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Physique quantique, classique et relativité : quel rapport entre les 3 ?

Plus qu’une différence, l’écart entre la physique quantique et la physique classique pose d’énooormes problèmes aux scientifiques. Vous allez découvrir sur quoi Einstein et bien d’autres se sont longtemps cassés les dents… sans jamais trouver de réponses.

On en a déjà parlé, par exemple avec le chat de Schrödinger : les effets purement quantiques ne fonctionne qu’à l’échelle de la physique quantique, c’est-à-dire à l’échelle de l’infiniment petit. Cela ne signifie pourtant pas que la physique quantique est dénuée de liens avec les autres disciplines. Du moins, c’est ce que l’on espère… vous allez comprendre le problème rapidement.

La physique quantique est une des théories des plus solides actuellement : elle explique beaucoup de phénomènes que la physique classique n’explique pas, et un grand nombre d’expériences confirment tout ce qu’on attend d’elle. Jusque là, tout va bien.

Il reste cependant des choses qui ne sont pas expliquées par la physique quantique : la force de gravité par exemple, cette force bien connue qui nous “colle” les pieds au sol. Les physiciens quantiques cherchent à expliquer les phénomènes qui les entourent grâce à des outils quantiques. Notamment grâce au modèle standard !

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Autrement dit, les physiciens quantiques cherchent à tout expliquer en utilisant les particules élémentaires  de la matière : électrons, bosons, gluons, neutrons, etc. Mais il y a un problème avec la gravité : aucune de ces particules élémentaires ne permet de l’expliquer ! Il faudrait découvrir une nouvelle particule, que l’on appelle aujourd’hui hypothétiquement le graviton.

En face de la physique quantique, on a la célèbre relativité générale d’Eintein : elle explique la mécanique de l’univers à grande échelle, et présente la gravitation comme une déformation de l’espace-temps. Elle a été créée pour expliquer les effets de la gravitation que n’expliquait pas la physique classique.

La courbure de l'espace temps. Pas nécessaire de comprendre en détails le principe pour comprendre cet article.
La courbure de l’espace temps. Pas nécessaire de comprendre en détails le principe pour comprendre cet article.

Relativité générale et physique quantique sont donc deux branches de la physique qui étendent la physique classique là où cette dernière n’explique plus tout. Les deux sont solides et arrivent à prouver à peu près tout ce que l’expérience permet de tester, chacune dans leurs propres domaines d’application.

Un des problèmes actuel de la physique consiste à unifier la relativité générale et la physique quantique.

Le but en physique est d’avoir une seule théorie « simple » qui puisse tout expliquer, en particulier les forces de la nature. Actuellement, les forces nucléaires faibles et fortes et la force électromagnétique sont déjà unifiées. Il reste la force de gravitation, encore inexpliquée à ce jour.

Si on arrive à trouver un moyen d’expliquer la gravitation en physique quantique, on pourrait alors unifier la quantique avec la relativité générale. C’est vraiment comme s’il manquait une pièce au puzzle, pour pouvoir dire : “c’est bon, tout ce qu’on a raconté depuis le début tient la route !“.

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Le rêve d’Einstein (et pas que), durant les dernières années de sa vie et de son travail, était de trouver une équation concise qui explique toute la physique de l’univers, en particulier donc, les deux branches qu’il a contribué à mettre sur pied (la relativité générale et la physique quantique).

L’exemple des trous noirs et de Hawking

L’un des phénomènes naturels observés dans l’univers sont les trou noirs : ils sont une conséquence de la relativité générale. Le problème c’est qu’à l’intérieur du trou noir, toute notre physique s’effondre : plus rien de fonctionne. Mathématiquement, l’intérieur d’un trou noir voit des divisions par zéro et de vitesses supra-luminiques un peu partout…

Et pourtant les trou noirs existent. Ça signifie donc que ce sont nos équations qui ne sont pas complètes.

