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1 : Introduction à la physique quantique

1 : Introduction à la physique quantique
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2 : La Physique Quantique : vers la recherche d'un absolu… Bien des physiciens croient que la meilleure façon de décrire le monde de l'atome demeure le modèle mathématique, et qu'à travers les équations nous pouvons entrevoir la façon complexe dont le monde microscopique est ordonné. Mais un orage souffle sur la physique du vingtième siècle, faisant trembler ses fondations et jetant la confusion sur la nature même de ses concepts les plus ultimes. Véritable révolution qui vient jeter un pavé dans la mare pourtant si tranquille de nos croyances acquises jusqu'alors, la physique quantique se révèle une théorie sans commune mesure avec tout ce qu'on croyait savoir au sujet du monde atomique. La théorie quantique décrit un monde étrange, où l'on découvre que la matière qui constitue tout notre univers, et qui semble pourtant bien localisée dans l'espace est en fait « étendue » quelque part. Les repères comme ici et là-bas, qui sont si cohérents à notre échelle perdent toute signification dès qu'on franchit les limites du monde atomique.

Les univers parallèles Accueil » Le Big Bang » Les univers parallèles La théorie des univers parallèles ou multiples fut introduite par le physicien américain Hugh Everett en 1957. Il s’agit d’une réinterprétation de la mécanique quantique qui essaye d’éliminer des problèmes conceptuels comme ceux posés par l’expérience du chat de Schrödinger ou le paradoxe EPR. Les divisions de l’Univers D’après cette théorie, le chat de Schrödinger ne se trouve pas dans une superposition d’états. Finalement, lorsque nous ouvrons la boite et observons son contenu, nous sélectionnons l’un des deux univers qui devient alors notre Univers. Les univers parallèles La théorie des univers parallèles propose une interprétation élégante du paradoxe EPR qui ne fait pas appel au mystérieux concept de non-séparabilité. Plus tard, lorsque nous capturons l’un des deux photons, nous sélectionnons l’un de ces univers multiples. Une explication du réglage des constantes fondamentales La décohérence

3 : La Constante de Planck Le physicien Max Planck apporta une très grande contribution à la théorie quantique ; il découvrit la valeur d'une constante qui portera son nom et qui exprime le seuil d'énergie minimum que l'on puisse mesurer sur une particule. Voyons maintenant la valeur de cette constante : h = 6,63 . 10 -34 joules.seconde. Planck découvrit cette constante en 1900, par la force des choses si l'on peut dire, car à cette époque on croyait que les échanges d'énergie entre la matière et le rayonnement s'effectuaient de façon continue, alors que les expériences prouvaient le contraire. Il introduisit la valeur de cette constante dans ses calculs, avec par la suite l'intention de faire tendre sa valeur vers 0 pour revenir à une description continue du rayonnement, mais ses efforts furent vains : la constante h ne pouvait être annulée sans contredire les expériences... Voici donc la formule élaborée par Max Planck : E = h . f, dans laquelle : Il donnera plus tard le nom de quantum à ces quantités.

Le nombre d'or (Vitruve, architecte romain 1er siècle avant notre ère). Ainsi si a et b sont les deux grandeurs alors nous aurons : a/b = (a + b) / a. a/b = 1 + b/a pour simplifier, prenons comme variable x = a/b. alors nous obtenons : x = 1 + 1/x x - 1 - 1/x = 0 comme x non nul, nous obtenons l'équation suivante que nous noterons (E) : x2 - x - 1 = 0 qui admet comme racine positive : x = que nous notons Φ et vaut à peu près 1,618... C'est cette valeur qui est appelée le nombre d'or (dit Φ (phi) en hommage au sculpteur grec Phidias qui s'en servit dans les proportions du Parthénon à Athènes. A ce stade, je vous soumets un petit problème que m'a proposé Dominique Payeur : Je dispose d'un capital. Nous pouvons d'ores et déjà noter quelques résultats : On pourrait aussi sans équation du second degré montrer que 1/Φ = Φ - 1. Des équations précédentes, nous pouvons déduire : x2 = x + 1 et x = 1 + 1/x d'où et on a aussi : Le nombre d’or peut s’écrire à l’aide d’une infinité de radicaux emboîtés Les FRACTIONS

