La mécanique quantique est la théorie mathématique et physique décrivant la structure et l'évolution dans le temps et l'espace des phénomènes physiques à l'échelle de l'atomeatome et en dessous. Elle a été découverte lorsque les physiciensphysiciens ont voulu décrire le comportement des atomes et les échanges d'énergieénergie entre la lumièrelumière et la matièrematière à cette échelle et dans tous les détails.

Plusieurs noms lui sont associés, et en tout premier lieu PlanckPlanck et EinsteinEinstein, qui furent les premiers à comprendre que les échanges d'énergie lumineuse, puis l'énergie elle-même, ne pouvaient exister que sous forme quantifiée à l'occasion de leurs travaux sur le rayonnement du corps noir et l'effet photoélectrique. Bohr étendit les postulats quantiques de Planck et d'Einstein de la lumière à la matière, en proposant un modèle reproduisant le spectrespectre de l'atome d'hydrogènehydrogène.

De gauche à droite, Werner Heisenberg et Niels Bohr, deux des pères fondateurs de la mécanique quantique, la théorie expliquant la physique quantique. © AIP, <em>Niels Bohr Library</em>
De gauche à droite, Werner Heisenberg et Niels Bohr, deux des pères fondateurs de la mécanique quantique, la théorie expliquant la physique quantique. © AIP, Niels Bohr Library

Pas à pas, des règles furent trouvées pour calculer les propriétés des atomes, des moléculesmolécules et de leurs interactions avec la lumière lorsque, de 1925 à 1927, toute une série de travaux de plusieurs physiciens et mathématiciens donna corps à deux théories générales applicables à ces problèmes :

  • la mécanique ondulatoire de de Broglie et surtout de Schrödinger ;
  • la mécanique matricielle de Heisenberg, Born et Jordan.

Ces deux mécaniques furent unifiées par Schrödinger du point de vue physique, et par von Neumann du point de vue mathématique. Enfin, Dirac formula la synthèse ou plutôt la généralisation complète de ces deux mécaniques, que l'on nomme aujourd'hui la mécanique quantique.

Erwin Schrödinger, l'un des fondateurs de la mécanique quantique, rendu célèbre par sa fameuse équation et le paradoxe dit du chat de Schrödinger. On lui doit aussi des réflexions sur la nature de la vie qui influenceront les créateurs de la biologie moléculaire et les découvreurs de l'ADN. © th.physik.uni-frankfurt
Erwin Schrödinger, l'un des fondateurs de la mécanique quantique, rendu célèbre par sa fameuse équation et le paradoxe dit du chat de Schrödinger. On lui doit aussi des réflexions sur la nature de la vie qui influenceront les créateurs de la biologie moléculaire et les découvreurs de l'ADN. © th.physik.uni-frankfurt

La mécanique quantique, appliquée à des particules comme l'électronélectron ou au champ électromagnétiquechamp électromagnétique à l'origine de la lumière, montre en réalité que ces deux objets ne sont ni vraiment des ondes ni vraiment des particules.

Comme Einstein l'avait montré, l'énergie présente dans une onde lumineuse est en réalité sous forme de paquetspaquets discrets indivisibles, les photons. De même, les électrons présentent des aspects ondulatoires, comme de Broglie l'avait prédit, et on peut faire des expériences de diffractiondiffraction et d'interférenceinterférence avec eux. Cette situation est souvent résumée par le terme de « dualité onde-particule » pour la matière et la lumière, et on l'illustre par l'expérience des doubles fentes de Feynman, que l'on voit dans la vidéo ci-dessous.


Une des vidéos du site Tout est quantique consacrée à une introduction à la physique quantique. © Bobroff, 2012

Niels Bohr a essayé de construire une interprétation physique rendant compte de cette étrange dualité : c'est la théorie de la complémentaritéthéorie de la complémentarité. Elle repose sur les inégalités de Heisenberginégalités de Heisenberg.

Le cœur de la mécanique quantique repose sur l'utilisation d'amplitudes de probabilité pour caractériser tous les processus physiques possibles en mécanique quantique. Ce sont ces processus qui peuvent se propager sous forme d'onde, mais les grandeurs physiques associées à ces processus sont souvent quantifiées et donc discrètes. C'est le cas de l'énergie des électrons dans un atome.

L'équationéquation fondamentale de la mécanique quantique est l'équation de Schrödingeréquation de Schrödinger.

Le monde quantique est étrange, le flou probabiliste y règne, et au fond, il indique une structure sous-jacente aux phénomènes qui est au-delà de l'espace et du temps. C'est ce que semblent montrer l'intrication quantiqueintrication quantique et l'effet EPR. L'émergenceémergence d'un monde classique à partir d'un monde quantique n'est toujours pas bien comprise. C'est un des objets de la théorie de la décohérence que d'expliquer cette émergence.

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