Physique quantique

La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques nées au XX siècle. Elle est caractérisée par la présence de la constante de Planck. Avec la relativité, cette branche de la physique marque une rupture par rapport à ce que l'on appelle maintenant la physique classique, qui regroupe l'ensemble des théories et principes physiques admis au XIX siècle , cette dernière ayant échoué dans la description de l'infiniment petit — atomes, particules — et dans celle de certaines propriétés du rayonnement électromagnétique. La physique quantique comprend :

• l'ancienne théorie des quanta ;
• les postulats de la mécanique quantique ;
• la mécanique quantique non relativiste ;
• la physique des particules (dont la formulation repose sur la théorie quantique des champs) ;
• la physique de la matière condensée ;
• la physique statistique quantique ;
• la chimie quantique ;
• les théories candidates à une description de la gravité quantique.

Corps noir et catastrophe ultraviolette

D’après les théories classiques de la physique, un corps noir à l'équilibre thermodynamique est censé rayonner un flux infini. Plus précisément, l'énergie rayonnée par bande de longueur d'onde doit tendre vers l'infini quand la longueur d'onde tend vers zéro, dans l'ultraviolet pour les physiciens de l'époque, puisque ni les rayons X ni les rayons gamma n'étaient alors connus. C’est la catastrophe ultraviolette.

Introduction des quanta en physique

Elle remonte aux travaux effectués en 1900 par Planck sur le rayonnement du corps noir à l’équilibre thermique. Une cavité chauffée émet un rayonnement électromagnétique (lumière) aussitôt absorbé par les parois. Pour rendre compte du spectre lumineux par le calcul théorique des échanges d’énergie d’émission et d’absorption (d**E), Planck dut faire l’hypothèse que ces échanges sont discontinus et proportionnels aux fréquences (ν) du rayonnement lumineux : d**E = n**hν.

• n est un nombre entier
• h est le quantum d’action qui apparut bientôt comme l’une des constantes fondamentales de la nature (constante de Planck)
• ν est la fréquence de la lumière

Quantification du rayonnement et des atomes

En 1905, à la suite d’un raisonnement thermodynamique dans lequel il donnait aux probabilités un sens physique (celui de fréquences d’états pour un système), Einstein fut amené à considérer que ce ne sont pas seulement les échanges d’énergie qui sont discontinus, mais l’énergie du rayonnement lumineux elle-même. Il montra que cette énergie est proportionnelle à la fréquence de l’onde lumineuse : E=hν. Cela donnait immédiatement l’explication de l’effet photoélectrique observé 20 ans auparavant par Hertz.

Effet photoélectrique

L’énergie E = hν apportée par le quantum de lumière à l’électron lié dans un atome permet à celui-ci de se libérer si cette énergie est supérieure ou égale à l’énergie de liaison de l’électron, nommée également travail de sortie W, en vertu de la relation :

hν = W + E_c

où E_c est l'énergie cinétique acquise par ce dernier. Cet effet de seuil était inexplicable dans la conception continue de l’énergie lumineuse de la théorie électromagnétique classique.

Limites de la théorie électromagnétique classique

Einstein s’aperçut alors que cette propriété du rayonnement était en opposition de manière irréductible avec la théorie électromagnétique classique (élaborée par Maxwell). Dès 1906, il annonça que cette théorie devrait être modifiée dans le domaine atomique. La manière dont cette modification devrait être obtenue n’était pas évidente puisque la physique théorique reposait sur l’utilisation d’équations différentielles, dites équations de Maxwell, correspondant à des grandeurs à variation continue.

