S01 E01 Peut-on «comprendre» la physique quantique ?

Pourquoi s'intéresser à une chose pareille ?

• Les électrons sont-ils à la fois des ondes et des corpuscules ?
  • Si oui, comment est-ce possible ?
• Un atome peut-il être à deux endroits en même temps ?
  • Si oui, qu'est-ce qui m'empêche d'en faire autant ?
• Un atome peut-il être à la fois désintégré et toujours intact ?
  • Si oui, qu'est-ce qui empêche un chat d'être à la fois mort et vivant ?
• Deux photons très éloignés l'un de l'autre peuvent-il continuer à se synchroniser ?
  • Si oui, pourquoi des humains ne pourraient-ils pas le faire ?
  • Et est-ce que ça signifie qu'ils peuvent communiquer instantanément ?
• Est-ce vrai que le résultat d'une expérience de physique quantique dépend de l'observateur ?
• Les objets existent-ils encore quand personne ne les observe ?

Toutes ces questions, vous les avez certainement croisées dans vos lectures. Pour y répondre, on trouve deux grandes sortes de cours:

• Des conférences grand public, vidéos ou ouvrages qui traitent ces questions séparément et brièvement, mais uniquement avec des analogies sans mathématiques qui ne peuvent pas aller au fond des choses. De plus, il est très difficile pour le néophyte de distinguer celles qui sont sérieuses de celles qui le sont moins.
• Des cours universitaires qui s'adressent à des étudiants ayant déjà un niveau bac+3 en mathématiques.

Entre les deux, très peu de choses. Notre série «La physique quantique en touriste» espère contribuer à combler cette lacune. Elle vous offrira aussi des liens vers d'autres ressources qui sont, comme elle, de niveau "intermédiaire".

Une autre raison de s'y intéresser ?

Oui !

Dans vos moments d'otium, et plus particulièrement si vous êtes à la retraite, il est très important de garder vos neurones actifs. Vous pouvez les faire travailler avec des mots-croisés ou des sudokus, mais c'est mieux de le faire avec des sujets plus vastes et plus divers, qui les sortiront un peu plus de leur routine.

Vous intéresser à la physique quantique à la retraite pourrait bien vous aider à mieux vieillir !

Peut-on «comprendre» la physique quantique ?

Si les avis sont partagés sur cette question, notamment parmi les plus grands spécialistes [1], c'est parce qu'il faudrait commencer par s'entendre sur ce qu'on appelle «comprendre» les lois de l'Univers. C'est l'une des questions auxquelles répondra cette série d'articles et de vidéos.

Mais oui, pas besoin d'être un génie, avec un peu de patience, n'importe qui peut en comprendre au moins les grandes lignes.

Peut-on la comprendre sans faire de maths ?

Hélas non !

« La nature est un livre écrit en langage mathématique » (Galilée). C'est comme ça, on n'y peut rien. Mais ici, nous allons progresser dou-ce-ment. Nous ne ferons pas de maths dans les deux premières "saisons" (ce qui ne nous empêchera pas d'en parler un peu) et même sans maths, nous commencerons à comprendre beaucoup de choses.

A partir de la saison 03, nous ferons un peu plus de maths (OK, beaucoup plus de maths), mais toujours très progressivement et d'une manière accessible à tous. C'est là tout notre pari. Ce sera possible car nous nous adressons à un public de citoyen(ne)s curieux, prêts à consacrer un peu de temps au sujet pour en comprendre les grandes lignes, et non pas à un public de futurs ingénieurs, obligés le maîtriser dans ses détails, au prix de nombreuses années d'étude.

Peut-on comprendre la physique quantique si on a toujours été mauvais en maths ?

Oui, OUI, OUI !!! A condition de ne pas prétendre rivaliser avec les ingénieurs et les chercheurs et d'avancer progressivement. C'est ce qui m'est arrivé et c'est ce que cette série va démontrer !

Soyez modeste mais n'ayez aucun complexe : Ce que j'ai fini par comprendre, n'importe quel autre imbécile peut le comprendre aussi. Donc pour quelqu'un d'aussi intelligent que vous, ça ne posera aucun problème. Il faudra seulement faire preuve d'un peu de patience et de persévérance.

«Physique quantique» ou «Mécanique quantique» ?

En deux mots, la mécanique quantique n'est que la première partie d'un domaine plus vaste. Nous commencerons donc par le début. Nous jetterons un œil sur la suite seulement bien plus tard.

Quel niveau faut-il avoir pour commencer et quel niveau ce voyage se propose-t-il d'atteindre en fin de parcours?

Pour les deux premières saisons, aucun niveau n'est pré-requis en mathématiques. Dans la saison 3, nous réviserons un peu de mathématiques de niveau collège-lycée, puis nous irons un peu au-delà du lycée à partir de la saison 4, mais en nous limitant toujours à des cas simples, facilement compréhensibles.

