La physique quantique pour les nuls (épisode 1)

Je me suis dit qu'un petit éclaircissement sur ce que j'étudie ici serait appréciable pour certains. La physique quantique on en a tous plus ou moins entendu parler mais presque personne ne sait vraiment ce que c'est... Je vais donc essayer, à mon niveau, d'en parler un peu pour donner une vue globale accessible. Je ne dis pas que c'est facile à comprendre, et je suis conscient qu'il faut une bonne dose de courage et de motivation pour se lancer dans cette lecture, mais j'ai fait ce que j'ai pu ! Si des moments restent peu compréhensibles ou si vous avez des questions, faites-en moi part, j'essaierai de modifier cet article en conséquence.


Qu'est-ce que c'est ?

Tout d'abord la physique quantique est une théorie scientifique, c'est-à-dire une tentative d'appropriation des phénomènes que l'on peut observer, afin de les étudier ou de les prévoir.
La théorie dite "classique", ou Newtonienne, que l'on apprend au lycée, en est également une, la théorie de la relativité en est une autre. Ce qui les différencie est le point de vue adopté, la manière de s'approprier les phénomènes que l'on observe.


Pourquoi changer de point de vue ?

Depuis Newton jusqu'au début du XXième siècle, la théorie classique a connu son âge d'or : tout ce qui se passait dans le monde semblait obéir très gentiment a ce que prédisait la théorie (somme des forces égale à la masse fois l'accélération). Tout allait bien (enfin presque) dans le meilleur des mondes, au point que certains philosophes déclaraient la science comme "complète", ou sur le point d'atteindre son but.
Mais dans les années 1900 des gens (à l'esprit un peu tordu) ont imaginé et mis-au-point des expériences bizarres... Pour comprendre leur particularité, une petite explication préalable est nécessaire.

La théorie classique sépare les phénomènes en deux classes hermétiques : les corpuscules d'un côté, les ondes de l'autre.
Les corpuscules sont des objets matériels (une balle de golf, une planète, un atome) qui ont leur existence propre. Leur nature permet de les assimiler à un point matériel (quelque chose que l'on peut montrer du doigt).
Les ondes sont des objets immatériels (une vague dans l'eau, un son, de la lumière), elles constituent un point de vue commode pour décrire l'attitude d'un ensemble d'éléments, d'un milieu (l'eau pour les vagues, l'air pour le son, certaines propriétés électromagnétiques du milieu pour la lumière). Essayez donc de montrer du doigt la musique qui sort de vos enceintes et qui arrive à vos oreilles...
Pour le physicien du 19ième siècle, les choses sont relativement simples : un ballon de foot est une particule, la manière dont se déplacent les mailles du filet des buts lorsque le ballon les heurtent est une onde (de choc). Pas de confusion possible entre les deux mondes.
L'article sur le sujet de Wikipedia donne le tableau récapitulatif suivant :

PARTICULE	ONDE
localisée, d'extension définie	délocalisée (un son peut être entendu dans toute la pièce)
création et destruction impossible	création et destruction facile (pincer ou arrêter une corde de guitare)
séparés, impossibles à fusionner	addition simple (interférences)

L'expérience "tordue" est au sujet des interférences.
Les interférences sont un phénomène qu'on ne peut observer qu'avec des ondes.
Il apparait par exemple si une vague arrive sur une digue percée à deux endroits proches.

Les vagues issues du trou de gauche "interfèrent" avec celles issues du trou de droite, c'est-à-dire que tantôt elles se gênent et s'annulent, tantôt elles s'additionnent. C'est ce qui est représenté par la courbe suivante, caractéristique de toutes les expériences d'interférences, représentant l'intensité de l'onde perçue selon un axe horizontal, placé après la digue:

Vous trouverez (si l'envie vous prend) plus d'infos sur la page wikipédia correspondante. Une autre image où c'est peut-être plus évident (les portes sont en bas, les vagues arrivent du bas):

(c'est beau la physique, hein ??)

C'est en revanche impossible d'observer ce phénomène pour les particules : imaginez que vous êtes devant un mur avec deux portes ouvertes et que quelqu'un de mal intentionné, placé derrière le mur, envoie des ballons de foot vers le mur (quelqu'un qui envoie des ballons de foot est forcément mal intentionné, ça c'est une théorie personnelle). Imaginons en plus qu'il envoie les ballons un par un. Certains vont passer par la porte de droite, d'autres par la porte de gauche, mais ils ne vont en aucun cas "interférer" entre eux.
Avec une seule porte ouverte on obtient une répartition plus ou moins sous la forme d'une gaussienne.
Or on peut montrer en maths que l'addition de deux gaussiennes est une gaussienne, ie si on ajoute les impacts des ballons venant de la porte de gauche aux impacts des ballons venant de droite on retrouve encore une répartition sous la forme de la courbe précédente.
Aucune chance donc d'avoir une répartition d'impacts comme la courbe rouge en théorie dans ce cas-là.

C'est ici qu'intervient (enfin) l'esprit tordu de quelques physiciens, qui, ne voulant pas faire comme tout le monde, ont justement envoyé un par un des électrons (= ballons de foot) à travers des fentes d'Young (= mur avec deux portes).
Et là c'est le drame ! Ils se rendent compte qu'en envoyant des milliers d'électrons les uns après les autres, ils retrouvent la petite courbe rouge preuve d'interférences...

Sur la première image, on envoie une dizaine d'électrons les uns après les autres. Les petits points blancs représentent les points d'impact. Dans les images suivantes, on continue à envoyer des électrons, toujours les uns après les autres, de plus en plus, jusqu'à voir apparaitre cette maudite figure d'interférence pour plusieurs milliers d'électrons. Les électrons (alors considérés comme des particules, au même titre que le ballon de foot) se comportent donc dans certains cas comme des ondes...
Et voilà ce qui a conduit à changer le point de vue et à chercher une autre vision des phénomènes. En gros l'esprit de la physique quantique c'est "merde les gars on a dû se planter quelque part, c'est où que ça bloque ?".

(au prochain épisode nous verrons en quoi consiste le nouveau point de vue adopté)