La physique quantique est une branche fondamentale de la physique qui décrit le comportement de la matière et de l’énergie à l’échelle microscopique (atomes, particules subatomiques et ondes).
Cette théorie, développée au début du XXe siècle par des scientifiques comme Planck, Einstein, Bohr et Schrödinger, a révolutionné notre compréhension de l’univers et permis le développement de nombreuses technologies modernes, des transistors aux lasers.
Cependant elle révèle que les particules fondamentales, qui sont les briques élémentaires à partir desquelles tout est constitué, ont des comportements qui défient non seulement l’intuition, mais notre perception de la réalité.
La physique quantique est fondamentale pour comprendre l’astronomie, car elle gouverne les processus qui se produisent dans les étoiles. Sans elle, impossible de comprendre comment fonctionne la fusion nucléaire qui les fait briller ni pourquoi les naines blanches et les étoiles à neutrons ne s’effondrent pas sous leur propre gravité. La spectroscopie, outil essentiel de l’astronomie qui nous révèle la composition des astres, repose entièrement sur la physique quantique.
De plus, la cosmologie moderne dépend de la physique quantique pour expliquer l’univers primordial et son évolution, car les fluctuations quantiques sont à l’origine des structures à grande échelle de l’univers. Les efforts pour comprendre la matière noire et l’énergie noire s’appuient sur des théories dérivées de la physique des particules. En somme, l’infiniment petit de la physique quantique détermine le comportement de l’infiniment grand du cosmos.
(Cet article est le support d’une conférence donnée au club le 16 mai 2025.)
La matière
Déjà dans la Grèce antique, entre -460 et -360, Démocrite pensait que si l’on coupait la matière en morceaux de plus en plus petits, il arriverait un moment où l’on rencontrerait un élément indivisible. Il a surnommé cet élément « atome » (atomon, qui signifie indivisible) et il imaginait que toute matière, et en fait toute réalité, était formée de ce ces particules fondamentales.
C’était une hypothèse incroyablement pertinente et qui s’est révélée relativement correcte plus de 2 000 ans après.
L’existence de l’atome a été théorisée et démontrée au début du XXe siècle, cependant il a tout de suite été observé que les atomes étaient eux-mêmes divisibles.
Malgré tout on s’est vite aperçu que cette divisibilité n’était pas infinie, car comme l’avait justement imaginé Démocrite il existe bel et bien des particules qui ne possèdent pas de structure interne, en tout cas pas pour autant que l’on sache en l’état des connaissances actuelles.
On appelle ces particules particules fondamentales ou particules élémentaires et il y en existe plusieurs types : électrons, photons, quarks, etc.
Le modèle quantique de la matière
Dans le modèle quantique, les particules fondamentales ne sont pas constituées d’autres particules et ne sont absolument pas des sphères comme on a l’habitude de les représenter classiquement.
Au lieu de cela, il s’agit d’entités beaucoup plus complexes dont la nature véritable échappe à notre intuition. Plutôt que des objets concrets, les particules fondamentales sont des ensembles de propriétés mathématiques immuables (masse, charge, spin, etc.).
Pire encore, contrairement aux objets du quotidien, elles n’ont ni position dans l’espace ni vitesse simultanément définies. Ces particules peuvent être décrites par ce que l’on appelle une fonction d’onde laquelle donne les probabilités de les trouver à un endroit donné si l’on mesure leur position en les faisant interagir avec d’autres particules.
Une particule fondamentale isolée ne se trouve donc pas vraiment à un endroit donné et ne se déplace pas à une vitesse donnée. On peut la décrire comme se trouvant partout et nulle part à la fois et elle restera dans cet état indéfini jusqu’à ce qu’elle rencontre une autre particule. À ce moment elle va acquérir une position définie selon une règle qui se base sur un calcul de probabilités.
Le fait que les particules n’aient ni position ni vitesse simultanément définies, tant qu’elles ne sont pas mesurées, résulte d’un caractère fondamental de la physique quantique que l’on appelle le « principe d’incertitude d’Heisenberg », ou indéterminisme quantique.
On pourrait intuitivement penser que si l’on ne connait pas exactement la vitesse ou la position d’une particule avant de réaliser une mesure, c’est simplement que l’on n’a pas encore mesuré ces grandeurs. On peut donc imaginer qu’elles ont bien une valeur, mais qu’on l’ignore momentanément, tout comme l’on ignore si un chat dans une boite est vivant ou mort avant de l’ouvrir.
Pourtant les mathématiques qui décrivent la physique quantique sont formelles : ces valeurs ne sont pas inconnues, elles ne sont pas définies ! La vitesse et la position d’une particule n’ont aucune réalité jusqu’au moment où l’on mesure l’une ou l’autre.
Cette caractéristique s’appelle la superposition d’états : on dit parfois que certaines propriétés des particules possèdent toutes les valeurs qu’elles pourraient avoir si on les mesurait ou si la particule interagissait avec une autre particule (ce qui en réalité revient au même).
