La quantique ( Partie 1 )

Dans cet article, nous allons aborder le sujet de la science quantique de façon la plus simple et claire possible et mise en situation. Des compétences de base en sciences sont conseillée afin de mieux comprendre cette article. ( quantique simplifiée et vulgarisée produite par un débutant ).

Introduction 

La physique quantique est une science qui, comme son nom l'indique, quantifie : « la quantique, elle quante ». Elle se base sur des mécaniques de probabilité et d'incertitude ( que nous aborderons que très peu dans cet article ) avec des principes complexes dont on ne comprend pas tout. Dans cet article ( découpé en plusieurs segments ) nous tenterons de répondre à la question suivante : Pourquoi ne passons nous pas à travers les objets ? 

En effet, la question semble évidente ou simple, mais qu'est ce qui peut expliquer que, au vu que nous sommes constitués principalement ( à 99%) de vide nous ne traversons pas la matière qui est elle même constituée de vide. En effet, si un noyau d'atome mesurerait 1cm, les électrons graviteraient autour sur + de 1 Km autour de ce noyau. À noter cependant que, dans la réalité, la taille d’un atome (noyau + électrons) est de l’ordre de 0,1 nanomètre, tandis que le noyau mesure environ 1 femtomètre (fm) soit 1 x 10 - 15   m.  C’est ce paradoxe apparent qui pousse les scientifiques à s’intéresser aux lois de la physique quantique. 

Le modèle quantique 

Paradoxe de la quantique ( chat de Schrödinger )

La logique classique veut que l'on ne puisse pas être mort et vivant en même temps. Pourtant, à l'échelle microscopique, une particule peut exister dans deux états à la fois (par exemple, un état "up" et un état "down"). Tant que l'atome est dans une superposition d'états (désintégré + non désintégré), le chat, qui représente de façon macroscopique l'atome, se retrouve lui aussi dans une superposition d'états : il est à la fois mort et vivant. 

L'une des plus grandes bizarreries de la quantique est que l'état d'un système n'est fixé qu'au moment de l'observation. En effet, on ne connais l'état d'un corps seulement à l'instant ou on le regarde. C'est l'acte de regarder (ouvrir la boîte) qui force la nature à choisir. À ce moment-là, on connaît l'état (le chat est soit mort, soit vivant), mais on ne sait rien de l'état avant la mesure. Einstein critiquait cette idée en disant qu'il n'est pas logique de considérer que les choses (comme la Lune) n'existent que lorsqu'on les regarde. Tant qu'on ne regarde pas, l'univers garde toutes ses options ouvertes (superposition). Dès qu'on mesure (Heisenberg) ou qu'on ouvre la boîte (Schrödinger), l'incertitude s'effondre brutalement pour laisser place à une seule vérité. C'est ce qu'on appelle la "réduction du paquet d'onde". 

Le principe d'incertitude ( p21 )

Il existe, une probabilité infime qu'un électron passe sur un noyau, de l'ordre de   10 - 15  % de chance que cela arrive pour 1 seul électron . 

Mais, à l'échelle d'une mole d'hydrogène ( 1g d'H2), soit 6.10 23   molécules ( X2 pour les atomes ). Il y aurait, malgré cette chance infiniment petite, un électron qui passerait sur un noyau toutes les secondes. Cependant, l'électron ne s'écrase pas sur le noyau, malgré l'attraction entre leurs charges opposées (négative et positive). Nous ne saurons sans doute jamais ce qu'il se passerait, car cette situation n'est ( actuellement ) pas physiquement possible, C'est le principe d'incertitude. 

Le proton est extrêmement petit ; vouloir placer l’électron exactement sur lui reviendrait à contraindre sa position avec une précision excessive.

Or, en physique quantique, une précision trop grande sur la position implique une vitesse trop élevée pour l’électron, ce qui l’empêche de rester fixé au noyau.

L’atome atteint donc un équilibre, appelé « puits de potentiel », qui détermine le rayon atomique. (montrer le passage avec la conférence source)

La raison pour laquelle les atomes ne s’interpénètrent pas, ce qui nous permet de rester assis sur une chaise sans la traverser,  est le principe d’exclusion de Pauli, lequel stipule que deux électrons au maximum peuvent occuper une même orbitale atomique. Lorsqu’un nuage électronique s’approche d’un autre, une force de répulsion apparaît parce que les électrons ne peuvent pas partager exactement le même espace. Ce n’est donc pas une simple force de contact, mais bien ce principe d’exclusion qui donne à la matière sa rigidité et sa solidité apparentes.

Conclusion : 

Personne ne comprend totalement la quantique, et c’est justement ce qui la rend aussi fascinante. Même les plus grands physiciens comme Richard Feynman disaient : « Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas. » 

Si vous ne passez pas au travers du sol ou d'une chaise, c'est parce que le principe d'exclusion empêche les atomes de votre corps de se mélanger à ceux de l'objet, créant ainsi la sensation de contact et de solidité. Ainsi, si vous êtes assis sur une chaise sans la traverser, ce n’est pas parce que la matière est “pleine”, mais parce que les lois quantiques interdisent à vos électrons d’occuper exactement les mêmes états que ceux de la chaise. La solidité n’est pas une évidence : c’est une conséquence directe des règles quantiques.