La mécanique quantique démystifiée
Par Serge Hamoudou
La mécanique quantique a la réputation d’être incompréhensible. Aujourd’hui, je vais tenter de détruire ce mythe, phénomène par phénomène.
Superposition : La mécanique quantique stipule qu’une particule, par exemple un électron, peut être à plusieurs endroits en même temps lorsqu’elle n’est pas observée. La raison pour laquelle ceci nous semble absurde est que nous sommes habitués à visualiser les électrons et autres particules comme des points matériels, ou « billes », tel qu’erronément expliqué par le modèle de Rutherford-Bohr, qui est enseigné à l’école secondaire. Pour comprendre en quoi cette représentation est erronée, imaginez-vous, un instant, à la plage. Vous observez une vague venant de l’océan. Si, maintenant, je vous demandais quelle est la position précise de la vague, vous me répondriez probablement que cette question n’a aucun sens, car la vague n’est pas à un endroit précis, mais qu’elle est étalée (ou superposée) sur une multitude de points spatiaux. Il est donc absurde de représenter une vague, ou tout autre type d’onde, comme un point matériel. La mécanique quantique nous apprend justement que les particules se comportent comme des ondes.
Principe d'incertitude de Heisenberg : Comme établi dans le paragraphe précédent, les vagues sont superposées sur une étendue de points spatiaux. Certaines vagues sont étalées sur une moins grande distance que d’autres. Imaginez une vague unique et très mince. Une telle vague est dite localisée, car sa position peut être décrite approximativement par un point spatial. Elle aura alors tendance à s’étaler dans toutes les directions spatiales. Si je vous demandais quelle était la vitesse précise, en grandeur et en direction, de cette vague, encore une fois, vous me répondriez probablement que cette question n’a aucun sens, car la vague s'aplatit en s'étendant dans toutes les directions et non dans une direction en particulier. À l’inverse, considérez une vague très régulière, ou plutôt un train de vagues dans ce cas précis. Ce train se déplace dans une direction et à une vitesse très précises, mais la vague n’est pas localisée du tout, c’est-à-dire qu’il n’est pas possible de décrire la position de cette vague à l’aide d’un seul point spatial avec une quelconque précision que ce soit. En résumé, plus une vague est localisée spatialement, moins on peut lui donner une vitesse de façon précise, et vice-versa. Ce principe, lorsqu’appliqué aux particules de la mécanique quantique, est le principe d’incertitude de Heisenberg.
L'observation change le comportement : Cette affirmation n’est pas fausse en soit, mais laisse entendre une interprétation mystifiée de la réalité. En effet, prenons l’exemple de la fameuse expérience de la double fente avec des électrons. Dans cette expérience, un électron passe soit à travers une seule fente, soit à travers les deux, dépendamment de si on tente de mesurer, ou non, à travers quelle fente il traverse. Il en est souvent dit que c’est comme si les particules « savaient » quand elles sont observées. Pour démêler ceci, il faut savoir que pour mesurer ou observer quelque chose, il faut y envoyer un signal, constitué de lumière ou autre, et attendre que celui-ci nous revienne. C’est pour la même raison qu’il est impossible de voir dans le noir absolu. À l’échelle macroscopique à laquelle nous vivons, cet échange de signaux permet d’observer un système physique sans affecter son comportement. En effet, à cette échelle, la lumière n’interagit essentiellement pas avec la matière, à moins qu’elle soit excessivement concentrée comme dans le cas d’un laser. Or, la lumière est constituée de particules très petites appelées photons. Un photon, de façon analogue à l’atome dans le cas de la matière, est la plus petite unité de lumière qui puisse exister. Alors, à l’échelle des particules subatomiques comme les électrons, même un photon individuel a un impact considérable. Ainsi, lorsqu’on tente de mesurer à travers quelle fente un électron passe, il faut l’observer et donc interagir avec la particule. Ceci est la vraie raison pour laquelle l’observation change le comportement.
Écroulement de la fonction d'onde : Il est souvent dit qu’au moment de l’observation d’une particule quantique, disons un électron, celle-ci cesse de se comporter comme une onde et se comporte alors comme un corpuscule. Ceci est inexact. Pour comprendre pourquoi, reprenons l’exemple de l’expérience de la double fente. Comme discuté au paragraphe précédent, il est impossible d’observer une particule quantique sans affecter son comportement. Or, il se trouve que lorsqu’on tente de mesurer à travers quelle fente un électron passe, on effectue une mesure de sa position. De ce fait, on force le paquet d’onde qu’est l’électron à être très localisé, c’est-à-dire à être étalé sur une très courte distance, créant le comportement approximatif d’un corpuscule. Toutefois, aussitôt que la mesure est faite, ce paquet d’onde s’étalera à nouveau.