La physique quantique est une branche de la physique qui étudie les phénomènes qui se produisent à de très petites échelles, 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 incluent :
- Dualité onde-particule.
- Le principe d'incertitude de Heisenberg.
- Chevaucher.
- Intrication quantique.
dualité onde-particule
Les particules subatomiques peuvent présenter à la fois un comportement 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 quantité de mouvement définies.
Cependant, dans d'autres expériences, des schémas d'interférence caractéristiques des ondes, tels que l'interférence à deux fentes, peuvent être observés.
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, est projeté à travers 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 sur l'écran, se comportant comme des particules ponctuelles.
Le principe d'incertitude de Heisenberg
Le principe d'incertitude de Heisenberg, formulé par le physicien Werner Heisenberg, impose 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 on a de précision sur son impulsion, et vice versa.
Cette limitation est liée à la nature ondulatoire des particules subatomiques. Plus la description d'une onde est « comprimée » (c'est-à-dire que son étendue spatiale est réduite), plus elle s'étend dans l'espace des instants, et inversement.
Ceci est exprimé par la célèbre inégalité de Heisenberg :
Δx * Δp >= h/4π
Où:
Δx représente l'incertitude de 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 se trouver 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 verrouillée 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 mort et vivant en même temps.
Ce n'est que lorsque la boîte est ouverte et que l'observation est faite que l'état quantique du chat s'effondre dans l'un des deux résultats possibles : mort ou vivant.
Intrication quantique
L'intrication quantique est un phénomène dans lequel deux ou plusieurs particules sont étroitement corrélées les unes aux autres, de 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 sur les particules intriquées
Une expérience bien connue qui illustre l'intrication quantique est l'expérience des particules intriquées ou paires de Bell.
Dans cette expérience, lorsque deux particules intriquées sont séparées et mesurées pour des 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 se réfèrent au même domaine d'étude. Cependant, il est possible de faire une distinction subtile entre les deux termes.
La physique quantique est un terme plus large qui englobe tous les aspects de la théorie quantique, qui comprend 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 théorie quantique statistique, 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 de très petites échelles.
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.
C'est 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.
