Accueil > Physique > Pourquoi je ne comprends rien à la physique quantique ?

Pourquoi je ne comprends rien à la physique quantique ?

Dans la physique classique, quand vous passez de 0 km/h à 50 km/h avec votre voiture, vous passez obligatoirement et successivement par toutes les vitesses intermédiaires : 1 km/h, 2 km/h, 3 km/h, mais aussi 1,1 km/h 1,2 km/h et ainsi de suite. Prenez n’importe quelle nombre à virgule entre 0 et 50 et il y existe un instant où vous serez passé par cette vitesse.

Dans la physique quantique, ceci n’est plus vrai. Vous passeriez directement de 0 km/h à 20 km/h puis de 20 km/h à 50 km/h. La transition se fait de façon instantanée. Mathématiquement, on remarquera que l’accélération subie est alors infinie.

car-icon-clip-art-at-clker-com-vector-clip-art-online-royalty-free-0ekstu-clipartChaque valeur de vitesse est alors un niveau de vitesse possible et dit « autorisé ». Les autres valeurs pour la vitesse sont dites « interdites ». Il est en effet impossible d’aller à une vitesse de 1 km/h, 10 km/h ou encore 21 km/h. Seules les valeurs 0 km/h, 20 km/h et 50 km/h sont possibles dans cet exemple.

La physique quantique fonctionne exactement de cette façon. Pas avec des vitesses et des voitures, mais plutôt avec des niveaux d’énergie et des particules : une particule peut avoir différents niveaux d’énergie autorisées, les autres étant toutes interdites. Un électron peut en effet passer d’un niveau d’énergie à une autre de façon instantanée, sans passer par tous les niveaux intermédiaires.

Notre voiture n’est pas quantique. Tant mieux ?

L’exemple avec la voiture est assez parlant : si on passait de 0 km/h à 50 km/h de façon instantanée, alors on serait complètement écrasé au fond du siège. Il serait également impossible de rouler à allure réduite (par exemple pour se garer).

Le moindre freinage serait un arrêt absolu et instantané encore plus violent que si on heurtait un mur de plein fouet. La nature des objets macroscopiques (comme vous, moi, une voiture, un animal…) fonctionne avec la physique du continu, pas la physique quantique.

Clairement, la physique quantique ne fonctionne que pour les particules de matière (électrons, photons, etc)  et non pas pour les assemblages macroscopiques de matière comme une voiture ou un arbre.

3d atom
Représentation d’un atome dans l’imaginaire collectif

Si on commence à appliquer les principes de la quantique aux objets macroscopiques, on obtient des résultats aberrants. Schrödinger avait tenté d’expliquer ça avec le fameux Chat de Schrödinger. Si l’on admettait qu’un chat puisse être un object quantique, alors selon Schrödinger, le chat pourrait être mort et vivant à la fois.

La physique quantique a plein d’effets comme ça : superposition quantique, intrication, niveaux d’énergie, etc. qui ne sont valables que pour les composants de la matière. Pas pour des choses à notre échelle humaine.

La physique quantique a fait tourner bien d’autres têtes avant la votre

Quand les instruments de mesure des physiciens ont commencés à se perfectionner, à devenir plus sensibles et que la physique classique était comprise de plus en plus, les scientifiques sont allés (par hasard, au début) au-delà de la physique classique : ils ont commencé à découvrir des phénomènes dont le résultat était incompatible avec ce qu’ils connaissaient.

einstein-thumbnail

Les physiciens du début du XXe siècle, Bohr et Einstein par exemple, ont alors compris que la physique des particules n’était pas continue mais discontinue et qu’on avait à faire à un comportement qu’ils ont baptisé « quantique » (un quanta étant par définition une quantité déterminée de quelque chose).

Inutile de dire que tout ceci a marqué une profonde révolution en physique : une physique discontinue ? Beaucoup n’y croyaient pas, ou ne voulaient pas y croire.

Mais comment imaginer les phénomènes quantiques ?

S’il a fallu les plus brillants esprits de toute une génération de physiciens pour comprendre les toutes premières définitions de la physique quantique… Pourquoi se dire qu’on est nul si on ne comprend pas ?

