Dis Papy, c'est quoi la physique quantique ?

[Christian Arnaud]

Amis de la quantique, bonjour

Je reviens vers vous après quelques années d'abandon pour la raison suivante :
mon petit fils, Thomas, en 1èreS m'a posé la question qui fait l'intitulé de ce post, aux dernières vacances.

Je lui ai répondu, à peu près la chose suivante :

C'est une construction théorique qui permet de raisonner valablement sur le monde de l'infiniment petit (atome et en dessous) :
La quasi totalité des hypothèses acceptées constitue le modèle standard .
Les deux éléments constitutifs essentiels sont :
1) le modèle de Bohr pour l'atome, qui date de 1900 environ, et propose un modèle théorique, inexplicable d'après les connaissances classiques, mais dont le comportement externe est en accord avec tous les phénomènes et expérimentations connues à l'époque, et encore aujourd'hui -
2) la théorie quantique des champs, venue plus tard (vers 1960), qui ,elle aussi propose un cadre théorique (surtout mathématique) plus large pour l'ensemble des particules (chacune y a son champ, et chaque champ est dotée des propriétés mathématiques ad-hoc). Les champs, c'est ce qu'il reste quand, dans l'Univers, on enlève la matière et le rayonnement; et ils réagissent entre eux par des coefficients de couplage.

Mais, alors, Papy, c'est de la théorie, tout ça ?

Bin, oui, mais c'est ça la physique : Devant des connaissances inexpliquées , on propose un modèle théorique qui réagit conformément aux expériences connues, et on le vérifie et peaufine ; regarde la pesanteur que tu connais un peu ; les lois de Newton n'étaient inscrites nulle part ; il a fallu que quelqu'un les propose à la communauté, pour qu'elles puissent être vérifiées par n'importequi, et elles sont toujours utilisables pour la plupart des applications communes. On peut très bien proposer des lois sur le comportement des entités physiques, sans se prononcer sur la nature profonde de ces entités. l'important est que l'on puisse raisonner à partir de ces hypothèses.

Mais, alors, ils ont triché ? genre,"puisqu'on ne peut l'expliquer, on va proposer que ça fonctionne comme ça! point barre ?

Oui, c'est ça, c'est pas de la triche, c'est comme ça qu'on progresse -

Etes-vous d'accord avec cette présentation lapidaire, ou faut-il que je revoies complètement ma présentation pour Thomas aux prochaines vacances ?

Au plaisir
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[gatsu]

Salut,

Je trouve ce dialogue excellent. Et la remarque sur la "triche" des chercheurs de la part de votre petit fils excellente également . Et vous lui avez très bien répondu sur ce point je trouve.

Sinon du point de vue de la presentation physique, je n'aurais personnellement pas considéré comme "elements constitutifs essentiels" l'atome de Bohr et le modele standard de la physique des particules car, d'une part, le modele de Bohr n'est pas vraiment quantique et, d'autre part, ils constituent tous deux des modèles de systèmes particuliers dans le cadre de la théorie quantique qui est quelque chose de beaucoup plus riche et vaste que les deux modèles que vous mentionnez. Si vous lisez l'anglais, il y a un bon (et court) resume ici des changements de paradigmes prodigieux qui ont du se produire pour en arriver la ou en est (certes, les formuler a la vue de l'échec cuisant des autres theories est une sorte de "triche" comme le souligne votre petit fils mais en accepter les consequences que cela a sur notre vision du monde a été et est toujours un accomplissement et un challenge majeur de la physique moderne).

[Christian Arnaud]

bonjour Gatsu, et merci pour votre réponse -

Concernant le modèle de Bohr , je souhaitais lui fournir des repères simples et consistants ; pour moi le quantique démarre avec Planck, donc, j'y inclus Bohr, Schrödinger, Eisenberg, Pauli etc... et ne souhaitais pas non plus le dégoûter avec la superposition d'états ou l'incertitude ou la dualité onde-corpuscule ou surtout les expériences de Fente de Young(qui sont à se taper la tête contre l'écran). A son âge, on a besoin de repères simples.
J'ai aussi parcouru votre article en anglais, mais je dois avouer que j'écarte (peut-être à tort?) tout ce qui est proche de la philosophie sur la notion de perception, la quantique étant suffisamment source de points d'appui de théories fumeuses de charlatans pronant la supériorité du mental sur la matière ou autre délire. Ou alors, j'attends que la parenthèse philosophique soit fermée pour dire "So what ?"

