Comprendre et découvrir la physique
quantique simplement
Fév 6, 2015 In: Comprendre la physique
quantique Par : Timo van Neerde
Comprendre et découvrir la physique
quantique simplement
La physique quantique, celle qui fait
peur, celle des scientifiques dans leurs collisionneurs de particules
peut vous sembler loin à côté de toute la physique classique
utilisée par exemple dans le moteur de votre voiture, ou dans le
four à micro-ondes de votre cuisine.
Pourtant, la physique quantique n’est
pas aussi élitiste que vous pourriez le penser. En fait, malgré le
fait que sa découverte date de seulement un siècle, les
applications directes de la physique quantique sont nombreuses et,
vous allez le voir, omniprésentes dans votre vie !
Découvrons donc 10 choses qui
s’expliquent entièrement grâce à la physique quantique.
1. Le Laser (CD, BluRay, imprimante,
souris, …)
Le CD, laser disc
On ne peut pas parler de la physique
quantique sans parler du Laser. Le principe Laser a été imaginé
par Einstein en 1917, plus de quarante ans avant que les ingénieurs
réussissent à le mettre au point (mais ce délai est surtout la
conséquence de l’absence d’applications utiles de l’idée
d’Einstein).
Le Laser, pour « Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation » (ou amplification de lumière
par émission stimulée de rayonnements) utilise l’émission
stimulée : le fait pour un atome déjà excité de pouvoir dupliquer
un photon qui passe assez proche de lui.
Les caractéristiques d’un faisceau
Laser sont telles qu’elle a aujourd’hui d’innombrables
applications absolument partout : on les trouve dans tous les
lecteurs CD, DVD ou BluRay ou encore dans les dans les systèmes de
détection des intrusions (comme dans les films). Le Laser est
également utilisé dans la découpe de pièces plastiques ou
métallique, dans la soudure industrielle au laser, le nettoyage des
trottoirs, le gravage sur métal ou dans les souris d’ordinateur et
les imprimantes laser.
Aujourd’hui, il n’y a pas un objet
chez vous qui n’a pas passé par une étape de conception ou de
distribution impliquant un Laser, ne serait-ce que lors de la lecture
de son code barre quand vous l’avez acheté.
2. L’horloge de votre téléphone
L'horloge NIST-F1 qui sert d'étalon
aux USA.
L’horloge NIST-F1 qui sert d’étalon
aux USA.
Votre téléphone (ou smartphone de nos
jours, plutôt) maintient son horloge interne à jour en se
connectant à un serveur de temps. Ces serveurs de temps sont reliés
à des horloges « atomiques » qui utilisent là encore un phénomène
de nature purement quantique : la désexcitation énergétique
d’atomes de césium 133.
L’atome de césium, comme tous les
atomes, possède des électrons. Ces électrons peuvent avoir
différents niveaux d’excitations, et quand un électron passe d’un
niveau d’excitation à un autre, il émet une radiation dont la
longueur d’onde est très précise : pour définir la seconde, on
compte 9 192 631 770 périodes d’oscillation de la radiation issue
de deux niveaux d’excitation bien précis de l’atome de césium
133.
Autrement dit, l’unité « 1 seconde
» est définie grâce à un phénomène quantique.
Voilà comment votre téléphone
utilise la physique quantique pour vous réveiller le matin… mais
tout ça ne suffit visiblement pas à éviter d’arriver en retard
au travail !
3. Le GPS
Le GPS peut vous localiser partout sur
la planète avec une précision centimétrique (précision métrique
seulement pour les usages civiles). Cette précision est obtenue avec
une synchronisation parfaite entre les 32 satellites GPS en orbite.
C’est cette synchronisation qui utilise la physique quantique,
grâce, là également, à des horloges atomiques.
4. La couleur de la flamme d’une
gazinière
Le Laser, les horloges atomiques, le
GPS… Ce sont là des dispositifs hautement technologiques utilisant
des théories de la physique quantique. Mais il y a bien plus simple
: allumer sa gazinière et voir une flamme bleue, par exemple, c’est
de la physique quantique !
Flammes colorées
La couleur bleue de la flamme du gaz
est produite l’émission d’un rayonnement bleu par la
désexcitation des liaisons atomiques « C-H » du gaz que vous
brûlez. La désexcitation correspond là encore à la transition
d’un électron d’un niveau quantique d’énergie à un autre.
La couleur rouge-jaune d’une flamme
de bougie est, au contraire, d’origine non-quantique, puisque c’est
une couleur spécifique à la température de la flamme.
Pour en savoir plus sur ce qu’est une
flamme, lisez cet article : « C’est quoi une flamme ? ».
