La mécanique quantique à l’échelle humaine

mecanique quantique accroch La mécanique quantique à léchelle humaineIl est une idée répandue que la mécanique quantique s’applique aux petites échelles, de l’ordre de la particule. Et que lorsque l’on étudie des systèmes macroscopiques, les lois de la mécanique quantique disparaissent, et la mécanique classique devient la règle. Si l’observation et l’intuition vont dans ce sens, la réalité est différente.  En faisant tomber de nouvelles barrières de compréhension et de création, les scientifiques envisagent et découvrent des phénomènes quantiques ayant un impact à l’échelle de systèmes macroscopiques.

Mécanique classique, mécanique quantique

Jusqu’à l’avènement de la physique quantique et avant que les appareils de mesures ne permettent l’observation des particules, la vision « classique », c’est à dire Newtonienne, du monde semblait ne jamais pouvoir s’ébranler. En effet elle répondait à l’observation des phénomènes et les expliquait. Et surtout, les causes et les conséquences induites par ses lois étaient en adéquation avec notre intuition. Ce qui faisait de l’univers un cocon familier et rassurant.

Mais lorsque l’on a été capable d’observer et de mesurer des phénomènes microscopiques, le monde  de la physique a tremblé : Les particules se comportent comme des grains de matières, mais également comme des ondes électromagnétiques (dualité onde corpuscule). L’observation influence le phénomène (incertitude d’Heisenberg, si je sais où se trouve la particule, je ne connais pas sa vitesse, si je connais sa vitesse, je ne peux pas connaître sa position) les particules peuvent se trouver dans des états superposés, c’est à dire dans deux états énergétiques, ou dans deux positions simultanément,  Etc.

Le chat de Schrödinger

chat de schrodinger La mécanique quantique à léchelle humaineLa matière, à l’échelle des particules, se comporte d’une manière défiant toute logique « classique » et a mené à l’élaboration mentale de nombreux paradoxes, dont le fameux chat de Schrödinger : un chat est enfermé dans une boite, avec une fiole de poison,  un détecteur de radioactivité type Geiger, et un atome radioactif. Si le compteur Geiger détecte la désintégration de l’atome, la fiole de poison se brise, et le chat meurt. D’un point de vue probabiliste, l’atome a une chance sur deux de se désintégrer, et le chat à une chance sur deux de survie. Mais d’après la mécanique quantique, tant qu’aucun observateur n’a ouvert la boite, l’atome se trouve dans un état superposé à la fois désintégré et non désintégré. Le chat est par conséquent, à la fois mort et vivant…

Le paradoxe, mis en lumière par cette expérience mentale, traduit l’inquiétude qui étreint les scientifiques. Et surtout, il met directement en relation un phénomène quantique (la désintégration d’un atome et l’état de superposition – la cause) avec un phénomène macroscopique (la mort du chat – la conséquence). Et c’est là le problème qui nous intéresse dans cet article.

En effet, Personne n’ayant jamais vu de chat mort-vivant en dehors peut-être d’un film de série B, tout portait à croire qu’il existait une frontière, quelque part entre la particule et le chat, où les lois de la mécanique quantique laissaient la place aux caractères familiers des lois de la mécanique classique. C’est à dire la mécanique non quantique, théorie de la relativité incluse.

Cette séparation du monde n’existe pas. Pour la plupart des physiciens, la physique classique est une approximation utile dans de nombreux cas, dans un monde qui est quantique à toutes les échelles !

La décohérence

La disparition des phénomènes quantiques dans les systèmes macroscopiques n’est pas due à l’échelle des systèmes en soi, mais à leurs interactions entre eux et avec l’environnement. Ce phénomène est nommé Décohérence. Il inclut tous les échanges (énergie, agitation thermique…) du système avec l’extérieur.

En effet, les phénomènes quantiques ne s’observent que lorsque le système est isolé. La fuite permanente d’informations vers l’environnement est le mécanisme essentiel par lequel les états quantiques se détruisent. C’est pourquoi ces états ne mettent en œuvre qu’un nombre limité de particules. Un système composé d’un grand nombre de particules étant difficile à isoler de son environnement, l’équilibre des états quantiques originaux « s’échappe », et confère au système un comportement « classique ».

