Jusqu’au début du 20^e siècle, la vision de la physique était dite classique. Celle-ci considérait que les particules élémentaires pouvaient être vues comme des billes qui pour les électrons par exemple orbitaient autour du noyau tels des planètes autour du soleil. Si nous collisionnons deux billes, il est facile mathématiquement de prédire comment les billes seront après la collision en utilisant la physique classique : dans quelle direction elles iront, à quelles vitesses, … En réalité, lorsque deux particules entrent en collision, les choses ne sont pas aussi simples.

De plus, les physiciens de l’époque pensaient également qu’il était possible de prédire de manière exacte l’évolution d’un système à partir de son état actuel. Cette voie de pensée est connue sous le nom de « déterminisme ». Ils affirmaient par exemple qu’en connaissant l’état précis du monde à l’heure actuelle, il est possible de prédire de manière exacte l’état du monde à n’importe quel moment du futur. Il s’est rapidement avéré que ceci n’était pas le cas et qu’un grand nombre d’éléments ne peuvent être prédits dans les processus physiques, laissant une large place à l’inconnu.

Il fallut donc utiliser une théorie plus complexe que celle proposée par la physique classique : la mécanique quantique.

Néanmoins, la vision classique de la physique est encore toujours utilisée pour de nombreux cas simples. Lorsque nous voulons par exemple calculer la vitesse de rotation de la Terre autour du Soleil, il n’est pas nécessaire de tenir compte des interactions entre atomes. La Terre et le Soleil peuvent être vus comme des objets ponctuels entre lesquels agit une certaine force. Le problème est alors largement simplifié et donne une solution très proche de la solution exacte. La physique classique est encore largement utilisée lorsque nous voulons décrire de très grands systèmes.

Nous sommes plus familiers avec la vision classique de la physique car celle-ci parle en termes d’objets que nous pouvons facilement imaginer. En anticipant un peu sur la suite de cet exposé, il est plus facile de s’imaginer les électrons autour du noyau comme des planètes autour du soleil que comme un nuage de gaz dans lequel l’électron peut apparaître à certains endroits plus ou moins fréquemment.

Toutefois, le passage à la mécanique quantique est obligatoire lorsque nous tentons de décrire les phénomènes se passant à des échelles microscopiques.

Le passage à la mécanique quantique est la grande révolution de la physique survenue au 20^e  siècle. Néanmoins, afin de comprendre comment celle-ci s’est opérée, nous devons remonter à 1801 lorsque Thomas Young effectua l’expérience des fentes de Young. Le principe est assez simple : entre une ampoule et un mur on place une feuille de papier percée de une ou deux petites fentes. La pièce est ensuite plongée dans le noir et le motif qui apparaît sur le mur est analysé.

Lorsqu’une seule fente est présente, le motif représenté en haut dans la figure ci-contre est observé. Ceci veut dire que la région du mur située directement en face du trou est plus illuminée que sur les côtés. Tout comme lorsque vous pointez une lampe-torche sur un mur, le centre est plus lumineux que les bords.

En revanche, lorsque deux fentes sont présentes, les choses deviennent intéressantes. Nous nous attendons à observer deux endroits où les taches de lumière sont plus lumineuses, directement en face des deux fentes. Or, nous n’observons pas deux taches mais une série de lignes dont l’intensité décroit. Afin d’appréhender le phénomène, cherchons ce genre de motifs dans la nature. Lancez par exemple une pierre dans un lac. Vous observez alors des ronds concentriques se former autour du point où la pierre est entrée dans l’eau. Lancez maintenant deux pierres. Le motif est cette fois plus complexe avec plein de creux et de vagues mais qui rappelle quand même le motif obtenu avec une pierre. On parle d’interférences entre les deux.

Lorsqu’une seule fente est présente, une zone très lumineuse est visible.
Mais lorsque la lumière passe par deux fentes, des motifs complexes apparaissent

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Motif d’interférences avec des ondes sur l’eau

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Il en va de même avec l’expérience des fentes de Young. La lumière issue des deux fentes forme un motif complexe en interférant avec elle-même.  Dans certaines zones, les interférences sont destructives, signifiant qu’au final il n’y a plus de lumière du tout. Dans d’autres zones, les interférences sont constructives, signifiant que les taches sont plus lumineuses.

La lumière crée donc des figures d’interférence, comme n’importe quelle onde, ce qui mena Young à conclure que la lumière est une onde.

Durant plus de 100 ans, la lumière fut donc considérée comme une onde et cela ne posa pas de problèmes majeurs, jusqu’à ce qu’Albert Einstein apporte une explication à l’effet photo-électrique. L’effet photo-électrique est le phénomène physique utilisé au sein des panneaux solaires photovoltaïques. Le concept est le suivant. En exposant un bloc de métal à de la lumière, des électrons des atomes de métal sont arrachés créant ainsi un courant. Ce courant peut ensuite être récupéré et utilisé afin d’alimenter en électricité une habitation.

Les photons viennent cogner la plaque métallique et arracher des électrons

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Les physiciens remarquèrent qu’en deçà d’une certaine fréquence lumineuse, aucun courant n’était généré. Ils s’attendaient tout de même à ce qu’en augmentant l’intensité de la source lumineuse un courant finisse par se former. Or, il n’en est rien. Ce résultat semble même contre-intuitif ! Imaginez un ballon à la surface d’un lac. Si vous formez de petites vagues, le ballon ondulera à la surface sans s’en décoller. Si cependant vous formez de grosses vagues en augmentant l’intensité de celles-ci, le ballon va à un moment donné pouvoir se détacher de la surface du lac et rester un instant dans l’air. Pourquoi donc les électrons ne se détachent-ils pas lorsque la lumière devient plus intense ?

