Tout quantique
La physique quantique est la théorie la plus polyvalente dont nous disposons aujourd’hui : elle explique une grande variété de phénomènes, depuis les plus petites particules jusqu’à la grande structure de notre univers.
Il existe quatre forces différentes dans la nature : la force électromagnétique n’est pas seulement cruciale pour l’électricité produite par nos prises électriques, mais aussi pour l’attraction entre les atomes et les molécules : elle maintient la matière ensemble. Nous remarquons à peine la force nucléaire forte et la force nucléaire faible dans la vie quotidienne ; les deux n’agissent que sur des distances extrêmement courtes et déterminent le comportement des noyaux atomiques. Ces trois forces peuvent désormais être expliquées grâce à la physique quantique, mais la quatrième force fondamentale, la gravité, ne peut toujours pas être correctement intégrée dans la structure quantique de la physique moderne. S’il est possible de formuler une théorie de la gravité quantique, une théorie physique pourrait peut-être émerger pour la première fois, combinant toutes les forces de la nature – la grande « Théorie du Tout », la formule mondiale à partir de laquelle, en principe, tous les phénomènes observables peut être dérivé.
La plupart des physiciens quantiques d’aujourd’hui ne s’intéressent pas à la recherche de la formule du monde, mais plutôt à une recherche plus approfondie et à l’application des lois de la nature déjà connues. L’optique quantique, qui comprend également les expériences satellites actuelles avec des particules lumineuses intriquées, étudie l’interaction entre la lumière et la matière. La théorie de l’information quantique joue ici un rôle majeur – elle constitue la base des technologies quantiques telles que le rayonnement, le cryptage quantique ou les ordinateurs quantiques.
QUANTIQUES
Peut-être que ce sera un peu plus ? Dans la vie de tous les jours, nous avons principalement affaire à des quantités continues. Nous pouvons couper 100 grammes de saucisses ou 101 grammes ou toute quantité intermédiaire. Mais à petite échelle, cela devient plus compliqué : certaines tailles n’apparaissent que dans des portions très spécifiques. Par exemple, un corps chaud ne rayonne pas son énergie de manière continue, mais sous forme de paquets individuels très spécifiques : les quanta. L’énergie d’un électron dans l’atome est également quantifiée. Elle ne peut prendre que des valeurs très précises.
PHOTONS
La lumière est-elle une onde ou est-elle constituée de particules ? Les deux sont vrais en même temps. Tout comme la matière est constituée d’atomes individuels, selon la théorie quantique, la lumière est constituée de photons individuels, les particules lumineuses. Ils ont des propriétés qui ne sont autrement connues que par les vagues : ils peuvent se trouver à différents endroits en même temps, leur motif de vagues peut se chevaucher comme une vague d’eau qui se reflète au bord de la piscine. Les photons sont idéaux pour les expériences quantiques : ils sont faciles à produire et à détecter. Les particules lumineuses ont un autre avantage décisif : elles se déplacent naturellement à la vitesse de la lumière – les messages ne peuvent pas être transmis plus rapidement qu’avec les photons.
SAUT QUANTIQUE
Lorsqu’une quantité physique change et ne peut se produire que dans certaines parties, cela s’appelle un saut quantique. Par exemple, dans un atome, un électron peut passer d’un état de faible énergie à un état d’énergie plus élevée – ou vice versa. La nature ne change pas continuellement, mais plutôt le système saute d’une valeur à une autre sans jamais adopter les valeurs intermédiaires.
CHUTE QUANTENZ
L’une des prédictions les plus étranges de la physique quantique est qu’un système peut se trouver dans une superposition d’états différents. Une molécule peut être brisée et entière en même temps, un électron peut tourner dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse autour d’un noyau atomique en même temps. Ce n’est que lors des mesures que la nature doit décider d’une des options – et de manière totalement aléatoire. Einstein n’aimait pas du tout cette idée : « Dieu ne joue pas aux dés », dit-il.
IONS
Un atome possède autant d’électrons chargés négativement que de protons chargés positivement ; les charges électriques s’annulent. Si l’équilibre est rompu parce que des électrons sont retirés de l’atome, on parle d’ion. Une fois que les ions ont été chargés électriquement, ils peuvent être retenus et manipulés à l’aide de champs électriques.
