Le monde est quantique !

Un chat vivant et mort à la fois, et des particules enlacées à distance, dont on ne sait pas dire « où elles sont » en même temps que « où elle vont ». Près d’un siècle après sa naissance, la mécanique quantique continue d’intriguer et de fasciner ! Informatique, neurosciences, philosophie, psychologie ou médecine déclinent aujourd’hui les concepts ou les résultats de la mécanique quantique… parfois au-delà de ce que les physiciens leur font dire vraiment.
Pierres qui roulent…

La mécanique quantique décrit le comportement de systèmes physiques à l’échelle de l’infiniment petit : les atomes et les particules qui les composent, par exemple. L’essentiel est invisible pour les yeux : l’électron, cette particule chargée d’électricité qui gravite autour du noyau d’un atome comme la terre autour du soleil, a un diamètre de 3×10-15 m. L’équivalent d’une bille de verre rapportée à la distance entre le Soleil et Pluton, la planète qui en est la plus éloignée ! A cette échelle, la mécanique classique, qui régit le monde visible et les dimensions de notre quotidien, n’est plus valable. Elle est un cas particulier de la mécanique quantique, qui est plus générale.

Pour cette dernière, le monde est probabiliste, là où nous avons l’habitude de le voir déterministe. Les modèles de la mécanique classique permettent de prédire, avec une certaine précision, les résultats d’une expérience ou d’un phénomène, comme la vitesse du vent ou la hauteur des vagues lors d’une tempête. Les modèles quantiques prédisent par exemple l’état de l’électron en termes de probabilité d’une mesure, comme celle de sa vitesse ou sa position – auxquelles on ne peut pas avoir accès en même temps, alors que cela est possible pour la mer ou le vent !

La mécanique quantique s’appuie aussi sur des modèles mathématiques, des équations semblables à celles de la mécanique classique. Elle utilise aussi des concepts et des outils mathématiques qui ont une existence propre, c’est-à-dire inventés par des mathématiciens à d’autres fins que d’expliquer la mécanique de l’infiniment petit. Ce formalisme s’avère particulièrement adapté pour décrire les expériences quantiques… Il a permis d’établir de nombreux résultats théoriques, comme l’intrication quantique, vérifiés ultérieurement par l’expérience ! La mécanique quantique nous apprend en outre que les expériences ne sont pas anodines : en termes simplifiés, l’observation d’un phénomène influence son résultat. En revanche, En mécanique classique, un dispositif expérimental n’est pas parfait, mais livre (théoriquement) des résultats répétables, déterminés par l’expérience en cours indépendamment du système de mesure – avec une variabilité liée aux conditions expérimentales.

Incertitude et intrication sont les résultats les plus spectaculaires de la mécanique quantique. L’intrication défie les imaginations : elle désigne cette propriété de deux systèmes quantiques d’être liés en quelque sorte au-delà des contraintes de l’espace et du temps que nous expérimentons au quotidien. Pour l’illustrer, le physicien Etienne KLEIN utilise le rock n’roll. Selon lui, Mick JAGGER et Keith RICHARDS sont intriqués : leurs carrières séparées sont sans relief, tandis que, réunis dans les Rolling Stones, ils donnent le meilleur d’eux-mêmes !

Dans l’intimité des équations

Léonard SUSSKIND, titulaire de la chaire de physique théorique de la prestigieuse Université de Stanford, et son disciple Art FRIEDMAN, proposent avec Mécanique Quantique, Le minimum Théorique, une introduction claire et rigoureuse à son formalisme et à ses interprétations.

Nul besoin d’être un expert du domaine pour lire leur prose et apprécier les mystères quantiques. Matrices et vecteurs, modes et valeurs propres, base modale, produit scalaire. Pour comprendre comment les physiciens regardent l’invisible, tout ce que vous avez besoin de connaître est l’algèbre des espaces vectoriels. Avec un bagage d’étudiant de première ou seconde année de sciences, le livre est à votre portée.

Qu’est ce qu’une expérience sur un système quantique ? Qu’est ce qu’un état quantique ? Comment évolue un système quantique ? Comment s’écrivent l’intrication et le principe d’incertitude ? Quels sont les liens entre mécanique classique et mécanique quantique ?

Les équations sont la grammaire de la nature : dans un langage clair et accessible, les auteurs dialoguent avec elles. Ils leur donnent la parole pour répondre à ces questions – avec le minimum théorique ! Et l’on se sent tout d’un coup intelligent, comme souvent avec les vulgarisateurs hors pair.

Pour les plus motivés des lecteurs, les deux auteurs proposent quelques exercices pour approfondir les notions présentées. Munissez-vous d’une feuille de papier et d’un crayon, à la terrasse d’un café pour ceux qui aiment réfléchir dans l’agitation… ou dans le calme d’une bibliothèque pour les autres. Réfléchissez en posant quelques calculs – juste pour le plaisir de chercher et de trouver. Grâce à Léonard SUSSKIND, vous calerez vos pas sur les traces de certains des grands esprits du XXème siècle.

Un ouvrage quantique… et magique !

Leonard SUSSKIND, Art FREIDMAN – Mécanique Quantique, le Minimum Théorique – Presses polytechniques et universitaires romandes, 2015 (30€, 355 pages)