La mécanique quantique est une théorie qui décrit le comportement des particules subatomiques. Elle s’appuie sur plusieurs principes fondamentaux, dont le principe d’incertitude de Heisenberg et la superposition quantique.*
Sommaire
Comment expliquer ce qu’est la mécanique quantique
Dans cet article, nous allons explorer ces deux concepts importants pour mieux comprendre les bases de cette branche fascinante de la physique.
Ce que vous devez retenir :
- Le principe d’incertitude de Heisenberg montre que la mécanique quantique impose des limites à notre capacité de mesurer précisément la position et le moment d’une particule, introduisant l’indéterminisme.
- La superposition quantique signifie qu’une particule peut exister dans plusieurs états simultanément jusqu’à ce qu’elle soit mesurée, utilisant des fonctions d’onde pour décrire ces états.
- L’interprétation de Copenhague affirme que la mécanique quantique reflète nos connaissances limitées plutôt que la réalité objective, tandis que l’hypothèse des mondes multiples suggère l’existence d’univers parallèles pour chaque état possible.
Ces concepts définissent la nature énigmatique de la mécanique quantique et suscitent des questions philosophiques sur la réalité et notre compréhension de l’univers subatomique.
Le principe d’incertitude de Heisenberg
Découvert en 1927 par le physicien allemand Werner Heisenberg, le principe d’incertitude met en évidence une limitation fondamentale dans notre capacité à mesurer avec précision certaines propriétés des particules quantiques, comme leur position et leur moment cinétique (quantité liée à leur vitesse).
L’indéterminisme quantique
L’un des aspects les plus étranges et déroutants de la mécanique quantique, c’est l’indéterminisme. Contrairement à la mécanique classique, où il est possible de prédire avec certitude l’évolution temporelle d’un système, en mécanique quantique, on ne peut généralement connaître l’état futur d’un système qu’en termes de probabilités. Ceci est en grande partie dû au principe d’incertitude, qui impose des limites à notre capacité de mesurer les propriétés d’une particule.
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Conséquences du principe d’incertitude
Le principe d’incertitude ne représente pas une faille dans notre capacité de mesure ou un défaut des instruments, mais traduit une propriété fondamentale du monde quantique. Ainsi, il est établi que :
- Il est impossible de mesurer avec précision et simultanément la position et le moment d’une particule.
- Plus on détermine avec précision la position d’une particule, moins on pourra connaître sa vitesse (et vice versa).
- Chaque mesure effectuée perturbe inévitablement le système quantique étudié.
La superposition quantique
Un autre concept central en mécanique quantique est la superposition quantique, qui apparaît lorsqu’une particule n’occupe pas un seul état à la fois, mais existe dans plusieurs états possibles en même temps. Autrement dit, un système quantique peut être dans une combinaison linéaire d’états différents jusqu’à ce qu’il soit mesuré.
États et fonctions d’onde
En mécanique quantique, plutôt que de décrire les propriétés d’un objet physique comme sa position et sa vitesse, on utilise une fonction mathématique appelée fonction d’onde. Celle-ci fournit des informations sur les probabilités de mesurer différentes valeurs pour une propriété donnée. Lorsqu’on effectue une mesure, la fonction d’onde “s’effondre” et l’état de la particule est déterminé.
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Le chat de Schrödinger
L’une des illustrations les plus célèbres et paradoxales du concept de superposition quantique est l’expérience de pensée du “chat de Schrödinger”. Imaginée par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1935, cette expérience hypothétique implique un chat enfermé dans une boîte avec un dispositif qui tue l’animal si une particule subatomique se décompose. D’après la mécanique quantique, tant qu’on n’a pas ouvert la boîte pour vérifier l’état du chat, celui-ci est à la fois vivant et mort – il se trouve dans une superposition d’états.
Interprétations de la mécanique quantique
Les principes d’incertitude et de superposition ont donné naissance à plusieurs interprétations différentes de la mécanique quantique, qui cherchent à expliquer le comportement des systèmes quantiques et à résoudre les paradoxes apparents.
L’interprétation de Copenhague
Proposée par Niels Bohr et Werner Heisenberg dans les années 1920, l’interprétation de Copenhague est sans doute la plus connue et largement acceptée. Selon cette vision, la mécanique quantique ne décrit pas la réalité objective, mais seulement nos connaissances limitées concernant les propriétés des particules. Les notions d’indéterminisme et de superposition sont des conséquences de cette vision épistémologique, où la notion d’objectivité est mise à mal.
Les mondes multiples
Une autre interprétation du comportement quantique postule qu’il existe un nombre infini d’univers parallèles, aussi appelés “mondes multiples” ou “multivers”. Selon cette théorie, chaque fois qu’une mesure est effectuée sur un système quantique en superposition d’états, l’univers se divise en autant de branches que d’états possibles.
Conclusion provisoire
Le principe d’incertitude et la notion de superposition quantique sont deux concepts fondamentaux qui nous permettent d’entrevoir un peu mieux le monde étrange et mystérieux de la mécanique quantique. Ces idées ont également engendré des débats philosophiques sur la nature même de la réalité et notre capacité à la connaître. Aujourd’hui encore, les chercheurs continuent à étudier et questionner ces principes pour tenter de mieux comprendre l’infiniment petit qui compose notre univers.
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