La physique quantique pour les nuls

[Invité]

Quelques personnes de ce forum, dont moi, aimeraient en savoir un peu plus sur ce mystérieux domaine qu’est la physique quantique.... Brrrrr, ça fait peur. D’après Escape, c’est un truc dangereux, pour lequel il est présomptueux de prétendre y avoir compris quelque chose.

Comme je lui fait confiance, je n’essaierai donc pas d’en pénétrer les mystères, et me contenterai d’un historique, en présentant les savants principaux qui y ont contribué.

Pour être sûre de ne pas dire trop de bêtises, je vais partir en voyage astral et interroger directement les inventeurs. Mais pour ne pas paraître trop idiote, je vais d'abord revoir quelques définitions.

Physique = science de la nature (jusqu’ici, ça va) c'est donc la science qui étudie les propriétés générales de la matière et établit des lois qui rendent compte des phénomènes matériels. Elle comporte plusieurs secteurs : la mécanique (forces, travail, ...), l’optique (étude des rayons visibles, leur réfraction, etc), l’électromagnétisme etc.
On va employer des abréviations : EM = électromagnétique, ce sont donc les ondes de toute fréquences, qui se transmettent aussi bien dans le vide que dans le gaz. A basse fréquence, on a les ondes radio, à fréquence moyenne les ondes lumineuses, et à très haute fréquence, les rayons X. Il en sera beaucoup question ici.

Bon, on a tous eu une initiation de cela à l’école, donc ça va encore.
Puis « quantique » : c’est quoi cet animal ? « qui concerne les quantas ». Les quantas, c’est quoi ? Oups ! Ca se complique. Escape aurait-il raison ?
Quanta : Quantité minimale d'une grandeur physique pouvant séparer deux valeurs de cette grandeur``.
On va s’en tenir là pour le moment, pas grave si on ne comprend pas.
Donc la physique quantique est une étude de la nature qui se focalise sur des très petits machins, encore plus petits que les atomes. Elle entre dans ce qui constitue la matière, et son gros problème est que, une fois qu’elle a identifié les quantas et tout ce qui va avec, il n’est plus possible de dire s’il s’agit de particules de matière, ou d’énergie pure, donc immatérielle ! Donc notre notion de « matière » bascule : elle n’est plus si « matérielle » que cela. C’est « La fin des certitudes », comme titre Prigogyne. Pire encore : il semblerait que l’observateur influence le résultat de l’expérience !

Cette constatation est la base de la physique quantique, qui comprend plusieurs sous-section : chimie quantique, mécanique quantique, etc. Ce qui est extraordinaire, c’est malgré ces mystères non encore résolus, elle a généré toute notre technologie moderne, dont les communications. Elle est donc utilisable.

Si vous voulez savoir quelle est la fameuse expérience où on montre que les photons (= »particules » de lumière, ou « quantas » de lumière) peuvent se comporter comme de la matière ou comme un onde (immatérielle), regardez cette petite vidéo, c’est pas mal expliqué. Double cliquez dessus pour l'agrandir.

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Cette nuit, je partirai en voyage astral pour la première interview (si cela marche ! J’ai encore du mal à arriver à la fois à l’époque et à l’endroit choisi...)

édit: le fil évolue dans le sens d'un dialogue, j'ai changé le titre puisque je ne continue pas mes "voyage astraux" pour le moment. Peut-être plus tard: j'ai encore trop à apprendre même pour "dialoguer" avec ces personnages

[Invité]

Et me voilà de retour, j'ai eu de la chance. Super sympa, le point carré ! Très simple, il sait se mettre au niveau de son interlocuteur, on voit qu'il a beaucoup enseigné. Trop court, l'entretien ! Je suis assez frustrée.
Pourquoi lui ? Bah, je ne savais pas très bien par où commencer, j’ai trouvé qu’il avait un nom prédestiné pour jouer avec les remises en questions. Agé de 56 ans il décédera deux ans plus tard (à mon âge donc... oups !). Hop ! Me voilà partie pour Paris en 1910.