Aussi, si vous pensez que le modèle standard n'est qu'une des écoles actuelles, que mettez vous au même niveau ?

Pour conclure, comment auriez vous répondu à Thomas ?

Au plaisir

[gatsu]

bonjour Gatsu, et merci pour votre réponse -

Concernant le modèle de Bohr , je souhaitais lui fournir des repères simples et consistants ; pour moi le quantique démarre avec Planck, donc, j'y inclus Bohr, Schrödinger, Eisenberg, Pauli etc... et ne souhaitais pas non plus le dégoûter avec la superposition d'états ou l'incertitude ou la dualité onde-corpuscule ou surtout les expériences de Fente de Young(qui sont à se taper la tête contre l'écran). A son âge, on a besoin de repères simples.

Je ne se suis pas de l'opinion que les exemples que vous avez choisi soient les plus simples. Je trouverais des exemple type "effet tunnel" (c'est ce qui permet entre autre a l'uranium radioactif de se désintégrer en émettant une particule alpha qui est juste un noyau d'helium), fluctuations du point zero (un ressort n'est jamais au repos en mécanique quantique et en fait rien n'est jamais "au repos" dans le sens classique du terme), delocalisation (les objets ne se comportent pas comme des points dans l'espace occupant un emplacement bien précis ) et dire que le concept de trajectoire n'existe plus me semblent être des exemples assez simples et pourtant très bizarres qui rendent compte de ce que la mécanique quantique apporte par rapport aux anciens paradigmes de la mécanique.

J'ai aussi parcouru votre article en anglais, mais je dois avouer que j'écarte (peut-être à tort?) tout ce qui est proche de la philosophie sur la notion de perception, la quantique étant suffisamment source de points d'appui de théories fumeuses de charlatans pronant la supériorité du mental sur la matière ou autre délire. Ou alors, j'attends que la parenthèse philosophique soit fermée pour dire "So what ?"

Je pense que c'est un tord en general. Ca l'est encore plus pour la mécanique quantique car les seuls qui osent poser des questions "naives" sur cette dernière sans rougir sont soit des prix nobel, soit des philosophes des sciences. Comme les prix nobel qui s'intéressent ouvertement a ces questions et sont encore vivants se comptent sur les doigts de la main et bien on se replie sur l'option "philosophie des sciences" et on ne le regrette pas. Notons par ailleurs que dans le lien que j'ai donne, il n'est en rien question de perception au sens ou vous semblez l'entendre; il s'agit plutot de changement de paradigmes et la manière dont les différentes écoles de pensées associées a la mecanique quantique les interprètent.

Aussi, si vous pensez que le modèle standard n'est qu'une des écoles actuelles, que mettez vous au même niveau ?

ce n'est pas une école, c'est un modele. Le modele standard est un modele de la physique des particules (avec des paramètres pour coller aux experiences en accélérateur) qui utilise le cadre de la théorie quantique des champs. Ce modele serait a comparer, par exemple, avec un modele ou toutes les particules seraient des billes chargées (avec different types de charges et different types d'interaction) pour lesquelles on résoudrait les equations de la mécanique de Newton (d'ailleurs, la section efficace de Rutherford qui lui a permis d'inférer l'existence du noyau des atomes est la meme avec un tel modele classique qu'avec le modele standard de la théorie quantique des champs).

Mais d'une certaine manière, meme la théorie quantique des champs est une sorte de modele également de la théorie quantique parmis une infinite. Par exemple, pour décrire des particules intriquées et décrire des résultats d'experience sur de tels systèmes (faire de la teleportation quantique par exemple), il n'y a pas besoin du tout de la théorie quantique des champs mais on a besoin du cadre théorique de la mécanique quantique.

Pour conclure, comment auriez vous répondu à Thomas ?