La solution vint donc d’Albert Einstein en 1905. Celui-ci émit l’hypothèse que la lumière est en fait composée de particules : les photons. Chaque photon porte une certaine énergie qui dépend de la fréquence de la source lumineuse. Lorsque le photon arrive à la plaque de métal, il peut transférer son énergie à l’électron qui peut éventuellement se libérer de l’emprise du noyau et former un courant. Mais les électrons ne peuvent pas cumuler l’énergie qu’ils ont reçue des photons, ce qui explique pourquoi l’intensité de la source lumineuse, qui varie avec le nombre de photons, ne change rien au problème si les photons n’ont pas assez d’énergie. Une image simplifiée serait la suivante : l’électron analyse un à un les photons qui se présentent à lui. Si ce photon a assez d’énergie pour libérer  l’électron,  il le fait, sinon ce photon est ignoré.

Voici une analogie mécanique de cet effet :

Nous avons donc des photons qui se propagent comme une onde mais interagissent comme des particules… Ce phénomène est appelé la « dualité onde-particule », mais nous verrons plus tard que la lumière est bien formée de particules.

Dans les points précédents, nous avons introduit la dualité onde-particule qui est une des pierres angulaires de la mécanique quantique et qui est également un point assez difficile à accepter. Mais avant de développer plus le sujet et d’expliquer ce qu’il en est réellement, nous devons nous pencher sur ce qui est appelé la « catastrophe ultraviolette ».

À l’aide des modèles physiques et mathématiques dont disposaient les physiciens des années 1900, ils furent capables de prédire quel serait le spectre d’émission du soleil. Par spectre d’émission, nous entendons : quel est le nombre de photons émis à une certaine fréquence ou énergie (les deux étant reliés comme l’a démontré Einstein). Un parallèle avec le tennis serait de voir combien de fois un joueur effectue un coup-droit, un revers, une volée, … et d’en faire un graphique. Nous avons alors une idée de comment le joueur joue et du nombre de fois qu’il utilise chaque frappe. De même, à l’aide d’un spectromètre, nous avons une idée de combien de photons sont émis à une certaine fréquence.

En observant le Soleil à l’aide de télescopes équipés de spectromètres, les physiciens ont pu comparer les prévisions théoriques aux résultats expérimentaux. Et comme le laisse entendre le nom de catastrophe, les deux n’étaient absolument pas en accord. En théorie, le Soleil aurait dû émettre une quantité énorme de lumière très énergétique qui n’aurait laissé aucune chance à la vie sur Terre. L’expérience montre naturellement que ceci n’est pas le cas et qu’il faut donc revoir la théorie.

La solution fut apportée par Max Planck qui proposa que l’énergie des photons émis par le Soleil doit adopter des valeurs discrètes.

Mais revenons maintenant au concept de « dualité onde-particule ». Si la lumière est formée de particules comme nous l’affirmons, comment se fait-il qu’elle montre les caractéristiques d’une onde ? Et si la lumière se comporte ainsi, est-ce que d’autres particules ont le même comportement ?

Hé bien oui ! En répétant l’expérience de Young avec un faisceau d’électrons, des atomes et même des molécules, nous observons le même résultat. Mais comment expliquer cela ? Pour se faire, nous devons tout d’abord réintroduire quelques concepts du point de vue de la mécanique quantique.

Lorsqu’en mécanique classique, l’outil que nous utilisons pour décrire le monde macroscopique, nous voulons indiquer la position d’un objet, nous disons simplement : « il est là ! ». Nous sommes capables de dire que par exemple notre voiture est garée à tel ou tel emplacement. En mécanique quantique tout cela change. La position des objets ou des particules n’est plus décrite par un point dans l’espace, mais par ce que nous appelons une « amplitude de probabilité ». Celle-ci va nous dire : « l’objet a une probabilité de 25% de se trouver à tel endroit, de 10% de se trouver à tel autre endroit, … ». Le système n’est plus décrit comme étant à un certain endroit à un certain moment, comme c’était le cas en mécanique classique.

Imaginez par exemple une maman qui envoie son fils à l’école. Elle peut dire : « il y a 80% de chance qu’il soit à l’école, mais également 10% de chance qu’il soit au parc ou 10% de chance qu’il soit au cinéma s’il décide de faire l’école buissonnière ».

À ce stade, les choses peuvent encore paraître simples, il suffirait de tenir compte de l’ensemble des possibilités. Mais en réalité, les amplitudes de probabilité ne sont pas discrètes mais continues (à l’inverse de l’analogie de la bouteille donnée précédemment) et peuvent s’étendre dans tout l’espace. Cela veut dire qu’il y a une probabilité non nulle qu’un électron qui se trouve un instant devant vous, se trouve à un autre instant à l’autre bout de l’univers, bien que cette probabilité soit extrêmement faible ! En pratique, l’amplitude de probabilité de l’électron peut être considérée comme nulle au-delà de la taille de la molécule. Comme dit précédemment, l’électron n’est plus vu comme une planète orbitant autour du Soleil, mais comme un nuage au sein duquel l’électron a telle probabilité d’être présent à tel ou tel endroit.

Aïe ma tête !

Vous l’aurez compris, la mécanique quantique c’est complexe. Mais pour résumer : en mécanique quantique, les objets sont décrits par des amplitudes de probabilité. Observer les objets modifie leur comportement car cela modifie ce que nous savons sur leur amplitude de probabilité. De plus, le comportement ondulatoire des objets apparaît lorsque nous décrivons l’évolution de cette amplitude de probabilité entre deux instants.