Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Chapitre 1 Introduction au monde quantique Ce chapitre introductif a pour objec

Chapitre 1 Introduction au monde quantique Ce chapitre introductif a pour objectif principal de vous donner une vue globale sur le sujet de la physique quantique, et en particulier de répondre aux questions suivantes : — Quelle est la place de la physique quantique dans l’ensemble des théories scientiﬁques ? — Quelle sont les raisons d’étudier cette théorie aujourd’hui ? — Comment la physique quantique décrit-elle le monde ? — Quelles sont les diﬀérences entre cette théorie et la physique classique ? — Quand n’est-il pas nécessaire d’utiliser la physique quantique ? — Quels sont les grands principes et notions clefs de la physique quantique ? — Quelles sont les questions "grand public" auxquelles il faut savoir répondre quand on a suivi un enseignement de physique quantique en Licence ? Les chapitres suivants seront bien évidemment beaucoup plus techniques que celui-ci, mais il peut être utile de garder en tête ces diﬀérentes questions au cours de votre apprentissage... 1.1 Place de la physique quantique dans l’ensemble des théories scien- tiﬁques La physique quantique est « une » théorie parmi l’ensemble des théories qui sont aujourd’hui considérées comme représentant correctement (à la précision de nos appareils de mesure) ce que l’on observe du monde 1. C’est néanmoins - avec la théorie de la relativité générale - l’une des deux théories majeures sur lesquelles reposent aujourd’hui toutes les autres théories et modèles de la physique. — Rappel sur la notion de théorie scientiﬁque : c’est un ensemble de principes (− →philoso- phiques), de lois (− →mathématiques) et d’hypothèses (− →grandeurs physiques concernées et domaine de validité) qui doit vériﬁer les conditions suivantes : — rendre compte des expériences et observations en tout lieu et à tout instant (légitimité) — faire des prédictions vériﬁables et vériﬁées (force et réfutabilité) On peut en fait construire un « arbre des théories » en regroupant et organisant toutes les théories physiques acceptées par la communauté scientiﬁque comme étant valides (celles au coeur des UE enseignées dans les universités du monde entier). Structurées, par exemple, par domaine de validité croissant, c’est-à-dire des plus simples et restreintes aux plus générales et uniﬁées. — Le « socle classique » comprend entre autres : la mécanique newtonienne, la physique statis- tique classique (kB), la mécanique des ﬂuides, la mécanique des solides, l’acoustique ; la chimie classique et la biologie classique ; l’électrostatique, la magnétostatique, l’optique géométrique →l’électricité, le magnétisme, l’optique →l’électromagnétisme ; la gravitation, la cosmologie classique... 1. Attention, la nuance est importante : pas « le » monde, mais « ce qu’on en observe »... 1 Chapitre 1 – Introduction au monde quantique — Il existe ensuite deux branches majeures, comme une sorte de double-tronc de l’arbre : la physique quantique et la relativité générale, — d’où partent (et s’enchevêtrent) de multiples théories et modèles : l’électrodynamique quantique (QED), la chromodynamique quantique (QCD), la théorie électrofaible, le modèle standard (des exemples de théorie quantique des champs, TQC), — vers une strate encore inconnue : gravitation quantique ? « théorie du tout » ? (via la théorie des supercordes ou celle de la gravité quantique à boucles ?) Il existe en eﬀet une volonté/recherche d’uniﬁcation de toutes ces théories : c’est un beau « projet », de très longue date, qui pour l’instant est assez bien avancé du côté quantique... — Mais il existe des problèmes apparemment insolubles ou rédhibitoires dont vous, lecteurs, serez peut-être les acteurs d’une meilleure compréhension dans les années futures (voir le lien unsolved_problems_in_physics 2) : — matière noire (représentant 26,8 % de l’énergie totale de l’univers) et énergie sombre (68,3 %) : « matière » et « énergie » incompréhensibles actuellement, dont on doit suppo- ser l’existence pour rendre compte des observations astrophysiques (masse et rotation des galaxies, accélération de l’expansion de l’univers) − →les théories scientiﬁques actuelles (lis- tées plus haut) permettent donc de ne comprendre que moins de 5% seulement de la matière- énergie de l’univers (constituée de matière et de rayonnement « ordinaires »)... Liens Internet : Energie noire, Matière noire — supraconductivité à haute température : phénomène typiquement quantique (de type « condensation de Bose-Einstein ») mais incompréhensible à des températures au-delà de 30 degrés Kelvin. En 2015, une équipe scientiﬁque allemande a même pu observer un tel phénomène à -70 degrés Celsius, c’est-à-dire proche de la température ambiante (mais sous de très fortes pressions). Le record à pression ambiante date de 2021 et est de -140 degrés Celsius. Liens Internet : Room-temperature_superconductor, High-temperature_superconductivity — incompatibilités majeures entre la physique quantique et la relativité générale (attention, il n’y a pas d’incompatibilité majeure