Thomas Young
Thomas Young

Young a prouvé au monde entier que la lumière pouvait bien se comporter comme une onde, contrairement à ce que pensait Newton. Vous vous dites que ce débat “onde/matière” est bien inutile après tout, non ? Qu’est-ce que ça change au final ?

C’est Einstein qui va vous répondre :

En 1905, l’ami Albert déclara contre toute attente que la lumière pouvait avoir une nature corpusculaire. Autrement dit, que la lumière pouvait agir comme de la matière (un corpuscule = une petite particule).

Par le biais de son hypothèse, Einstein mit en évidence le principe de “quantums de lumière” par la suite rebaptisés “photon”. Après plusieurs années d’étude partagées par Einstein et Max Planck entre autres, les scientifiques se mirent d’accord sur le concept clef de la physique quantique : la dualité onde/corpuscule (ou “onde/particule” si vous préférez).

Pour faire simple :

  • La lumière se compose de photons, qui sont de petites billes d’énergies ;
  • Ces photons se comportent à la fois comme une onde
  • … et à la fois comme de la matière ;
  • Cette situation étrange est nommée “dualité onde/corpuscule“.

Comment le photon peut-il à la fois être une onde, et à la fois une particule ? C’est un peu comme si de l’eau était à la fois chaude et froide. En réalité, le photon change de nature en fonction du contexte. Une célèbre métaphore l’explique parfaitement :

La dualité onde/particule
La dualité onde/particule

L’image ci-dessus illustre le fait qu’un cylindre dispose des même propriétés qu’un rectangle ou qu’un cercle en fonction de l’angle de vue. Pour le photon c’est pareil : « onde » et « particule » sont des manières de voir les choses et non les choses en elles-mêmes.

C’est ainsi que naquit la physique quantique

Cet incroyable cheminement intellectuel amena les scientifiques à séparer le monde observable en deux parties :

  • Une partie macroscopique : c’est-à-dire tout ce qui est visible à l’œil nu ;
  • Une partie microscopique : c’est-à-dire le monde de l’infiniment petit (ce que l’on ne peut pas voir).

Jusqu’au début du XXe siècle, les physiciens étaient persuadés que toutes les lois découvertes dans le milieu macroscopique s’appliquaient partout, tout le temps, en toutes circonstances. La dualité onde/corpuscule est venue tout chambouler : dans le monde microscopique, rien ne se passe comme prévu par la physique classique.

Einstein et Plank, des piliers de la physique quantique
Planck et Einstein, des piliers de la physique quantique

Dans le monde microscopique, un chat peut être mort et vivant, des univers peuvent s’ouvrir et se fermer (spoil : cette théorie n’est pas la plus crédible mais on y viendra plus tard), des particules peuvent apparemment communiquer entre elles… séparées par plusieurs milliers de kilomètres de distance.

Stéphane

Stéphane Paton

Auteur turbulent, et fondateur de l'Institut Pandore. Je me lasse de tout, sauf d'apprendre et de dire des gros mots. J'écrivais sous pseudonyme (Félix Boussa et Charles Cohle).

17 commentaires

  • J’aime bien votre pédagogie.Peut-on dire que le soleil est une mitrailleuse à photons ? Cette mitrailleuse aurait plusieurs canons qui émettraient des balles (photons) de taille identique mais sortant des différents canons à des fréquences variables .Certains canons de la mitrailleuse auraient des fréquences de tir très élévées donnant des ondes de très hautes energies avec des distances courtes entre les photons émis, ce qui donnerait les rayons gamma , X, UV. D’autres canons de la mitrailleuses tireraient moins vite donnant des photons moins rapprochés et correspondant au spectre lumineux visible et enfin des tirs encore moins rapprochés ,plus distanciés donnant les ondes radio ? Merci

    • Bonjour , le soleil émet des particules, appelées photons, en très grandes quantités. C’est le rayonnement solaire. Ces flux de photons qu’on appelle également radiations ou rayons, voyagent dans l’espace à la vitesse de 300 000 km/s (c’est la vitesse de la lumière) et atteignent la terre à différentes longueurs d’ondes.

      On distingue par leur longueur d’onde les différents types de rayons : c’est le spectre solaire.

      Les rayons de longueur d’ondes très courtes (les rayons x, gamma,), extrêmement dangereux sont heureusement arrêtés dès les couches supérieures de l’atmosphère.

