Les QUANTA par M RIO André

COMMENT  LES  QUANTA ONT REVOLUTIONNE  LA PHYSIQUE

 

M André RIO
M André RIO

 

Au début du vingtième siècle, la physique croyait avoir tout compris : les lois de Newton expliquaient le mouvement des astres, l’électromagnétisme rendait compte de tous les phénomènes électriques, magnétiques et optiques, la thermodynamique les transformations entre la chaleur et les autres formes d’énergie. Les physiciens pouvaient se reposer, leur mission accomplie, à l’exception de quelques faits gênants qui ne devaient pas tarder à être résolus. Ils l’ont été en effet, mais au prix d’une révolution.

Si tout s’était interprété jusque là par le bon sens et la pensée logique, à partir de notions conformes à notre intuition, il a fallu tout remettre en question. La première difficulté qui est  apparue concerne ce qu’on appelle le rayonnement du corps noir. Imaginez un four fermé à l’exception d’une petite ouverture qui permet d’observer l’intérieur. Au départ, le four est froid, et il y fait noir, comme dans un four évidemment. Cependant, si on l’examine avec un dispositif sensible à l’infra rouge, on constate que ses parois rayonnent : comme la lumière et les ondes radio, l’infra rouge est un rayonnement électromagnétique, et le rayonnement observé est formé d’un spectre continu de longueurs d’onde réparties de façon statistique autour d’un maximum.

On commence maintenant à chauffer progressivement le four. On constate que le maximum s’élève et se déplace vers les longueurs d’onde plus courtes. Un peu plus tard, le four commence à rougir : la lumière visible commence à apparaître et va s’intensifier à mesure que la température s’élève. Le maximum est de plus en plus aigu et sa longueur d’onde diminue. La couleur passe du rouge au jaune puis au blanc si l’on chauffe suffisamment; l’éclat est de plus en plus intense et il y a de moins en moins d’infra rouge ; l’ultra violet commence à apparaître.

Cela se passait à la fin du dix neuvième siècle ; restait à l’expliquer selon la seule physique connue à l’époque. Les vibrations électromagnétiques qui provoquent l’émission lumineuse proviennent des atomes et des molécules qui constituent la paroi du four. On peut essayer de les interpréter par une image : considérons un auditorium rempli de musiciens avec leurs instruments, puisque le son est aussi un phénomène vibratoire, mais il n’est pas électromagnétique.

Au début, la salle est froide. On commence par entendre des notes très graves qui sont jouées pianissimo. Peu à peu, la température s’élève, des notes de plus en plus aiguës se font entendre. L’orchestre joue moderato, forte, fortissimo, jusqu’à ce que les exécutants et leurs  instruments n’en puissent plus. Etait-ce la bonne interprétation ? Quand les physiciens  ont tenté d’interpréter mathématiquement les caractéristiques du rayonnement à partir de ce qu’on savait de l’électromagnétisme, ce fut un échec total, jusqu’à ce que Planck utilise ce qu’il considérait comme un artifice mathématique : au lieu de considérer que chaque source, atome ou molécule, émet en continu son rayonnement propre, il postule qu’elle émet de façon discontinue par paquets, les quanta, qui sont à leur tour absorbés par d’autres sources réglées sur la même longueur d’onde. Au  lieu du concert d’un orchestre, on a une partie de ping-pong, et l’équation ainsi calculée par Planck décrit exactement ce qu’on observe, mais on ne soupçonne pas encore la portée de ce résultat.

En 1905, Einstein publie entre autres un article interprétant un autre phénomène inexpliqué : l’effet photoélectrique. Un circuit conducteur comporte une cellule sous vide munie de deux électrodes dont l’une constituée d’un métal alcalin comme le sodium. Si on éclaire cette électrode, un courant s’établit dans le circuit, mais, quelle que soit l’intensité de l’éclairage, il existe un seuil : il faut une lumière d’une longueur d’onde inférieure à une valeur caractéristique du métal : là où une lumière rouge, aussi intense soit-elle ne donnera rien, une lumière bleue, de longueur d’onde plus courte, créera un courant.

