QUANTIQUE PHYSIQUE
Physique quantique
Encyclopædia Universalis France
Née avec le xxe siècle, établie sur des bases claires à partir de 1925, la physique quantique s'est imposée comme l'outil nécessaire pour décrire les phénomènes à l'échelle atomique (et même certains phénomènes à plus grande échelle). La physique quantique implique une révision radicale des concepts habituels, tirés de notre expérience à notre échelle ; elle représente une véritable révolution qui se fonde sur au moins quatre principes. D’abord, des grandeurs physiques, que l'on imaginait continues, sont en fait discrètes (c'est-à-dire prennent des valeurs séparées les unes des autres) et ne peuvent varier que par « sauts » discontinus : ces grandeurs sont quantifiées. Ensuite, il est impossible de mesurer simultanément toutes les grandeurs attachées à un système physique ; par exemple la position et la vitesse : la notion de trajectoire n'a pas de sens à l'échelle des particules. Troisièmement, le déterminisme classique est remis en cause par l'inévitable interprétation probabiliste des résultats de mesures. Enfin, des systèmes physiques peuvent apparaître comme corrélés, même s'ils sont très distants les uns des autres : il y a ainsi, dans certains cas, non-séparabilité entre plusieurs systèmes.
Tous ces aspects ont suscité des doutes, des incompréhensions, des discussions passionnées qui ont marqué fortement l'histoire de la physique, voire de la pensée philosophique. Pourtant, si l'on examine son mode de fonctionnement en évitant de s'enfermer dans une représentation inadéquate, la physique quantique n'a rien de fondamentalement mystérieux. Surtout, elle a reçu et reçoit tous les jours, jusque dans les applications à notre vie quotidienne, des confirmations éclatantes.
La naissance de la physique quantique
L'état de la physique à la fin du XIXe siècle
Depuis toujours, l'homme s'efforce de comprendre et de prévoir les phénomènes naturels. À la fin du xixe siècle, cet effort aboutit, en physique, à des succès impressionnants : presque tous les phénomènes physiques trouvent une explication et peuvent être prédits quantitativement par des lois fondamentales simples ; les diverses branches de la physique sont extraordinairement unifiées.
À l'aube du xxe siècle, la matière apparaît constituée de petits corpuscules. L'hypothèse atomique est désormais admise comme une réalité. Les atomes s'assemblent pour former les molécules, selon les lois de la chimie. L'étude statistique des systèmes formés d'un grand nombre de corpuscules (la théorie cinétique des gaz) permet de déduire les divers concepts de la thermodynamique (pression, température, entropie...) [cf. thermodynamique].
Les corpuscules possèdent des positions et des vitesses. De la sorte, il suffit de connaître ces positions et ces vitesses à un instant donné, et d’appliquer les lois de la mécanique rationnelle, dégagées au cours des siècles par Archimède, Galilée, Newton... pour déterminer l'état d'un système physique à tout instant.
James Maxwell
Hulton Archive/ Getty Images
Par ailleurs, les physiciens connaissent un autre type de phénomène : le rayonnement. Le champ qui lui est associé permet d'unifier l'électricité, le magnétisme et l'optique. La synthèse réalisée par James Maxwell prévoit notamment l'existence d'ondes électromagnétiques, existence confirmée ensuite par Heinrich Hertz. Les ondes « hertziennes » ont des longueurs d'onde de l'ordre du mètre ou du centimètre. La lumière visible, dont le caractère ondulatoire a été largement vérifié, est une onde électromagnétique, mais de longueur d'onde beaucoup plus courte, de l'ordre de 10–7 mètre. Les rayons X, découverts par Wilhelm C. Röntgen en 1895, correspondent à des longueurs d'onde encore plus petites.
Au total, la physique classique constitue[...]
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Écrit par
- Claude de CALAN : directeur de recherche au C.N.R.S., centre de physique théorique, École polytechnique, Palaiseau
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