La physique quantique pour les nuls

Tentatives d’émerveillement
 
Juste un petit tour d’horizon, loin de vouloir dissiper toutes les obscurités et mystères de ce domaine des connaissances, pour vous dire que la physique quantique aura apporté une révolution conceptuelle ayant entraîné des répercussions jusqu’en philosophie (remise en question du déterminisme) et en littérature (science-fiction).
Mais elle a surtout permis aussi nombre d’applications technologiques : Énergie nucléaire, imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, diode, transistor, circuit intégré, 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).
Elle est d’ailleurs considérée avec la relativité générale d’Einstein comme l’une des deux théories majeures du XX^ème siècle.
Mais en général, on n’y comprend rien, parce que si la physique quantique a révolutionné la physique tout-court, elle aura surtout révolutionné la manière dont étaient jusque-là perçues et modélisées les atomes et les particules les plus petites par le commun des mortels.
 
Je vous rappelle que la physique quantique aura été théorisée en 1900 par Max Planck, et qu’elle étudie les règles qui s’appliquent aux particules les plus petites ce qui permet d’expliquer des phénomènes inexplicables avec les lois physiques classiques.
Du coup, cette discipline présente des phénomènes contre-intuitifs comme le fait qu’une particule puisse être à deux endroits en même temps, à tel point que même des spécialistes avouent un certain niveau d’incompréhension.
C’est pourtant simple : C’est comme ça et pas autrement…
Vous êtes, nous sommes des objets quantiques qui ne le percevons pas.
Parce que malgré sa complexité, la physique quantique est omniprésente dans notre quotidien et explique le monde qui nous entoure, permettant l’existence des semi-conducteurs, des lasers et de la technologie actuelle en général et pas forcément la plus pointue.
 
C’est une discipline obscure qui intimide autant qu’elle fascine, mais elle est d’abord jugée incompréhensible par le commun des mortels. Mais en cette année internationale de la science et de la technologie quantiques, et alors que le prix Nobel de physique 2025 a récemment récompensé les travaux de trois chercheurs en mécanique quantique, j’ai décidé de reprendre quelques-unes des explications glanées ici et là, de ne pas fuir, ni vous faire fuir, pour m’intéresser à cette discipline qui a révolutionné notre compréhension du monde.
« C’est vrai que la première réaction de beaucoup de gens, quand on veut parler de physique quantique, est de dire ‘‘on laisse tomber, c’est beaucoup trop compliqué’’ ». Si « on ne peut pas la comprendre ou l’expliquer sans faire appel à (quelques) mathématiques (avec ces) formules très compliquées, les gens (doivent pouvoir) quand même comprendre les idées et les concepts qui sont derrière tout ça », m’en dit-on.
 
Il faut dire que la base est très simple : La physique quantique, ce sont les règles qui s’appliquent « aux particules les plus petites qui existent ». Comme il est précisé ci-avant, elle a été théorisée en 1900 par le physicien « Teuton » Max Planck uniquement pour faire face à un problème constaté par les chercheurs : « Les lois de la physique connues à l’époque – sur le mouvement des corps et la gravitation, l’électromagnétique, la thermodynamique – ne fonctionnaient plus quand on observait la matière à ce niveau infiniment petit », explique ainsi un auteur et vulgarisateur scientifique.
Or, « en présumant que l’énergie est faite de particules, d’un coup, Max Planck pouvait expliquer plein de choses inexplicables jusque-là ». Ce principe, bien qu’étant « en désaccord avec la physique de Newton, qui disait que l’énergie ne pouvait pas être constituée de particules », a d’abord été une simple astuce mathématique et de calcul, avant d’être confirmé plus tard par Einstein, pour devenir un corpus à part entière qui aujourd’hui cherche à dépasser la physique relativiste au moins autant que cette dernière aura bouleversé la physique newtonienne.
 
La nouvelle approche d’alors a notamment permis d’expliquer la matière, qu’on ne comprenait pas avant la physique quantique : « Pourquoi la matière est dure quand on pousse avec notre doigt sur une table ? Pourquoi notre doigt ne fond pas dans la table ? Ce sont des effets purement quantiques, liés à la plus petite échelle », explique un chercheur en mécanique quantique de l’université de Cambridge.
Je suis sûr que vous ne vous êtes d’ailleurs jamais posé la question.
Et pourtant, je marche sur le sol sans m’y enfoncer, sauf quand c’est recouvert de neige poudreuse, mais je ne peux pas le faire sur l’eau…
Il y a bien une explication, mécanique certes, relativiste à la marge probablement, mais surtout quantique.
 