On savait déjà que les électrons permettent le passage d’un courant dans le vide, à condition qu’ils soient suffisamment accélérés, mais comment la lumière pouvait-elle intervenir ? L’explication proposée par Einstein allait à l’encontre de ce qu’on pensait de la lumière, rayonnement électromagnétique. Einstein imagina qu’elle pouvait aussi se comporter comme un flux de particules, les photons, dont l’énergie est inversement  proportionnelle à leur  longueur d’onde. Si cette énergie est insuffisante pour arracher les électrons au métal, il n’y a pas de courant.

Le rapprochement avec le rayonnement du corps noir s’impose : dans les deux cas, la lumière apparaît comme formée de particules, en contradiction avec son aspect d’onde pourtant solidement établi. Une particule doit suivre une trajectoire précise, alors qu’une onde s’étale et se dilue ; un caillou qu’on lance ne se comporte pas comme des vagues sur l’eau. La lumière paraît être tantôt l’un tantôt l’autre : émise et absorbée comme une particule, elle se propage comme une onde.

Le comportement des atomes comme sources de lumière était aussi en contradiction avec l’électromagnétisme. On avait établi qu’ils sont formés d’un noyau massif chargé d’électricité positive et d’un certain nombre d’électrons dont les charges négatives équilibrent celles du noyau. On se représentait l’atome comme une planète avec ses satellites, l’interaction électrique remplaçant l’attraction de la pesanteur. Cependant, un électron tournant autour du noyau est l’équivalent d’un courant électrique. Or un courant circulaire émet un rayonnement électromagnétique, perd de l’énergie, et l’électron devrait tomber rapidement sur le noyau, comme un satellite freiné par l’atmosphère, mais il n’en est rien.

Pour qu’un atome émette un rayonnement, il faut l’exciter par la chaleur, la lumière ou une étincelle électrique, c’est à dire lui fournir de l’énergie. La lumière qu’il émet, examinée avec un spectromètre, est constituée d’un certain nombre de raies spécifiques qui peuvent servir à l’identifier. Il peut aussi absorber les mêmes longueurs d’onde émises par une source plus chaude, le soleil ou une étoile par exemple. Les raies lumineuses sont alors remplacées par des raies noires. Que se passe-t-il ?

Nous sommes maintenant dans les années vingt du vingtième siècle, et une nouvelle physique commence à s’ébaucher avec Bohr, animateur de l’Ecole de Copenhague. La lumière émise ou absorbée par un atome a été la clé qui a permis de comprendre sa structure. Au repos, les différents électrons qui le constituent se situent chacun à un niveau d’énergie constant qu’on peut se représenter comme une orbite fixe, les plus internes étant les plus stables. L’absorption d’un photon, l’effet d’un choc ou une excitation électrique provoque le saut d’un électron externe sur une orbite supérieure inoccupée. Il restitue spontanément l’énergie ainsi acquise sous forme d’un nouveau photon identique à celui qui aurait pu provoquer l’excitation, en retombant à son niveau initial.

Chaque type d’atome se caractérise donc par un spectre spécifique qui permet de l’identifier ; c’est ainsi que la lumière des étoiles nous renseigne sur leur composition.

Le noyau d’un atome, dans lequel presque toute la masse est concentrée, est environ 10 000 fois plus petit que le nuage d’électrons qui l’entoure. L’atome est donc surtout fait de vide, mais ses électrons constituent une barrière presque infranchissable pour tout autre atome ou toute particule chargée électriquement. On voit déjà que l’idée intuitive que nous avons de la matière est complètement dépassé pour l’atome. On peut encore lui attribuer une dimension , ainsi qu’au noyau, qui sont des composites de particules élémentaires , mais pour ces dernières, cela n’a plus de sens, et l’électron n’est pas une petite bille, comme la suite va le confirmer.

La lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule, le photon qui, contrairement à l’électron, n’a pas de masse. Louis de Broglie a considéré que toute particule élémentaire, l’électron par exemple, doit aussi se propager comme une onde. L’expérience a rapidement confirmé son hypothèse : un faisceau d’électrons est diffracté par un cristal comme un faisceau de   rayons X de même longueur d’onde, et un électron se caractérise lui même par une longueur d’onde inversement proportionnelle à sa masse et à sa vitesse, cette vitesse dépendant du dispositif utilisé pour l’accélérer, alors que celle des rayons X, qui sont des ondes électromagnétiques est celle de la lumière, vitesse qu’une particule de masse non nulle ne peut atteindre.

La façon la plus simple d’observer les propriétés ondulatoires de la lumière est d’interposer devant une lampe un écran percé de deux fentes très rapprochés et de projeter la lumière qui a traversé le premier écran sur un second placé à une certaine distance. On peut s’attendre à voir deux taches de lumière, et c’est ce qu’on observe effectivement si les deux ouvertures ne sont pas assez proches. Si on les rapproche suffisamment, on observe cette fois au lieu de deux taches une série de bandes alternativement claires et sombres. Que se passe-t-il ? Les ondes provenant des deux fentes peuvent s’additionner si elles sont en phase, ou s’annuler si elles sont en opposition, et le phénomène se reproduit périodiquement d’un bord à l’autre de l’écran. On a une figure d’interférence, et c’est un moyen classique de démontrer que la lumière est une onde.

Le physicien américain Feynman a analysé le même phénomène produit par des électrons et en a montré le caractère paradoxal : chaque électron  passe-t-il par une seule fente et se comporte-t-il comme un projectile ou comme une onde ? Si on envoie un faisceau formé d’un grand nombre d’électrons, on observe bien une figure d’interférence, mais si on envoie les électrons un à un, chacun laisse une trace unique sur l’écran. Cependant, si on envoie successivement un nombre suffisant d’électrons, la trace des différents impacts dessine peu à peu une figure d’interférence sur l’écran. Chaque électron est-il passé à la fois par les deux fentes et a-t-il interféré avec lui même ?

On peut essayer de détecter par quel trou est passé chaque électron. Il faut pour le déceler l’éclairer au passage, ce qui le perturbe : on n’observe plus d’interférences mais deux impacts correspondant aux deux fentes. Cette fois, chaque électron se comporte comme une particule et non plus comme une onde. Le fait d’observer son passage a modifié son comportement ; on a réduit sa fonction d’onde, il s’est en quelque sorte matérialisé. Ces résultats qui choquent notre intuition montrent tout au moins que le bon sens ordinaire ne vaut plus rien dans le monde quantique. Il en est d’encore plus étonnants, mais il ne faudrait pas en conclure que ce monde est incohérent ; il obéit à des règles très précises qui n’ont jamais été mises en défaut mais qui ne sont pas conformes à notre expérience courante.

Quand une particule se comporte comme une onde, si on connaît sa vitesse, on ne peut plus lui attribuer une position précise, c’est le principe d’indétermination d’Heisenberg, et si deux particules interagissent à un certain moment puis se séparent, elles continuent à former un tout indissociable, quelle que soit la distance qui les sépare. Supposant qu’elles avaient au départ une certaine caractéristique, positive pour l’une, négative pour l’autre, il est impossible de prévoir laquelle a emporté l’un ou l’autre caractère ; en fait, chacune possède à la fois à l’état latent les deux possibilité . Si l’une est détectée, elle doit à ce moment révéler son signe que rien ne permettait de prévoir : c’est un pur hasard, mais instantanément l’autre acquiert le signe opposé, si éloignée qu’elle soit.