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Dans les années 1970, le physicien Stephen Hawking, en essayant lui aussi d’unifier toutes les théories physiques, est arrivé avec une théorie quantique à la surface des trous noirs. Il expliquait l’évaporation des trous noirs avec ce qui est désormais connu sous le nom de rayonnement de Hawking. Il s’agissait là d’un tout premier pas vers l’unification de la physique quantique et de la relativité générale.

Le chemin est cependant loin d’être tracée et le rayonnement de Hawking n’est qu’un premier pas vers une physique « du tout ».

Petit récap’ pour être sûr d’avoir tout compris :

  1. La physique quantique explique les choses avec ses outils à elle, c’est à dire avec les particules élémentaires que l’on connaît.
  2. La force de gravité n’est pas expliquée par les outils quantiques, ça pose problème…
  3. La théorie de la relativité de Einstein explique quant à elle très bien la gravité.
  4. Mais on aimerait bien relier les deux théories. Pour l’instant, ça paraît impossible.
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.

15 commentaires

  • Bonjour je m’excuse d’avance si je dis quelque chose d’absurde,mais je suis loin d’etre une tronche en physique,mon domaine c’est plus la psycho,oui je m’envoi des fleurs,enfin bref la gravité ne pourrait elle pas etre liée a la matière noir?

    • Les deux sont aujourd’hui la base dans la compréhension de l’univers.

      La quantique décrit tout ce qui se passe à petite échelle (particules…) et la relativité générale plutôt à grande échelle (gravitation des astres, galaxies…).
      Les deux ont chacune leur champ d’application, mais elles sont incompatibles entre elles (expliquer la gravité avec la quantique ne marche pas, ni expliquer les particules avec la relativité). L’un des buts de la physique moderne est d’unifier ces théories, pour avoir une seule théorie qui explique tout.

    • La mécanique quantique relativiste traite des particules à haute énergie (haute vitesse), alors que la non-relativiste, c’est à des domaines d’énergie plus basses.

      Si on veut étudier un ensemble d’un grand nombre de particules à haute énergie, on doit combiner la physique quantique et la relativité. Ceci pose problème car ces deux modèles théoriques ne fonctionnent pas bien ensemble (tout comme la physique classique se casse la gueule avec la lumière et les particules subatomiques). Dans ce cas on utilise le modèle théorique de la théorie quantique des champs.

      On peut résumer tout ça ainsi, de façon simplifiée : http://www.theculture.org/rich/sharpblue/images/qft.png

      • Tout l’abord merci de toutes vos réponses. On se sent moins seuls, face à ces nobles mais intimidantes disciplines. Vous mentionnez l’énergie des petites particules et leur circulation (haute énergie et basse). En quoi les petites particules ne sont-elles pas reliées à la gravité ? N’ont-elles pas de masse ? Si elles sont à la fois existantes et inexistantes, elles ont donc une possibilité de masse et une autre “d’Anti-masse” (j’invente des mots en plus ☺), qui coexistent potentiellement ? Je précise que je suis une linguiste à la base, mais qui perd son latin en cas de formule scientifique…. quel dommage…

  • Bonjour,

    Pour s’intéresser à la physique quantique, est-il absolument nécessaire de connaître la physique classique ?

    Sachant que je n’ai pas vraiment de bases, je veux juste savoir par où commencer.

    Merci d’avance pour votre aide.

    • Non, bien-sûr !

      Quand on regarde l’histoire des sciences physiques, les premières choses décrites furent la chute des objets (Newton), le mouvement du soleil et des planètes dans le ciel (Newton, Galilée, Kepler), ensuite le mouvement des objets (pour améliorer les armes, par exemple), puis la chimie (Lavoisier), la thermodynamique (Kelvin, Laplace), l’électricité (Franklin, Ampère…) et le magnétisme (Maxwell, Faraday…). Ensuite on a buté sur des problèmes plus complexes et on a dû voir plus large et mettre au point des modèles théoriques différents : relativité et quantique (Einstein, Bohr, Lorentz…).