Interview avec Henri Poincaré en 1910

Je le trouve assis sur un banc, dans la rue. Je me re-matérialise comme je peux.
- Monsieur Poincaré ? Je fais une enquête pour le « forum métaphysique ». Pourriez vous me résumer vos grandes découvertes ?

- Euh, je ne sais pas si elles sont « grandes ! »

- Je peux vous affirmer que vous serez considéré comme le père de la physique du siècle suivant, et l’université de Nancy portera votre nom.

- ah bon, vous avez de l’imagination, Madame, mais je vais tenter de vous répondre. J’ai proposé des théories dans plusieurs domaines : surtout dans les mathématiques, et aussi la physique. J’ai démontré que la loi de gravitation établie par Newton n'était pas absolue: la position de trois corps en interaction était indéterminée et indéterminable au bout de suffisamment de temps. Je ne suis pas le premier à l’avoir remarqué, mais mes prédécesseurs n’ont pas osé l’annoncer. Je dois vous avouer avoir vérifié mes calculs pendant des années avant de les publier.

- quelles conséquences a cette découverte ?

- Mais, Madame : elle remet en question toute la physique de Newton ! En astronomie, cela a de grandes conséquences pour l’étude de la stabilité des mouvements des planètes. Mais de vous à moi, chère Madame, je vous avouerai être plus fier de mes études philosophiques. Connaissez vous mon ouvrage « La science et l’hypothèse » ?

- heu...

- J’en ai un exemplaire ici : feuilletez le et dites moi si vous y comprenez quelque chose.

Je prend l’ouvrage et l’ouvre au hasard. « L'expérience est la source unique de la vérité : elle seule peut nous apprendre quelque chose de nouveau ; elle seule peut nous donner la certitude. Voilà deux points que nul ne peut contester.” Oh! Voilà qui est passionnant, c'est très "bouddhiste", ça! C'est toute la différence entre la croyance et la connaissance ! Et ici: “Observons d'abord que toute généralisation suppose dans une certaine mesure la croyance à l'unité et à la simplicité de la nature. Pour l'unité il ne peut pas y avoir de difficulté. Si les diverses parties de l'univers n'étaient pas comme les organes d'un même corps, elles n'agiraient pas les unes sur les autres, elles s'ignoreraient mutuellement ; et nous, en particulier, nous n'en connaîtrions qu'une seule. Nous n'avons donc pas à nous demander si la nature est une, mais comment elle est une.” Dites Monsieur Pointcaré, sont-ce les mathématiques qui vous ont amené à cette conclusion ?

- les mathématiques sont complémentaires à l’observation: elles permettent, à partir des observations et expériences, de les généraliser, donc d’en tirer une loi qui permet de prévoir les mouvements ou les réactions, par exemple: les déplacements des corps célestes. C’est pourquoi j’ai beaucoup travaillé sur les statistiques et d'autres sujets en mathématiques.

- Mais en généralisant, ne risque-t-on pas de se tromper, de manquer les exceptions qui infirmeraient la règle qu’on a énoncée ?

- Toute généralisation est une hypothèse ; l'hypothèse a donc un rôle nécessaire que personne n'a jamais contesté. Seulement elle doit toujours être, le plus tôt possible et le plus souvent possible, soumise à la vérification. Il va sans dire que, si elle ne supporte pas cette épreuve, on doit l'abandonner sans arrière-pensée C'est bien ce qu'on fait en général, mais quelquefois avec une certaine mauvaise humeur.

- oui, et hélàs certains savants s’obstinent dans leur erreur par fierté.

- le physicien qui vient de renoncer à une de ses hypothèses devrait être, au contraire, plein de joie, car il vient de trouver une occasion inespérée de découverte.
Mais je suis obligé de vous abandonner, chère Madame. Je vous offre ce livre, qui est l’aboutissement de ma carrière: comme vous le voyez, j’ai toujours cherché à rendre mes recherches accessibles à tous.

- mille mercis, je le rapporterai aux membres du forum métaphysique, qui seront enchantés de le découvrir.