Que cela soit clair, je pense que vous avez globalement très bien répondu (le nombre de grands pères qui peut répondre a une telle question doit vraiment être faible) mais, de mon cote, j'aurais essaye de faire ressortir ce qui semble evident a tout le monde et qui ne l'est pas du tout dans le monde microscopique (comme la notion de trajectoire, de position et de vitesse par exemple). De mon point de vue discuter l'atome de Bohr est deja beaucoup trop technique et je ne parle meme pas du modele standard...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Christian Arnaud]

et pourtant très bizarres qui rendent compte de ce que la mécanique quantique apporte par rapport aux anciens paradigmes de la mécanique..

oui, il y a quelques années j'aurais sans doute commencé par là c'est le côté "magique" et aguichant de la quantique. Je lui en ai parlé ensuite et en partant de la probabilité qu'avait un électron de franchir une barrière de potentiel Quant à l'absence de trajectoire, je trouve que c'est "confusant" car en parlant de "trajectoire", on sous entend implicitement, qu'il y a un objet bien identifié(une picobille), et qui n'aurait pas de trajectoire ; je préfère passer carrément à un autre monde ou les entités manipulées sont d'une autre nature (comme dans les jeux vidéo où les personnages sont de nature inconnue mais ont un comportement connu) d'où le recours à la théorie quantique des champs. On a eu le même type de pb en programmation informatique (mon ancien métier) avec l'arrivée des langages objets : A la question récurrente " C'est quoi un objet?", la seule réponse pertinente est "c'est l'instance d'une classe" ! et on définit les classes ... etc même chose pour le photon : si la question est "c'est quoi un photon?", une bonne réponse est "c'est l'excitation élémentaire du champ electromagnétique" et on définit le champ EM, puis les autres jusqu'au champ de Higgs et tout le reste suit, me semble-t-il

Je pense que c'est un tord en general. Ca l'est encore plus pour la mécanique quantique car les seuls qui osent poser des questions "naives" sur cette dernière sans rougir sont soit des prix nobel, soit des philosophes des sciences. Comme les prix nobel qui s'intéressent ouvertement a ces questions et sont encore vivants se comptent sur les doigts de la main et bien on se replie sur l'option "philosophie des sciences" et on ne le regrette pas. Notons par ailleurs que dans le lien que j'ai donne, il n'est en rien question de perception au sens ou vous semblez l'entendre; il s'agit plutot de changement de paradigmes et la manière dont les différentes écoles de pensées associées a la mecanique quantique les interprètent.

Ok, je relirai posément

un modele ou toutes les particules seraient des billes chargées (avec different types de charges et different types d'interaction) pour lesquelles on résoudrait les equations de la mécanique de Newton (d'ailleurs, la section efficace de Rutherford qui lui a permis d'inférer l'existence du noyau des atomes est la meme avec un tel modele classique qu'avec le modele standard de la théorie quantique des champs)..

Là, le modèle des billes, je ne peux pas adhérer, tout simplement parceque ces billes auraient une dimension non nulle, et seraient donc faites d'autre chose, à découvrir ... en les lançant les unes contre les autres par exemple(j'ai aussi travaillé sur le site du CERN, en tant qu'informaticien, d'où ma curiosité tardive pour votre discipline sans doute


Quoi qu'il en soit, je vous remercie de cet échange et considère qu'on pourrait pratiquement clore le sujet

[gatsu]

Là, le modèle des billes, je ne peux pas adhérer, tout simplement parceque ces billes auraient une dimension non nulle, et seraient donc faites d'autre chose, à découvrir ... en les lançant les unes contre les autres par exemple(j'ai aussi travaillé sur le site du CERN, en tant qu'informaticien, d'où ma curiosité tardive pour votre discipline sans doute

D'une je n'ai pas precise la taille des billes et de deux c'est un exercice standard. Le terme "bille" veut seulement dire qu'il existe une distance maximale (a cause d'un potentiel d'interaction répulsif) entre chaque paire de particules...pas besoin de preciser de quoi elles sont faites (l'un des premiers travaux de Richard Feynman était justement d'essayer de terminer la taille de l'electron). Un autre exemple est les nucleons dont on a cru pendant longtemps qu'ils étaient des particules élémentaires mais qui restaient toujours a une certaine distance. Cela dit, je reconnais bien volontiers que j'aurais pu utiliser un autre mot.