Ce comportement est parfaitement contrintuitif et ne correspond à rien de ce que l’on peut retrouver dans notre expérience quotidienne du monde classique dans lesquels les objets occupent un endroit et ne se trouvent pas partout et nulle part à la fois !
Mais l’étrangeté du monde quantique ne s’arrête pas là, il y a d’autres phénomènes tout aussi troublants :
Principe d’incertitude de Heisenberg : certaines paires de propriétés, comme la vitesse et la position, ne peuvent pas être connues simultanément. Plus précisément on connait l’une, moins précisément on connait la seconde. Ainsi par exemple, après une mesure il est impossible de savoir exactement où se trouve une particule et exactement à quelle vitesse elle se déplace.
Intrication quantique : deux particules ou plus peuvent être mises dans un état qui s’appelle l’intrication quantique. L’intrication quantique est un phénomène dans lequel deux ou plusieurs particules deviennent tellement profondément liées que l’état de chacune ne peut plus être décrit indépendamment de l’état des autres, quelle que soit la distance qui les sépare.
Quand des particules sont intriquées, mesurer une propriété (comme par exemple le spin) sur l’une d’elles détermine instantanément la propriété correspondante des autres, même à des années-lumière. C’est comme si ces particules formaient un seul et même système.
Prenons un exemple concret avec le spin de deux électrons intriqués. Le spin est une propriété quantique qui peut prendre deux valeurs :
– soit « spin up » (↑) représenté par la valeur +½ ou +ℏ/2
– soit « spin down » (↓) représenté par la valeur —½ ou –ℏ/2
La valeur du spin d’une particule, « up » ou « down », est indéfinie (elle se trouve dans une superposition des deux valeurs possibles) tant que l’on ne l’a pas mesurée. Une fois qu’on la mesure, elle prend aléatoirement l’une ou l’autre des deux valeurs possibles. Jusqu’ici, c’est la superposition d’états que l’on a vue plus haut.
Si maintenant on considère deux électrons intriqués et que l’on mesure le spin de l’un, on obtiendra bien un résultat aléatoire comme on l’a vu plus haut, mais en revanche si ensuite on mesure le spin de l’autre électron, il aura systématiquement la valeur opposée !
Et on observera cet effet quelle que soit la distance qui sépare les deux particules (en principe elles pourraient même être aux extrémités opposées de la Voie lactée que ça ne changerait rien). Et l’effet est instantané ce qui prouve qu’il n’y a pas de transmission d’information entre les deux, car sinon cette transmission se ferait à une vitesse largement supérieure à la vitesse de la lumière, ce qui serait en violation de l’une des règles les plus fondamentales de la Relativité.
L’atome classique
Revenons un moment sur l’atome. Au collège et au lycée il est représenté sous la forme suivante :
Il s’agit du modèle proposé par Niels Bohr en 1913, appelé parfois modèle planétaire de l’atome en raison de sa similitude avec les orbites des planètes du système solaire. Dans ce modèle les électrons tournent autour du noyau sur des orbites circulaires bien définies, comme des planètes autour du Soleil.
C’était un modèle très pratique et relativement simple, cependant il ne fonctionnait correctement que pour l’hydrogène, il n’arrivait pas à expliquer la structure des atomes plus complexes et il entrait en contradiction avec certains principes fondamentaux de la physique.
Le modèle quantique de l’atome
À la lumière de ce que nous savons du modèle quantique, notre atome de lycée prend une forme toute différente :
1. Des orbitales au lieu d’orbites. Les électrons ne réalisent pas des trajectoires circulaires autour du noyau, au lieu de ça ils occupent des régions tridimensionnelles appelées « orbitales atomiques », dans lesquelles la probabilité de trouver l’électron est élevée.
2. Des orbitales aux formes variées. Contrairement aux orbites circulaires de Bohr, les orbitales présentent des formes diverses :
- orbitales s : sphériques ;
- orbitales p : forme de « 8″ ou d’haltères ;
- Orbitales d et f : géométries plus complexes.
3. Une description par nombres quantiques. Dans un atome, chaque électron est caractérisé par quatre nombres quantiques :
- n (principal) : définit la taille et l’énergie de l’orbitale ;
- l (secondaire) : détermine la forme (s, p, d, f) ;
- m (magnétique) : définit l’orientation dans l’espace ;
- s (spin) : décrit le moment angulaire intrinsèque de l’électron.
Deux électrons ne peuvent jamais occuper la même orbitale si leur spin est identique.
4. Une distribution électronique. Les électrons occupent les orbitales en commençant par les niveaux d’énergie les plus bas.
Donc, plutôt que de représenter les électrons comme des points sur des orbites, le modèle quantique les décrit comme des « nuages d’électrons » avec des nuances visuelles qui représentent la probabilité de présence de l’électron à un endroit donné.
Cette vision probabiliste de l’atome, bien que moins intuitive, correspond beaucoup mieux aux observations et permet d’expliquer avec précision les propriétés chimiques des éléments et leurs interactions.