entre la physique quantique et la relativité restreinte !) : — le hasard quantique : la physique quantique est intrinsèquement probabiliste alors que la relativité générale est purement déterministe — la structure de l’espace-temps : en physique quantique, l’espace-temps est ﬁxe et plat alors qu’en relativité générale, il est dynamique et sa courbure dépend de la distribution spatiale de matière et d’énergie — le rôle du temps : simple paramètre en physique quantique, c’est une variable dynamique en relativité générale — les relations de Heisenberg : l’interdiction quantique d’avoir, au même instant, une connaissance inﬁniment précise de la position et de la vitesse d’une particule rend a priori impossible la détermination du champ gravitationnel en un point — l’énergie du vide : « LA » grande incompatibilité majeure ! Même en tenant compte de l’énergie sombre, la densité volumique d’énergie prédite par la relativité générale est de l’ordre de 1 GeV/m3 (remarque sur l’unité d’énergie : 1 GeV = 109.1, 6.10−19 J) alors que la densité volumique d’énergie du vide quantique est estimée à 10121GeV/m3. Cet 2. Les liens vers des sites ou des pages Web ne sont donnés ici qu’à titre indicatif. La plupart des liens vers des pages de l’encyclopédie en ligne « Wikipédia » sont en anglais, le Wikipédia de langue française étant à considérer avec précaution car souvent truﬀé d’erreurs ou d’approximations... Auteur : Charles Antoine, charles.antoine@sorbonne-universite.fr 2 Chapitre 1 – Introduction au monde quantique écart de 121 ordres de grandeur entre deux prédictions scientiﬁques est le plus important jamais constaté en sciences ! — eﬀets quantiques anormaux dans le vivant et/ou de taille macroscopique : des eﬀets quantiques (« cohérences », interférences, eﬀet tunnel, intrication...) ont été observés dans des systèmes biologiques sur de longues durées et de larges emplacements, en complet désac- cord avec l’approche usuelle de la physique quantique (la « décohérence » due aux incessantes collisions avec le milieu environnant devant conduire - normalement - à une disparition de ces phénomènes quantiques très fragiles après seulement quelques femtosecondes...) Liens Internet : Macroscopic_quantum_phenomena, Physics of life: The dawn of quantum biology, percer-les-secrets-du-vivant-grace-a-la-biologie-quantique — limite classique/quantique, interprétations diverses de la physique quantique, théorie de la mesure en physique quantique : Comment passe-t-on du monde quantique microscopique au monde classique à notre échelle ? Comment trancher en faveur de l’une ou l’autre des interprétations actuelles de la physique quantique ? D’où vient la nature purement probabiliste d’une mesure quantique ? — ... Malgré ces nombreuses interrogations, la physique quantique et la relativité générale sont en accord quasi-parfait avec presque toutes les expériences et observations actuelles, que ce soit aux basses énergies (manipulation de quelques atomes et photons) ou aux très hautes énergies (accélérateurs de particules, boson de Higgs) et très grandes échelles (mirages et ondes gravitationnelles). Ce sont aussi deux joyaux intellectuels, dont la connaissance est indispensable à tout étudiant en sciences ou technologies. 1.2 Pourquoi étudier la physique quantique aujourd’hui ? 1.2.1 Car « tout » est quantique ! (ou presque...) On estime aujourd’hui qu’environ 50% de la richesse mondiale est liée, de près ou de loin, à des technologies quantiques (rapport de l’OCDE de 2012). — Les applications multiples de la physique quantique se trouvent aussi bien dans l’inﬁniment petit : particules élémentaires ; structure énergétique et métrologie des atomes ; liaison chimique dans les molécules ; réactions nucléaires... — ... que dans l’inﬁniment grand : étoiles à neutron, rayonnement CMB (fonds diﬀus cosmolo- gique), raie à 21 cm de l’hydrogène... — ... en passant bien sûr par l’échelle humaine et industrielle : — conducteurs, isolants et semi-conducteurs, laser... − →électronique, informatique et société d’information actuelle (LED, ﬁbres optiques, mémoires ﬂash des ordinateurs et des smart- phones...) — horloges atomiques − →positionnement de type GPS, navigation autonome et mesure du temps — supraconductivité et superﬂuidité (condensation de Bose-Einstein) — résonance magnétique nucléaire − →fondamentale en médecine aujourd’hui (IRM utilisant la RMN et des aimants supraconducteurs) Auteur : Charles Antoine, charles.antoine@sorbonne-universite.fr 3 Chapitre 1 – Introduction au monde quantique — panneaux solaires, cellules photovoltaïques, détecteur CCD des appareils photo numériques... — microscopes électroniques, à eﬀet tunnel et à eﬀet de champ : pour observer et manipuler/- créer des structures de taille nanométrique − →miniaturisation extrême — création de nouveaux matériaux − →graphène, nanotubes de carbone, semi-métaux de Weyl- Kondo, nano-particules Les propriétés quantiques impliquées sont diverses. Par exemple, c’est la nature ondulatoire des électrons qui permet de jouer avec les propriétés de conduction uploads/Sante/ lu3py101-cours-chapitre-1.pdf