La mécanique quantique

À l’échelle de l'atome, la physique classique échoue : elle prédit que les électrons devraient s’écraser sur le noyau en une fraction de seconde, ce qui n’arrive pas. La mécanique quantique, élaborée entre 1900 et la fin des années 1920, remplace la description par trajectoires précises par une description probabiliste. Ses prédictions sont parmi les plus précises de toute la science, et elle est à l’origine des transistors, des lasers, de l’IRM et des LED.

Une histoire en dates

Les grands principes

1. La quantification

Certaines grandeurs ne varient pas continûment. Dans un atome, un électron ne peut occuper que des niveaux d’énergie précis. En passant d’un niveau à un autre, il émet ou absorbe un photon d’énergie exactement égale à l’écart : E = h × ν, où h ≈ 6,626 × 10⁻³⁴ J·s est la constante de Planck. C’est pourquoi chaque élément émet un spectre de raies lumineuses caractéristique, qui permet par exemple d’identifier la composition des étoiles.

2. La dualité onde-corpuscule

La lumière, longtemps vue comme une onde, se comporte aussi comme un flux de particules (photons). Inversement, les électrons, vus comme des particules, produisent des figures d’interférence comme des ondes (expérience de Davisson et Germer, 1927). Louis de Broglie associe à toute particule une longueur d’onde :

λ = h / p (p = quantité de mouvement)

Cette longueur d’onde est mesurable pour les électrons, mais infime pour les objets courants : c’est pourquoi on ne voit pas une balle de tennis interférer.

3. La fonction d’onde et les probabilités

L’état d’une particule est décrit par une fonction d’onde (notée ψ, psi), dont l’évolution est donnée par l’équation de Schrödinger. Selon Max Born, le carré de son amplitude donne la probabilité de trouver la particule à un endroit. On ne peut pas prédire le résultat d’une mesure individuelle, seulement la probabilité de chaque résultat. Einstein, gêné par ce hasard fondamental, aurait écrit à Born en 1926 que Dieu « ne joue pas aux dés ».

4. La superposition

Tant qu’on ne la mesure pas, une particule peut se trouver dans une superposition de plusieurs états à la fois. La mesure donne un seul résultat. L’expérience de pensée du chat de Schrödinger (1935) — un chat enfermé avec un dispositif qui le tue si un atome se désintègre — illustre l’étrangeté de cette idée appliquée à un objet macroscopique.

5. Le principe d’incertitude de Heisenberg

On ne peut pas connaître simultanément, avec une précision arbitraire, la position et la quantité de mouvement d’une particule :

Δx × Δp ≥ ħ / 2 (avec ħ = h / 2π)

Ce n’est pas une limite des instruments, mais une propriété de la nature : une particule n’a pas à la fois une position et une vitesse parfaitement définies.

6. L’intrication

Deux particules qui ont interagi peuvent rester intriquées : la mesure de l’une détermine instantanément le résultat de la mesure de l’autre, même à grande distance. Einstein y voyait une « action fantôme à distance ». Les expériences d’Alain Aspect (Orsay, 1982), puis de John Clauser et Anton Zeilinger, ont confirmé ces corrélations et exclu les théories à « variables cachées locales » ; les trois physiciens ont reçu le prix Nobel de physique 2022. L’intrication ne permet toutefois pas de transmettre une information plus vite que la lumière.

7. L’effet tunnel

Une particule peut franchir une barrière d’énergie qu’elle ne pourrait pas surmonter en physique classique. L’effet tunnel explique la radioactivité alpha et la fusion dans le Soleil, et il est exploité par le microscope à effet tunnel et les mémoires flash.

Ce que la mécanique quantique explique

• La stabilité des atomes et la structure du tableau périodique : les électrons se répartissent en orbitales selon le principe d’exclusion de Pauli.
• Les liaisons chimiques : partage d’électrons entre atomes.
• La conduction électrique : différence entre métaux, isolants et semi-conducteurs.
• Le rayonnement des corps chauds (couleur d’un métal chauffé, lumière des étoiles).

Les applications technologiques

Les interprétations

Les équations font consensus, mais leur signification est débattue :

• interprétation de Copenhague (Bohr, Heisenberg) : la fonction d’onde décrit notre connaissance ; la mesure provoque la « réduction » vers un résultat ;
• mondes multiples (Hugh Everett, 1957) : tous les résultats se réalisent dans des branches distinctes de l’Univers ;
• théorie de de Broglie-Bohm : les particules ont une position définie, guidée par une onde.

Aucune expérience ne permet aujourd’hui de les départager ; c’est une question à la frontière de la physique et de l'épistémologie.

Questions fréquentes

La mécanique quantique s’applique-t-elle aux objets de la vie courante ?

Oui en principe, mais ses effets disparaissent à notre échelle : les longueurs d’onde sont infimes et l’interaction permanente avec l’environnement détruit les superpositions (décohérence). On retrouve alors la physique classique.

Quelle est la différence entre physique quantique et mécanique quantique ?

La mécanique quantique est le cadre théorique de base (fonction d’onde, opérateurs, équation de Schrödinger). La physique quantique désigne plus largement tous les domaines qui l’appliquent : physique atomique, nucléaire, du solide, théorie quantique des champs.

Pourquoi dit-on que personne ne comprend la mécanique quantique ?

Parce qu’on sait l’utiliser pour calculer avec une extrême précision, mais que son interprétation physique (que se passe-t-il vraiment lors d’une mesure ?) reste discutée. La formule est souvent attribuée au physicien Richard Feynman.

Le chat de Schrödinger est-il mort ou vivant ?

C’est une expérience de pensée, pas une expérience réelle. Schrödinger voulait montrer qu’appliquer la superposition à un objet macroscopique conduit à une absurdité. En pratique, la décohérence fait qu’un chat n’est jamais observé dans un état superposé.