Ce paradoxe, cette indétermination fondamentale, Einstein ne pouvait l’admettre : Dieu ne joue pas aux dés. Il voulait que dès le départ les jeux soient faits et que chaque particule soit affectée d’un signe défini. Il a disparu des années avant qu’on démontre de façon certaine qu’il s’était trompé, mais avant de dire comment on l’a établi, l’histoire des poissons quantiques va nous en donner une image plus concrète, sinon plus intuitive.

Vous vous êtes procuré un poisson quantique, vous le tenez, il est là bien vivant. Vous le plongez dans un bassin plein d’eau ; il disparaît immédiatement. S’il était rouge, toute l’eau est devenue légèrement rose. Vous plongez dans le bassin une ligne avec un hameçon et un appât. Au bout d’un moment, il mord, reparaît  tout frétillant et l’eau s’est décolorée. Vous le libérez ; il replonge et disparaît de nouveau. Entre chaque apparition, il est partout et nulle part à la fois.

Vous avez maintenant  un couple de poissons, un mâle et une femelle. L’un est bleu, l’autre jaune. Plongés dans le bassin, ils disparaissent aussitôt. L’eau devient verte. Si l’un mord à l’appât il redevient visible et révèle son sexe et sa couleur, et l’autre apparaît aussi immédiatement. Vous pouvez faire mieux en partageant l’eau du bassin dans deux autres récipients que vous pouvez éloigner autant que vous voulez. Si dans l’un des deux un des poissons mord, cette fois encore l’autre apparaît immédiatement, quelle que soit la distance qui les sépare, mais rien ne permettait de savoir, tant qu’il n’avait pas mordu, où étaient le mâle et la femelle : en fait, ils étaient potentiellement dans les deux bassins à la fois, comme le montrait la couleur de l’eau.

Si nous revenons aux vrais objets quantiques, la conclusion qu’il faut en tirer, c’est qu’une particule n’a pas d’individualité propre tant qu’elle ne se manifeste pas, et qu’avant qu’elle se révèle elle est imprévisible.

Pendant plusieurs années, le paradoxe d’Einstein, appelé paradoxe EPR, ne pouvait être tranché, jusqu’à ce que le physicien Bell démontre théoriquement qu’une expérimentation était possible. Alain Aspect s’en est inspiré pour réaliser un dispositif dans lequel des photons corrélés sont émis dans des directions opposées ; Il a montré de façon indiscutable que toute perturbation de l’un se répercute instantanément sur l’autre quelle que soit la distance  qui les sépare, alors même qu’aucun signal du premier ne peut atteindre l’autre, même à la vitesse de la lumière, mais qu’ils forment un tout indissociable.

Comment donc se représenter une particule quantique ? Ce n’est certainement pas un objet au sens où nous l’entendons intuitivement. Il n’a ni forme ni dimension ; il n’est pas fait d’une matière quelconque puisque justement à ce niveau la notion de matière n’a plus de sens puisqu’elle suppose des atomes et des molécules. Par contre, elle possède des caractères parfaitement définis et mesurables avec une grande précision : elle peut avoir une masse, une charge électrique, un moment magnétique, un spin (propriété analogue à un sens de rotation) , une longueur d’onde liée à son énergie. Elle se déplace camouflée, mais quand elle interagit, le point d’impact est parfaitement défini.

Comment représenter mathématiquement son parcours ? Faute de notion plus concrète, Schrödinger la décrit par ce qu’on appelle sa fonction d’onde, expression abstraite liée à la probabilité de sa présence en un point. Cette fonction permet en particulier d’interpréter les orbites des électrons dans un atome et leur répartition par niveaux d’énergie distincts. L’équation de Schrödinger ne représente que l’aspect ondulatoire des particules, c‘est à dire leur comportement tant qu’elles ne se manifestent pas. Quand  se produit l’événement appelé réduction de la fonction d’onde, c’est alors que la particule apparaît en un point précis et révèle ses caractéristiques qui étaient jusque là à l’état latent.

