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Théorie quantique

Base de la physique moderne, la théorie quantique explique la nature et le comportement de la matière et de l'énergie aux niveaux atomique et subatomique, approche parfois désignée par les termes de physique quantique et mécanique quantique.

En 1900, le physicien Max Planck présentait sa théorie quantique à la Société allemande de physique. Il avait cherché à comprendre pourquoi le rayonnement d'un corps incandescent passait du rouge à l'orange puis, enfin, au bleu au fur et à mesure que la température augmentait. Il découvrit qu'en partant du principe que l'énergie existait en unités individuelles, de même que la matière, plutôt que comme onde électromagnétique constante, comme on l'avait supposé jusque-là et qu'elle était donc quantifiable, il pouvait trouver réponse à sa question. L'existence de ces unités est devenue la première hypothèse de la théorie quantique.

Planck créa une équation mathématique dans laquelle il introduisit une constante pour représenter ces unités individuelles d'énergie, qu'il baptisa quanta. L'équation expliquait parfaitement le phénomène. Planck découvrit qu'à certains niveaux discrets de températures (multiples exacts d'une valeur minimale), l'énergie émise par un corps incandescent occupait différentes zones du spectre des couleurs. Il pensait qu'il était possible de formuler une théorie à partir de la découverte des quanta, mais leur existence même suffit à bouleverser fondamentalement la compréhension des lois de la nature. Planck fut lauréat du Prix Nobel de physique pour cette théorie en 1918, mais les travaux menés par de nombreux scientifiques sur les trente années qui ont suivi ont tous contribué à la vision moderne de la théorie quantique.

Le développement de la théorie quantique

  • En 1900, Planck part du principe que l'énergie est composée d'unités individuelles, ou quanta.
  • En 1905, Albert Einstein soutient qu'à l'instar de l'énergie, le rayonnement lui-même est quantifié.
  • En 1924, Louis de Broglie suggère qu'il n'existe aucune différence fondamentale entre la constitution et le comportement de l'énergie et de la matière. Aux niveaux atomique et subatomique, elles peuvent présenter aussi bien des propriétés de corpuscules que des propriétés d'ondes. Cette théorie, devenue le principe de dualité onde-corpuscule, accorde aux particules élémentaires de l'énergie et de la matière une double nature d'onde et de corpuscule, selon les conditions.
  • En 1927, Werner Heisenberg avance qu'il est impossible de réaliser simultanément une mesure précise de deux valeurs complémentaires, telles que la position et le mouvement d'une particule subatomique. Contrairement aux principes de la physique classique, cette mesure simultanée est inévitablement faussée, car plus une valeur est mesurée avec précision, plus la mesure de l'autre valeur est imparfaite. Cette théorie à l'origine du principe d'incertitude a fait dire à Albert Einstein que « Dieu ne joue pas aux dés ».

L'école de Copenhague et la théorie des mondes multiples

L'école de Copenhague et la théorie des mondes multiples sont deux courants de pensée majeurs qui tentent d'expliquer les implications de la théorie quantique sur la nature de la réalité.

Niels Bohr a proposé l'interprétation de Copenhague de la théorie quantique, qui affirme qu'une particule est fonction de la mesure qui en est faite (par exemple, une onde ou un corpuscule) mais qu'on ne peut pas lui attribuer des propriétés particulières tant qu'on ne l'a pas mesurée. En bref, Bohr disait que la réalité objective n'existe pas. Il en découle un principe appelé superposition qui postule que, tant que nous ne connaissons pas l'état d'un objet donné, il revêt en réalité tous les états possibles en même temps, du moment que nous ne cherchons pas à le vérifier.

Pour illustrer cette théorie, nous pouvons utiliser l'analogie célèbre et quelque peu cruelle du chat de Schrödinger. Il s'agit de prendre un chat et de l'enfermer dans une boîte en plomb. A ce stade, nul doute que le chat est vivant. On jette ensuite un flacon de cyanure dans la boîte, qui est alors scellée. Nous ne savons pas si le chat est vivant, ou si le flacon s'est brisé et que le chat est mort. Dans l'ignorance, le chat est à la fois mort et vivant, selon la loi quantique, c'est-à-dire dans des états superposés. Ce n'est que lorsque nous ouvrons la boîte pour constater l'état réel du chat que cette superposition disparaît, car le chat est nécessairement vivant ou mort.

La deuxième interprétation de la théorie quantique est celle des mondes multiples (ou multivers). Elle considère que, du moment qu'un objet quelconque peut potentiellement se trouver dans n'importe quel état, l'univers de cet objet se divise en une série d'univers parallèles correspondant au nombre d'états possibles de l'objet, chacun de ces univers contenant un seul et unique état possible de cet objet. De plus, il existe un mécanisme d'interaction entre ces univers, qui permet à tous les états d'être accessibles d'une certaine manière et à tous les états possibles d'être influencés d'une manière ou d'une autre. Stephen Hawking et Richard Feynman figurent parmi les scientifiques ayant exprimé une préférence pour la théorie des mondes multiples.

L'influence de la théorie quantique

Bien que les scientifiques du siècle dernier, dont Planck et Einstein, aient hésité sur les implications de la théorie quantique, les principes de la théorie ont été étayés à plusieurs reprises par l'expérimentation, même lorsque les scientifiques tentaient de les réfuter. La théorie quantique comme la théorie de la relativité d'Einstein constituent le fondement de la physique moderne. Les principes de la physique quantique s'appliquent à de nombreux domaines, notamment l'optique, la chimie, l'informatique et la cryptographie.

Voir la présentation de la théorie quantique par Brian Greene sur Nova :

Cette définition a été mise à jour en janvier 2019

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