En ce qui concerne le cote aguichant de la mécanique quantique, il est vrai que les exemples que j'ai mentionne sont aguichant et ont l'air magique. Ce qui les rend magique, je suis tout a fait d'accord avec vous, c'est que la nature des objets microscopiques est très differente des objets dont nous faisons l'experience quotidiennement. Mais c'était a cela que je faisais allusion et je vous remercie de l'avoir souligne a nouveau. La notion d'état en mécanique quantique peut être pensée comme une classe en informatique mais ou certains attributs (classiques car relies a l'observation par des appareils macroscopiques) de la classe sont mutuellement incompatibles (affecter une valeur a l'un de ces attributs met l'attribut conjugue en NULL si on veut).

Si vous etes programmeur, vous trouverez peut être également un angle d'attaque base sur la logique quantique.

Quoi qu'il en soit, je vous remercie de cet échange et considère qu'on pourrait pratiquement clore le sujet

Bien d'accord et bon courage pour la prochaine discussion.

EDIT: Juste pour preciser que la distinction que je tente de faire entre modele standard et théorie quantique est la meme que l'on pourrait faire en jeux videos (parce que c'est un domaine que je connais) entre un final fantasy (baldur's gate ou que sais-je) et un RPG. Le modele standard est une instance de la théorie quantique des champs et la théorie des champs est une instance de la théorie quantique.

[Christian Arnaud]

ah, oui, je sais maintenant ce que j'ai oublié de lui dire à propos de la physique fondamentale (ça m'est revenu en retrouvant un Science&Vie de septembre 2013 ! ) : la physique fondamentale arrive au bout de ses modèles de début 1900 et va très probablement se révolutionner de nouveau . Tu as le bon âge pour être de cette génération nouvelle.

Je lui dirai aux prochaines vacances pour le motiver à devenir chercheur dans cette discipline.

Bon dimanche, et puisque c'est une journée dédiée aux femmes, je fais un clin d'oeil à Emmy Noether

[invite73192618]

Etes-vous d'accord avec cette présentation lapidaire, ou faut-il que je revoies complètement ma présentation pour Thomas aux prochaines vacances ?

Elle est très bien, mais je me permettrais d'en essayer une complètement différente -juste parce que c'est très intéressant comme défi!

C'est une théorie physique qui nous dit que le monde que l'on voit est fondamentalement différent de ce qu'il parait être.

Il y a un siècle, nous avions compris que la matière est faite de minuscules particules, tellement minuscules qu'il y a beaucoup beaucoup plus de particules dans ton corps qu'il n'y a de grains de sable dans toutes les plages de la Terre. A cette époque nous nous doutions aussi que tous les phénomènes physiques peuvent être expliqués par le comportement de ces particules, mais nous n'arrivions pas bien à comprendre comment ces minuscules particules se comportaient.

Et c'est très important! Ton I-pod, ta télé, et presque tous les autres appareils électroniques que nous avons n'auraient pas pu être construit sans la mécanique quantique. Mais pour moi, ce qui est peut-être encore plus important, c'est que cela a aussi changé notre vision du monde, et en particulier notre vision du hasard. Non seulement nous avons appris que le hasard est fondamental dans ce que nous voyons, mais aussi qu'il s'agit d'un hasard très différent de celui auquel nous étions habitué.

D'habitude la probabilité que quelque chose arrive (par exemple les chances d'obtenir 3 en lançant un dé) c'est toujours entre 0 et 1. Quand quelque chose est impossible on dit que la probabilité est 0, quand quelque chose est certain on dit que la probabilité est 1, et quand on est pas certain on dit 1/2 comme pour "une chance sur deux". Vu comme cela, cela n'aurait pas de sens de dire que quelque chose est moins qu'impossible -donc avec une probabilité inférieure à 0. Ce que nous dit la mécanique quantique, c'est que cette façon de voir est presque toujours correcte quand on considère un grand nombre de particules, mais presque toujours incorrecte quand on on considère un tout petit nombre de particules. Tout se passe comme si la probabilité était remplacée par un nombre, qu'on appelle une amplitude, et que les chances...

Ah merde il s'est endormi. Bon allez moi aussi

[EauPure]

Tu lui laisse un mot pour qu'a son réveil il lise wikipédia

En mécanique quantique ondulatoire, une amplitude de probabilité est une fonction à valeurs complexes associée à la probabilité de trouver le système dans un état particulier.

