Université · Physique · Mécanique Quantique
La physique des infiniment petits — là où la réalité cesse d'être déterministe et devient probabiliste, où la mesure perturbe irrémédiablement le système, où les particules interfèrent avec elles-mêmes et existent en superposition. La théorie la plus précise jamais construite et pourtant la moins intuitive.
Fonction d'onde ψ et |ψ|² — animation temps réel
L'équation fondamentale de la MQ. ψ(r,t) est la fonction d'onde — amplitude de probabilité. |ψ|² = densité de probabilité de présence. Ĥ = opérateur hamiltonien (énergie totale). Équation déterministe pour ψ, mais probabiliste pour les observables.
Il est impossible de connaître simultanément avec précision arbitraire la position x et l'impulsion p d'une particule. De même : ΔE · Δt ≥ ℏ/2. Ce n'est pas une limitation instrumentale mais une propriété fondamentale de la nature. Conséquence : les électrons ne peuvent s'effondrer sur le noyau.
Toute particule a une longueur d'onde λ = h/p (de Broglie, 1924). Les électrons diffractent (Davisson-Germer, 1927). Les photons se comportent comme des corpuscules (effet photoélectrique, Einstein 1905). Cette dualité est intrinsèque — non résoluble par un modèle classique.
Avant la mesure, un système peut être en superposition d'états. La mesure projette le système sur un état propre de l'observable, avec une probabilité |⟨aₙ|ψ⟩|². Le résultat est toujours une valeur propre aₙ de l'opérateur Â. Après mesure : « réduction du paquet d'onde ».
Un système quantique peut exister simultanément dans plusieurs états jusqu'à la mesure. Le chat de Schrödinger (1935) illustre paradoxalement cette superposition à l'échelle macroscopique. La décohérence détruit la superposition au contact de l'environnement.
Deux particules intriquées partagent un état quantique non-séparable : mesurer l'une affecte instantanément l'autre, quelle que soit la distance. Confirmé par les inégalités de Bell (Aspect, 1982 ; Nobel 2022). Ne permet pas de transmission d'information supraluminique.
Une particule peut franchir une barrière de potentiel classiquement infranchissable (E < V₀) par effet tunnel. Probabilité ∝ e⁻²κL (L = largeur barrière). Fondement du microscope à effet tunnel (STM), de la fusion solaire, des diodes tunnel.
Dans un puits de potentiel, les niveaux d'énergie sont discrets : Eₙ = n²π²ℏ²/(2mL²). Pour l'hydrogène : Eₙ = −13,6/n² eV. Les transitions entre niveaux émettent ou absorbent des photons de fréquence précise (spectroscopie).
Propriété intrinsèque des particules, sans analogue classique. Fermions (spin semi-entier : ½, 3/2...) obéissent à la statistique de Fermi-Dirac (principe d'exclusion de Pauli). Bosons (spin entier : 0,1,2...) obéissent à la statistique de Bose-Einstein (condensat BEC).
Deux fermions identiques ne peuvent occuper le même état quantique. Explique la structure des atomes (remplissage des couches électroniques), la stabilité de la matière et la dégénérescence des étoiles à neutrons et naines blanches.
La résolution exacte de l'équation de Schrödinger pour l'atome d'hydrogène donne des fonctions d'onde ψ_{n,l,m}(r,θ,φ) caractérisées par trois nombres quantiques : n (principal, énergie, n ≥ 1), l (azimutal, moment angulaire, 0 ≤ l ≤ n-1) et m (magnétique, orientation, −l ≤ m ≤ l). Un 4ᵉ nombre quantique s = ±½ désigne le spin.
Les orbitales s (l=0) sont sphériques, les orbitales p (l=1) sont bilobées orientées selon x, y ou z, les orbitales d (l=2) ont des formes plus complexes. Le principe d'Aufbau, le principe de Pauli et la règle de Hund déterminent l'ordre de remplissage des orbitales atomiques, construisant ainsi toute la structure du tableau périodique à partir de la mécanique quantique.
Toute l'électronique moderne repose sur la MQ : bandes d'énergie, jonctions p-n, transistors MOS (MOSFET), mémoires Flash. La loi de Moore est portée par la physique quantique jusqu'à l'échelle des 3-2 nm (Intel, TSMC 2023).
STM (Binnig & Rohrer, Nobel 1986) : pointe nanométrique à quelques angströms d'une surface. Le courant tunnel mesure la densité d'états électroniques avec résolution atomique. Manipulation atome par atome (IBM 1989 : logo en Xe sur Ni).
Light Amplification by Stimulated Emission : émission stimulée d'Einstein (1917), prédit par la MQ. Cohérence spatiale et temporelle. Applications : fibres optiques, chirurgie, lithographie EUV pour puces, LIDAR, gravitationnel (LIGO).
Qubits en superposition et intrication pour traiter exponentiellement plus d'états. Algorithme de Shor (factorisation, 1994), Grover (recherche). Enjeux cryptographiques majeurs. IBM, Google (127-433 qubits supraconducteurs, 2023).
QKD (Quantum Key Distribution) : la loi de la mesure garantit la détection de toute interception. Protocole BB84. Réseaux quantiques en test (Chine : satellite Micius, 2017). Sécurité théoriquement inconditionnelle.
L'IRM exploite la résonance magnétique nucléaire — un phénomène de spin quantique. Le spin nucléaire (H, ¹³C, ³¹P) s'aligne dans un champ B₀, puis est perturbé et réémet un signal RF. Résolution anatomique millimétrique sans rayonnement ionisant.