Physique quantique, premiers pas

De l’infiniment petit à l’infiniment grand, elle a bouleversé la science au XXe siècle. Mais au fait, c’est quoi la physique quantique ? Explications

Vous en avez déjà sûrement entendu parler, mais comment la définiriez-vous ? La physique quantique semble aussi insaisissable que fascinante. Apparue au début du XXe siècle, elle continue d’étendre les possibilités des sciences. Histoire, applications et perspectives : voici quelques explications simples pour commencer.

Qu’est-ce que la physique quantique ?

La physique quantique est un ensemble de théories décrivant le fonctionnement des atomes et des particules. Elle essaye de formaliser les phénomènes liés à la matière qui constitue chaque élément de l’Univers. Rompant avec la physique traditionnelle, elle a permis d’élucider des questions restées jusque-là sans réponse, comme le rayonnement électromagnétique. Son approche, d’une grande rigueur mathématique, repose sur un ensemble d’équations.

 « Contre-intuitive », « mystérieuse »… La mécanique quantique alimente bon nombre de fantasmes. Dans son livre, Univers quantique, le physicien américain Heinz Pagels disait d’ailleurs que « Nous pouvons apprivoiser le monde quantique à l’aide de nos mathématiques, mais cela ne l’empêche pas d’être étrange, plus étrange même que tout ce que peut nous proposer notre imagination. » Il faut dire que certains de ses aspects restent paradoxaux. L’expérience du chat de Schrödinger, illustre ainsi les difficultés à la relier à la réalité classique.

De Max Plank à la cryptographie quantique

À la fin du XIXe siècle, les scientifiques essayaient de démontrer l’existence des atomes. C’est Max Planck, connu aujourd’hui comme le père de la physique quantique, qui apporta un début de solution en 1900. Son hypothèse était audacieuse : les échanges de matière se feraient par toutes petites quantités : les « quantas ». Cinq ans plus tard, Albert Einstein s’inspira des travaux de Planck pour expliquer l’effet photoélectrique. La présence des quantas en physique finit par aboutir à un nouveau domaine de recherches : la physique quantique !

À la fin des années 1920, physiciens et mathématiciens explorèrent ces nouvelles possibilités. Ernest Rutherford découvrit les protons (1919), d’autres formulèrent les principes de superposition, d’incertitude, d’exclusion… Cependant, certaines de ces hypothèses laissaient sceptiques. Einstein, en particulier, assurait que le hasard n’existait pas en physique. En 1982, l’expérience d’Aspect se proposa de vérifier la réalité de l’état d’intrication quantique. Décisive, elle permit de démontrer la justesse de ces théories. Encore 10 ans, et voilà que la physique quantique investit la vie quotidienne : fibre optique, cryptographie, etc.

Des applications concrètes

Aujourd’hui, de nombreux domaines scientifiques utilisent la mécanique quantique, à l’image du nucléaire ou de l’optique. Elle sert à développer de nouvelles technologies : lasers, ordinateurs, IRM… Elle permet également de mieux comprendre les phénomènes dans l’Univers, comme la matière noire. Enfin, elle est aussi utilisée dans l’infiniment petit, avec, entre autres, les mutations de l’ADN.

Les chercheurs sont d’ailleurs unanimes : la prochaine révolution technologique sera quantique. Ils annoncent une nouvelle génération d’ordinateurs, plus performants. Grâce à leur rapidité de calcul, ils pourraient résoudre les problèmes posés aux ordinateurs actuels. Le développement de capteurs quantique, lui, permettrait de repenser les modes de détection en médecine comme en génie civil. Affaire à suivre…

Quantique et pop culture

« Je crois pouvoir affirmer que personne ne comprend vraiment la physique quantique », a déclaré le prix Nobel de physique Richard Feynman. Peut-être, mais cela n’a pas empêché la littérature ou le cinéma de s’emparer du sujet ! La physique quantique s’est donc invitée dans la culture populaire, pour le plus grand plaisir des amateurs de science-fiction ou de bandes dessinées.

Sur écran, grâce à elle, on peut s’imaginer voyager dans le temps, à la manière d’un Samuel Beckett (Code Quantum). À moins que vous ne préfériez faire un tour dans l’espace avec le Docteur (Doctor Who) ? Elle se fait aussi poétique ou psychédélique dans des séquences d’Interstellar et d’Ant-Man. Bien sûr, tout cela n’est que du cinéma… Ce ne sont pas Sheldon Cooper et ses amis physiciens (The Big Bang Theory) qui vous diront le contraire !

La mécanique quantique est l’une des théories scientifiques les plus importantes de ces derniers siècles. Nul doute qu’il reste encore beaucoup de choses à découvrir à son sujet…

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Article concocté par Gwennaelle Massart,