Quand il s’agit d’un ensemble de particules corrélées, un objet quantique, la réduction se fait en un temps d’autant plus bref que le nombre de particules corrélées est plus grand. C’est l’exemple célèbre du chat de Schrödinger : un événement aléatoire, la désintégration d’un atome radioactif par exemple, peut déclencher un dispositif de mise à mort du chat, mais il reste un instant dans un  état indéterminé, à la fois mort et vivant. Un chat réel étant constitué d’un nombre énorme de particules, cet état ne durerait qu’un instant extrêmement court, mais un objet formé d’un très petit nombre de particules pourrait s’y maintenir pendant un temps mesurable.

La physique quantique concerne principalement des objets très petits : atomes et particules élémentaires, mais à très basse température, près du zéro absolu, quand l’agitation thermique est presque nulle, elle peut se manifester à un niveau macroscopique ; c’est le cas de l’hyper fluidité de l’hélium liquide, dont la viscosité devient nulle, et de la supraconductivité de métaux dont la résistance disparaît également.

En chimie, le comportement des molécules est aussi lié aux caractéristiques des nuages d’électrons qui assurent les liaisons entre les atomes et qui commandent leur réactivité.

Des objets monstrueux, les trous noirs, sont aussi concernés par la physique quantique. Les lois de Newton montrent que pour qu’un projectile puisse échapper définitivement à l’attraction d’un astre depuis sa surface, il faut lui communiquer une vitesse suffisante appelée vitesse de libération, qui dépend de la masse et du rayon de l’astre, mais reste la même pour n’importe quel projectile. Sur la Terre, cette vitesse est d’environ 11 km par seconde. Elle est plus faible sur la Lune ou sur Mars, plus grande sur le Soleil ou sur Jupiter.

La Relativité Restreinte nous apprend par ailleurs qu’un objet matériel ne peut atteindre la vitesse de la lumière, qui constitue une limite infranchissable. De plus, la Relativité Générale considère que l’attraction universelle équivaut à une déformation de l’espace et que même la lumière y est soumise. Il en résulte que si un astre est à la fois suffisamment lourd et suffisamment condensé, rien ne peut s’en échapper, même la lumière ; ces conditions supposent une densité énorme.

Même au centre de la Terre, la densité est inférieure à celle des métaux les plus lourds ; au centre du Soleil, elle est déjà très nettement supérieure car la pression est telle que la barrière que constituent les électrons des atomes est déjà largement franchie et qu’ils s’interpénètrent. Dans une naine blanche, destinée d’étoiles comme le Soleil en fin de vie, elle est encore beaucoup plus élevée, et dans les étoiles à neutrons, dont la masse est de 4 à 8 fois celle du Soleil, les neutrons occupent tout l’espace, la densité est de l’ordre de celle d’un noyau atomique, et un tel astre n’a qu’un rayon de quelques kilomètres.

Les plus grosses étoiles en fin de vie implosent et une nouvelle barrière est franchie ; elles atteignent cette fois et dépassent la densité limite et deviennent des trous noirs . Il n’y a pas de limite supérieure à la masse d’un trou noir. On en a détecté au centre des galaxies qui atteignent des millions de fois celle du Soleil, mais il existe une limite inférieure. La relativité n’a pas grand chose à nous dire sur les objets quantiques, sauf si leur vitesse approche celle de la lumière. La physique quantique au contraire fixe une limite à leur taille qui ne peut être inférieure à celle de la longueur d’onde qui leur est associée, et qui dépend elle même de leur masse et de leur vitesse. A leur vitesse maximale, celle de la lumière, correspond une dimension minimale appelée longueur de Planck, qui est extrêmement petite, beaucoup plus petite que celle d’un neutron ou d’un proton, et à cette longueur correspond la masse minimale d’un trou noir qui, si elle est petite, deux centièmes de milligramme, est énorme en comparaison de celle d’un atome.

