La physique quantique est un domaine qui englobe tous les aspects de la physique où l’utilisation des lois de la mécanique quantique est nécessaire pour comprendre les phénomènes en jeu. Cette théorie fondamentale explique la nature des particules constituant notre univers ainsi que les forces qui les animent.
Un Cadre de Lois Physiques de l’Infiniment Petit à l’Infiniment Grand
En combinant la mécanique quantique avec la relativité restreinte, nous avons pu élaborer le modèle standard des particules élémentaires. Cela a été rendu possible grâce à ce que l’on appelle la théorie quantique des champs. Actuellement, des tentatives sont faites pour unifier la mécanique quantique avec la relativité générale, mais la recherche sur la gravité quantique en est toujours à un stade préliminaire. Les théories des supercordes et de la gravitation quantique à boucles sont les plus prometteuses et ouvrent également des perspectives en cosmologie quantique. Toutefois, contrairement au modèle standard qui a été solidement confirmé par des expériences scientifiques, il n’y a pas encore de preuves concluantes pour étayer ces théories de gravité quantique.
La physique quantique repose sur des concepts hautement mathématiques et subtils. Au-delà de l’interprétation orthodoxe de Copenhague, il existe une multitude d’interprétations physiques de la mécanique quantique. Cette dernière nous offre une description étonnante et peu intuitive des particules, telles que les électrons ou les photons, qui sont à la fois des particules et des ondes. Elles peuvent également se retrouver simultanément en deux endroits différents ou traverser des obstacles en apparence infranchissables (effet tunnel).
Au cœur de la physique quantique se trouvent les mystérieuses amplitudes de probabilité qui régissent tous les processus physiques. Les grandeurs physiques sont alors déterminées par des lois de probabilité lorsqu’une mesure est effectuée. Ces amplitudes de probabilité présentent des phénomènes d’interférence et de diffraction, similaires à ceux observés avec les ondes stationnaires sur des cordes vibrantes ou dans des cavités résonnantes. Elles conduisent à la quantification de l’énergie dans de nombreux systèmes physiques, tels que les atomes et le champ électromagnétique. Elles limitent également l’interprétation des phénomènes en termes de particules ou d’ondes classiques. Par exemple, les inégalités de Heisenberg ne permettent pas de déterminer simultanément la vitesse et la position d’un électron.
De l’Atome aux Étoiles, la Physique Quantique Partout
La physique quantique trouve son application dans tous les domaines de la physique, qu’il s’agisse du monde de l’infiniment petit (les particules élémentaires) ou de l’infiniment grand (le Big Bang et la cosmologie quantique). Elle explique ainsi la chimie quantique, l’optique quantique, ainsi que la physique de la matière condensée.
Les lois de la mécanique quantique expliquent pourquoi les atomes et les molécules sont stables, comment ils peuvent émettre et absorber de la lumière, ainsi que leur capacité à se combiner dans des réactions chimiques. La physique quantique rend compte de phénomènes surprenants tels que la supraconductivité, la superfluidité de l’hélium, mais aussi des phénomènes plus courants tels que le ferromagnétisme des aimants, la conduction électrique des métaux et l’existence des isolants. Elle introduit également de nouvelles excitations quantiques dans la physique des solides, appelées quasiparticules, comme les phonons, les magnons et les excitons.
La mécanique quantique nous permet également de comprendre pourquoi et comment le Soleil brille, grâce à des réactions de fusion nucléaire entre l’hélium et le deutérium, ainsi que l’origine des noyaux de carbone présents dans notre corps. Elle nous aide à étudier la composition des étoiles dans les galaxies et la structure de notre propre galaxie, la Voie lactée, grâce à l’analyse des raies spectrales, comme celle de l’hydrogène à 21 cm.
Physique Quantique et Technologie
La physique quantique est au cœur de la technologie moderne. Le fonctionnement des lasers, des masers, des CCD et des composants électroniques de nos appareils repose sur ses lois. Les domaines de l’IRM et de la RMN, ainsi que la microscopie électronique, sont également basés sur les principes de la physique quantique. Dans les décennies à venir, les réacteurs de fusion contrôlée, successeurs éventuels du projet Iter, utiliseront des aimants supraconducteurs. De plus, une révolution technologique d’envergure pourrait être en préparation avec les nouvelles disciplines de l’information quantique et les ordinateurs quantiques. Certains spéculent même sur le rôle que pourrait jouer la mécanique quantique dans les domaines de la biologie et des neurosciences.
La physique quantique est loin d’être un domaine complètement exploré : elle contient encore des paradoxes qui ne sont pas entièrement compris, tels que le paradoxe du chat de Schrödinger et l’effet EPR, bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans leur compréhension depuis les années 1980.
La physique quantique offre une perspective fascinante sur le monde qui nous entoure. Son exploration continue nous réserve encore de nombreuses surprises et découvertes inattendues.