La physique quantique est quelque chose de totalement différent de tout ce que nos sens (vue, ouïe, toucher…) nous permettent de découvrir depuis que nous sommes enfants.

Jamais nos sens ne sont tombés face à face avec des phénomènes purement quantique. Notre cerveau n’est pas du tout conditionné pour comprendre la physique quantique.

Il est conditionné pour savoir dans quel sens un objet va tomber si on le lâche : la mécanique newtonienne (qui explique la chute des objets) est intuitive, basée sur nos sens.

loi_gravite

Le cerveau n’est pas conditionné pour comprendre l’intrication quantique ou la dualité des particules : il n’a jamais eu l’occasion de voir ça dans le jardin ou dans la cours de récré de l’école.

Ceci n’empêche pas de comprendre et de faire de la physique quantique pour autant. C’est juste qu’il faut passer par la base avant de se lancer dans des choses compliquées. Il faut accepter que les particules subatomiques ont des comportements totalement contre-intuitifs, auxquels nous ne sont ni habitués, ni familiers.

Par ailleurs, vu que la physique quantique n’admet pas vraiment de phénomènes que nos sens peuvent déceler, il faut également s’en remettre quasi-exclusivement à nos instruments de mesures et à nos équations.

Cela dit, des courants de pensées comme l’École de Copenhague donnent des interprétations des phénomènes quantiques. On met alors un pied dans la philosophie des sciences.

Ça rend peut-être la physique quantique beaucoup moins drôle (il y a moins d’explosions, de chutes, de flammes…) et plus compliquée en théorie, mais les applications finales de cette physique là ne sont pas beaucoup plus novatrices.

Pour finir…

Les applications de la physique classique – comme la machine à vapeur ou l’horloge mécanique – existent depuis plus de siècles. Mais les applications à l’intrication quantique, comme l’informatique quantique, sont en train d’être inventées en ce moment même.

Timo Van Neerden

Timo Van Neerden

Ancien étudiant en physique, fan de sciences, d’informatique, d’internet, du Japon, mais aussi des Pokémon et de tout ce qui touche à la geekerie.

12 commentaires

  • Il existe des phénomènes non continu dont nous sommes pourtant habitués.
    Par exemple, si on prend un morceau de plasticine, on a 1 bloc de plasticine.
    Si on en détache un morceau, on se retrouve avec 2 blocs de plasticine.
    On peut diviser et recomposer autant de blocs qu’on veut, on aura toujours un nombre entier de blocs de plasticine.
    Les volumes de ces blocs seront différents, mais le nombre de bloc, lui, sera toujours un nombre entier.
    On passe donc de 1 à 2 d’un seul coup, sans passer par 1.1, 1.2, …

    Un autre exemple est le nombre de nœud d’une corde qui vibre.
    Ce nombre de nœud est toujours entier (même si ce nombre évolue au court du temps, pour un instant t, il vaut une certaine valeur, puis à l’instant t+1, il peut avoir “sauté” à une autre valeur).
    On peut aussi compter les “bosse” de l’onde: il y a 1 bosse, 2 bosses, … mais jamais 2.3 bosses (on définit une bosse comme l’endroit où la courbe arrête de monter et redescend. Forcément, on a un nombre entier de ces endroits)
    Si je ne m’abuse, les niveaux d’énergie sont justement le résultat d’un phénomène identique (la fonction de probabilité de leur position est une onde, et les niveaux d’énergie sont les bosses)

    • La suite de nombres entier 1, 2, 3, 4… est continue dans l’ensemble des entiers naturels (ℕ).

      Si ton morceau de plasticine avait été quantique, il te serait impossible d’obtenir certaines quantités de morceaux. Tu pourrais le casser en 5 morceaux, 12 morceaux ou 42 morceaux, mais pas d’autres quantités.
      La suite 5, 12, 42 n’est quant à lui pas continu dans ℕ.

      Chaque morceau de plasticine devient également une fraction non entière du morceau initial, et là tu peux composer la fraction que tu veux… jusqu’à ce que tu atteignes des morceaux de la taille d’un atome et donc que tu atteignes le monde quantique où la continuité est impossible par définition (un atome de carbone et un atome de lithium ne forment pas 1,5 atomes de carbone).

