Les théories de la physique quantique font partie des plus grandes découvertes scientifiques. Elles marque une rupture avec la physique classique tout comme la théorie de la relativité d'Einstein.
La physique quantique s'intéresse au comportement des atomes et des particules. 10 puissance -33 centimètre, la "longueur de Plank" marque la frontière entre notre monde et le domaine quantique.
La particularité du monde quantique est qu'il est impossible à limiter dans l'espace. Calculer la position d'une particule est hasardeux, flou, car chaque particule n'a qu'une certaine probabilité de chance d'être là ou pas, la matière qui constitue l'univers n'est pas localisée, elle est "étendue". Il ne s'agit pas d'une limite de nos instruments de mesure mais bien une réalité du monde atomique. C'est ce qu'on appelle le "principe d'incertitude", qui ne s'applique pas dans notre monde, dans lequel on peut calculer avec une grande précision la position et la vitesse de n'importe quel objet : une balle de tennis, une voiture...
Dans le monde quantique le vide n'existe pas. Il est le siège d'une perpétuelle agitation où particules et anti-particules naissent et se désintègrent dans une période de temps extrêmement courte.
La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle ayant des répercussions jusqu'en philosophie (remise en cause du déterminisme) et en littérature (science-fiction). Elle a permis nombre d'applications technologiques : énergie nucléaire, imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, diode, transistor, microscope électronique et laser. Un siècle après sa conception, elle est abondamment utilisée dans la recherche en chimie théorique (chimie quantique), en physique (mécanique quantique, théorie quantique des champs, physique de la matière condensée, physique nucléaire, physique des particules, physique statistique quantique, astrophysique, gravité quantique), en mathématiques (formalisation de la théorie des champs) et, récemment, en informatique (ordinateur quantique, cryptographie quantique).
Erwin Schrödinger est l'un des père de la physique quantique. C'est l'inventeur de la "fonction d'onde" qui permet de connaître la concentration de l'onde électronique dans l'atome à tel ou tel endroit. Avec lui, l'électron n'est plus un corpuscule localisé précisément, mais une portion de paquet d'onde (l'orbitale électronique) où l'énergie est très concentrée. Mais Schrödinger deviendra surtout célèbre pour avoir imaginé en 1935 le paradoxe du chat :
Un chat est enfermé dans une boîte avec un flacon de gaz mortel et une source radioactive. Si un compteur Geiger détecte un certain seuil de radiations, le flacon est brisé et le chat meurt. Selon l'interprétation de Copenhague, le chat est à la fois vivant et mort. Pourtant, si nous ouvrons la boîte, nous pourrons observer que le chat est soit mort, soit vivant.
La difficulté principale tient donc dans le fait que si l'on est généralement prêt à accepter ce genre de situation pour une particule, l'esprit refuse d'accepter facilement une situation qui semble aussi peu naturelle quand il s'agit d'un sujet plus familier comme un chat.
Cette expérience n'a jamais été réalisée, car les conditions techniques pour préserver l'état superposé du chat sont très difficiles, tout à fait irréalisables pour plus de quelques molécules ;
- en fait, le passage à l'échelle macroscopique que représente le chat par rapport aux quelques molécules est le principal intérêt de l'expérience de pensée (ce n'est pas une question sur le vivant) ; le rôle du chat serait parfaitement réalisé par un interrupteur ;
- et même si ces conditions sont atteintes, il s'agit d'une pure expérience de pensée, apparemment non réalisable même en principe. En effet, on ne pourra jamais mettre en évidence directement, ou mesurer, que le chat est à la fois mort et vivant car le fait d'essayer de connaître son état provoquera nécessairement l'effondrement de la fonction d'onde
La théorie des cordes
La théorie repose sur deux hypothèses :
- Les briques fondamentales de l’Univers ne seraient pas des particules ponctuelles mais des sortes de cordelettes vibrantes possédant une tension, à la manière d’un élastique. Ce que nous percevons comme des particules de caractéristiques distinctes (masse, charge électrique, etc.) ne seraient que des cordes vibrant différemment. Les différents types de cordes, vibrant à des fréquences différentes, seraient ainsi à l’origine de toutes les particules élémentaires de notre Univers. Avec cette hypothèse, les théoriciens des cordes admettent une échelle minimale, reliée à la taille de Planck, et permettent ainsi d’éviter facilement l’apparition de certaines quantités infinies (« divergences ») qui sont inévitables dans les théories quantiques de champs habituelles.
- L’Univers contiendrait plus de trois dimensions spatiales. Certaines d’entre-elles, repliées sur elles-mêmes (voir les théories d’Oskar Klein), passant inaperçues à nos échelles (par une procédure appelée réduction dimensionnelle).
La physique repose aujourd’hui sur deux grandes théories. La relativité générale est une théorie de la gravitation qui décrit le monde à l’échelle des distances astronomiques, monde calme, prévisible. À l’opposé, la mécanique quantique décrit le monde des particules dites élémentaires qui, par comparaison avec le monde sensible, paraît agité et imprévisible.
La théorie des cordes est l’une des voies envisagées pour régler une des questions majeures de la physique théorique : fournir une description de la gravité quantique c’est-à-dire l’unification de la mécanique quantique (inévitable pour décrire la physique aux petites échelles) et de la théorie de la relativité générale.
La principale particularité de la théorie des cordes est que son ambition ne s’arrête pas à cette réconciliation, mais qu’elle prétend réussir à unifier les quatre interactions élémentaires connues, on parle de théorie du tout. Quatre interactions élémentaires sont responsables de tous les phénomènes physiques observés dans l'univers, chacune se manifestant par une force dite force fondamentale. Ce sont l'interaction nucléaire forte, l'interaction électromagnétique, l'interaction nucléaire faible et la gravitation. Le nom de théorie du Tout désigne une théorie physique susceptible de décrire de manière cohérente et unifiée l'ensemble des interactions fondamentales. Une telle théorie n'a pas été découverte à l'heure actuelle.
La théorie des cordes a obtenu des premiers résultats partiels prometteurs : dans le cadre de la thermodynamique des trous noirs, et en mathématiques.
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