On s’est demandé si  un trou noir aussi petit pouvait exister réellement. Il aurait été extrêmement dangereux, car il se serait nourri de toute matière passant à sa portée, et aurait pu engloutir une  planète ou une étoile en la traversant.

Stephen Hawkins a démontré que, conséquence du principe d’incertitude de Heisenberg, un trou noir peut s’évaporer, et d’autant plus vite qu’il est petit. Il lui faut avoir une masse très importante pour que sa durée de vie soit appréciable. Quant à ceux qu’ont détecté les astronomes, ils peuvent subsister extrêmement longtemps.

Les objets quantiques ayant un comportement fantomatique, on peut se demander comment ils peuvent constituer la matière qui nous est familière et dont nous sommes faits. C’est qu’ils exercent des interactions qui les lient solidement entre eux : l’interaction forte unit les quarks en protons et en neutrons ; elle lie également protons et neutrons entre eux dans le noyau des atomes et, à l’exception de ceux qui sont radioactifs, ces noyaux sont extrêmement stables. L’interaction électromagnétique, pour sa part, lie les électrons aux noyaux dans les atomes, et les atomes entre eux dans les molécules.

Le caractère surprenant des objets quantiques est donc la cause profonde des propriétés de la matière telle que nous l’observons quotidiennement, mais ces particules si déroutantes, que sont elles réellement, et la question a-t-elle un sens ?  car il est évident qu’elles sont tout à fait étrangères à notre expérience concrète et que nous ne pouvons les aborder que de façon abstraite à partir des données de l’expérimentation.

Leur existence semble liée aux propriétés de l’espace, qui à notre niveau paraît homogène, et vide s’il ne contient aucune matière. A une dimension extrêmement petite, celle de Planck, il semble au contraire finement structuré et peuplé d’une faune filiforme. Imaginez une toile d’araignée géante, mais à trois dimensions et remplissant tout l’espace. A chaque nœud de la toile, on a de plus un certain nombre de petits ressorts capables de vibrer. Un insecte pris dans la toile émet un signal qui se propage de nœud en nœud, excite aussi certains ressorts et alerte les araignées. Les petits ressorts les informent aussi sur la nature de la proie, mouche ou papillon. Les vibrations se propagent à la vitesse maximale, tandis que les araignée sont ralenties par leur masse.

Transposons maintenant cette image au monde quantique : les différents modes de vibration des petits ressorts sont les caractéristiques des particules : masse, charge électrique, moment magnétique, spin…La vitesse de propagation des vibrations est celle de la lumière, que les particules massives ne peuvent pas atteindre ; quant aux particules corrélées, imaginons qu’elles se séparent tout en maintenant un fil tendu entre elles qui leur permet de communiquer instantanément. Quand l’une interagit, le fil casse, et chacune retrouve une identité distincte.

Cette image est une représentation très libre des tentatives actuelles connues sous  le nom de théorie des cordes. Comme son modèle, elle est peut-être complètement fausse, et ce n’est au mieux qu’une approche très grossière pour nous donner le plaisir de tromper notre ignorance. Les progrès de la physique se font par bonds ; le dernier est encore plein d’incertitudes faute de données expérimentales. Les prochaines années nous permettront peut-être d’y voir plus clair en attendant que de nouvelles énigmes apparaissent.

Notre monde paraît en effet organisé avec une grande précision. Le moindre  changement de ses réglages le rendrait invivable, la matière complètement instable ou totalement inerte. Est- il le résultat d’une espèce de sélection naturelle ? Peut-il en exister d’autres complètements différents ? L’énergie, sans laquelle rien n’est possible, peut-elle se créer, se détruire, contrairement à tout ce que nous avons appris jusqu’ici ? Les théories trop abstraites ne sont elles pas des mythes comme ceux dont beaucoup se contentent, et qui ne donnent qu’une illusion d’explication ? La physique ne sera certainement pas achevée avant bien longtemps, et encore faudrait-il en avoir les moyens.

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