      • Non, ℕ n’est pas continu.
        (ou plutôt: quelle est ta définition de “continu”. Soit ta définition de continu est triviale (l’ensemble de référence est l’ensemble qu’on évalue) et dans ce cas, la mécanique quantique est elle-même continue, soit j’aimerais que tu m’expliques)

        Je pense que tu es tellement habitué à voir l’ensemble des naturels et tellement habitué à dire: “la mécanique quantique est incompréhensible” que tu es idéologiquement choqué qu’il puisse y avoir un lien. C’est dommage car c’est une bonne façon de démystifier la physique quantique: “vous ne trouvez pas ça bizarre que vous ayez un morceau et puis subitement, 2 morceaux, sans passer par 1.5 morceaux (on parle bien de _nombre de morceaux_, pas de leur volume). Hé bien la quantification de la mécanique quantique n’est pas plus mystérieuse que ça”.

        Si tu veux de plus ample informations, on peut s’arranger pour discuter en privé (je suis docteur en physique). Pour les lecteurs qui lisent ceci, je leur conseille de lire mon premier commentaire mais d’ignorer le second parce qu’il prête inutilement à confusion en partant un peu dans tout les sens.

        • Bonjour,nico pourriez me commuuniquer vos coordonnées car je souhaiterait que l’on s’entretienne en privé sauf si vous y voyez un quelqonque inconvénient.

          PS:Veuillez m’excusez pour l’orthographe

          • Bravo très bon article. “Dans la physique quantique, ceci n’est plus vrai. Vous passeriez directement de 0 km/h à 20 km/h puis de 20 km/h à 50 km/h. La transition se fait de façon instantanée.” C’est à la fois faux et vrai , aucune transition ne se fait de façon instantanée , vos machines et vos scientifiques​ n’ont pas encore cette capacité de reconnaissance bêta … Dans un futur proche peut-être…

        • Si on veut être rigoureux, Timo a effectivement faux quand il parle de continuité de ℕ sans définir ce qu’il entend par là (étant donné qu’il est d’usage d’utiliser cette notion pour des fonctions). Par contre, nico, vous auriez pû lire entre les lignes et comprendre que Timo veut dire que dans votre exemple (ou analogie), si on note f la fonction qui à un temps t associe une valeur dans ℕ (le nombre de bout de plasticine), alors en classique on aurait effectivement ℕ comme ensemble d’arrivée alors qu’en quantique on aurait un sous-ensemble strict de ℕ.

          Votre deuxième exemple me semble plus correct en tant qu’analogie et facilite la compréhension de la partie fonction d’onde de la quantique. Je suis d’ailleurs de votre avis, les personnes qui s’intéressent à la quantique ont peut-être tendance à trop mystifier la quantique. Je pense que c’est dû au fait que dans notre système (et aussi à notre époque, mais ce n’est pas immuable), pour s’intéresser à la quantique, c’est qu’on a un bon bagage de classique. Du coup, on essaie d’expliquer et de comprendre la quantique avec la classique parce que les deux font partie du même domaine de la “physique”. Je pense que de jeunes étudiants n’auraient aucun problème à comprendre les phénomènes quantiques si, assez tôt dans leur formation, ils apprennent qu’il y a deux branches dans la physique.

          Dernier point, je vous propose de retirer l’image de l’atome avec les électrons qui tournent autour du noyau. Ou au moins d’expliquer que cette représentation est fausse (si rotation des électrons autour du noyau, accélération non nulle, rayonnement, perte d’énergie, effondrement de la matière).

          • “alors en classique on aurait effectivement ℕ comme ensemble d’arrivée alors qu’en quantique on aurait un sous-ensemble strict de ℕ.”

            Et de la même façon, le dénombrement est un phénomène qui, appliqué à la mécanique quantique qui a comme ensemble d’arrivée ℕ, correspond à un sous-ensemble strict de ℕ.