Pourtant, depuis une dizaine d’années, les expériences et les recherches montrent que la manifestation macroscopique d’effets quantiques est bien plus importante que l’on ne le soupçonnait. Ce que la physique quantique nous apprend sur la matière échappe tellement au sens commun qu’elle nous oblige à repenser notre vision de l’Univers, de l’espace et du temps, pour en forger une nouvelle encore floue et fort peu familière.

L’intrication quantique

Un des phénomènes quantiques les plus signifiant est celui de l’intrication. Il a été mis en évidence par Erwin Schrödinger lui-même, en 1935, dans le même article que celui où il débattait de son chat.

L’intrication est la caractéristique d’un ensemble de particules, d’être liées entre elles. En d’autres termes, des particules intriquées communiquent entre elles, et forment un système équilibré, autonome. Ainsi un système de deux particules intriquées, même très éloignées l’une de l’autre, continuent de se comporter comme deux entités d’un même système. Lorsque l’on agit sur l’une, l’autre réagie instantanément en conséquence, pour conserver l’équilibre du système. Ce qui a amené Einstein à parler « d’action fantomatique à distance », et remis en question la sacro-sainte limite infranchissable de la vitesse de la lumière ! (Voir la petite vidéo animée pour une explication simple et poétique du phénomène)

On parle souvent par exemple d’une paire de particule élémentaire, comme des électrons. L’une des propriétés des électrons est leur moment cinétique intrinsèque, ou spin (qui veut dire tournoyer en anglais). En bref, chaque particule tourne sur elle-même, suivant un axe. D’après la mécanique classique, le sens de rotation et la direction de l’axe sont aléatoires. Mais si les 2 électrons sont intriqués de manière à ce que leur spin total soit nul, alors ils doivent tourner dans un sens opposé l’un à l’autre, suivant le même axe. Chaque mesure du spin de l’un des électrons, effectuée suivant n’importe quel axe, engendrera instantanément le spin opposé chez l’autre.

Comment les électrons se « concertent-ils » entre eux ? Cela reste un mystère… L’exploitation de ce phénomène permettrait de grands développements technologiques et les scientifiques y travaillent avec des projets comme les ordinateurs quantiques.

Systèmes quantiques macroscopiques

En 2003, Gabriel Aeppli, de l’University Collège de Londres est parvenu à observer un état intriqué macroscopique dans un morceau de sel de fluorure de lithium de quelques 1020 atomes. Les spins de tous les électrons s’alignaient tels des aiguilles, réagissant à la variation d’un champ magnétique, à une vitesse que seule une intrication quantique pouvait expliquer.

Pour éviter les effets de la décohérence par agitation thermique, cette expérience s’est déroulée à très basse température (quelques millikelvins…) Mais depuis, d’autres expériences ont mis en évidence des états quantiques à température ambiante et supérieure. La décohérence étant contrecarrée, soit par des atomes où l’interaction entre les spins est assez forte pour annihiler l’agitation thermique, soit en isolant le système à l’aide d’une force extérieure qui annule l’effet de l’agitation thermique (dans un circuit supraconducteur par exemple).

En 2010, une équipe de l’université de Californie a réussi à mettre en vibration une micro planche de 40 micromètres de long (presque visible à l’œil nu) à 2 fréquences en même temps. C’est à dire, en conséquence, que la planche se trouve à deux endroits différents, en même temps !

Cela paraît impossible, et ça l’est selon la théorie classique, mais voilà qui est tout à fait normal dans un monde quantique.

Le rouge-gorge, un oiseau quantique ?

schrodinger 282x300 La mécanique quantique à léchelle humaineDès lors que l’on peut conférer un état intriqué à des solides grands et chauds, on peut s’interroger sur la possibilité de constater l’intrication quantique chez un être vivant ! Revoilà le spectre du chat de Schrödinger…

Ce n’est pas chez le chat, mais chez le rouge-gorge commun que l’on pourrait découvrir un « organe quantique ».

Le rouge-gorge est un oiseau migrateur, qui parcourt chaque année 13000 km de la Scandinavie à l’Afrique équatoriale, sans se perdre. Comment s’oriente-t-il ?