"La science et l'hypothèse" de Henri Poincaré, en version intégrale ici (faut copier/coller en entier): [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Jules Henri Poincaré fut le plus grand homme de sciences de la fin du XIXè et du début du XXè, le plus grand de France, cela ne fait pas de doutes, et peut-être même du monde, même si, contrairement à ses homologues allemands, notamment Hilbert, il ne laisse pas d'école derrière lui. Mathématicien hors pair, touche à tout, il est aussi connu des physiciens pour ses études sur la stabilité du système solaire, mais aussi des cercles philosophiques pour ses réflexions sur les fondements des sciences.
La suite ici.
Il passe pour être un des fondateurs de la théorie du chaos et de la relativité.

[Geveil]

C'est du bon boulot, Leela, bravo !

[Invité]

très sympa leela !
juste quelques remarques en passant :

J’ai démontré que la loi de gravitation établie par Newton ne se vérifiait plus dès que plus que 2 corps sont en présence.

Non pas vraiment, sauf erreur , il a démontré que la position de trois corps en interaction (calculée de manière déterministe) était indéterminée et indéterminable au bout de suffisamment de temps.

L'expérience est la source unique de la vérité : elle seule peut nous apprendre quelque chose de nouveau ; elle seule peut nous donner la certitude. Voilà deux points que nul ne peut contester.

Ben si c'est contestable et contesté. Certes l'expérience apporte des certitudes scientifiques, mais de façon négative : une expérience ne prouve pas qu'une théorie marche, mais elle peut prouver qu'une théorie ne marche pas. par contre le fait qu'elle apporte quelque chose de nouveau est à nuancer (en me référant toujours à Karl Popper et Lakatos).

Il passe pour être le fondateur de la théorie du chaos et de la relativité.

Poincaré est un génie, certes, mais il ne faut pas exagérer ! Si on va par là Lorentz est aussi l'inventeur de la relativité par ses équations. Non, rendons à césar ce qui est à César, et à Einstein la relativité, et la théorie du chaos est grandement due aux travaux de Lorenz (pas le même :-) mais aussi de Mandelbrot (les fractales) et des tas de mathématiciens.

Et n'oublions pas Niels Bohr :
La prévision est un art difficile, surtout quand elle concerne l’avenir

Et quant à la théorie quantique, ce qu'il faut surtout ne pas en retenir c'est les interprétations métaphysiques qui ne sont pas de théories scientifiques "la particule passe par les deux trous à la fois" "le chat est mort et vivant en même temps" mais l'outil théorique qui en l'état actuel des choses, faute d'être explicatif (mais ça viendra) est mathématiquement prédictif (cf le congrès de Copenhague, où les physiciens se sont mis d'accord sur ce point). C'est à dire que aujourd'hui, même les plus grands physiciens et mathématiciens n'ont pas d'explication compréhensive de la théorie quantique, jusqu'à nouvel ordre (c'est à dire jusqu'à production d'une théorie scientifique ad'hoc). Et donc c'est d'autant plus vrai pour les béotiens que nous sommes : il n'y a (quasiment) rien à comprendre, au sens de relier cette compréhension à d'autres compréhension de la nature que nous avons par le "bon sens" ou d'autres théories scientifiques.

[Invité]

merci beaucoup, Caillou ! J'espère que tu continueras à commenter mes "résumés". En effet; je les fais pour apprendre moi-même quelques notions, donc, bien évidemment, je ferai encore des erreurs. Je me suis permise d'éditer mon texte pour apporter les corrections que tu as apportées.

Les textes en italique et les "réponses" précises dans mon "interview" sont textuellement extraites d'écrits de Poincaré.

Ton dernier paragraphe est à souligner, en y ajoutant que malgré cette incompréhension, les principes de la physique quantique sont quand même utilisables et ont généré la physique nucléaire, tous les progrès en communications (transistors puis techniques modernes), donc je suppose aussi l'informatique, et beaucoup de découvertes aussi en astrophysique.