Et de comprendre que si cette physique est aussi complexe à saisir, c’est parce que les lois qui la régissent sont complètement contre-intuitives. Exemple avec une première bizarrerie quantique : Une particule peut être à deux endroits à la fois. « Il faut arrêter de penser de manière logique parce que beaucoup de choses ne le sont pas, il faut juste accepter que c’est comme ça ». Du coup, la physique quantique présente un autre « problème » : « Il est très difficile de se représenter ce qu’elle décrit et de faire le lien entre cette théorie et le réel », me précise-t-on.
Admettons : Ça ne va donc pas être facile.
Et pourtant…
 
Ces difficultés rendent donc cette discipline très étrange pour les non-scientifiques… mais pas que : « Les physiciens, même les spécialistes de mécanique quantique, avouent volontiers un certain niveau d’incompréhension », indique un vulgarisateur. « Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas », avait d’ailleurs déclaré le physicien « ricain » Richard Feynman, prix Nobel de physique en 1965.
« Ce qu’il voulait dire, c’est qu’on peut comprendre la théorie, maîtriser l’aspect mathématique, mais c’est toujours en contradiction avec notre compréhension élémentaire du monde », peut-on en déduire.
 
Rajoutons à ces « bases » plusieurs phénomènes bizarres de la physique quantique. Le plus spectaculaire a été mis en évidence par l’expérience des deux fentes : En « tirant des petites particules vers une plaque percée de deux fentes, on a constaté qu’une même particule pouvait passer par les deux ouvertures ». C’est d’ailleurs ce qui a démontré la dualité onde corpuscule, c’est-à-dire le fait que les particules sont à la fois une particule et une onde, contredisant Newton (qui simplifiait…).
Une fois que l’on sait ça, « toutes les expériences ou les éléments très drôles de la mécanique quantique sont des manifestations de ce phénomène-là ».
C’est ainsi le cas d’une autre bizarrerie : L’intrication quantique.
« Quand deux particules qui formaient une seule unité à un moment donné sont séparées, elles auront toujours une influence l’une sur l’autre », explique un physicien. « Quand on fait des mesures sur une particule, ça a immédiatement un effet sur l’autre, même si l’une est en France et l’autre en Nouvelle-Zélande. »
 
Aussi complexe soit-elle, la physique quantique est partout autour de nous et « explique tout ce qu’on voit, sent, découvre », s’amusent quelques-uns.
Les couleurs en sont un bon exemple : « Sans la mécanique quantique, on ne peut pas expliquer comment ça marche », poursuivent les scientifiques.
En bref, « toutes les molécules ont des électrons, et les électrons peuvent avoir des énergies très spécifiques (la notion de quanta, justement). La lumière, elle, a beaucoup d’énergies différentes, mais seules les énergies compatibles avec celles des électrons de la matière peuvent être absorbées. Les autres sont réfléchies, et c’est ce qui donne les couleurs ».
Aussi simple que cela !
 
Cette discipline est aussi à la base de la technologie qu’on utilise tous les jours. La physique quantique explique notamment comment la matière conduit l’électricité et a permis le développement des semi-conducteurs et des transistors : « Dès qu’on a un processeur, c’est un système quantique ». Et vous en avez plein sur votre tablette, dans votre téléphone, votre ordinateur, votre bagnole, votre carte bleue, etc.
Le laser et toutes ses applications résultent aussi de la physique quantique, poursuit un autre vulgarisateur scientifique : « C’est une manière d’amplifier et de canaliser les photons de lumière », théorisée et prédite par Einstein dès les années 1920.
Elle a ensuite été appliquée techniquement et on la retrouve dans nos lecteurs CD et DVD, par exemple, qui véhiculent des informations que décodent et transforment nos lecteurs en sons et en images.
 
On peut toutefois lister quelques différences fondamentales qui séparent le monde quantique du monde macroscopique qui est le nôtre (quand on n’essaye pas de marcher sur l’eau).
Par exemple, la quantification : Certaines données observables, par exemple l’énergie émise par un atome lors d’une transition entre états excités, sont quantifiées, c’est-à-dire qu’elles ne peuvent prendre leur valeur que dans un ensemble discret de résultats (les quantas).
A contrario, la mécanique classique prédit le plus souvent que ces observables peuvent prendre continûment n’importe quelle valeur.
 
On l’a déjà signalé : la dualité onde-corpuscule. Les notions d’onde et de particule (ou corpuscule), qui sont séparées en mécanique classique, deviennent deux facettes d’un même phénomène, décrit de manière mathématique par sa fonction d’onde.
En particulier, l'expérience prouve que la lumière peut se comporter comme des particules (photons, mis en évidence par l’effet photoélectrique) ou comme une onde (rayonnement produisant des interférences) selon le contexte expérimental. Les électrons et autres particules peuvent également se comporter de manière ondulatoire.
 