      Les rayons de longueur d’onde très longues (ondes radio) sont très faibles à la surfaces de terre.

      Nous parviennent essentiellement :

      Les Ultraviolets (UV), de 200 nm à 400 nm, invisibles, sans échauffer, provoquent des dommages sur les cellules
      La Lumière visible, de 400 à 800 nm, visibles, ils nous permettent de distinguer les formes et les couleurs
      Les Infrarouges (IR), de 800 à 1400 nm, invisibles, chauffent la matière solide ou gazeuse qu’ils rencontrent.

  • Bonjour. J’ai trouvé cet article très, très bien écrit. Pouvez-vous me dire si il a été traduit a’ l’anglais.J’ai des élèves que celui-ci fascinerait. Merci. L. Menard

    • Bonjour Lucie,

      Il n’a pas été traduit, désolé ! Si vous souhaitez le traduire et l’exploiter pour vos élèves n’hésitez pas, vous avez notre autorisation.
      Stéphane

  • Je trouve dommage qu’on continue à utiliser le principe de dualité onde/particule, qui est selon moi très perturbant dès qu’on va un tout petit peu plus loin.
    Par exemple, le principe des univers parallèles repose sur l’aspect “onde” des particules quantiques, mais pourtant, un principe équivalent est impossible à trouver dans le cas des ondes classiques, telles qu’une onde à la surface de l’eau.

    Un de mes profs avait d’ailleurs déclaré qu’il mettrait 0 à quiconque utiliserait cette expression (je trouvais ça un peu fort à l’époque, mais maintenant, je comprends mieux).

    Je trouve que ce serait intéressant de sortir des sentiers battus et d’abandonner cette explication au final plus historique qu’utile à la compréhension.
    Je préfère l’explication suivante:
    Une particule quantique n’est ni une onde, ni une particule. C’est un objet mathématique différent, qui a des propriétés différentes, en particulier, le fait que ses paramètres peuvent être décrit par une fonction de probabilité. C-à-d qu’un paramètre n’a pas une valeur donnée, mais une probabilité d’avoir une valeur.
    Ainsi, par exemple, la probabilité d’avoir une certaine position est donnée par une fonction souvent sinusoïdale. Voilà pourquoi on a des effets qui ressemblent à ce qu’on voit avec les ondes à la surface de l’eau.

  • Bravo pour cette première approche de la physique quantique qui donne envie d’en savoir plus !! C’est clair, bien écrit et bien illustré… On attend la suite et les approfondissements !!
    Il est par ailleurs amusant (et pourtant vrai…) de considérer Einstein comme un “pilier” de cette physique quand on sait qu’il y était farouchement opposé !! (“Dieu ne joue pas aux dés”, disait-il)

  • Bravo!
    Votre texte pourrait correspondre à des 3èmes car c’est très bien expliqué.
    Ce que j’adore dans l’univers quantique, c’est que c’est tellement jonché d’incertitudes et d’autres “ce n’est ni l’un, ni l’autre mais ce serait plus l’un que l’autre quand même”
    L’univers de la physique quantique est un lieu complexe et paradoxal.

  • Bonjours, d’abor je vous félicite pour cette article personnellement je suis juste élevé mais j’aimerai savoir s’il y avait un context/circonstance pour crée les photon.
    Car ils ne peuvent pas apparaître comme ça il y a bien un moment ou ils sont crée ? 🙂
    Merci

    • Dylan,

      Les photons vont être créés lorsque les électrons d’un atome vont changer de niveau d’énergie. Pour bien comprendre, il faut revenir au modèle de Bohr (https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_de_Bohr).

      Dans une ampoule par exemple : le filament de l’ampoule va chauffer à cause du courant envoyé dans l’ampoule. Les électrons des atomes du filament vont être excités. Puisqu’ils ne peuvent pas rester excités indéfiniment, ils vont finir par revenir à un niveau d’énergie plus stable. C’est à ce moment qu’ils pourront libérer un photon.

      Merci pour ton commentaire !
      Stéphane

  • Bonjour,
    Je viens de lire quelques lignes …. et j’ai compris !!! Merci pour ces explications toutes simples .
    Demain ou un autre jour, je lirai encore quelques lignes …. petit à petit …

Stéphane

Stéphane Paton

Auteur turbulent, et fondateur de l'Institut Pandore. Je me lasse de tout, sauf d'apprendre et de dire des gros mots. J'écrivais sous pseudonyme (Félix Boussa et Charles Cohle).

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