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Physique quantique

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Slits

Densité de probabilité d’un seul électron au passage des deux fentes

La physique quantique est l’appellation générale d’un ensemble de théories physiques nées au XXe siècle qui, comme la théorie de la relativité, marquent une rupture avec ce que l’on appelle maintenant la physique classique, l’ensemble des théories et principes physiques admis au XIXe siècle. Les théories dites « quantiques » décrivent le comportement des atomes et des particules — ce que la physique classique, notamment la mécanique newtonienne et la théorie électromagnétique de Maxwell, n’avaient pu faire – et permettent d’élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique.
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). Elle est considérée avec la relativité générale d’Einstein comme l’une des deux théories majeures du XXe siècle.

Max_Planck Max Planck est considéré comme le père de la physique quantique. La constante de Planck, h, y joue un rôle central.

La physique quantique est connue pour être contre-intuitive, choquer le « sens commun » et nécessiter un formalisme mathématique ardu. Feynman, l’un des plus grands théoriciens spécialistes de la physique quantique de la seconde moitié du XXe siècle, a ainsi écrit :
« Personne ne comprend vraiment la physique quantique. »

La raison principale de ces difficultés est que le monde de l’infiniment petit se comporte très différemment de l’environnement macroscopique auquel nous sommes habitués. Quelques différences fondamentales qui séparent ces deux mondes sont par exemple :

la quantification : Un certain nombre d’observables, par exemple l’énergie émise par un atome lors d’une transition entre états excités, sont quantifiés, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent prendre leur valeur que dans un ensemble discret de résultats. A contrario, la mécanique classique prédit le plus souvent que ces observables peuvent prendre continûment n’importe quelle valeur.
la dualité onde-particule : La notion d’onde et de particule 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 pouvant 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 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 ; elle constitue une limite à la précision de tout instrument de mesure.
le principe d’une nature qui joue aux dés : 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 observable d’un système dans un état donné connu peut donner aléatoirement une valeur prise dans un ensemble de résultats possibles.
l’observation influe sur le système observé : Au cours de la mesure d’une observable, un système quantique voit son état modifié. Ce phénomène, appelé réduction du paquet d’onde, est inhérent à la mesure et ne dépend pas 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 la relativité restreinte pour laquelle il existe une vitesse limite à la propagation de toute information, la vitesse de la lumière ; toutefois, la non-localité ne permet pas de transférer de l’information.
la contrafactualité : Des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent sur les résultats de l’expérience.

Le quantique et le vivant

Existe-t-il dans le monde du vivant des phénomènes obéissant à ces règles de l’infiniment petit ? Depuis quelques années, des études dans divers domaines de la biologie indiquent que c’est le cas. Ces résultats vont à contre-courant de l’idée généralement admise que le monde macroscopique est trop chaotique pour permettre des effets de cohérence quantique. En fait, le vivant serait capable de tirer parti de cette agitation désordonnée des particules, du moins en ce qui concerne la photosynthèse1. Les récepteurs de l’odorat semblent dépendre de l’effet tunnel, pour acheminer des électrons à l’intérieur même des molécules odorantes, ce qui permet de les distinguer d’autres molécules structurellement analogues. Certaines structures protéiques bactériennes se comportent comme des ordinateurs quantiques primitifs, « calculant » le meilleur canal de transport des électrons parmi tous les chemins possibles.
De récents travaux sur la photosynthèse ont révélé que l’intrication des photons joue un rôle essentiel à 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 des geckos fonctionne grâce aux forces de van der Waals, 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
L’expérience originelle de Thomas Young avait mis en évidence le comportement ondulatoire de la lumière en montrant que deux faisceaux lumineux pouvaient entrer en interférence. L’expérience des fentes de Young, effectuée avec une seule particule (en faisant en sorte que la source d’émission n’émette qu’un quantum à la fois), montrera qu’un seul électron « interfère avec lui-même » et produit des franges d’interférences au sortir des deux fentes, comme s’il s’agissait de deux flux de particules interférant l’un avec l’autre.

Corps noir et catastrophe ultraviolette

D’après les théories classiques de la physique, un corps noir à l’équilibre thermodynamique est censé rayonner un flux infini. Plus précisément, l’énergie rayonnée par bande de longueur d’onde doit tendre vers l’infini quand la longueur d’onde tend vers zéro, dans l’ultraviolet pour les physiciens de l’époque, puisque ni les rayons X ni les rayons gamma n’étaient alors connus. C’est la catastrophe ultraviolette.