5. Les feux-d’artifice
« La belle bleue ! La belle rouge ! »
Comme pour la couleur de la flamme
d’une gazinière, la couleur des feux-d’artifice est d’origine
quantique : selon le combustible (poudre de cuivre, de strontium, de
potassium…) utilisé dans un feu-d’artifice, la couleur sera
différente : chaque élément possède en effet ses propres niveaux
d’énergie quantique, et donc la désexcitation de chaque atome
libérera un rayonnement d’une couleur bien spécifique.
Le vert est obtenu avec du cuivre, le
jaune avec du sodium, le rose avec le potassium, le blanc avec le
magnésium…
6. Les lumières LED
Les LED sont un autre produit de la
physique quantique : comme les lasers ou les feux-d’artifices, ils
utilisent eux aussi la désexcitation des électrons des atomes pour
produire de la lumière dite « froide » (car pas besoin de
chauffer, comme une ampoule à incandescence ou une bougie).
Des lumières LED
Des lumières LED
La lumière des LED est produite sans
filament ni gaz : c’est directement la matière (un
semi-conducteur) qui émet des photons sous l’effet du passage d’un
courant, et selon le semi-conducteur choisit dans la LED, la couleur
émise sera différente.
7. La phosphorescence
« Éclairez, éteignez et… Oh, ça
brille dans le noir ! »
Voilà ce qui se passe quand vous avez
entre les mains un objet phosphorescent : ça brille dans le noir…
grâce à la physique quantique !
La phosphorescence a lieu quand des
électrons montent d’un niveau quantique d’énergie et y restent
de quelques minutes à quelques heures avant de se désexciter, et là
encore, au moment de se désexciter, un photon est émis (donc de la
lumière).
Contrairement à la fluorescence (qui
est aussi d’origine quantique, au passage), la phosphorescence dure
bien dans le temps. C’est pour ça que les objets enduits d’une
peinture phosphorescente continuent de briller même une fois la
lumière éteinte.
Quand tous les électrons sont
désexcités et que ça ne brille plus du tout, il suffit d’éclairer
l’objet pour les exciter et le cycle recommence.
8. La cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque produit de
l’électricité à partir de la lumière. C’est un peu le
contraire de la LED.
Ici, un photon incident arrive à
exciter un électron et le faire circuler dans la cellule. Et qui dit
« circulation d’électrons » dit « courant électrique » : on
fait alors de l’électricité avec de la lumière.
Calculatrice avec cellule
photovoltaïque
Calculatrice avec cellule
photovoltaïque
Donc votre vieux convertisseur euro
avec ses cellules à énergie solaire, elle ne fonctionnerait pas
sans l’aide de la physique quantique… Ni sans l’aide
d’Einstein, qui a eu un prix Nobel justement pour l’effet
photoélectrique !
9. Le verre, et la transparence
Vous êtes-vous déjà demandé
pourquoi le verre est transparent et pas l’acier ou le bois ? Non ?
Ben sachez que la réponse réside une nouvelle fois dans la physique
quantique !
Dans un panneau photovoltaïque, on a
vu qu’un photon de la lumière arrive à exciter un électron et à
le faire circuler. Ce que je n’avais pas dit par contre, c’est
qu’une fois l’électron excité, le photon est détruit :
l’électron l’a absorbé.
Si vous vous étiez placé de l’autre
côté du panneau photovoltaïque, le photon n’aura donc pas pu
arriver dans votre œil et vous ne le verriez pas. Le photon est
bloqué par le panneau solaire, et ce dernier n’est pas
transparent. Il en va de même avec le bois ou l’acier : même
s’ils ne produisent pas d’électricité, ils bloquent quand même
les rayonnements et émettent de la chaleur en retour. Ils chauffent
au soleil !
Dans le verre, le diamant ou divers
plastiques ou cristaux, c’est différent : les niveaux quantiques
d’énergie des atomes les constituant sont trop importants et aucun
photon visible par l’œil ne peut les exciter. Résultat si le
photon n’excite pas l’électron ? Il n’est pas absorbé ni
détruit : il le traverse.
10. Le téléporteur de Star Trek
« Qu… quoi ? Oui, le téléporteur…
quantique ! »
Des portails de téléportation
imaginés en science fiction
Des portails de téléportation
imaginés en science fiction
J’explique la téléportation
quantique en détails ici, mais sachez que la physique quantique, de
la conséquence de l’une de ses nombreuses particularités permet
la téléportation : le déplacement d’un endroit à un autre sans
effectuer de déplacement !
Ne vous emballez cependant pas trop
vite : pour le moment, on n’en est seulement à un stade
expérimental et seules quelques particules simples ont pu être
téléportées.
PS : si la physique quantique vous
passionne et que vous voulez en savoir ENCORE plus, regardez le livre
qu'on a écrit, il est facile à lire et répondra à toutes vos
questions.
"La physique quantique" de Vincent Rollet
Ajoutez 1 goutte d'huile d'origan dans l'eau et regardez ce qui arrive à vos poumons
