La physique quantique a déjà changé la face du monde

Cet article a été publié en exclu­si­vi­té dans notre maga­zine Le 3,14 sur le quan­tique.
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La phy­sique quan­tique per­met d’expliquer le com­por­te­ment et les inter­ac­tions entre par­ti­cules, ain­si que les champs de forces qui les animent. Née il y a plus d’un siècle, c’est pro­ba­ble­ment aus­si la théo­rie la moins intui­tive de toutes celles à dis­po­si­tion des scien­ti­fiques pour décrire et com­prendre le monde.

Dans l’univers de l’infiniment petit, les concepts les plus évi­dents de notre expé­rience du quo­ti­dien sont bat­tus en brèche. Une par­ti­cule pos­sède, par exemple, des pro­prié­tés à la fois cor­pus­cu­laires et ondu­la­toires. Son empla­ce­ment n’est pas déter­mi­né par une posi­tion pré­cise, mais par un « nuage de pro­ba­bi­li­tés » qui la fait exis­ter un peu par­tout à la fois, avec des chances plus ou moins grandes de la trou­ver si on cherche fina­le­ment à l’observer.

De plus, le concept même de mesure prend un sens tota­le­ment dif­fé­rent. Dans le monde quan­tique, on ne peut pas mesu­rer une pro­prié­té d’une par­ti­cule avec une pré­ci­sion infi­nie. Pire encore, selon le prin­cipe des vases com­mu­ni­cants, plus on aura de pré­ci­sions sur cer­taines pro­prié­tés (sa posi­tion, par exemple), moins on en aura sur d’autres (son éner­gie, par exemple). Et ces limi­ta­tions ne viennent pas de nos ins­tru­ments de mesure : au contraire, elles sont fon­da­men­ta­le­ment ins­crites dans les règles qui régissent le monde de l’infiniment petit.

La méca­nique quan­tique décrit aus­si les échanges d’énergie que les par­ti­cules ont entre elles.

Enfin, et c’est ce qui lui donne son nom, la méca­nique quan­tique décrit aus­si les échanges d’énergie que les par­ti­cules ont entre elles. Et contrai­re­ment à notre monde macro­sco­pique clas­sique, où l’énergie d’une balle de ten­nis ou d’une voi­ture peut prendre n’importe quelle valeur, un élec­tron dans un atome ne peut émettre ou absor­ber que des quan­ti­tés d’énergie pré­ci­sé­ment déter­mi­nées. Chaque « paquet » d’énergie que l’électron absorbe ou émet est appe­lé « quan­tum » d’énergie (d’où le nom de phy­sique « quan­tique »). Ces échanges se font par bonds suc­ces­sifs, et non de manière conti­nue comme nous en avons l’habitude à notre échelle.

Toutes ces étranges règles abou­tissent à des situa­tions qui peuvent sem­bler para­doxales, comme le fait qu’un objet quan­tique peut exis­ter dans plu­sieurs états simul­ta­né­ment, ou que deux par­ti­cules dites « intri­quées » sont si fon­da­men­ta­le­ment liées que si l’on effec­tue un chan­ge­ment sur l’une, l’autre en subi­ra ins­tan­ta­né­ment les consé­quences, indé­pen­dam­ment de la dis­tance qui les sépare.

Ces situa­tions bizarres sont obser­vées quo­ti­dien­ne­ment dans tous les labo­ra­toires de recherche du monde. Et, bien au-delà des portes des ins­ti­tuts de recherche, ces phé­no­mènes sont uti­li­sés pour faire fonc­tion­ner quan­ti­té d’appareils que l’on uti­lise chaque jour.

L’une des décou­vertes les plus éton­nantes de la phy­sique quan­tique est la fameuse « dua­li­té onde-par­ti­cule ». Au XIX^e siècle, quan­ti­té d’expériences avaient mon­tré le carac­tère ondu­la­toire de la lumière, mais c’est en 1905 qu’Albert Ein­stein démontre un effet appe­lé « pho­to­élec­trique » qui prouve que la lumière peut frap­per des élec­trons et les éjec­ter comme des boules de pétanque. Il fau­dra attendre 20 ans pour que le phy­si­cien fran­çais Louis de Bro­glie com­prenne que, loin d’être un pro­blème, la lumière (et toute par­ti­cule maté­rielle) se com­porte à la fois comme une onde et comme une par­ti­cule. Cette décou­verte est à l’origine de plu­sieurs appli­ca­tions quo­ti­diennes comme les pan­neaux pho­to­vol­taïques ou les cap­teurs CCD de nos appa­reils photo.

