LE MONDE QUANTIQUE

Infiniment petit infiniment complexe

 

« Les oiseaux avaient fait un long voyage à la recherche de leur vrai roi SIMORG …

Ils traversèrent sept vallées pleines de dangers et de merveilles ;

Lorsqu’ils arrivèrent à la sixième vallée, celle de l’étonnement, il faisait jour et nuit, ils voyaient et ne voyaient pas, ils existaient et n’existaient pas, il y avait des choses à la fois pleines et vides… »

« La conférence des oiseaux »

ATTAR poète persan

Si vous souhaitez entreprendre le voyage dans le monde quantique, si vous acceptez de s’ouvrir à ce « Monde inconnu », il vous apparaîtra harmonieux et cohérent.

« POISSON ROUGE GOLDILOCKS »

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Chers amis « poissons rouges » nous allons aborder un monde étrange et surprenant ! le monde de l’infiniment petit où les règles et lois qui s’appliquent sont bien différentes de celles que nous connaissons au quotidien dans notre monde « macroscopique ».

Un grand physicien influent dans ce domaine, RICHARD FEYNMAN, dit un jour :

« Je pense pouvoir dire sans trop me tromper que personne ne comprend la mécanique quantique » et a rajouté quelques temps après :

« Si je pouvais l’expliquer à n’importe qui, alors ça ne m’aurait pas valu le prix Nobel »

Chers poissons rouges, ne paniquez pas, « on va y arriver » je vous répète :

Les poissons rouges ne se noient pas !

DANS L’INTIMITE DE LA MATIERE

Le début du vingtième siècle a connu deux grandes révolutions scientifiques qui ont profondément changé notre façon de voir le monde.

J’ai évoqué à plusieurs reprises dans mes autres articles les théories de la relativité générale d’Albert. La deuxième révolution concerne les théories physiques qui expliquent le comportement des atomes et des particules qui constituent la matière au sens large et dont nous sommes faits, entre autres.

L’étude de la matière montre une série de niveaux différents.

Du niveau macroscopique que nous connaissons jusqu’au QUARK (particule élémentaire), en passant par les particules qui constituent les atomes, ces niveaux sont imbriqués les uns dans les autres, chacun avec ses dimensions et ses propres lois.

La particularité des objets du monde microscopique, ou nanoscopique, est que bizarrement ils se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes.

Toutes ces particules sont rassemblées dans un modèle « standard » et ce modèle répertorie celles correspondant à la matière, et celles porteuses d’interactions ou de forces.

Peut-être que ce modèle se révèlera incomplet et que d’autres niveaux sous-jacents seront découverts, en tout état de cause cela incite les chercheurs à repousser toujours plus loin les limites de notre connaissance.

Ce « modèle standard » sera présenté simplement par PRG dans une prochaine lettre.

Aujourd’hui, et depuis quelques décennies, une nouvelle vision des propriétés de l’univers et de son histoire permet de rassembler (au travers de travaux communs ou complémentaires) les scientifiques qui collaborent dans des disciplines diverses. Les physiciens des particules et du nucléaire dialoguent avec les astrophysiciens et les cosmologistes.

Ace stade introductif, nous verrons à minima deux piliers grandement simplifiés :

-Les principes fondamentaux qui sont bien souvent contre- intuitifs ;

-La classification des particules selon leurs propriétés et leurs comportements ;

Vous avez bien compris que cela n’est pas une fin en soi, mais l’objectif de PRG est de vous amener sur d’autres paysages comme la gravitation quantique entre autres ; pour l’instant nous sommes dans le marécage mais il faut le traverser et s’en extraire !

Ce qu’il faut savoir « à minima »

Principes fondamentaux

Dans l’infiniment petit, certains objets quantiques peuvent être décrits au niveau microscopique comme des ondes. C’est le cas de la lumière portée par le photon qui est à la fois corpuscule (petite parcelle de matière) et une onde (comme la vague à la surface de la mer). Un peu des deux donc que l’on nomme couramment « DUALITE ONDE-CORPUSCULE ».