4 : Un monde non localisé Comme nous l'avons vu, le monde quantique échappe à toutes nos tentatives de le délimiter dans une zone précise de l'espace : lorsqu'on essaie de mesurer la position d'une particule avec une grande précision, l'information sur sa vitesse est incertaine. Et inversement, lorsqu'on veut connaître sa vitesse avec une précision accrue, sa position devient floue... Il y a une limite infranchissable à la connaissance que l'on puisse obtenir sur l'information d'un système; cette limite est connue sous le nom du principe d'incertitude. Le principe d'incertitude d'Heisenberg : ∆ p . ∆ q ≥ h / ( 2 Π ) p = mesure du mouvementq = mesure de la positionh = constante de Planck Ce principe, énoncé en 1927 par le physicien allemand Karl Werner Heisenberg, nous indique les limites sur la précision de mesure que l'on puisse obtenir sur l'information d'un système donné. Mais attention : cette imprécision n'est pas due à l'imperfection des appareils de mesure, c'est une réalité intrinsèque du monde atomique.

Le paradoxe EPR et la non-séparabilité La dualité onde-particule en mécanique quantique n’est pas un problème en soi. Elle met simplement en évidence le fait que les particules élémentaires ne se comportent pas comme les objets de la vie quotidienne et que nos concepts familiers sont inadéquats pour décrire le monde microscopique. Des difficultés plus sérieuses se posent lorsque l’on considère certaines des conséquences de l’indéterminisme. L’expérience L’expérience est la suivante. Jusqu’ici, pas de problème. Le paradoxe C’est là le problème : le premier photon ne se voit affecté d’une direction particulière qu’au moment où nous le capturons et de même pour le deuxième. Remarquons que la taille du laboratoire est sans importance. L’expérience d’Alain Aspect Pour Einstein et ses deux confrères, un tel paradoxe montrait que la mécanique quantique n’était pas une description satisfaisante de la réalité. La non-séparabilité Le paradoxe EPR nous oblige ainsi à introduire un nouveau concept : la non-séparabilité.

5 : L'énergie du Vide Comment décrire la notion de vide ? Très facile me direz vous... c'est l'absence de matière et d'énergie, voilà tout ! Si je prends une cloche en verre et que j'y produis un vide très poussé, il est aisé de voir que l'espace occupé pas la cloche est vide de tout : même l'air y est absent. Et pourtant... A l'échelle atomique ce qu'on appelle le « vide » est tout à fait différent de celui auquel nous sommes habitués : en fait, le vide n'existe tout simplement pas. Il est le siège d'une perpétuelle agitation où particules et anti-particules naissent et se désintègrent dans une période de temps extrêmement courte. Dans son deuxième énoncé, Heisenberg traduit cet état de fait par l'équation du Second principe d'incertitude : ∆ E . ∆ T ≥ h / ( 2 Π ). Que nous dit cette équation ? Autrement dit, si nous effectuons une mesure sur un système, pendant un temps extrêmement court, le vide est habité par une énergie et cette énergie est d'autant plus grande que le temps de la mesure est bref.

Suite de Fibonacci Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre. Elle doit son nom à Leonardo Fibonacci qui, dans un problème récréatif posé dans l'ouvrage Liber abaci publié en 1202, décrit la croissance d'une population de lapins : « Un homme met un couple de lapins dans un lieu isolé de tous les côtés par un mur. Combien de couples obtient-on en un an si chaque couple engendre tous les mois un nouveau couple à compter du troisième mois de son existence ? » Cette suite est fortement liée au nombre d'or, φ (phi). Ce nombre intervient dans l'expression du terme général de la suite. Croissance de population des lapins selon une suite de Fibonacci Présentation mathématique[modifier | modifier le code] Formule de récurrence[modifier | modifier le code] Le problème de Fibonacci est à l'origine de la suite dont le -ième terme correspond au nombre de paires de lapins au -ème mois. Notons le nombre de couples de lapins au début du mois . Plaçons-nous maintenant au mois désigne la somme des couples de lapins au mois et où

7 : Une science en transition ? Bien que le phénomène de décohérence nous indique la frontière entre les deux mondes, il ne donne aucune réponse satisfaisante aux multiples interrogations qui s'en suivent. Nous avons besoin de logique et de rationalité pour élaborer la structure de la matière. Comment alors poser des bases solides sur un monde si flou en apparence ? Quand l'essence même de la matière nous échappe sans cesse comme un vague mirage éthérique, il est facile de sombrer dans l'irrationalité ou les pseudosciences, ce qui au bout du compte nous éloigne de la vérité. Il est plus logique d'admettre que nous ne disposons pas encore de toutes les données du problème, nous avons de bons outils avec la théorie quantique, et son exactitude fut maintes fois vérifiée avec succès. Si notre monde semble aussi réel c'est uniquement une question d'échelle. Je terminerai par une citation : « Les progrès de la science s'obtiennent souvent par la remise en question de dogmes qui semblent solidement établis... ».