L’hypothèse quantique

Malgré la puissance de la théorie des quanta, peu de physiciens étaient enclins à imaginer que la théorie électromagnétique classique puisse être invalidée. Einstein s’efforça alors de mettre en évidence d’autres aspects des phénomènes atomiques et du rayonnement qui rompaient avec la description classique. Il étendit ainsi l’hypothèse quantique, par-delà les propriétés du rayonnement, à l’énergie des atomes, par ses travaux sur les chaleurs spécifiques aux basses températures. Il retrouvait l’annulation des chaleurs spécifiques des corps au zéro absolu, phénomène observé mais inexplicable par la théorie classique. D’autres physiciens (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) le rejoignirent peu à peu pour conclure au caractère inéluctable de l’hypothèse quantique que Planck lui-même hésitait à admettre. Elle n’était cependant encore acceptée généralement que pour les échanges d’énergie.

La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle ayant des répercussions jusqu'en philosophie (remise en cause du déterminisme) et en littérature (science-fiction). Elle a permis nombre d'applications technologiques : énergie nucléaire, imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, diode, transistor, microscope électronique et laser. Un siècle après sa conception, elle est abondamment utilisée dans la recherche en chimie théorique (chimie quantique), en physique (mécanique quantique, théorie quantique des champs, physique de la matière condensée, physique nucléaire, physique des particules, astrophysique), en mathématiques (formalisation de la théorie des champs) et, récemment, en informatique (ordinateur quantique, cryptographie quantique). Elle est considérée avec la relativité générale d'Einstein comme l'une des deux théories majeures du XX siècle.

La physique quantique est connue pour être contre-intuitive, choquer le « sens commun » et nécessiter un formalisme mathématique ardu. Feynman, l'un des plus grands théoriciens spécialistes de la physique quantique de la seconde moitié du XX siècle, a ainsi écrit :

« Personne ne comprend vraiment la physique quantique. »

La raison principale de ces difficultés est que le monde de l'infiniment petit se comporte très différemment de l'environnement macroscopique auquel nous sommes habitués. Quelques différences fondamentales qui séparent ces deux mondes sont par exemples :

• la quantification : Un certain nombre d'observables, par exemple l'énergie émise par un atome lors d'une transition entre états excités, sont quantifiés, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent prendre leur valeur que dans un ensemble discret de résultats. A contrario, la mécanique classique prédit le plus souvent que ces observables peuvent prendre continûment n'importe quelle valeur.
• la dualité onde-particule : La notion d'onde et de particule qui sont séparées en mécanique classique deviennent deux facettes d'un même phénomène, décrit de manière mathématique par sa fonction d'onde. En particulier, l'expérience prouve que la lumière peut se comporter comme des particules (photons, mis en évidence par l'effet photoélectrique) ou comme une onde (rayonnement produisant des interférences) selon le contexte expérimental, les électrons et autres particules pouvant également se comporter de manière ondulatoire.
• le principe d'incertitude de Heisenberg : Une incertitude fondamentale empêche la mesure exacte simultanée de deux grandeurs conjuguées. Il est notamment impossible d'obtenir une grande précision sur la mesure de la vitesse d'une particule sans obtenir une précision médiocre sur sa position, et vice versa. Cette incertitude est structurelle et ne dépend pas du soin que l'expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système ; elle constitue une limite à la précision de tout instrument de mesure.
• le principe d'une nature qui joue aux dés : Si l'évolution d'un système est bel et bien déterministe (par exemple, la fonction d'onde régie par l'équation de Schrödinger), la mesure d'une observable d'un système dans un état donné connu peut donner aléatoirement une valeur prise dans un ensemble de résultats possibles.
• l'observation influe sur le système observé : Au cours de la mesure d'une observable, un système quantique voit son état modifié. Ce phénomène, appelé réduction du paquet d'onde, est inhérent à la mesure et ne dépend pas du soin que l'expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système.
• la non-localité ou intrication : Des systèmes peuvent être intriqués de sorte qu'une interaction en un endroit du système a une répercussion immédiate en d'autres endroits. Ce phénomène contredit en apparence la relativité restreinte pour laquelle il existe une vitesse limite à la propagation de toute information, la vitesse de la lumière ; toutefois, la non-localité ne permet pas de transférer de l'information.
• la contrafactualité : Des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent sur les résultats de l'expérience.