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Physique quantique : Fondements
que la turbulence ou le frottement restent largement ouverts et passionnants.
Simplement, il existe des problèmes que par nature la physique classique ne
peut pas aborder.
La physique quantique prétend donc expliquer le comportement de la matière à partir des constituants et des forces, mais il y a un prix à payer : les
objets quantiques exhibent un comportement radicalement nouveau, qui défie
notre intuition fondée sur l’expérience du comportement d’objets classiques.
Cela dit, si l’on ne se préoccupe pas de cet aspect surprenant, la mécanique
quantique se révèle un outil remarquable, jamais mis en défaut jusqu’à aujourd’hui, capable de couvrir des phénomènes allant de la physique des quarks à
la cosmologie en passant par toutes les échelles intermédiaires. La plupart des
technologies modernes n’auraient pas vu le jour sans la mécanique quantique :
toutes les technologies de l’information sont fondées sur notre compréhension
quantique des solides, en particulier des semi-conducteurs, et sur celle des
lasers. On peut prévoir que la miniaturisation des dispositifs électroniques
rendra la mécanique quantique de plus en plus omniprésente dans la technologie moderne.
La grande majorité des physiciens ne se préoccupent pas des propriétés
déroutantes de la mécanique quantique et s’en servent comme d’un outil sans
se poser de questions de principe. Cependant, les progrès théoriques et surtout expérimentaux de ces vingt dernières années ont permis de mieux cerner certains aspects du comportement des objets quantiques. Des expériences
permettant de tester directement les fondements de la mécanique quantique,
autrefois qualifiées “d’expériences de pensée” (gedanken experiment) par les
pères fondateurs qui les jugeaient irréalisables 20 , sont maintenant monnaie
courante dans les laboratoires. En dépit de ces progrès spectaculaires que
nous examinerons en particulier au chapitre 11, nombre de questions fondamentales restent ouvertes, et l’affirmation provocatrice de Feynman : “je
pense que l’on peut dire aujourd’hui que personne ne comprend la mécanique
quantique” garde encore aujourd’hui une part de vérité. Avant d’aborder ces
développements récents, revenons quelques instants une centaine d’années en
arrière, aux débuts de la physique quantique.
1.3 Un peu d’histoire
1.3.1 Le rayonnement du corps noir
Un objet chaud comme un fer chauffé au rouge, ou le Soleil, émet un
rayonnement électromagnétique avec un spectre de fréquences qui dépend
de la température. La puissance émise u(ω, T ) par unité de fréquence ω et
20. Ainsi Schrödinger écrivait en 1952 : Nous n’expérimentons jamais juste avec un seul
électron ou une seule (petite) molécule. Dans les expériences de pensée, nous supposons
parfois que nous le faisons : ceci entraîne invariablement des conséquences ridicules... On
peut dire à juste titre que nous n’expérimentons pas plus avec des particules isolées que
nous n’élevons d’ichtyosaures dans un zoo (Schrödinger [1952]).
Physique quantique : Fondements
que la turbulence ou le frottement restent largement ouverts et passionnants.
Simplement, il existe des problèmes que par nature la physique classique ne
peut pas aborder.
La physique quantique prétend donc expliquer le comportement de la matière à partir des constituants et des forces, mais il y a un prix à payer : les
objets quantiques exhibent un comportement radicalement nouveau, qui défie
notre intuition fondée sur l’expérience du comportement d’objets classiques.
Cela dit, si l’on ne se préoccupe pas de cet aspect surprenant, la mécanique
quantique se révèle un outil remarquable, jamais mis en défaut jusqu’à aujourd’hui, capable de couvrir des phénomènes allant de la physique des quarks à
la cosmologie en passant par toutes les échelles intermédiaires. La plupart des
technologies modernes n’auraient pas vu le jour sans la mécanique quantique :
toutes les technologies de l’information sont fondées sur notre compréhension
quantique des solides, en particulier des semi-conducteurs, et sur celle des
lasers. On peut prévoir que la miniaturisation des dispositifs électroniques
rendra la mécanique quantique de plus en plus omniprésente dans la technologie moderne.
La grande majorité des physiciens ne se préoccupent pas des propriétés
déroutantes de la mécanique quantique et s’en servent comme d’un outil sans
se poser de questions de principe. Cependant, les progrès théoriques et surtout expérimentaux de ces vingt dernières années ont permis de mieux cerner certains aspects du comportement des objets quantiques. Des expériences
permettant de tester directement les fondements de la mécanique quantique,
autrefois qualifiées “d’expériences de pensée” (gedanken experiment) par les
pères fondateurs qui les jugeaient irréalisables 20 , sont maintenant monnaie
courante dans les laboratoires. En dépit de ces progrès spectaculaires que
nous examinerons en particulier au chapitre 11, nombre de questions fondamentales restent ouvertes, et l’affirmation provocatrice de Feynman : “je
pense que l’on peut dire aujourd’hui que personne ne comprend la mécanique
quantique” garde encore aujourd’hui une part de vérité. Avant d’aborder ces
développements récents, revenons quelques instants une centaine d’années en
arrière, aux débuts de la physique quantique.
1.3 Un peu d’histoire
1.3.1 Le rayonnement du corps noir
Un objet chaud comme un fer chauffé au rouge, ou le Soleil, émet un
rayonnement électromagnétique avec un spectre de fréquences qui dépend
de la température. La puissance émise u(ω, T ) par unité de fréquence ω et
20. Ainsi Schrödinger écrivait en 1952 : Nous n’expérimentons jamais juste avec un seul
électron ou une seule (petite) molécule. Dans les expériences de pensée, nous supposons
parfois que nous le faisons : ceci entraîne invariablement des conséquences ridicules... On
peut dire à juste titre que nous n’expérimentons pas plus avec des particules isolées que
nous n’élevons d’ichtyosaures dans un zoo (Schrödinger [1952]).