Un deuxième principe qui avait déjà été bien compris par le passé (voir ATTAR poète mystique persan du 12^ème siècle) évoque LA SUPERPOSITION DES ETATS. Une particule peut être dans plusieurs états à la fois. L’électron qui tourne autour d’un atome peut être sur tous les points de l’orbite en même temps et selon toutes les vitesses possibles !!! Cela plairait beaucoup à mes amis poissons rouges footeux …

Certaines données ou propriétés des particules ne peuvent pas prendre toutes les valeurs possibles et ces valeurs ou résultats sont dénommées « quanta » d’où le terme de QUANTIFICATION quand on multiplie les nombres entiers par le « quantum » valeur discrète.

Le quatrième principe est peut-être à mes yeux le plus surprenant et concerne le fait que l’on ne peut pas donner en même temps avec exactitude la position et la vitesse d’une particule. La nature nous donne donc une incertitude et celle-ci répond au hasard. On appelle cela le PRINCIPE D’INDETERMINATION qui engendre donc des calculs sous forme de probabilités.

Albert n’y croyait pas et avait dit à un physicien très célèbre Niels BOHR (un des « pères » de la physique quantique) : « Dieu ne joue pas aux dés ! » BOHR lui répondit : « Qui êtes-vous pour dire à Dieu ce qu’il doit faire ? » Cette réplique est devenue célèbre et PRG a pu constater qu’une paire de dés a pris place sur la tombe de BOHR au cimetière de Copenhague.

Le principe suivant découle du précédent et ne manque pas d’étrangeté ; en effet lorsqu’on mesure la particule, son état n’est plus superposé, ce qui veut vouloir dire que LA MESURE INFLUE SUR L’ETAT DE LA PARTICULE, et PRG vous contera la célèbre expérience de pensée d’ERWIN SCHRÖDINGER et de son chat enfermé dans une boîte à la fois mort et vivant. PRG y reviendra et évoquera surtout les conséquences philosophiques de cette expérience paradoxale. La notion ou concept de « mesure », les interrogations sur les systèmes en interaction permanente avec le reste se l’univers, la décohérence, sont des thèmes chers à PRG, sans oublier les points de vue divergents d’autres physiciens quantiques comme HUGH EVERETT.

L’INTRICATION

Ce principe va sûrement intéresser la majorité des poissons rouges car il reste vraisemblablement le plus médiatisé mais aussi le plus mystérieux. De quoi s’agit -il ?

Les particules seraient enchevêtrées, dépendantes entre elles et formant ainsi des systèmes liés quelle que soit la distance qui les sépare, le tout sans violer la loi de la relativité générale qui prédit que rien ne peut aller plus vite que la lumière. En effet, dans l’intrication des particules, il semblerait qu’aucune information ne soit échangée.

Nota de PRG : il ne faut pas pour autant haïr la vitesse de la lumière qui nous interdit toute possibilité d’explorer l’univers en quelques secondes et rends impossible toute communication instantanée… mais bon, à l’échelle cosmique celle-ci se « traîne » et la nature ne nous a pas tout dit !

Et pour terminer cette présentation sommaire et afin quelle soit à peu près complète, il convient d’évoquer le fait qu’un objet quantique peut traverser un obstacle même si son énergie est inférieure à l’énergie minimale requise pour franchir cet obstacle ; on appelle cela l’EFFET TUNNEL. Nous ne passons pas à travers un mur cela se saurait, mais les particules quantiques, comme l’électron peuvent être à la fois d’un côté et de l’autre de ce mur.

Ne pas oublier chers lecteurs poissons rouges que la mécanique quantique est faite de belles promesses (l’ordinateur quantique entre autres) et a d’ailleurs eu de nombreuses applications concrètes qui vous facilitent la vie : les GPS, les IRM, les microprocesseurs, les disques durs, les lasers etc…alors pas d’impasse sur les prochains articles…

La classification des particules

Avant de présenter les principales familles de particules, il convient de présenter les QUATRE INTERACTIONS fondamentales dont se servent les physiciens pour décrire les phénomènes de l’univers.

Ces forces sont basées sur l’échange de particules médiatrices, les bosons.