De même, la quan­ti­fi­ca­tion des échanges d’énergie entre les élec­trons de la matière a appor­té plu­sieurs inno­va­tions fon­da­men­tales sans les­quelles notre tech­no­lo­gie moderne n’existerait pas.

Com­men­çons par le laser que l’on uti­lise dans les lec­teurs CD, en indus­trie pour la découpe de maté­riaux, en astro­no­mie pour mesu­rer la dis­tance Terre-Lune, en méde­cine pour décou­per ou cau­té­ri­ser les tis­sus, dans les super­mar­chés pour lire les codes-barres, dans les impri­mantes laser ou dans les fibres optiques pour com­mu­ni­quer d’un conti­nent à l’autre.
Cette lumière très spé­ciale, com­po­sée de pho­tons (c’est le nom qu’on a don­né aux par­ti­cules de lumière) tous iden­tiques, est pro­duite en for­çant les atomes à émettre tous ensemble les mêmes quan­ta d’énergie. On obtient alors cette lumière par­ti­cu­lière dont il serait dif­fi­cile de se pas­ser aujourd’hui.

Une autre appli­ca­tion de la théo­rie des quan­ta n’est ni plus ni moins que… toute l’électronique moderne ! Cette tech­no­lo­gie pré­sente dans nos télé­phones por­tables, nos montres, nos véhi­cules, nos ordi­na­teurs, nos dis­po­si­tifs médi­caux (pace­ma­ker, pèse-per­sonne, ten­sio­mètre, défi­bril­la­teur car­diaque) et une infi­ni­té d’autres appli­ca­tions cou­rantes, fonc­tionne grâce à la com­pré­hen­sion du com­por­te­ment des élec­trons dans une caté­go­rie de maté­riaux appe­lés « semi-conduc­teurs » – c’est-à-dire natu­rel­le­ment iso­lants, mais qui peuvent faci­le­ment deve­nir conduc­teurs si une petite ten­sion élec­trique leur est appli­quée. Cette pro­prié­té, qui per­met de contrô­ler à volon­té le pas­sage (ou non) d’un cou­rant élec­trique, sert à construire les diodes et les tran­sis­tors qui sont les élé­ments de base de toute l’électronique.

Et lorsque vous mélan­gez émis­sion contrô­lée de lumière et semi-conduc­teurs, vous construi­sez des LED (diodes élec­tro­lu­mi­nes­centes), actuel­le­ment en train de rem­pla­cer une grosse par­tie des anciennes ampoules élec­triques, beau­coup plus énergivores.

La méca­nique quan­tique est par­tout autour de nous : dans les appli­ca­tions tech­no­lo­giques que nous avons déve­lop­pées, mais aus­si dans tous les phé­no­mènes natu­rels qui nous entourent et qu’on ne peut com­prendre sans uti­li­ser le for­ma­lisme quantique.

Si le Soleil brille, c’est à cause des pro­ces­sus de fusion nucléaire en son cœur, eux-mêmes per­mis grâce à une autre bizar­re­rie quan­tique : l’effet tun­nel, qui per­met à des par­ti­cules de « sau­ter » des bar­rières de poten­tiel autre­ment infran­chis­sables dans le monde clas­sique. Quant au bleu du ciel, il est dû à la manière dont la lumière du Soleil inter­agit avec les molé­cules de l’atmosphère ter­restre.
Même la pho­to­syn­thèse (ce pro­ces­sus par lequel les plantes trans­forment l’énergie reçue du Soleil en matière orga­nique, elle-même absor­bée par les her­bi­vores, consom­més à leur tour par les car­ni­vores) est soup­çon­née, dans les recherches les plus récentes, de devoir son exis­tence à des phé­no­mènes quan­tiques dont la bio­lo­gie doit encore lever le mystère.

La phy­sique quan­tique a révo­lu­tion­né la manière dont les humains com­prennent et façonnent le monde. Mais depuis la fin du XX^e siècle, une « deuxième révo­lu­tion quan­tique » est en cours, dans laquelle les pro­ces­sus les plus fon­da­men­taux de la méca­nique quan­tique sont exploi­tés pour faire évo­luer nos tech­no­lo­gies à un niveau encore jamais atteint.