Dans la vie de tous les jours, nous comprenons intuitivement comment le monde fonctionne. Laissez tomber un verre et il se fracassera sur le sol. Poussez un chariot et il roulera. Marchez vers un mur et vous ne pourrez pas le traverser. Il y a des lois de physique très basiques qui se passent tout autour de nous et que nous saisissons instinctivement : la gravité fait tomber les choses au sol, pousser quelque chose le fait bouger, deux choses ne peuvent pas occuper le même endroit en même temps.

Au début du siècle, les scientifiques pensaient que toutes les règles de base de ce genre devaient s’appliquer à tout dans la nature — mais ils ont ensuite commencé à étudier le monde de l’ultra-petit. Atomes, électrons, ondes lumineuses, aucune de ces choses ne suivait les règles normales. Lorsque des physiciens comme Niels Bohr et Albert Einstein ont commencé à étudier les particules, ils ont découvert de nouvelles lois physiques carrément bizarres. C’étaient les lois de la mécanique quantique, et elles ont obtenu leur nom grâce aux travaux de Max Planck.

« Un acte de désespoir »

En 1900, Max Planck était un physicien à Berlin étudiant quelque chose appelé la « catastrophe ultraviolette ». Le problème était que les lois de la physique prédisaient que si vous chauffez une boîte de manière à ce qu’aucune lumière ne puisse en sortir (connue sous le nom de « boîte noire »), elle devrait produire une quantité infinie de rayonnement ultraviolet. Dans la réalité, rien de tel ne se produit : la boîte émet des rayons de différentes couleurs, rouge, bleu, blanc, comme le fait un métal chauffé, mais il n’y a pas de quantité infinie de quoi que ce soit. Cela n’avait aucun sens. Il s’agissait de lois de la physique qui décrivaient parfaitement le comportement de la lumière à l’extérieur de la boîte — pourquoi ne décrivaient-elles pas précisément ce scénario de boîte noire ?

Planck a essayé une astuce mathématique. Il a supposé que la lumière n’était pas vraiment une onde continue comme tout le monde le supposait, mais qu’elle pouvait peut-être exister avec seulement des quantités spécifiques, ou « quanta », d’énergie. Planck ne croyait pas vraiment que c’était vrai pour la lumière, en fait, il qualifia plus tard cette astuce mathématique d' »acte de désespoir ». Mais avec cet ajustement, les équations fonctionnaient, décrivant avec précision le rayonnement de la boîte.

Il a fallu un certain temps pour que tout le monde soit d’accord sur ce que cela signifiait, mais finalement Albert Einstein a interprété les équations de Planck pour signifier que la lumière peut être considérée comme des particules discrètes, tout comme les électrons ou les protons. En 1926, le physicien de Berkeley Gilbert Lewis les a nommées photons.

Quanta, quanta partout

Cette idée que les particules ne pouvaient contenir que des grumeaux d’énergie de certaines tailles s’est déplacée dans d’autres domaines de la physique également. Au cours de la décennie suivante, Niels Bohr l’a intégrée dans sa description du fonctionnement d’un atome. Il a dit que les électrons voyageant autour d’un noyau ne pouvaient pas avoir des quantités d’énergie arbitrairement petites ou arbitrairement grandes, ils ne pouvaient avoir que des multiples d’un « quantum » standard d’énergie.

Les scientifiques ont fini par comprendre que cela expliquait pourquoi certains matériaux sont conducteurs d’électricité et d’autres non — puisque les atomes ayant des orbites d’électrons d’énergie différente conduisent l’électricité différemment. Cette compréhension a été cruciale pour construire un transistor, puisque le cristal à son cœur est fait en mélangeant des matériaux avec des quantités variables de conductivité.

Mais ce sont aussi des ondes

Voici l’une des bizarreries de la mécanique quantique : ce n’est pas parce qu’un électron ou un photon peut être considéré comme une particule qu’il ne peut pas aussi être considéré comme une onde. En fait, dans beaucoup d’expériences, la lumière agit beaucoup plus comme une onde que comme une particule.

Cette nature ondulatoire produit quelques effets intéressants. Par exemple, si un électron voyageant autour d’un noyau se comporte comme une onde, alors sa position à un moment donné devient floue. Au lieu de se trouver en un point concret, l’électron est étalé dans l’espace. Cette dispersion signifie que les électrons ne se déplacent pas toujours comme on pourrait s’y attendre. Contrairement à l’eau qui s’écoule dans une seule direction dans un tuyau, les électrons qui se déplacent sous forme de courant électrique peuvent parfois suivre des trajectoires étranges, surtout s’ils se déplacent près de la surface d’un matériau. De plus, les électrons qui agissent comme une onde peuvent parfois traverser une barrière. Comprendre ce comportement étrange des électrons était nécessaire lorsque les scientifiques ont essayé de contrôler la façon dont le courant circulait dans les premiers transistors.

Alors, qu’est-ce que c’est – une particule ou une onde ?

Les scientifiques interprètent la mécanique quantique comme signifiant qu’un minuscule morceau de matière comme un photon ou un électron est à la fois une particule et une onde. Il peut être l’un ou l’autre, selon la façon dont on le regarde ou le type d’expérience que l’on fait. En fait, il pourrait être plus exact de dire que les photons et les électrons ne sont ni une particule ni une onde — ils sont indéfinis jusqu’au moment même où quelqu’un les regarde ou réalise une expérience, les forçant ainsi à être soit une particule soit une onde.

Cela a d’autres effets secondaires : à savoir qu’un certain nombre de qualités pour les particules ne sont pas bien définies. Par exemple, il existe une théorie de Werner Heisenberg appelée le principe d’incertitude. Elle stipule que si un chercheur souhaite mesurer la vitesse et la position d’une particule, il ne peut pas le faire avec une grande précision. S’il mesure soigneusement la vitesse, il ne peut pas mesurer la position aussi bien. Cela ne signifie pas seulement qu’il ne dispose pas d’outils de mesure suffisamment performants – c’est plus fondamental que cela. Si la vitesse est bien établie alors il n’existe tout simplement pas de position bien établie (l’électron est étalé comme une onde) et vice versa.

Albert Einstein n’aimait pas cette idée. Confronté à l’idée que les lois de la physique laissaient place à un tel flou, il annonça : « Dieu ne joue pas aux dés avec l’univers ». Néanmoins, la plupart des physiciens acceptent aujourd’hui les lois de la mécanique quantique comme une description précise du monde subatomique. Et c’est certainement une compréhension approfondie de ces nouvelles lois qui a aidé Bardeen, Brattain et Shockley à inventer le transistor.

Ressources :
— Où va l’étrangeté ? Pourquoi la mécanique quantique est étrange, mais pas aussi étrange que vous le pensez, David Lindley
— Qu’est-ce que la mécanique quantique ? Une aventure physique, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Exposition Albert Einstein à l’American Institute of Physics
— Exposition Heisenberg à l’American Institute of Physics

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