Le prochain sera Lorentz, c'est une bonne idée que d'en parler. Ce sera l'occasion d'introduire un peu plus des notions d'électromagnétisme.

[Invité]

La seule conclusion métaphysique que je me suis permis de tirer de la mécanique quantique, c'est que les choses ont une essence en dehors de l'espace-temps.

[Invité]

C'est déjà énooooorme !

peux tu expliquer comment tu es arrivé ? Mais s'il te plaît, fais le dans le sujet que tu as ouvert [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

J'aimerais que ce sujet-ci reste une introduction à ce qu'est la physique quantique.

Merci !

[Invité]

Donc, suivant l’idée de Caillou, je vais rencontrer Lorenz... mais il y a aussi un Lorentz et encore un autre Lorenz! Ils auraient élaboré « l'équation de Lorenz et Lorentz”. On sait que la même découverte est souvent faite en même temps par plusieurs savants travillant séparément, mais qu’ils portent presque le même nom, ça, c‘est trop fun !
J’ouvre le Petit Robert.
Lorenz konrad : psychologue autrichien, 1903-1989. Non, ça ne doit pas être lui.
Lorentz Hendrik : physicien néérlandais, 1853-1928 bla bla... magnétisme... électron... OK, c’est peut-être lui. Je cherche une biographie sur internet, et je découvre qu’il ne s’entendait pas du tout avec le troisième :
Lorenz Ludvig, physicien et mathématicien danois1829 -1891 ayant aussi travaillé sur la lumière et l’électromagnétisme.

Ouf, je l’ai échappé belle ! Imaginez de quoi aurais-je eu l’air en parlant de son “collègue” Lorentz ! Je me serais fait éjecter !
J’opte pour le prix Nobel (prout ma chère), donc : le hollandais, aussi parce qe je ne parle pas le danois.

Avant de faire le déplacement astral, quelques mots sur l’électromagnétisme, toujours pour ne pas avoir l’air stupide devant lui.

Avant l’époque des Loren(t)z, magnétisme et électricité étaient considérés comme des phénomènes différents. Or ils sont combinés : une onde électromagnétique (=EM) comporte les deux : on les représente comme deux ondes se propageant dans des plans perpendiculaires, comme ça :

Ce graphique et le suivant sont tirés d’ici : [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] où vous trouverez une explication très claire et simple de ce qu’est la lumière.

Une onde EM se mesure de plusieurs façons. Etant donné qu’elle se propage toujours à la vitesse de la lumière, si ses « zig-zags » sont plus rapides, ils seront aussi plus rapprochés. Le nombre de « zig-zags » par seconde, c’est la fréquence. Si on mesure la distance entre deux sommets de « zig-zags », on aura une longueur d’onde. Vous comprenez aisément que plus serrées sont les zig-zags, plus la fréquence est élevée et la longueur d’onde courte. Attention de ne pas confondre les deux.

haute fréquence = courte longueur d’onde
basse fréquence = grande longueur d’onde

Selon la fréquence, l’onde EM pourra être : une onde radio (fréquence la plus basse), micro-onde (pourquoi "micro", alors qu'elle est dans les plus longues???), chaleur (=infra-rouge) lumière, ultraviolets, puis rayons capables de modifier la matière : rayons X et rayons comiques... euh... cosmiques dont l’espace est plein partout. Heureusement, l’atmosphère nous protège des rayons dangereux.

Une très basse fréquence peut avoir une longueur d’onde de milliers de kilomètres, et une haute : des millionièmes de millimètre. La fréquence se mesure avec des chiffres qui deviennent rapidement gastronomiques.

C’est fou, ça : des choses aussi différentes que les ondes radio, la chaleur, la lumière et les rayons X, c’est la même chose ! Des « ondes ». Mais elles sont formées de quoi, ces « ondes » ? Une forme d’énergie ? Des particules qui se déplacent en zigzagant ? Ou une déformation d’une matière, comme les ondes dans une étendue d’eau ? Cette dernière hypothèse était à la mode à l’époque des Loren(t)z, et la matière emplissant l’espace, support des ondes EM, se nommait « éther ».

