Comme on est dimanche, je me suis dit que j'allais commencer une petite série d'entrées sur la mécanique quantique! Que ce soit par pure auto-satisfaction ou par envie d'expliquer ce qui a déjà été expliqué plusieurs centaines de fois sur le web ne fait finalement pas grande différence... De plus, ça ajoute du texte au lieu d'images, et ça fait bien...
Alors nous commençons tout de suite par un petit peu d'histoire... (musique : Concerto de Aranjuez par Joaquìn Rodrigo)
À la fin du XIXème siècle, on pensait avoir tout découvert de la physique, qui comprenait alors trois grands domaines :
- La mécanique newtonienne (
F=m
a, l'oscillateur harmonique, etc...)* accompagnée de toute l'analyse vectorielle qui va avec;
- la thermodynamique, qui s'est formée de l'analyse des moteurs de trains (eh oui!) au XVIIIème siècle;
- et finalement l'électromagnétisme, dont le grand patron fut Maxwell, qui en unifia les équations.
Ces trois domaines sont décrits comme appartenant à la physique dite "Classique", qui nous permet de modéliser les phénomènes les plus courants. En physique classique, les valeurs sont
continues, c'est-à-dire, qu'elles peuvent prendre n'importe quelles valeurs sur une échelle continue (sur une droite).
Cependant, une épine restait dans le pied de tous ces grands hommes : Au début du XXème siècle, une série d'expériences violaient allégrément les principes de la physique classique.
À partir de la première, le rayonnement des corps noirs, Max Planck démontra en 1900 que l'énergie des oscillations des électrons est
quantifiée, c'est-à-dire qu'elle ne peut prendre que certaines valeurs, et qu'elle ne change que de façon "granulaire". Quelques années plus tard, Bohr confirmera ceci et élargira aux atomes et aux molécules en se servant de l'analyse des lignes de spectres des atomes.
En 1905, dans sa série d'articles qui le rendirent célèbre, Einstein montra grâce à l'effet photoélectrique que cette quantification s'étend aussi à la lumière. Or, on avait démontré la nature ondulatoire de la lumière, notemment grâce à l'expérience des trous de Young et les équations de Maxwell.
Conséquence : On put démontrer que la lumière se comporte à la fois comme une particule et une onde! (Un photon n'est d'ailleurs rien d'autre qu'un quanta, c'est-à-dire un "paquet", de lumière)
De là à penser que la matière possède aussi des propriétés ondulatoires, il n'y avait qu'un pas, et ce fut DeBroglie qui le franchit.
La raison pour laquelle nous ne pouvons pas percevoir la nature ondulatoire (ou plus simplement tout effet quantique) à notre échelle macroscopique est du au fait que la constante de Planck, que l'on retrouve partout en mécanique quantique, est extrêmement petite... Allez, un petit exemple :
Si la longueur d'onde d'un électron à 100 volts est de 1.2 Angströms**, celle d'une balle de tennis frappée par Roger Federer (ou votre tennisman favori sinon) est de 0.00000000000000000000000118 Angströms ! Rien d'étonnant donc à ce que nous ne percevions rien de la mécanique quantique. Pourtant, ses applications nous entourent et sont innombrables : informatique, lasers, imagerie médicale, chimie, etc...
La mécanique quantique se concentre sur les aspects ondulatoires de la matière.
Reste un dernier point à nommer pour faire le tour : En mécanique quantique, il est parfois impossible de connaître simultanément deux propriétés d'une particule. Le couple tapageur le plus connu est la vitesse et la position. Il est en effet impossible de connaître précisément et simultanément la vitesse et la position d'une particule : c'est ce qu'on appelle le
principe d'incertitude de Heisenberg.
À suivre...
* NB : Les lettres en gras sont des vecteurs
** 1 Angström : approximativement la taille d'un atome