Image : Ordres de grandeurs atomiques.
Dans le monde de l'infiniment petit, les orbitales de l'électron peuvent prendre différentes formes caractéristiques en fonction de la nature de l'atome. Par exemple les orbitales de l'hydrogène ont une forme sphérique, les orbitales de l'oxygène ont la forme de deux gouttes d'eau, les orbitales de fer ont la forme de quatre gouttes d'eau. Cette forme de l'orbitale atomique définit la taille de l'atome.
Les tailles caractéristiques des atomes ou les distances entre noyaux dans les molécules sont de l'ordre de l’angström (un dixmillionième de millimètre) en accord avec l'expérience. On peut dire que les atomes sont séparés les uns des autres de quelques angströms.
Cependant le nuage électronique d'un atome n'a pas de dimension bien définie car c'est une superposition d'orbitales atomiques de nature probabiliste. Il n'existe donc pas de mesure bien précise de la taille des atomes car la forme de cette région de l'espace atomique dépend de l'énergie de l'électron et de son moment cinétique. Les énergies caractéristiques des atomes sont de l'ordre de l'électron-volt.
Les tailles et les énergies des atomes ou des molécules sont évidemment trop faibles pour être directement observables à notre échelle. Mais leurs effets peuvent être amplifiés et rendus visibles grâce au nombre colossal d'atomes qui constituent le monde à notre échelle.
1 mole d'hydrogène (1H) pèse 1 g.
1 mole de fer (56Fe) pèse 56 g.
Cette quantité de matière est constitué de 6.02 x 1023 entités élémentaires.
Crédit image : vulgarisation.fr
L'étrangeté quantique
"Je crois pouvoir affirmer que personne ne comprend vraiment la physique quantique." Richard Feynman (1918-1988), théoricien de la physique quantique.
Effectivement la physique quantique est mystérieuse mais un siècle après sa formulation, grâce à elle, les scientifiques comprennent parfaitement les phénomènes qui nous entourent. Cependant, les implications de la physique quantique sont si complexes et si inhabituelles qu'une grande partie de la communauté scientifique a décidé de les éluder. Les physiciens sont d'accord sur la manière de réaliser les calculs afin de rendre compte des phénomènes quantiques mais il n'y a pas de consensus sur une manière unique de les expliquer. Ceci laisse le champ libre à toutes les vulgarisations dont il faut se méfier. De nombreux articles ou vidéos nous expliquent que tout est quantique.
Le terme quantique est souvent employé sans discernement dans de nombreux secteurs de la vie quotidienne (physique nucléaire, chimie, physique des solides, optique, cosmologie, électronique, médecine, biologie, etc.). Cette étrangeté quantique de la matière et de la lumière s'est répandue partout dans notre monde classique.
Effectivement à l'échelle des particules, l'atome est quantique, le photon est quantique et donc par extrapolation tout l'univers (matière et énergie) est quantique. Ainsi, il est facile de généraliser le terme quantique à tout ce qui existe.
Mais bien que la physique quantique ait des répercussions à l'échelle macroscopique, elle concerne principalement le monde de l'infiniment petit, celui des particules, des atomes, des molécules de quelques dizaines d'atomes.
C'est seulement à cette échelle atomique et subatomique que les concepts quantiques de la matière apparaissent. Parmi ces concepts qui ne seront pas expliquer ici, il y a la dualité onde corpuscule, la superposition d'état, l'intrication quantique ou encore la non-localité. C'est grâce à ces concepts que la physique quantique décrit avec une très grande précision la structure de la matière avec ses propriétés physiques (masse, rayon, nature de la liaison chimique, stabilité, niveau d'énergie, etc.).
Il est probable que le futur sera quantique et que de plus en plus de phénomènes quantiques apparaitrons dans notre monde classique. Mais aujourd'hui, je vais simplement préciser dans quelles conditions ces propriétés purement quantiques émergent de la matière et de la lumière.
D'où la question sous-jacente : puisque la matière à notre échelle est constituée d'objets quantiques, pourquoi n'obéit-elle pas aux principes de superposition, de dualité, d'intrication ?
Par exemple :
- L'atome lorsqu'il est isolé, c'est une onde de l'ordre du nanomètre.
- Un atome de fer isolé dans le vide sans lumière occupe une infinité de positions différentes en même temps.