Onde ou particule ?
Jusqu’ici nous avons parlé de particules fondamentales, les briques de base qui forment la matière et nous avons évoqué le fait qu’il s’agissait d’ensembles de propriétés immuables et pas vraiment d’objets tangibles au sens classique.
Parmi les particules fondamentales il y a l’électron dons nous avons parlé, mais également le photon, la particule associée à la transmission des ondes électromagnétiques : lumière visible, infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons gamma, etc. Vous aurez d’ailleurs certainement remarqué que l’on parle souvent d’ondes lorsque l’on parle du photon : ondes radio, ondes lumineuses, etc. Peut-être même que vous avez déjà entendu dire que la lumière est à la fois une onde et une particule (le photon).
Cette dualité onde/particule s’applique en réalité à toutes les particules fondamentales, celles-ci exhibent parfois le comportement de particules ponctuelles (des points) et parfois celui d’ondes. Pour illustrer cette dichotomie on peut se servir de l’expérience de Thomas Young en 1801 (les fentes de Young). Dans la version plus contemporaine de cette expérience, on projette des photons dont la source est un laser (mais toute particule fondamentale fait l’affaire) vers deux fentes parallèles. De l’autre côté des fentes, un écran détecte et marque l’impact de chaque photon qui a traversé ces fentes.
Si les photons sont des particules ponctuelles, des petites billes comme on les représente parfois en physique classique, alors chaque photon passe par l’une ou l’autre des fentes et au bout d’un moment tous ces photons finissent par former deux rectangles sur la surface de l’écran, représentant la forme de chacune des fentes.
Or ce n’est pas ce qui se passe. Dans la réalité, les photons qui s’accumulent sur l’écran dessinent une rangée de formes rectangulaires aux contours flous rappelant la forme des fentes, mais pas deux formes rectangulaires bien définies.
Alors que se passe-t-il ?
Des interférences !
Ce motif est ce que l’on appelle un motif d’interférence, il se produit lorsque deux ondes interfèrent entre-elles. Pour comprendre l’interférence entre deux ondes, imaginez des ondes bien familières, celles des vagues que provoque un caillou lancé dans l’eau. Celles-ci sont constituées d’une série de creux et de pics qui avancent en s’éloignant du point d’impact.
Si vous jetez simultanément deux cailloux dans l’eau, pas loin l’un de l’autre, les vagues vont se rencontrer. Si deux vagues se rencontrent elles vont s’additionner (créer une vague plus grande), si deux creux se rencontrent ils vont également s’additionner (créer un creux plus profond), ces additions sont ce que l’on appelle une interférence constructive. Si en revanche une vague et un creux se rencontrent, ils vont s’annuler (la surface de l’eau va rester plate) et on appelle ça une interférence destructive.
Dans le cas des fentes de Young, ces interférences sont le signe que ce qui est arrivé sur l’écran du détecteur s’est comporté comme une onde en passant par les fentes. Il y a des endroits avec beaucoup d’impacts séparés par des endroits avec quasiment aucun impact.
Si au lieu d’être un point, le photon est une onde, alors l’onde qui le représente va pouvoir interférer de façon constructive ou destructive avec elle-même et donc se renforcer en quelque sorte ou bien s’annuler (et alors l’écran ne détecte rien).
Ces interférences constructives et destructives expliquent les motifs détectés par l’expérience des fentes de Young :
Elles montrent également que les photons, et en réalité toutes les particules fondamentales, se comportent comme des ondes.
En fait, elles peuvent se comporter comme des particules ponctuelles ou comme des ondes en fonction de la situation. Lorsqu’elles touchent le détecteur, elles laissent l’empreinte d’un point, leur position est donc bien définie. Lorsqu’elles passent par les fentes de l’expérience, elles interfèrent entre elles comme si elles passaient par les deux fentes à la fois, ce que ferait une onde, ou comme si leur position n’était pas définie.
Et on retrouve là les caractéristiques évoquées plus haut : la position d’une particule fondamentale n’est pas définie (comme une onde) tant qu’elle n’est pas mesurée (contact avec le détecteur).
Le mystère de l’observateur
Entrons maintenant dans l’aspect de la physique quantique qui a ébranlé notre compréhension de la réalité et voyons ce qui se passe lorsque l’on essaye de savoir si un photon passe par l’une ou par l’autre des fentes en plaçant un détecteur.
Si l’on installe un dispositif quelconque qui nous permet de savoir ce qui passe par l’une des deux fentes, alors voilà ce que l’on obtient :
C’est notre hypothèse de départ, qui était fausse lors de la première expérience. À présent chaque photon passe par l’une ou par l’autre des fentes, et les motifs d’interférence disparaissent totalement.
Le fait de connaitre le chemin que prennent les photons en traversant les fentes change leur façon de se comporter.
Pour en savoir plus…
-> Initiation à la physique quantique.
