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LA PHYSIQUE QUANTIQUE (enfin) expliquée simplement. Par Vincent Rollet Édité pa

LA PHYSIQUE QUANTIQUE (enfin) expliquée simplement. Par Vincent Rollet Édité par l’Institut Pandore Correction par Sophie Loir (sophie@institut-pandore.com) ISBN : 978-2-9539663-8-1 (9782953966381) © Institut Pandore, 2011-2014 Le code de la propriété intellectuelle n’autorisant, aux termes de l’article L.122-5, 2° et 3° a), d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective » et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants cause est illicite » (art. L. 122-4) Cette représentation ou reproduction par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du code de la propriété intellectuelle. Préface et conseils au lecteur par Stéphane Paton Pourquoi la physique quantique ou l’économie sont-elles des disciplines si compliquées à appréhender pour un débutant ? J’ai trouvé la réponse en travaillant avec Vincent Rollet, l’auteur émérite de cet ouvrage. Ce ne sont pas les raisonnements qui sont complexes. Le problème ne vient pas non plus du vocabulaire ou de la pédagogie, bien qu’elle ait évidemment son importance Le problème vient de l’accumulation de « petites notions » qu’il est nécessaire de comprendre pour avancer. Chaque pas en avant dans l’apprentissage de la physique quantique vous oblige à apprendre ou réapprendre une notion mathématique ou physique fondamentale. Aussi, on ne peut pas raconter la physique quantique de la même manière que l’on raconte un conte à un enfant. Les mots ne suffisent pas toujours à décrire cette étrange science : il est nécessaire d’utiliser des équations et des formalismes scientifiques bien particuliers. Toutes ces petites embûches sont surmontables pour celui ou celle qui veut comprendre la manière dont le monde fonctionne, agit et réagit autour de lui. Prenez le temps de lire ce livre. Prenez le temps de compléter votre lecture grâce à Internet, qui fourmille d’explications et de détails qui vous aideront à avancer. Le site internet physiquequantique.fr a été édité parallèlement à cet ouvrage. Il a pour objectif de répondre à toutes vos interrogations sur la physique quantique. Si vous n’avez pas compris une explication dans ce livre, ou si vous avez une question concernant la mécanique quantique, n’hésitez pas à la poser à l’adresse suivante : Accéder à l’espace questions/réponses : www.pandore.it/questionquantique Les questions les plus fréquemment posées feront l’objet d’un article complet sur le site et nous permettront d’améliorer ce livre pour de futures éditions. C’est une occasion unique de bien comprendre le monde incroyable de la physique quantique. Excellente lecture à vous. Stéphane Paton fondateur de l’Instiut Pandore Introduction Le monde de la physique quantique est rempli de paradoxes en tous genres, mais ce qui est le plus étonnant en mécanique quantique est l’intérêt que suscite cette branche de la physique dans le grand public. Même si la physique quantique abonde de notions contre-intuitives et qu’elle est essentiellement composée de formalismes mathématiques inaccessibles au plus grand nombre, tout le monde connaît le mot « quantique ». Il vous suffira d’aller au cinéma voir la dernière grande production hollywoodienne pour entendre parler d’ordinateurs et de téléportation quantiques, la mécanique quantique incomprise pouvant servir de justification à tout et n’importe quoi. Ne pensez pas néanmoins que c’est en écoutant les cinéastes américains que vous comprendrez ce qu’est vraiment la physique quantique. La physique moderne, et en particulier sa branche quantique, se base quasi-exclusivement sur une mathématique résolument complexe et parfaitement abstraite. La plupart des livres qui traitent le sujet sont ainsi inaccessibles à ceux qui n’ont pas (encore) découvert ces aspects théoriques. Mettre entre les mains d’un intéressé un ouvrage décrivant de manière exhaustive la physique quantique ne ferait que le décourager. Comment aborder alors le sujet lorsque l’on ne dispose pas de bases mathématiques solides ? Cet ouvrage a été écrit pour répondre à cette attente, et permettre un premier pas dans le monde passionnant de la physique quantique. Il vous présentera en premier lieu la physique quantique depuis sa genèse, en expliquant comment les physiciens ont, petit à petit, décelé les différents paradoxes qui la rendent si étrange. Dans la seconde partie, vous découvrirez l’aspect mathématique de la physique quantique et les théories fondamentales de la mécanique quantique. Enfin, la dernière partie du livre vous présentera la physique des particules, qui découle de la physique quantique. Les