Dans les années 70, des expériences plaçant ces oiseaux dans un champ magnétique, montrèrent qu’ils ne sont pas sensibles aux inversions du champ magnétique. C’est à dire qu’ils ne distinguent pas le nord du sud. En revanche, ils distinguent l’inclinaison du champ magnétique, c’est à dire l’angle que celui-ci a par rapport à la surface terrestre.

Mais le plus étonnant, est que ses oiseaux perdent tout sens de l’orientation lorsqu’on leur bande les yeux…

rouge gorge 4 300x228 La mécanique quantique à léchelle humaineEn 2000, Thorsen Ritz, chercheur à l’université de Floride et passionné des oiseaux migrateurs, propose une explication : L’intrication quantique. Selon lui, la rétine d’un oiseau contiendrait une molécule contenant une paire d’électrons intriqués de spin total nul. Les photons de lumière, absorbés par la molécule, séparent les deux électrons qui deviennent alors sensibles au champ magnétique terrestre.

L’inclinaison du champ magnétique affecte différemment les deux électrons et déséquilibre le système intriqué. Ce déséquilibre se traduit par une réaction chimique, transmise par influx nerveux au cerveau, que ce dernier transforme en une image du champ magnétique.

Ainsi, l’oiseau serait doté d’un dispositif macroscopique ayant un fonctionnement quantique.

Pour le moment, il n’existe que des preuves indirectes de cette théorie. Mais l’étude en laboratoire de telles molécules montre qu’en effet, l’intrication de leurs électrons les rend sensibles à l’inclinaison du champ magnétique.

La photosynthèse, réaction complexe par laquelle les plantes convertissent la lumière en énergie, est peut-être un autre mécanisme macroscopique mettant en jeu l’intrication quantique. Les photons éjectent des électrons qui se dirigent tous vers un centre où la cellule accumule leur énergie et déclenche les réactions chimiques.

La physique classique ne parvient pas à expliquer l’efficacité quasi parfaite de ce mécanisme. L’intrication serait-elle responsable du rendement de cette réaction ?

Ainsi, la recherche du phénomène d’intrication dans la nature devrait se développer, et donner lieux à de nombreuses découvertes remettant sans cesse en question notre connaissance du monde.

L’espace et le temps résisteront-ils encore longtemps ?

Nous le voyons, la physique quantique s’applique à toutes les échelles.  Ceci oblige les scientifiques à repenser leur vision du monde. La vision classique, dont le point d’orgue est la théorie de la relativité, a pour cadre fondamental l’espace-temps. Cependant, l’espace et le temps n’ont qu’un rôle secondaire en physique quantique. L’intrication montre qu’un système peut être lié sans référence spatiale. La superposition autorise la présence d’un objet à plusieurs endroits en même temps, ce qui est impensable suivant une pensée relativiste.

Ainsi, l’espace et le temps ne sont, dans un monde quantique qu’une illusion, et doivent probablement, tout comme la physique classique, être considérés comme une « approximation » due à la décohérence des états quantiques. Pour de nombreux physiciens, comme Stephen Hawking, la relativité doit céder la place à une nouvelle théorie, libérée de l’espace et du temps qui unirait la physique quantique, et la physique classique.

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3 réflexions au sujet de « La mécanique quantique à l’échelle humaine »

  1. Ping : La lumière battue au sprint | Geniorama

  2. Hortencia

    Plusieurs questions se ponest : 1 – Il faudrait d’abord cryoge9niser le sujet avant d’enregistrer ses atomes pour les reproduire plus loin. Car comme tout le monde le sait un atome est constitue9 de particules en mouvement … 2 – La « conscience » est produite par l’activite9 neuronal, donc chimique et e9lectrique. Le soucis vient de ce dernier qu’il faudra replacer avec l’intensite9, la tension et l’emplacement d’origine. Ce qui me fais me poser une autre question : Est-ce que le cerveau humain est comme la me9moire vive (RAM) d’un ordinateur ? C’est e0 dire que si tu coupes le jus (e9lectrique) du cerveau les informations stocke9s dans les neurones seront elles supprime9es par la meame occasion ? Bref, je suis nul en physique, mais moi aussi j’ai des questions existentiels e0 la con ! Non mais ^_^

    Répondre

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