Le principe d’indétermination de Heisenberg : Une « indétermination » fondamentale empêche la mesure exacte simultanée de deux grandeurs conjuguées. Il est notamment impossible d’obtenir une grande précision sur la mesure de la vitesse d’une particule sans obtenir une précision même médiocre sur sa position, et vice-versa.
Cette incertitude est structurelle et ne dépend pas du soin que l’expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système de mesure.
Elle constitue d’ailleurs une limite à la précision de tout instrument de mesure.
 
Le principe de superposition quantique : Si l’évolution d’un système est bel et bien déterministe (par exemple, la fonction d’onde régie par l’équation de Schrödinger), la mesure d’une mesure observable d’un système dans un état donné connu peut donner aléatoirement une valeur prise dans un ensemble de résultats possibles.
L’observation influe d’ailleurs sur le système observé : Au cours de la mesure d’une observable, un système quantique voit son état — initialement superposé — modifié. Ce phénomène, appelé réduction du paquet d’onde, est inhérent à la mesure et ne dépend pas non plus du soin que l’expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système.
 
La non-localité ou intrication : Des systèmes peuvent être intriqués de sorte qu’une interaction en un endroit du système a une répercussion immédiate en d’autres endroits.
Ce phénomène contredit en apparence un principe inviolé de la relativité restreinte pour laquelle il existe une vitesse limite à la propagation de toute information, à savoir la vitesse de la lumière.
Toutefois, la non-localité ne permet pas de transférer de l’information.
 
Le vivant serait aussi capable de tirer parti de cette physique sans en connaître les formulations mathématiques, du moins en ce qui concerne la photosynthèse.
Les récepteurs de l’odorat semblent également dépendre de « l’effet tunnel », pour acheminer des électrons à l’intérieur même des molécules odorantes, ce qui permettrait de les distinguer d’autres molécules structurellement analogues.
Certaines structures protéiques bactériennes se comportent également comme des ordinateurs quantiques primitifs, « calculant » le meilleur canal de transport des électrons parmi tous les chemins possibles.
 
Les réactions physicochimiques présidant à la photosynthèse sont bien comprises mais l’efficacité du processus en biologie était demeurée une énigme, jusqu’à la découverte d’une coordination supramoléculaire de ces opérations par la cohérence quantique, qui est une « influence à distance ».
De récents travaux sur la photosynthèse ont révélé que l’intrication quantique des photons joue un rôle essentiel dans cette opération fondamentale du règne végétal, phénomène que l’on tente actuellement d’imiter pour optimiser la production d'énergie solaire.
 
L’adhérence aux surfaces des setæ (ces poils très denses, plusieurs milliers par mm², à base de kératine, extrêmement fins, de l’ordre de 0,2 à 0,5 μm qui engendrent des interactions avec le support à l’échelle moléculaire), notamment des geckos qui fonctionne grâce aux forces de Van der Waals, sont des interactions de nature quantique qui font intervenir des particules virtuelles sans aucune interaction moléculaire classique.
Ce phénomène est également à l’étude en vue d’applications militaires et civiles.
Un jour, on verra des commandos de forces spéciales grimper le long des murs sans corde ni ventouse, parce que pour l’heure, il est plutôt rare de croiser un gecko dans sa cuisine ou sa salle de bain…
 
Encore plus étrange, la contra-factualité où des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent aussi sur les résultats d’une expérience.
C’est la conséquence logique du principe d’indétermination de Heisenberg, qui balaye parfois le principe de causalité (où les mêmes causes produisent les mêmes effets) : Une bombe physique et philosophique si on se rend compte un jour que la flèche du temps, après être devenue « variable » dans son écoulement avec la relativité générale, peut-être malmenée à disparaître, avec la physique quantique, voire pire que tout, s’inverser…
 
Magique, en définitive !
Je vous laisse réfléchir à tout ça et vous souhaite un bon début de semaine à toutes et à tous !
 
I³
 
Pour mémoire (n’en déplaise à « Poux-tine ») : « LE PRÉSENT BILLET A ENCORE ÉTÉ RÉDIGÉ PAR UNE PERSONNE « NON RUSSE » ET MIS EN LIGNE PAR UN MÉDIA DE MASSE « NON RUSSE », REMPLISSANT DONC LES FONCTIONS D’UN AGENT « NON RUSSE » !
Post-scriptum : Alexeï Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают себя на всю жизнь нести весь позор!
Parrainez Renommez la rue de l'ambassade de Russie à Paris en rue Alexeï Navalny (change.org)