Le chat de Schrödinger L’expérience du chat de Schrödinger fut imaginée en 1935 par l’un des pères fondateurs de la mécanique quantique, Erwin Schrödinger, afin de mettre en évidence des lacunes supposées de cette description du monde. Une description probabiliste En mécanique quantique, le monde microscopique est décrit en terme de probabilités et le déterminisme classique n’existe plus. On ne peut plus parler de la position d’une particule, mais seulement de sa probabilité de se trouver en un endroit donné. Ce concept est plutôt étrange, en tout cas très éloigné de notre expérience de la vie quotidienne, mais comme la mécanique quantique a passé avec succès tous les tests expérimentaux inventés à ce jour, nous sommes bien obligés de l’accepter comme description de la réalité. L’indéterminisme projeté dans le monde macroscopique S’il est possible d’admettre que le monde microscopique est régi par les lois quantiques, cela devient plus difficile lorsque l’on parle de la vie de tous les jours.

La plus grosse erreur de toute l’histoire de la physique En théorie, il n’y a pas de différence entre la théorie et la pratique. En pratique, il y en a une. Aujourd’hui nous allons voir ce qui est, à ma connaissance, la plus grosse erreur jamais commise en physique théorique, au moins au sens quantitatif. Elle concerne l’énergie du vide, cette quantité qu’on appelle parfois l’énergie noire. Si jamais il vous est déjà arrivé de faire un calcul manifestement faux, et d’en être tout honteux : lisez ceci, ça va vous décomplexer ! L’énergie du vide en cosmologie Les modèles cosmologiques qui décrivent l’Univers obéissent aux lois de la relativité générale d’Albert Einstein. Après la découverte de l’expansion de l’Univers par Hubble en 1929, Albert Einstein a reconnu son erreur et supprimé l’énergie du vide de ses équations. Depuis on a même pu estimer précisément sa contribution : près de 73% de l’énergie contenue dans l’Univers serait en fait cette mystérieuse énergie du vide, parfois qualifiée pour l’occasion d’énergie noire. Like this:

Le nombre d'or L' histoire ... Il y a 10 000 ans : Première manifestation humaine de la connaissance du nombre d'or (temple d'Andros découvert sous la mer des Bahamas). 2800 av JC : La pyramide de Khéops a des dimensions qui mettent en évidence l'importance que son architecte attachait au nombre d'or. Vè siècle avant J-C. (447-432 av.JC) : Le sculpteur grec Phidias utilise le nombre d'or pour décorer le Parthénon à Athènes, en particulier pour sculpter la statue d'Athéna Parthénos . IIIè siècle avant J-C. : Euclide évoque le partage d'un segment en "extrême et moyenne raison" dans le livre VI des Eléments. 1498 : Fra Luca Pacioli, un moine professeur de mathématiques, écrit De divina proportione ("La divine proportion"). Au XIXème siècle : Adolf Zeising (1810-1876), docteur en philosophie et professeur à Leipzig puis Munich, parle de "section d'or" (der goldene Schnitt) et s'y intéresse non plus à propos de géométrie mais en ce qui concerne l'esthétique et l'architecture.

L'homme ? Du vide à 99,9999 % ! Qui suis-je ? Presque rien ! Et, il en est de même pour les planètes, les ordinateurs ou les carottes. Car toute chose, vivante ou inerte, présente sur Terre ou dans l'espace, est constituée d'atomes. Et les atomes, c'est du vide à pratiquement 100%. Notre environnement, nous-mêmes, semblons fort complexes. Un atome est constitué d’un noyau (avec protons et neutrons) et d’électro Infiniment grand. Si un atome diffère d'un autre, c'est d'abord par le nombre de protons présents dans son noyau. Mais les protons ne sont pas les seuls constituants des atomes. Et beaucoup de vide Cette bougeotte, les électrons l'ont également au sein même des atomes. Et le vide alors ? Poussières d'étoiles Une image rare : des atomes d’hydrogènes.

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