- Deux photons lorsqu'ils sont produits ensemble restent intriqués quelle que soit la distance qui les sépare.
Pourquoi ces états quantiques disparaissent à l'échelle macroscopique ?
Ces états de la matière sont contre-intuitifs car nous ne les observons pas dans notre monde constitué de milliards de milliards de milliards de particules.
A l'échelle microscopique, un objet quantique isolé se comporte plutôt comme une onde occupant tout l'espace et il est impossible de le localiser précisément. Cela veut dire que lorsqu'une interaction agit sur lui, elle rencontre un objet diffus, plutôt flou et non un corpuscule qui aurait un certain volume situé à un endroit bien précis.
C'est la théorie de la décohérence qui fait consensus. Elle nous dit que dès lors que l'objet est trop gros ou qu'il interagit avec trop de matière de l'environnement (air, liquide, solide, lumière, etc.) il cesse d'être quantique.
En interagissant avec l'environnement l'objet quantique va basculer dans une autre échelle. Au cours de ses errances il va rencontrer les autres objets de l'environnement (matière et lumière) et interagir avec eux.
La complexité de ces interactions est telle qu'il va devoir prendre position car tous ses états quantiques deviennent rapidement incohérents d'où le nom de la théorie de la décohérence.
Mathématiquement ces interactions détruisent la phase quantique de l'objet c'est-à-dire la manifestation de l'onde. Ce décalage de phase finit par devenir nul et l'objet va apparaitre dans notre monde macroscopique dans un des états physiques du système, celui le plus probable.
Autrement dit, n'importe quelle collision avec les atomes de l'environnement réduit l'objet quantique. C'est ce que l'on appelle la "réduction du paquet d'onde".
Puisqu'un objet quantique ne peut s'extraire de l'environnement terrestre, comment sait-on que ses états quantiques existent ?
Toutes les expériences en physique quantique sont faites dans des conditions extrêmes, sous ultravide ou à très basses températures (près du zéro absolu) ou les deux. Des fois même à très haute pressions, des centaines de fois celle de notre environnement.
Dans tous les cas, notre particule ne doit jamais rencontrer d'autres particules jusqu'à ce qu'elle soit mesurée.
Même la supraconductivité (absence de résistance électrique) ou la superfluidité (absence de toute viscosité) s'exerçant sur des objets macroscopiques ne peuvent se manifester à température ambiante. Elles s'observent lorsque la température se rapproche du zéro absolu. Par exemple, lorsque l'hélium liquide est amené à moins de deux degrés du zéro absolu les corpuscules redeviennent des ondes et se réunissent dans une seule onde géante, correspondant au condensat de Bose-Einstein.
Tant que les conditions extrêmes de vide et de température persistent, l'onde va résister à la décohérence et persister. C'est pour cela que l'hélium liquide à deux degrés du zéro absolu passe à travers les nano trous de la paroi du verre (l'onde n'a plus aucune viscosité). Une fois sorti du verre, l'onde va interagir avec la matière (air) et va disparaitre pour se manifester en tant que corpuscules, des gouttes d'hélium vont se condenser sous le verre.
Sans ses conditions extrêmes, dans notre quotidien les effets quantiques n'existent pas, notre environnement est trop riche, trop chaotique, trop agité, trop désordonné.
Cependant les effets quantiques ne sont pas présents ou absents d'un seul coup. On ne passe pas d'un environnement trop riche où il n'y a pas d'effets quantiques à un environnement très pauvre en informations où les effets quantiques apparaissent. La fonction d'onde φ(r,t) ou la densité de probabilité de présence ne s'annule pas instantanément mais s'atténue lentement avant de disparaitre dans le monde classique. Tous les objets quantiques sont caractérisés par cette fonction d'onde (psi). Elle décrit la probabilité qu'a une particule de se situer à un endroit de l'espace. Ce n'est que lors de la mesure que la particule se réduira (interagira avec son environnement) à un endroit probable mais imprévisible précisément.
L'objet quantique a toujours un temps de décohérence pour apparaitre dans l'état classique, il est petit mais pas nul; c'est ce qui nous permet de le mesurer.
En résumé, l'objet quantique est très fragile; sa fragilité est due à la qualité de l'ultravide ou de l'ultrafroid. Les concepts de la physique quantique dans ces conditions extrêmes sont bien compris et depuis un siècle, aucune expérience n'a mis en défaut ses équations.