La physique quantique est une branche de la physique qui étudie les phénomènes qui se produisent à très petite échelle, comme les atomes et les particules subatomiques. Contrairement à la physique classique, qui décrit le comportement des objets macroscopiques, la physique quantique se concentre sur le monde microscopique, où les lois de la physique classique ne s’appliquent plus.
La physique quantique repose sur plusieurs principes fondamentaux qui diffèrent de l’intuition classique. Certains de ces principes comprennent :
- Dualité onde-particule.
- Principe d'incertitude de Heisenberg.
- Chevaucher.
- Principe d'exclusion de Pauli.
- Intrication quantique.
Dualité onde-particule
Les particules subatomiques peuvent présenter à la fois des comportements de particules et d’ondes. Cela signifie que, dans certaines expériences, les particules peuvent se comporter comme des particules ponctuelles, avec une position et une impulsion définies.
Cependant, dans d’autres expériences, des modèles d’interférence caractéristiques des ondes peuvent être observés, comme l’interférence de deux fentes.
Expérience à double fente
Un exemple célèbre de cette dualité est l’expérience de la double fente. Lorsqu'un faisceau de particules, telles que des électrons ou des photons, traverse une barrière à deux fentes, un motif d'interférence est observé sur l'écran de détection.
Ce schéma ne peut s’expliquer que si l’on considère que les particules se comportent comme des ondes qui interfèrent les unes avec les autres. Cependant, en observant de près, des particules individuelles sont détectées à des points spécifiques de l'écran, se comportant comme des particules ponctuelles.
Principe d'incertitude de Heisenberg
Le principe d'incertitude de Heisenberg, formulé par le physicien Werner Heisenberg, établit une limitation fondamentale à la précision avec laquelle certaines propriétés d'une particule subatomique peuvent être connues.
Le principe stipule que la position et l'impulsion (ou l'impulsion) d'une particule ne peuvent pas être connues simultanément avec une précision absolue. Cela implique que plus la position d’une particule est mesurée avec précision, moins nous avons de précision sur sa quantité de mouvement, et vice versa.
Cette limitation est liée à la nature ondulatoire des particules subatomiques. Plus la description d'une onde est « resserrée » (c'est-à-dire que son étendue spatiale est réduite), plus elle s'étend dans l'espace des instants, et vice versa.
Ceci est exprimé par la célèbre inégalité de Heisenberg :
Δx * Δp >= h/4π
Où:
-
Δx représente l'incertitude sur la position.
-
Δp est l'incertitude du moment.
-
h est la constante de Planck.
Chevaucher
L’un des concepts les plus intrigants de la physique quantique est la superposition. Selon ce principe, les particules quantiques peuvent exister dans plusieurs états en même temps jusqu'à ce qu'une mesure soit effectuée.
Cela signifie qu’une particule peut être dans une superposition de différentes positions, impulsions, énergies ou autres propriétés.
Le chat de Schrödinger
Un exemple classique de superposition est l’expérience du chat de Schrödinger.
Dans cette expérience de pensée, un chat est placé dans une boîte fermée avec un appareil qui a 50/50 de chances de tuer le chat. Selon la mécanique quantique, avant d'ouvrir la boîte et de faire l'observation, le chat est dans une superposition d'être vivant et mort à la fois.
Ce n'est que lorsque la boîte est ouverte et que l'observation est faite que l'état quantique du chat s'effondre et se transforme en l'une des deux issues possibles : vivant ou mort.
principe d'exclusion de Pauli
Le principe d'exclusion de Pauli, formulé par Wolfgang Pauli, stipule que deux fermions identiques, comme les électrons, ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique dans un système donné.
Ce principe est essentiel pour comprendre la répartition des électrons dans les atomes et les molécules. Il empêche deux électrons de partager tous leurs nombres quantiques, y compris leur spin, garantissant ainsi une distribution unique et spécifique des électrons à travers les niveaux et sous-niveaux d’énergie.
Cette contrainte quantique est fondamentale pour la stabilité de la matière et a des implications significatives dans la formation de la structure atomique et du tableau périodique des éléments.
Intrication quantique
L'intrication quantique est un phénomène dans lequel deux ou plusieurs particules sont étroitement corrélées les unes aux autres, de telle sorte que l'état d'une particule est instantanément lié à l'état de l'autre, même si elles sont séparées par de grandes distances.
Cela implique une connexion non locale entre les particules intriquées.
Expérience de particules intriquées
Une expérience bien connue qui illustre l’intrication quantique est l’expérience des particules intriquées ou des paires de Bell.
Dans cette expérience, lorsque deux particules intriquées sont séparées et mesurées pour leurs propriétés complémentaires, telles que la polarisation, les résultats de mesure sont corrélés d'une manière qui ne peut être expliquée par la théorie classique.
Cela signifie que l’état quantique d’une particule est instantanément lié à l’état quantique de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.
Ce phénomène a été confirmé expérimentalement et est utilisé dans des technologies telles que la cryptographie quantique pour garantir la sécurité des communications.
Différence entre la physique quantique et la mécanique quantique
La physique quantique et la mécanique quantique sont des termes souvent utilisés de manière interchangeable et font référence au même domaine d'étude. Il est cependant possible de faire une subtile distinction entre les deux termes.
La physique quantique est un terme plus large qui englobe tous les aspects de la théorie quantique, y compris non seulement la mécanique quantique mais également d'autres domaines connexes tels que la théorie quantique des champs, l'électrodynamique quantique, la théorie de l'information quantique et la physique quantique, entre autres.
En ce sens, la physique quantique englobe une variété de théories et de principes qui expliquent le comportement des particules et des systèmes à très petite échelle.
La mécanique quantique, quant à elle, fait spécifiquement référence à la branche de la physique quantique qui traite de la description et de la compréhension du comportement des particules subatomiques et des systèmes physiques au niveau quantique.
Il s’agit de la théorie quantique la plus fondamentale et la plus connue, et elle établit les principes et les équations qui régissent le comportement des particules au niveau microscopique.