Soit une particule quantique. On la décrit par une fonction d'onde ; cette fonction décrit l'état du système.
Dans l'interprétation de Copenhague, l'interprétation majoritairement admise dans la communauté scientifique, on dit que les valeurs de représentent des amplitudes de probabilité. Lors d'une mesure de la position d'une particule, la probabilité qu'elle soit dans un volume V est donnée par


c'est-à-dire que représente la densité de probabilité de présence de la particule.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Amplitu...obabilit%C3%A9

[Christian Arnaud]

=> Jiav et Eau pure : merci d'avoir pensé à m'occuper ce matin. En fait, vous faites la même remarque que Gatsu ; c'était pas la peine d'en faire des tonnes

Que cette matière nous plonge dans un monde à part d'incertitude et de probabilités , d'accord. Mais justement je voulais éviter de la décrire comme une matière complètement incertaine, au vu des applications qu'on lui connaît (et que vous rappelez), et donc lui indiquer qu'il y avait un cadre méthodologique rigoureux.

Quant à la notion d'amplitude de probabilité de présence, je te remercie, Eaupure, mais je te rappelle aussi que l'équation introduite par Schrödinger n'avait pas d'interprétation physique pour psi, et que celle ci n'a été proposée et acceptée que plusieurs années plus tard (par Bohm, me semble-t-il).

En conclusion,je conseillerai à Thomas de commencer par une licence de probas/stats/distributions avant de se lancer en physique théorique Pour moi, c'est un peu tardEt ça pourra lui servir aussi bien pour faire de la finance que de la physique, non ?

Bon dimanche

[Christian Arnaud]

(le nombre de grands pères qui peut répondre a une telle question doit vraiment être faible)

Il y a au moins une personne de mon âge sur ce forum( Mariposa, que je salue amicalement en passant), et qui, grand père ou pas(je ne sais pas), aurait répondu de manière plus pertinente que moi

[gatsu]

Il y a au moins une personne de mon âge sur ce forum( Mariposa, que je salue amicalement en passant), et qui, grand père ou pas(je ne sais pas), aurait répondu de manière plus pertinente que moi

Il aurait certainement répondu différemment mais personne ne peut juger de la pertinence de votre explication. J'ai suggéré d'autres exemples que je trouvais plus adaptes mais c'est une affaire de gout.

Je suis par ailleurs d'accord avec vous qu'il n'est pas bon, nécessairement, de faire intervenir les probabilités trop tot dans l'explication car c'est très technique. D'ailleurs, dans mes messages ci-dessus je n'en parle pas; je parle seulement de choses/phénomènes que l'on considère comme evident a notre échelle et qui ne le sont plus a l'échelle microscopique.

[Christian Arnaud]

'il n'est pas bon, nécessairement, de faire intervenir les probabilités trop tot dans l'explication car c'est très technique. D'ailleurs, dans mes messages ci-dessus je n'en parle pas; je parle seulement de choses/phénomènes que l'on considère comme evident a notre échelle et qui ne le sont plus a l'échelle microscopique.

oui, nous sommes en phase

De plus, c'est un basculement intellectuel sur lequel nous avons tout pouvoir : passé les premiers moments de déroutement, il suffit de l'accepter puis d'imprégner progressivement notre cerveau des raisonnements à appliquer à cette échelle. Ma compagne actuelle ressemble beaucoup à ça : joyeuse et superficielle de l'extérieur, mais très organisée et déterminée à l'intérieur ; donc imprévisible et déroutante ; et, comme la quantique, j'ai accepté la totalité (difficile de faire autrement dans les deux cas

Pour revenir plus sérieusement à la physique, je donne souvent l'exemple de l'électronique digitale et des composants associés : ils sont en majorité basés sur le principe du transistor, lui même composé de jonctions. Or le courant dans une jonction est basé sur l'énergie d'un électron par rapport à une barrière de potentiel qui est une loi de probabilités. Ce qui n'empêche pas tous ces composants qui sont partout maintenant de fonctionner correctement, ni de décrire le fonctionnement basique d'un transistor par des lois classiques et déterministes. Certes, cet exemple n'est pas quantique, mais il permet une introduction en douceur