Pour un Système Quantique, l’Énergie s’échange par valeurs discrètes ou « Quanta »
La Physique classique décrit différemment un Corpuscule (Atome, Particule) et une Onde (Lumière, Électricité) tandis que la Mécanique Quantique confond les deux descriptions : un Photon, un Électron ou même une Molécule sont à la fois Onde et Corpuscule.
Le chat d’Erwin Schrödinger :
Le Physicien Erwin Schrödinger a utilisé une image devenue célèbre pour mettre en avant le côté Paradoxal d’objets dont on ne peut pas connaître l’État à tout moment.
Il a imaginé, un chat « Quantique », enfermé dans une boite sans fenêtre, en présence d’une fiole de poison déclenché par un Processus Quantique. Tant que la boite n’est pas ouverte, on ne sait pas si le Processus Quantique a déclenché le mécanisme. Le chat est donc à la fois mort et vivant avec des Probabilités dépendant du Processus. Si on ouvre la boite le chat est soit mort, soit vivant. En regardant à l’intérieur, on fait une mesure qui nous permet de connaître l’État Quantique du système.
À quoi sert le Mécanisme Quantique aujourd’hui ? :
Quelques effets sont emblématiques de la Mécanique Quantique :
- L’Effet laser est obtenu dans un Système où les Électrons sont majoritairement dans un même État excité et se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. Cette transition des Électrons d’un niveau d’Énergie à un autre, est un Processus Quantique.
- La Supraconductivité est la disparition de toute résistance électrique dans un conducteur. Elle apparaît lorsque les Électrons, portant une même charge électrique, peuvent s’apparier et se condenser dans un unique État Quantique.
- L’Effet tunnel permet à des Électrons de franchir une « barrière » de potentiel, ce qui est strictement interdit en Physique classique.
- Le Spin est une Propriété Quantique sans équivalent classique, à l’origine des propriétés magnétiques de la matière.
Trois exemple d’application de la Mécanique Quantique :
- Les Diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) : La Physique Quantique permet de comprendre comment les Diodes électroluminescentes émettent de la lumière et pourquoi chaque DEL possède une couleur spécifique.
- Le Microscope à Effet de tunnel : L’Effet de tunnel est utilisé dans le microscope du même nom. Dans un tel microscope, une pointe métallique est placée très proche d’une surface conductrice avec une différence de potentiel de quelques volts. Bien que sans contact électrique direct entre la pointe et la surface, un courant tunnel s’établit. Lors d’un balayage de la surface par la pointe à courant constant, l’enregistrement de la distance pointe-surface donne une image de la surface à la résolution Atomique.
- Les Orbitales Quantique : Les Électrons entourent les Noyaux des Atomes. La Mécanique Quantique décrit le nuage électronique sous la forme d’Orbitales dont la forme reflète la Probabilité de présence de chaque Électrons dans l’espace. Cette description sous forme d’Orbitales permet de décrire et comprendre la façon dont les Atomes se rassemblent pour constituer Molécules ou Solides.
Les théories décrivant trois des quatre interactions fondamentales de l’Univers sont développées dans le cadre de la Mécanique Quantique :
- L’interaction forte qui lie les Composants du Noyau entre eux
- L’interaction faible à l’origine de certaines formes de Radioactivité
- L’électromagnétisme qui régit les Phénomènes lumineux, Électriques et Magnétiques
La quatrième interaction, la Gravitation, est expliqué par la Relativité d’Albert Einstein. Jusqu’à présent, dans les domaines d’Énergie et d’Espace que l’Homme a pu explorer, il n’a pas été nécessaire de « Quantifier » la Gravitation. De nombreux Physiciens cherchent cependant à unifier ces deux théories pour embrasser les lois de l’Univers de manière plus simple et complète.
En Mécanique Quantique, Temps et Espace sont différenciés. Dans la théorie de la Relativité, le Temps et l’Espace forment une seule entité : l’Espace-Temps, et Matière et Énergie sont liées.
La Mécanique Quantique relativiste et la Notion de Champ sont à la base de la « théorie des Champs » qui permet de comprendre les Phénomènes de Physique des hautes Énergies au sein des Accélérateurs de Particules, ou encore les Phénomènes de Physique de la matière condensée : Supraconductivité, Effet Hall Quantique, ou la Superfluidité.