Introduction des quanta en physique

Elle remonte aux travaux effectués en 1900 par Max Planck sur le rayonnement du corps noir à l’équilibre thermique. Une cavité chauffée émet un rayonnement électromagnétique (lumière) aussitôt absorbé par les parois. Pour rendre compte du spectre lumineux par le calcul théorique des échanges d’énergie d’émission et d’absorption (dE), Planck dut faire l’hypothèse que ces échanges sont discontinus et proportionnels aux fréquences (\nu) du rayonnement lumineux : dE=n h \nu.

n est un nombre entier
h est le quantum d’action qui apparut bientôt comme l’une des constantes fondamentales de la nature (constante de Planck)
v/ est la fréquence de la lumière
En 1905, à la suite d’un raisonnement thermodynamique dans lequel il donnait aux probabilités un sens physique (celui de fréquences d’états pour un système), Einstein fut amené à considérer que ce ne sont pas seulement les échanges d’énergie qui sont discontinus, mais l’énergie du rayonnement lumineux elle-même. Il montra que cette énergie est proportionnelle à la fréquence de l’onde lumineuse : E=hν. Cela donnait immédiatement l’explication de l’effet photoélectrique observé 20 ans auparavant par Hertz.
Einstein s’aperçut alors que cette propriété du rayonnement était en opposition de manière irréductible avec la théorie électromagnétique classique (élaborée par Maxwell). Dès 1906, il annonça que cette théorie devrait être modifiée dans le domaine atomique. La manière dont cette modification devrait être obtenue n’était pas évidente puisque la physique théorique reposait sur l’utilisation d’équations différentielles, dites équations de Maxwell, correspondant à des grandeurs à variation continue.
L’hypothèse quantique

Malgré la puissance de la théorie des quanta, peu de physiciens étaient enclins à imaginer que la théorie électromagnétique classique puisse être invalidée. Einstein s’efforça alors de mettre en évidence d’autres aspects des phénomènes atomiques et du rayonnement qui rompaient avec la description classique. Il étendit ainsi l’hypothèse quantique, par-delà les propriétés du rayonnement, à l’énergie des atomes, par ses travaux sur les chaleurs spécifiques aux basses températures. Il retrouvait l’annulation des chaleurs spécifiques des corps au zéro absolu, phénomène observé mais inexplicable par la théorie classique. D’autres physiciens (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré) le rejoignirent peu à peu pour conclure au caractère inéluctable de l’hypothèse quantique que Planck lui-même hésitait à admettre. Elle n’était cependant encore acceptée généralement que pour les échanges d’énergie.

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Science, Esotérisme et Paranormal

Science, Esotérisme et Paranormal…

 

 cern „J’éprouve l’émotion la plus forte devant le mystère de la vie. Ce sentiment fonde le beau et le vrai, il suscite l’art et la science.  Auréolée de crainte, cette réalité secrète du mystère constitue aussi la religion. Des hommes s’avouent limités dans leur esprit pour appréhender cette perfection. Et cette connaissance et cet aveu prennent le nom de religion. Ainsi, mais seulement ainsi, je suis profondément religieux, tout comme ces hommes.”

„Le non-mathématicien est saisi d’un frisson mystique quand il entend parler de „quatre dimensions”… Et pourtant, rien n’est plus banal que l’affirmation que le monde dans lequel nous vivons est continuum d’espace-temps à quatre dimensions. „

 

 

Illusion du temps et de la mort

Nature_Clock Einstein a dit que «la distinction entre le passé, le présent et le futur n’est qu’une têtue illusion persistante », et Platon appelait le temps ” une image mobile de l’éternité „. Il a été dit que le temps ne serait que le produit de la perception humaine, ou une propriété fondamentale de l’univers. Pour Newton, le temps était un flux continu, et Kant disait que le temps n’est pas en soi infini, mais c’est qu’il n’existe pas en soi.
Le principe de causalité et notre incapacité de nous trouver dans deux endroits différents à même temps nous ont fait à percevoir le temps linéaire…

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L’énergie noire

energie noire

Dans l’univers connu, qui est une petite partie du grand univers, 68.3 % est l’énergie sombre, une forme de masse-énergie théoriquement prouvé jusqu’ici, qui agit comme une gravité répulsive, conduisant à l’expansion accélérée de l’univers . Le terme a été inventé par Michael Turner, en 1998, la constante cosmologique est proposée par Albert Einstein en 1916, les astrophysiciens Jim Peebles l’appellent  quintessence en 1998. La forme introduite par Einstein dit que c’est l’énergie du vide quantique, une autre forme parle de l’existence de particules inconnues, modèles qui sont appelés quintessence.

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Les troux noirs – l’Hologramme

troux noir_hologramme_1_Stan_Brodsky Représentation d’artiste de la conjecture de Maldacena, encore appelée correspondance AdS/CFT. Elle relie la théorie des cordes dans un espace-temps anti-de Sitter à cinq dimensions (plus cinq autres dimensions spatiales supplémentaires compactifiées, par exemple sous forme de sphère) possédant une frontière spatiale plate. Un trou noir dans cet espace-temps anti-de Sitter (la sphère rouge au centre du schéma) est en correspondance avec une sorte de gaz de quarks-gluons existant dans un espace-temps plat sur cette frontière (les trois quarks sur la surface du schéma).

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Antimatière et Cosmologie quantique

cern CERN capture de l’antimatière. NASA | Terrestrial Gamma-ray Flashes Create Antimatter.

L’antimatière est l’ensemble des antiparticules, des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l’antimatière est « l’opposée » de la matière.

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Congélation : la Vie après la Mort

Congélation : la Vie après la Mort

 

 

Congélation de James Bedford, le12 janvier 1967. Américain de 73 ans, professeur en psychologie, qui souffrait d’un cancer incurable, il attend d’être rappelé à la vie quand la médecine aurait fait suffisamment de progrès pour le soigner et un remède efficace serait prêt.

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