      Si la physique classique est plus connue que la quantique, c’est simplement qu’elle est étudiée depuis 400 ans, alors que la quantique a à peine 100 ans.
      La raison est très simple : la classique traite des objets visibles et des phénomènes de la vie de tous les jours (un aimant, l’eau qui bout, une pomme qui tombe…). Alors que la quantique n’est pas aussi visible et donc intuitive : on s’est aperçu de la nécessité de la quantique en envoyant des atomes d’hélium sur une feuille d’or, en observant de l’eau et du pollen au microscope ou en constatant que certains cristaux réagissait à la lumière en produisant du courant électrique.

      On peut expliquer tous les phénomènes classiques avec la quantique ou la relativité, ça serait comme prendre un marteau pour écraser une mouche : ça marche, c’est juste inutile.

      La quantique est plus difficile à étudier en pratique : tout le monde ne peut pas construire un accélérateur de particule dans son garage (alors que tout le monde peut filmer la chute d’une pomme ou le mouvement d’un pendule).
      Étudier ça revient donc à faire beaucoup plus de théorie et d’expériences de pensée et d’idées, plutôt que de bricoler des choses matérielles (pendules, pommes, etc.).

      Ça reste de la physique, et il y a tout un tas d’applications concrètes (sans quantique, les ordinateurs ne seraient jamais inventés) qui ont été faites et qui seront inventés dans l’avenir grâce à ça.

      Si tu ne sais pas par où commencer, je penser (mais c’est juste mon avis) qu’il est intéressant d’avoir des bases en physique classique.
      Et pour ça, commence par regarder un peu l’histoire des sciences : de Newton à Einstein, en passant par Faraday, Lavoisier, Huygens et tous les autres. Étudier dans le même ordre que l’humanité a fait durant 400 ans, c’est une idée qui me semble bonne.

      Un très bon livre sur tout ça serait : Une histoire de tout, ou presque…, de Bill Bryson (lien Amazon).
      Qui part de zéro et qui explique un peu tout, dans tous les domaines, incluant la physique.

    • Salut,

      La mécanique quantique est définie par des choses bien précises : les énergies, vitesses, positions, etc. sont quantifiées (ou non continues, c’est synonyme).

      Pour donner un exemple : actuellement, on utilise des processeurs en silicium comportement plein de transistors. Si l’effet transistor est lui-même quantique, le processeur fonctionne en mécanique classique. Sauf que pour augmenter la puissance des processeurs, on doit mettre de plus en plus de transistors. Chaque transistors est donc de plus en plus petit.
      Il arrive un moment où cette miniaturisation ne peut plus se poursuivre : des effets purement quantiques vont commencer à apparaître, comme l’effet tunnel : un électron qui est normalement bloqué par une couche isolante va pouvoir passer quand même, en sautant de l’autre côté. La couche d’isolant ne fonctionnera alors plus convenablement.
      À ce moment là, on sera allé trop loin dans la miniaturisation et les effets quantiques doivent être pris en compte (ici, comme un problème).

      Il n’y a pas de limite numérique à partir de laquelle on peut dire « maintenant je suis en quantique ».

      C’est simplement une limite fonctionnelle : à un moment, notre application classiques ne fonctionne plus et les phénomènes quantiques ne peuvent plus être ignorés. La limite dépend de l’application.

      Dans mon exemple de la miniaturisation des composants, la limite se trouverait autour de 5~10 nanomètres pour la taille d’un transistor. Mais dans d’autres cas, la limite peut être différente.
      Ce n’est pas non plus nécessairement une limite de distance. Par exemple, pour qu’un nuage d’hydrogène puisse devenir une étoile et commencer des processus de fusion nucléaire (un processus quantique), il faut une certaine masse d’hydrogène. La planète Jupiter est essentiellement une boule d’hydrogène 1000 fois plus volumineuse que la Terre, mais ça n’est pas assez pour engendrer la fusion comme une véritable étoile.

  • Est_il idiot de se demander si en réalité tout n’est pas quantique et que la classique n’est que le fruit de nos perceptions_tronquées, simplifiées,”moyennées”de la réalité quantique ou n’existe ni couleurs,ni chaleur,ni hauteur,ni poids,ni espace,ni temps?

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.

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