C’est à ce sujet-là que Mr Lorentz va pouvoir nous raconter des choses intéressantes.

Je ne pourrai peut-être pas faire tout de suite le voyage astral, ça vous donne le temps d’étudier les ondes EM, nécessaires pour comprendre la suite.

[Invité]

Ce qui est surtout intéressant c'est le lien entre Lorentz, Poincaré et Einstein.
D'après ce que j'en ai retenu (rafraîchi par wikipédia :-) Lorentz avait établi des transformations mathématiques pour l'électromagnétisme qu'Einstein a utilisé pour établir les transformations de coordonnées et longueur entre repères en mouvement relatif en partant du principe de la constance de la vitesse de la lumière dans tous les repères galiléens : c'est la relativité restreinte.
Poincaré a proposé des simplifications de ces transformations si je me souviens bien.

[Invité]

Je suis aussi surprise que ces savants sont dans un mouchoir de poche, on a l'impression qu'on n'a plus de "grands inventeurs" comme eux actuellement, mais cela est sans doute dû au fait qu'à cette époque, il était encore possible d'avoir une vue d'ensemble des sciences, tandis qu'actuellement, ils sont obligés de se spécialiser très vite. Les découvertes sont donc plus les résultat de travaux d'équipe.

[JO]

quel beau sujet : merci !
Il y a , au contraire, un foisonnement de chercheurs, mais il faut du temps pour que le tri posthume se fasse dans leurs apports au modèle scientifique agréé du moment .

[bernard1933]

Les succès technologiques " insensés " que nous vivons sont la preuve que la recherche continue , y compris dans le fondamental . La science progresse à pas de géant; c' est la sagesse qui ne suit pas...

[JO]

La sagesse de remettre en question les fondamentaux basés sur la science classique, en philosophie, en religion, en morale aussi. Mais on nous affirme que ce n'est pas applicable à ces domaines .

[Invité]

puis-je vous suggérer de continuer ce débat ici : [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Comme cela on garde ce fil-ci pour les descriptions "historiques"... et leurs commentaires.

Merci

[idrom]

- Je peux vous affirmer que vous serez considéré comme le père de la physique du siècle suivant, et l’université de Nancy portera votre nom.

je suis tout juste en vacance et on parle de ma fac!!!!!!
tiens

[JO]

alors, Lorentz? Le concept d'ether a été abandonné, non ?
quid du "nouveau paradigme" scientifique et philosophique ?

[Invité]

trop crevée pour le moment pour faire un voyage astral, mais je ne l'oublie pas ! Si quelqu'un le connaît un peu, il peut faire l'interview.

[JO]

"La théorie, c'est quand on sait tout et que rien ne fonctionne. La pratique, c'est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi. Ici, nous avons réuni théorie et pratique : Rien ne fonctionne... et personne ne sait pourquoi !"

Albert Einstein

[Cochonfucius]

"On sait tout et rien ne fonctionne": devise de l'Ecole Normale de la rue d'Ulm.

"Tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi": devise de l'Ecole Centrale de Châtenay-Malabry.

"Rien ne fonctionne et personne ne sait pourquoi": devise de l'Ecole Polytechnique.

[JO]

et nous sommes gouvernés par ces brillants anciens élèves de nos prestigieuses écoles ...

[bferrand]

Suite à qu'est-ce que la Physique Quantique ?

En fait, l'idée centrale que j'ai retenue (et que Michel Bitbol développe très bien, quoique d'une façon assez aride, dans son essai "Mécanique quantique, une introduction philosophique"). C'est que la notion "d'objet isolé" perd tout son sens dans cette théorie, ainsi que celle de déterminisme pur et dur.