            Le quantique _par rapport au classique continu_ c’est comme passer de ℝ à ℕ.
            Le dénombrement _par rapport au classique continu_ c’est comme passer de ℝ à ℕ.
            Le quantique _par rapport au dénombrement si on imagine le dénombrement comme le classique continu_, c’est comme passer de ℕ à un sous ensemble de ℕ.
            Le dénombrement _par rapport au quantique si on imagine le dénombrement comme le classique continu_, c’est comme passer de ℕ à un sous ensemble de ℕ.

            Si tu ne vois pas ça, si tu continues à considèrer que le dénombrement est “plus continu” que le classique, alors, tu n’es pas équippé pour comprendre le quantique, car tu considères que des concepts avec lesquels tu es familier (le dénombrement) sont soudainement bizarroïde quand on parle du quantique.

            C’est ce que je trouve dommage chez Timo: au lieu de comprendre ça, il a tout de suite “imaginé si on considère le dénombrement comme le classique continu”. Non seulement c’est à côté de la plaque de ce que j’explique mais en plus, ça montre qu’il n’a pas de recul.

            “vous auriez pû lire entre les lignes et comprendre …”

            C’est justement parce que j’ai compris où Timo voulait en venir que ça me dérange.
            C’est justement ça qui me dérange: la mécanique quantique est par rapport au classique continu exactement le même (sur le plan de la continuité) que ce qu’est le dénombrement par rapport au classique continu.

            “Votre deuxième exemple me semble plus correct en tant qu’analogie et facilite la compréhension de la partie fonction d’onde de la quantique.”

            Je ne suis pas d’accord: le deuxième exemple est juste plus proche de la réalité de la physique quantique. Mais le premier exemple est au contraire une meilleure analogie, car le deuxième explique le phénomène tandis que le premier est une vraie analogie.

            “Du coup, on essaie d’expliquer et de comprendre la quantique avec la classique parce que les deux font partie du même domaine de la « physique ».”

            Je ne sais pas trop comment comprendre cette phrase.
            La physique quantique, c’est une formulation mathématique sous forme d’onde de probabilité. Dire qu’on parle d’onde parce que les ondes est un phénomène classique est faux: on parle d’onde parce que la mécanique quantique est fondamentalement lié à ça (du moins dans ses premières formulations).
            Il n’y a pas “deux physiques”, il y a un seul langage, qui est la mathématique, dont certains éléments apparaissent en quantique et en classique.

            “Dernier point, je vous propose de retirer l’image de l’atome avec les électrons qui tournent autour du noyau.”

            Je ne pense pas avoir fait référence à cette représentation.

          • La quantique est continue en quantique, tout comme l’ensemble des entiers naturels est continue par rapport à lui même.

            Je n’ai pas de problème à voir ça.

            Cependant, pour répondre à la question qui se trouve dans le titre, il faut bien se mettre à la place d’une personne qui arrive dans le monde de la quantique pour la toute première fois. Cette personne par avec des connaissances en classique, et si on veut lui faire comprendre, il faut lui expliquer les différences entre classique et quantique. Il n’y a que comme ça qu’on peut se rendre compte des choses.

            Dans ce monde où on vit en classique depuis qu’on est enfant, il est impossible d’avoir la physique quantique innée. Notre environnement et nos sens fonctionnent en classique, pas en quantique.

            Dire que la physique quantique est la même chose que la physique classique mais transposé d’un ensemble de nombre continu à un ensemble discontinu, c’est juste ajouter une étape de plus et repousser le problème.

          • @ Timo:

            Justement, les gens sont très familiers avec le dénombrement.
            C’est donc un très bon moyen de leur faire comprendre la physique quantique.
            Qu’as-tu exactement contre l’explication suivante:
            “Dans la physique classique, quand vous passez de 0 km/h à 50 km/h avec votre voiture, vous passez obligatoirement et successivement par toutes les vitesses intermédiaires : 1 km/h, 2 km/h, 3 km/h, mais aussi 1,1 km/h 1,2 km/h et ainsi de suite. Prenez n’importe quelle nombre à virgule entre 0 et 50 et il y existe un instant où vous serez passé par cette vitesse.

            Dans la physique quantique, ceci n’est plus vrai. Vous passeriez directement de 0 km/h à 20 km/h puis de 20 km/h à 50 km/h. La transition se fait de façon instantanée. Mathématiquement, on remarquera que l’accélération subie est alors infinie.