quelques notes théoriques contenues dans cet ouvrage ne font qu’entre-ouvrir la porte qui sépare la partie mathématique de la mécanique quantique et l’interprétation physique de ses résultats. Ceux qui veulent aller plus loin pourront alors franchir le pont, et comprendre la théorisation de la physique quantique en lisant des ouvrages plus complets. Néanmoins, un tel approfondissement n’est pas nécessaire à la compréhension de ce livre, écrit pour quelqu’un qui n’aurait aucune base préalable. Quelle que soit la raison pour laquelle ce livre vous a attiré, nous espérons qu’il répondra à vos attentes et vous permettra de bien cerner ce qu’est la physique quantique. C’est en effet le discernement qui pose problème dans la physique de l’infiniment petit, monde dans lequel tout semble flou… pour l’instant. La remise en cause de la théorie classique La physique Pourquoi la mer apparaît-elle bleue ? Pourquoi le bout d’une flamme est-il jaune ? Pourquoi les objets tombent ? Certains hommes ont voulu trouver une réponse à ces questions, et savoir quelles lois universelles régissent le monde. Comme ces lois devaient être vraies et applicables partout, on a nommé « science » la pratique de cette recherche du vrai (du latin scientia qui signifie « connaissance », « savoir du vrai »). Parmi les « scientifiques », certains se posaient des questions sur les objets qui les entouraient : les physiciens. D’ailleurs, le mot physique provient de φυσικη (prononcez phusikè ) qui veut dire en grec « l’étude de la nature ». Pendant des siècles, les physiciens ont étudié le monde. Vous connaissez sans aucun doute un bon nombre de ceux-ci : Galilée, Newton, Huygens, Descartes, etc. Si ces scientifiques ont travaillé dans des branches différentes de la physique, ils ont un point commun : ce sont des physiciens dits « classiques ». Ils croyaient à ce que l’on appelle le déterminisme, c’est-à-dire à la prévisibilité des événements physiques. Par exemple, si on lance une balle, en connaissant la vitesse à laquelle on a lancé ce projectile, son angle de lancer et quelques autres informations, on pourra prédire avec exactitude la trajectoire de la balle. En astrophysique, on peut prévoir avec une grande précision la date de la prochaine éclipse solaire. Cette physique déterministe sera comme vous le verrez remise en cause par la physique quantique. Divisons le monde ! Une galaxie, une planète, une mer, un éléphant, un arbre, un chat, une fourmi, une molécule, un atome… Les physiciens vont devoir étudier tous ces éléments, qui obéissent tous à des lois quasi similaires. Mais il y a un problème. La voie lactée mesure 100 000 années-lumière de diamètre, soit 9 460 895 288 762 850 000 000 m. On a du mal à se le représenter. Dans l’autre sens, un atome mesure 0,000000000062 m. Très dur à se représenter également. C’est pourquoi nous avons tendance à diviser le monde en 3 niveaux : L’univers : c’est l’infiniment grand, les galaxies, les planètes ; Le monde macroscopique : c’est tout ce qui est à notre échelle : une pomme, une fourmi ; Le monde microscopique : c’est l’infiniment petit, ce que l’on ne peut pas voir à l’œil nu (un atome, une molécule). Les physiciens vont étudier ces milieux séparément, pour éviter de s’emmêler les pinceaux. Néanmoins les lois restent en général les mêmes. Les galaxies comme les arbres obéissant aux mêmes lois de gravitation. Seuls les ordres de grandeur changent. Cette généralisation des lois physiques sera remise en cause avec la mécanique quantique… FIG. 1.1: l’étude de la physique se fait à différentes échelles. Au XIX e siècle, les physiciens pensent avoir tout découvert et le monde de la physique semble bien calme mais, par chance pour nous, cela n’a pas duré ! Les atomes En chimie, et ce depuis que Lavoisier en a fondé les bases, les éléments occupent une place fondamentale. Toute la matière sur Terre est composée d’un mélange de différents éléments, non pas quatre comme Aristote le pensait, mais une multitude (on en connaît aujourd’hui plus d’une centaine). Ces éléments sont par exemple le carbone, l’or, le fer, l’hydrogène, etc. Au XIX e siècle, tous les physiciens s’accordent sur l’existence des différents éléments, mais il existe toujours une lutte pour savoir si la matière est composée, ou non, d’atomes. Les atomes sont d’après les « atomistes » des particules très petites, invisibles à l’œil nu, et que l’on ne pourrait scinder : les atomes sont indivisibles, insécables ( atomos en grec ). Ils seraient alors la base de toute matière et tous les objets seraient composés d’un certain nombre d’atomes. Cette lutte entre ceux qui uploads/Sante/ la-physique-quantique-enfin-expliquee-simplement.pdf