Si on prend une particule de lumière par exemple (un photon) dans un environnement complexe, alors, au bout d'un certain temps et d'un certains "nombre d'interactions" avec son environnement , les deux systèmes "particule et environnement" vont s'intriquer, c'est à dire se mélanger, si bien qu'a terme, il sera impossible de dire si un phénomène donné arrive à la particule ou à l'environnement. Pire, il sera impossible de dire Qui est la particule et Qui est l'environnement... C'est un peu comme une goutte d'eau qui tombe dans un lac : deux heures après la chute, ou est la goutte? Réponse : nulle part en particulier dans le lac, et un peu partout à la fois, en fait la goutte et le lac sont devenus un seul et même système ; non séparable.

En ce qui concerne le déterminisme, l'expérience des fentes d'Young (et les inégalités de Bell) semblent clairement indiquer que la trajectoire d'une particule n'est pas prévu à l'avance par la nature. Ce qui est prévu à l'avance c'est un certain éventail de possibilités, certaines plus probables que d'autres, que l'on appel psi (la lettre grecque) : la fameuse fonction d'onde (cf réduction du paquet d'onde). On connait la façon dont cet éventail de possibles évolue dans le temps (donné par l'équation de schrodinger : cf mon avatar) mais en aucun cas il n'est possible de prévoir quelle trajectoire sera effectivement suivie.

En attendant de plus amples informations sur la question, tout se passe comme si la nature toute entière disposait du libre arbitre quant à la détermination de son avenir. Tout cela, moyennant cependant certaines restrictions qui font qu'il est très très peu probable -mais pas impossible- que vous vous retrouviez sur pluton dans la seconde, une sorte de contrat de cohérence minimale entre les évènements. Et c'est ce contrat qui donne l'illusion du déterminisme, à notre échelle d'observation. (cf la décohérence)

[JO]

lumineux : j'en redemande . Tu es très clair dans ton explication . Et ça colle si bien avec ce que j'essaie de comprendre, petit à petit, par des voies non scientifiques (jusqu'à l'astrologie ! shouma!) que je tomberais en extase !

[bernard1933]

Oui, continue , ce que tu écris est très intéressant . Ton avatar est plus abscons que le mien ... Les différentielles me rappellent ma jeunesse;
maintenant, j' en suis aux tables...

[Invité]

En ce qui concerne le déterminisme, l'expérience des fentes d'Young (et les inégalités de Bell) semblent clairement indiquer que la trajectoire d'une particule n'est pas prévu à l'avance par la nature.

Si je puis me permettre c'est une des interprétations (nécessairement subjectives) de la mécanique quantique.
La mécanique quantique est en quelque sorte une recette calculatoire, mathématique, qui marche, mais qui, au delà de son formidable pouvoir prédictif des phénomènes quantiques, ne nous renseigne que sur un aspect de la réalité des phénomènes d'ordre quantique : nous ne pourrons jamais savoir si la modélisation probabiliste recouvre un phénomène "réellement" stochastique, aléatoire, ou seulement une incertitude épistémique de méconnaissance des phénomènes sous-jacents au processus physique ou de connaissance suffisantes des conditions de réalisation. En fait la mesure fait partie du phénomène physique et donc il y a nécessairement interaction, au point que le système dans son ensemble peut devnir complexe au point de ne plus être prédictible que par probabilités.

Nous ne savons pas si au fond des atomes la nature joue au dés, mais par contre nous savons que ne pourrons jamais le savoir. Et cela ne veut absolument pas dire qu'une particule passe par deux fentes à la fois ni que des particules copines interagissent à distance plus vite que la lumière. Là ce sont des interprétations folklo-métaphysiques de la mécanique quantique qui passionnent les déçus du froid déterminisme de la science, y compris certains spécialistes illuminés de physique quantique (ce sont des hommes aussi).

[JO]

ce n'est pas parceque l'extrapolation est elle-même hasardeuse qu'elle est injustifiée ... ça aussi, c'est indéterminé... pour l'instant .La conclusion, du moins, certaine, est qu'elle est impossible à déterminer , ni dans le négatif ni dans le positif .
Dans l'expérience des fentes , peut-on dire que l'observateur crée le résultat ? Mais ce résultat est constant ? On peut donc dire qu'il vérifie le "quoi", sinon le "pourquoi" .