Les deux plus connues :

La gravité (quand on lâche un objet il tombe vers le sol) ou la gravitation (attraction de deux corps qui ont une masse) explique l’évolution des galaxies, la chute des corps, la déformation de l’espace-temps. C’est la force la plus faible mais la plus répandue dans l’univers et c’est elle qui intervient dans notre vie quotidienne mais elle est indécelable à l’échelle atomique ; par voie de conséquence n’est pas traitée en mécanique quantique, cette force est toujours attractive et sa charge est la masse. Une particule de masse nulle appelée GRAVITON pourrait exister et jouer un rôle de « médiation » dans le cadre de l’unification de la mécanique quantique et de la relativité générale mais cette particule reste à découvrir et vous en saisirez l’importance lors de la présentation de la GRAVITE QUANTIQUE, théorie qui permettra de comprendre les grandes quantités de matière et d’énergie à l’œuvre dans des très petites dimensions spatiales (trous noirs et big bang).

L’électromagnétisme est une des trois forces qui agissent dans l’infiniment petit mais est sensible à notre échelle. Cette interaction combine l’électricité et le magnétisme. Sa charge est la charge électrique, positive ou négative, et cette force est « véhiculée » par les PHOTONS de masse nulle. Les NEUTRINOS de charge électrique nulle ne sont pas sensibles à cette force.

Les deux autres forces :

L’interaction ou force faible détermine les désintégrations radioactives à très petites échelles et est responsable de certaines formes de radioactivité. Très peu intense, c’est en cela que les éléments radioactifs ont des durées de vie très longues. Il y a trois catégories de bosons (W+ W- et Z°) pour cette force.

L’interaction forte est responsable de la cohésion des protons et neutrons, eux-mêmes composés de QUARKS, ce qui en fait des noyaux atomiques. Les bosons à l’œuvre sont des GLUONS à très courtes portée. Les réactions de fusion dans les étoiles sont dues à cette force.

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La physique des particules a connu un fort développement au XXème siècle pour aboutir dans les années 70 à une théorie dénommée MODELE STANDARD, et qui « met de l’ordre » parmi les centaines de particules observées. La description a nécessité de nombreux outils mathématiques pour décrire avec précision « la réalité ».

Classification simplifiée :

L’univers est fait de 12 particules fondamentales et gouverné par 4 forces fondamentales.

Deux familles : les quarks et les leptons.

Chaque groupe compte 6 particules regroupées en « générations »

Première génération : elle regroupe les plus légères et les plus stables qui composent l’univers.

Deuxième et troisième génération : elles regroupent les plus lourdes et les plus instables

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Les particules élémentaires sont au nombre de 25 :

12 fermions PARTICULES DE MATIERE séparés en 6 quarks et leurs anti quarks appelés HADRONS ET 6LEPTONS et leurs anti -leptons

12 bosons PARTICULES DE RAYONNEMENT qui sont les « vecteurs » des forces ou interactions (voir plus haut) : 8 gluons (interaction forte), 2 W (interaction faible), 1 Z° (interaction électrofaible) 1 photon (interaction électromagnétique).

01 boson ayant 2 rôles : mélanger les interactions et donner de la masse (boson « BEH » du nom des trois physiciens découvreurs (BROUT ENGLERT HIGGS).

Résumé succinct réalisé à partir des informations du CERN et du CNRS

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NOTA PRG : le modèle standard connaît quelques défaillances ; nous verrons ultérieurement les difficultés liées à l’origine de la masse, les oscillations des neutrinos, l’asymétrie matière antimatière, la nature de l’énergie noire et de la matière noire.

PRG essaiera d’expliquer simplement l’incompatibilité du modèle standard des particules avec celui de la relativité générale, incompatibilité rendant inopérantes ces théories face aux singularités.

Et pourquoi pas aborder ensuite les théories de supersymétries ou des explications nouvelles comme la théorie des cordes, la théorie M ou la théorie des dimensions supplémentaires ?

GOLDILOCKS EST A CONSOMMER AVEC PASSION OU MODERATION, COMME IL VOUS SIED…