À la fin de notre voyage, nous devrions être en mesure de raccrocher (si nous le souhaitons et au prix évidemment d'un effort supplémentaire) des formations plus académiques, voire universitaires.

Et pour les étudiants ?

Tout ce voyage est organisé pour des touristes, autrement dit pour des gens qui s'intéressent à la physique en amateurs, comme d'autres s'intéressent à la peinture ou à l'astronomie en amateurs.

Il ne convient probablement pas à des étudiants qui se destinent à devenir ingénieurs ou chercheurs. Pourquoi ?

Parce que, dans les études habituelles des ingénieurs et des chercheurs, ces sujets ne sont habituellement abordés qu'à partir du moment où les étudiants ont suffisamment de bagage mathématique pour résoudre des problèmes réels et obtenir des résultats numériquement exacts.

Par ailleurs, ce même bagage mathématique leur est déjà nécessaire pour traiter toutes sortes de problèmes de physique classique. Il vaut donc mieux commencer par là.

Enfin, tout ce bagage théorique, à la fois physique et mathématique, demande des années d'efforts pour être maîtrisé. Un étudiant n'a pas, normalement, de temps à perdre avec des voyages touristiques et des approximations, du moins dans le champ de ses études. Mieux vaut qu'il se concentre sur son cursus officiel et, s'il lui reste du temps, qu'il aille se changer les idées, s'occuper de sa vie affective et/ou faire un peu du sport.

La carte du voyage

Voici la carte prévisionnelle de notre voyage. Elle sera mise à jour au fur et à mesure de notre progression.

L'itinéraire vert symbolise ce qu'il est possible de voir, d'assez loin, au moyen de vulgarisations sans mathématiques et sans véritable progression logique. Il est utile, voire indispensable, mais pas suffisant pour véritablement "comprendre" les choses, quoi qu'on désigne par le mot "comprendre".

L'itinéraire bleu est celui que nous suivrons. En décembre 2019, nous avons terminé la deuxième étape.

Le «marais du Quantox» symbolise les charlataneries qui vendent des trucs "quantiques" comme d'autres aux siècles précédents vendaient des appareils "magnétiques" sensés tout guérir. Dès la fin de la deuxième étape, vous serez capables de les reconnaître du premier coup d'oeil.

La saison 01 constitue une marche d'approche rapide. Elle reprend l'expérience historique de Stern et Gerlach, conduite en 1922, et nous mènera directement sur le seuil des territoires quantiques avec la découverte du spin.

La saison 02 nous permet de nous familiariser, avant même de commencer la partie mathématique du voyage, avec les concepts fondamentaux de la physique quantique et notamment les postulats de la physique quantique, et quelques-unes des «bizarreries» quantiques les plus célèbres.

La saison 03 prendra la forme d'une retraite mathématique à «l'ermitage du Spin», ainsi nommé en l'honneur du mathématicien Charles Hermite et de l'étude du spin des particules élémentaires. Nous y resterons le temps nécessaire pour que chacun puisse se familiariser à son rythme avec le formalisme mathématique de base de la physique quantique.

La saison 04 nous permettra de revenir de manière beaucoup plus détaillée sur les postulats de la mécanique quantique qui ont été rapidement survolés dans la saison 2.

Pour celles et ceux qui seraient pressés de nous rattraper, voire de nous dépasser, ces quatre premières étapes de notre voyage correspondront à peu près aux leçons 1 à 3 du célèbre cours de physique quantique "grand public" donné par Leonard Susskind à Stanford en 2012 [2], mais en français, avec beaucoup plus d'exemples et d'images, et surtout en prenant tout le temps nécessaire pour progresser tranquillou.

Commencer par le commencement

Dans «la physique quantique en touriste», nous n'allons pas réinventer la roue. Nous nous baserons sur le cours de Leonard Susskind dont nous suivrons globalement la logique [3] .

Il prend comme point de départ le concept de spin de l'électron. En effet, le spin de l'électron est le meilleur moyen qui soit de commencer à comprendre les mystères de la mécanique quantique. De plus, lorsque nous commencerons à toucher aux mathématiques dans la saison 03 de notre voyage, il nous offrira des situations beaucoup plus faciles à modéliser et à calculer que d'autres exemples tout aussi célèbres, tels que les fentes de Young.

Nous allons donc consacrer toute la première saison de notre voyage dans les territoires quantiques à l'expérience historique par laquelle Stern et Gerlach ont mis en évidence, en 1922, le spin de l'électron. Nous disposerons ainsi d'exemples et de bases solides qui nous resserviront dans toute la suite de notre voyage.

Notes et références

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