La matière est quelque chose de tangible, pourtant on sait qu'elle est constituée de particules infiniment petites dont la nature nous échappe. Le monde est-il vraiment tel que nos perceptions nous le laissent penser ? Pour en savoir plus, plongeons ensemble dans le monde mystérieux de la physique quantique...

Comprendre comment s'organise la matière, calculer les trajectoires et la vitesse de rotation des planètes, prévoir la quantité de produit que vous allez obtenir après une réaction chimique... La physique et la chimie sont deux disciplines qui permettent de mieux comprendre le monde qui nous entoure, son fonctionnement et elles nous donnent des clefs pour prévoir son évolution. Mais si je vous disais que la majorité des systèmes qui constituent notre univers ne peuvent pas être décrits précisément, et que l'on arrive même pas à appréhender leur nature ?

Ces systèmes, ce sont les particules quantiques. Ce sont par exemple, les électrons, dont le déplacement forme l'électricité, les photons, qui sont les particules de lumière, les atomes et les molécules et toutes les autres particules qui constituent l'énergie ou la matière. Elles sont infiniment petites et n'obéissent pas aux mêmes lois physiques que les corps que nous avons l'habitude d'observer. Si vous voulez un ordre de grandeur de leur taille, vous pouvez prendre l'un de vos cheveux et diviser son diamètre par mille. Elles sont difficiles à étudier et nous savons encore peu de choses à leur sujet. A quoi ressemblent-elles, comment se comportent-elles, que sont-elles ? La physique quantique est la discipline qui s'intéresse précisément à l'étude de ces particules. Elle repose sur des principes de base, des hypothèses qui permettent de construire les théories sur le fonctionnement de ces particules. Cependant, contrairement à la plupart des sciences, ces principes expriment plus ce qu'on sait ne pas savoir que ce qu'on connaît vraiment sur ces particules. C'est notamment le cas du principe de superposition et du principe d'incertitude.

Pour mieux comprendre ce que signifient ces principes et comment on peut étudier ces toutes petites particules, imaginez un moustique dans une pièce. Vous avez donc un moustique avec vous dans une pièce. Vous savez qu'il est là, et d'ailleurs il vous énerve un peu, mais vous ne pouvez ni le voir en détails, ni connaître sa position exacte dans la pièce. En revanche, si vous arrivez à l'écraser contre un mur, vous pouvez l'observer. Cependant vous aurez changé son état.

Observer une particule quantique en laboratoire, c'est un peu comme écraser un moustique contre un mur. Nous devons pouvoir la fixer sur un détecteur mais en le faisant, nous modifions les paramètres qui définissent son état de départ, sa vitesse ou son énergie par exemple, et nous n'avons aucun moyen de savoir à quel point nous les avons modifiés. Cependant, avec un grand nombre d'observations, il est possible d'observer un certain nombre d'états possibles, très différents et parfois contradictoires pour un même type de particule. C'est le cas des électrons par exemple, qui peuvent à la fois se comporter comme des particules différenciées les unes des autres et comme des ondes continues. C'est ce qu'on appelle le principe de superposition des états quantiques. Grâce à l'équation que Erwin Schrödinger, l'un des pères de la physique quantique, a écrit en 1925, on peut calculer une probabilité d'existence d'un état d'une particule. Cependant, cela ne reste qu'une probabilité, c'est-à-dire que même si on arrive à identifier l'état dans lequel on a le plus de chance d'observer une particule, il existe toujours une petite chance qu'elle soit dans un autre état et une possibilité, même infime, qu'elle soit dans tous ses états à la fois, ou dans aucun état. On ne peut donc pas connaître l'état d'une particule de manière certaine.

Reprenons la métaphore du moustique pour aborder le deuxième principe. Lorsqu'il vole à travers la pièce, et même si vous ne pouvez pas l'observer, vous pourriez éventuellement évaluer sa vitesse, par exemple en connaissant les dimensions de la pièce et en calculant le temps qu'il met à la traverser. En revanche, lorsqu'il est écrasé contre le mur, vous connaissez sa position exacte, mais vous n'avez pas accès à sa vitesse de départ. Pour une particule quantique c'est la même chose, on ne peut pas connaître à la fois sa position et sa quantité de mouvement. C'est ce qu'on appelle le principe d'incertitude. Il a été énoncé par Werner Heisenberg en 1927.

Arrivé à ce paragraphe, vous devez déjà être en train de vous demander pourquoi des illuminés s'intéressent à une science qui étudie des systèmes qu'on ne peut ni voir, ni imaginer et où les principes de base énoncent notre incapacité à les décrire. Eh bien, il y a déjà trois raisons à cela. La première, c'est justement parce que c'est intéressant de savoir qu'on ne sait pas. C'est la première étape pour pouvoir identifier ce que l'on peut encore découvrir, cela nous permet de mettre le doigt sur un vide dans notre connaissance et de pouvoir décider de se donner les moyens de le combler.

La deuxième, c'est que malgré le fait qu'on n'ait pas la capacité mentale de se représenter ces particules, on arrive tout de même à les manipuler, et à leur trouver des utilisations. La physique quantique a des applications très concrètes dans votre vie. Elle a permis de développer les batteries et les capteurs de vos I-Phone, d'inventer le laser qui permet, entre autres, de guérir les cataractes et de calculer la distance entre la Terre et la Lune. Elle a permis de découvrir et de développer la physique nucléaire qui produit plus de 70% de l'électricité de notre pays aujourd'hui.

Enfin, ce qu'il y a peut-être de plus intéressant avec la physique quantique, c'est que les paradoxes qu'elle nous pose nous permettent d'en apprendre plus sur nous-même, d'identifier nos propres limites, celles de notre perception du monde, mais aussi celles de notre imagination. Elle met le doigt sur nos biais de réflexion, et nous permet de questionner la vraie nature de l'espace qui nous entoure et notre façon d'appréhender le réel.

Alors, envie d'écraser quelques moustiques pour en apprendre plus sur votre façon de voir le monde ?

Merci à Gerd Altmann de Pixabay pour l'image d'entête.