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Les bizarreries et la sagesse des particules

Dossier - Mécanique quantique : fondements et applications
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Le physicien Claude Aslangul explique les fondements des grands principes de la mécanique quantique, de la fonction d’onde au chaos en passant par l’effet Mössbauer. Les outils mathématiques indissociables de ces découvertes seront aussi abordés.

  
DossiersMécanique quantique : fondements et applications
 

L'une des étrangetés quantiques les plus connues est l'effet tunnel. Tout le monde sait qu'une balle lancée sur un mur rebondit et repart en arrière. Faites l'expérience avec un électron (avec le mur qu'il faut) et, ô stupeur, il existe une certaine probabilité de trouver l'électron de l'autre côté du mur, et il en va de même pour des objets nettement plus gros : nucléons, atomes, molécules, etc.

Le physicien George Gamow a été le premier à comprendre que les ondes de matière quantique pouvaient traverser des barrières d'énergie interdisant classiquement des réactions nucléaires et chimiques. Il a ainsi découvert l'effet tunnel. © AIP, Emilio Segre, Visual Archives

C'est d'autant moins une blague que cela permet de comprendre l'origine de la radioactivité α, de faire fonctionner le maser à ammoniac et de concevoir et réaliser des microscopes utilisant cet effet pour voir la surface des solides comme jamais auparavant. 

L'effet tunnel, ou comment passer de l'autre côté de la montagne sans devoir l'escalader (à droite). © Claude Aslangul

Une autre bizarrerie, moins citée (voir la figure ci-dessous). Prenez un troupeau de moutons du Vercors qui se dirige vers le bord d'une falaise, lentement. Que font les moutons ? Ils tombent tous dans le précipice. Maintenant, prenez un faisceau de particules de petite énergie et dirigez-le vers une falaise microscopique ; que se passe-t-il ? La plupart des particules font demi-tour ! Les objets minuscules qui composent la matière (et le rayonnement) ont certes leurs extravagances, mais on ne saurait leur dénier une sagesse proprement admirable.

La particule classique tombe dans le précipice (à gauche), la particule quantique, ayant horreur du vide, fait demi-tour (à droite). © Claude Aslangul

On n'en finirait pas de citer les exemples où les petits objets (et les moins petits) se comportent d'une façon contraire à l'intuition, et pour lesquels la théorie quantique apporte une réponse. Un exemple célèbre est celui de la supraconductivité (le fer à repasser qui ne chauffe pas), dont la compréhension repose sur l'existence des paires de Cooper.

De gauche à droite, les prix Nobel de physique John Robert Schrieffer, John Bardeen et Leon Cooper, les auteurs de la théorie BCS permettant de comprendre les supraconducteurs conventionnels. © University of Illinois

Mais comment diable deux électrons qui, selon Coulomb, se repoussent violemment, peuvent-ils s'unir pour former une entité changeant radicalement de nature comparée à ses constituants et pouvant, en un sens, se promener dans le métal sans que rien ne s'y oppose, au point qu'une fois le courant établi, il perdure pendant des années pour ne pas dire plus ? Heisenberg et Schrödinger (et Bardeen, Cooper et Schrieffer à leur suite) nous ont montré comment et pourquoi un tel miracle est possible.