            Cela peut paraître déroutant, mais ne vous faites pas influencer par le préjugé que la physique quantique est déroutante, car en fait, pour ce phénomène là, il y a d’autres cas, non quantique, avec lesquels on est très familier. Par exemple, le dénombrement. En effet …”

            Ne trouves-tu pas qu’il est plus simple, pour une personne qui arrive dans le monde quantique pour la première fois, de lui expliquer les phénomènes déroutants en lui montrant qu’ils ne sont pas forcément si exotiques ? On ne peut pas avoir la physique quantique innée, mais on a la notion de dénombrement innée. Si on ne peut plus utiliser des concepts connus pour expliquer, on ne peut plus aller très loin.

            “Dire que la physique quantique est la même chose que la physique classique mais transposé d’un ensemble de nombre continu à un ensemble discontinu, c’est juste ajouter une étape de plus et repousser le problème.”
            Ce n’est pas ce que je dis. Ce que je dis, c’est qu’il existe des phénomènes discontinus, en physique quantique ET en physique classique, et que pour familiariser le débutant en physique quantique, il suffit de lui faire remarquer qu’il côtoie tout les jours des phénomènes discontinus. (cela ne veut pas dire que la physique quantique n’est pas “bizarre”, mais pour l’effet de quantification, je trouve que ceux qui disent que c’est déroutant sont au contraire ceux qui se compliquent les choses pour rien)
            C’est d’ailleurs toi et uniquement toi qui “transpose d’un ensemble à un autre”. Lorsque j’ai parlé pour la première fois du dénombrement, je n’ai pas dit “on a le dénombrement classique, et si on le transpose en un ensemble discontinu, on obtient le dénombrement quantique”. Au contraire, c’est toi qui fait ça dans ta réponse, en disant ce que serait l’effet “passage du classique au quantique” sur le dénombrement.
            Je n’ai toujours pas compris l’intérêt de cet exercice de ta part, à part si tu n’avais pas compris mon propos.

  • Salut et merci pour votre explication, quel rapport y-a-t-il entre la physique quantique et l’énergie perpétuelle ou si vous voulez continuelle ? Merci

    • La physique quantique est une théorie qui a été vérifiée expérimentalement : tous les conceptes de la physique quantique ont été vérifiées. Ça ne veut pas dire qu’on a tout vu, mais simplement que les phénomènes en quantique (comme l’effet tunnel ou la téléportation quantique) sont reproductibles, explicables et existent.

      Le mouvement perpétuel, l’énergie libre, les moteurs surnuméraires et toutes les autres fantaisies à base d’aimants qu’on rencontre souvent sur le net sont toutes fausses.
      Aucune n’est reproductible et personne n’a jamais réussis à les faire (et une vidéo, ça ne compte pas : truquer la vidéo est très facile).

      La différence est là : la physique quantique est une théorie solide, vérifiée par l’expérience et reproductible. L’énergie perpétuelle ou libre est fausse, non vérifiée et impossible à produire.

  • Je suis nouveau en physique quantique et j’ai quelques questions :

    – Pourquoi la radioactivité beta – rejette t’elle un électron alors qu’elle vient d’obtenir un proton de plus ? Ca ne devrait pas être l’inverse pour obtenir la stabilité électrique ? (Vice versa pour la radioactivité beta +)

    – Lorsqu’on parle de l’électron qui perd sa dualité “onde-particule” lorsqu’on tente de le mesurer…. que veut-on dire ? La perd-il littéralement où seulement mathématiquement ? Et si il la perd vraiment comment est-ce possible ? Comment sait-il qu’on l’observe ?

    – Finalement pourquoi les mésons sont-ils stables ? Une particule avec son homologue d’antimatière ne devraient-ils pas se désintégrer ?

    Vraiment désolé si mes questions semblent stupides, je répète que je suis tout nouveau dans ce sujet

Timo Van Neerden

Timo Van Neerden

Ancien étudiant en physique, fan de sciences, d’informatique, d’internet, du Japon, mais aussi des Pokémon et de tout ce qui touche à la geekerie.

Refaites le monde avec nous

Retrouvez-nous sur Facebook