Physique Quantique/
Quantum Physics

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L'incertitude

Maintenant que vous avez réussi votre Physique quantique 101 (Vous avez manqué cette page? Pas de problème, consultez Physique quantique 101 avant de commencer pour vous aider!), vous êtes prêts à passer à une prochaine étape. Vous comprendrez les pages suivantes, et ce, peu importe l'ordre dans lequel vous les lisez, pourvu que vous ayiez commencé par Physiqe quantique 101. Bonne lecture! 

Table des matières:


Introduction


La position


La vélocité


L'incertitude au sens classique.


Le principe d'incertitude d'Heisenberg.


Qu'est ce qui respecte la loi de l'incertitude et pourquoi?

Le principe d'incertitude est un principe qui est assez facile à comprendre d'un point de vue scientifique, mais qui a des implications assez particulières et difficiles à accepter. Rien de trop sorcier! Mais si vous ne saississez pas le concept et ne pouvez pas le visualiser ou l'accepter, c'est tout à fait normal! Laissez mijoter l'idée un peu et revenez-y plus tard!

La Position


     Avant de se lancer dans le principe d'incertitude quantique, il est important de comprendre trois concepts de la physique classique: la position, la vélocité et l'incertitude (au sens classique). Débutons par le concept de la position. La position désigne l'endroit où se situe un objet dans l"espace à n'importe quel moment donné. Elle peut être représentée en coordonnées directionnelles (nord, sud, est, ouest), en distance (20 mètres à droite, 3 kilomètres devant, ...), en temps (20 minutes passé un certain point), une coordonnée sur un plan cartésien, etc. Ici, nous nous intéressons plutôt à ce dernier point, puisque c'est la mesure de position la plus commune en physique quantique. La position peut changer - en fait, elle le fait presque constamment, c'est ce que nous appelons le mouvement. Sur l'image (droite), le point se déplace de sa position initiale (en bleu) à une autre position (en vert). D'un point de vue numérique, le point passe de la coordonnée (1,2) à la coordonnée (3, 3) dans le plan cartésien. Le changement, ou la variaiton de la position est de +2 sur l'axe x (ou deux déplacements de 1 vers la droite) et de +1 sur l'axe y (ou un déplacement de 1 vers le haut). Le point s'est alors déplacé dans l'espace et a changé sa position. Dans cet exemple, le déplacement est bidimentionnel, mais dans la vraie vie, il peut être tridimentionnel.  

La Vélocité


    La vélocité, c'est la vitesse et la direction d'un objet. Alors, si l'on dit qu'un objet de déplace vers le sud à 20 km/h, sa vélocité est de 20km/h sud. Dans le monde quantique, on peut penser à la vélocité comme la "trajectoire future" si l'objet n'est pas dérangé par une force extérieure. Pensez-y comme "où l'objet s'en va et à quelle vitesse". Lorsqu'un objet a une vélocité, il est en mouvement et change donc de position à chaque instant. 

L'incertitude au sens classique


   L'incertitude au sens classique, désigne la "marge d'erreur". Elle est utilisée pour désigner le degré de précision d'une mesure ou d'un résultat. Par exemple, si j'ai une règle et je désire mesurer la longeur d'un trait de crayon, je peux seulement donner une mesure aussi précise que ma règle. Si la plus petite graduation sur ma règle est de 1 cm, je ne peux pas dire avec certitude si le segment mesure 7,2 cm ou 7,8 cm, je peux seulement estimer. Par contre, si ma règle est graduée au millimètre, je peux savoir que le même segment mesure 7,2 cm, mais je ne sais pas s'il mesure 7,22 cm ou 7,26 cm, et ainsi de suite. L'incertitude, c'est l'estimation, c'est ce que je ne sais pas, ce que je ne peu pas mesurer. Dans le sens classique, on mesure l'incertitude dans la même unité que l'unité que l'on mesure, tel que si je mesure un segment en centimètres, je peux avoir une incertitude de + ou - 0,5 cm. 

Le principe d'incertitude de Heisenberg


    En physique quantique, l'incertitude prend un tout autre sens, et c'est grâce à Monsieur Werner Heisenberg à qui nous devons notre nouvelle interprétation de ce terme. Dans sa loi de l'incertitude, Heisenberg stipule que plus nous connaissons précisément la position, moins nous connaissons précisément sa vélocité (plus l'incertitude de sa vélocité est grande) et vice versa. Donc, si l'on applique ce principe aux électrons dans un atome (voir l'image, gauche), on ne se retrouve plus avec des électrons orbitant le noyau dans un orbite bien précise, mais plutôt une multitude de positions auxquelles peut se retrouver l'électron. Mais revenons un peu en arrière. Si l'on extrapole un peu le constat d'Heisenberg, on peut voir que si on connait exactement la position d'une particule (s'il n'y a aucune incertitude par rapport à sa position, elle est nulle), on n'a aucune idée de sa vélocité (l'incertitude face à sa vélocité est de 100%). L'inverse est aussi vrai. Donc, si on connait la vélocité, disons d'un électron, on n'a aucune idée de sa position (voir image ci haut). De cette manière, l'électron a une certaine probabilité d'être à n'importe quelle place dans l'espace. On peut dire qu'il sera à quelque part sur son orbite (pour des raisons mathématiques complexes), mais on ne peut pas savoir où. Sur l'mage, on peut donc constater que l'électron n'a plus une place fixe (position fixe dans l'espace) comme dans l'atome A, mais bien une multitude de possibilités de positions possibles tout au long de son orbite, comme dans l'atome B. Par contre, si l'on connait la position de l'électron (Atome A), on ne connait pas sa vélocité, c'est-à-dire que sa vélocité est incertaine. Voilà donc le concept de base du principe d'incertitude de Heisenberg. Plus l'incertitude de l'un des deux paramètres (position ou vélocité) est petite, plus l'incertitude de l'autre est grande. 

Qu'est-ce qui respecte le principe d'incertitude et pourquoi?


    Dans la vie de tous les jours, dans le monde macroscopique, le principe de Heisenberg ne s'applique pas. En fait, si on observe une auto, on peut connaitre sa vélocité et sa position de manière très précise. Mais dans le monde quantique, ce n'est pas ce que nous observons. Pourquoi? C'est très simple. Pour mesurer la position de quelque chose dans nos vies, on se sert de tous petits objets quantiques, les photons pour voir, des ondes mécaniques pour entendre, diverses ondes pour mesurer la vitesse, la direction, etc. Ces objets sont tellement petits face aux objets qu'ils mesurent, qu'ils n'interfèrent ni avec leur vélocité, ni avec leur position. Mais dans le monde quantique, un photon ou une onde deviennent des objets très gros. Ils sont tellement gros qu'en effectuant leur mesure, ils changent la position ou la vélocité de l'objet quantique qu'ils mesurent. Utilisons une petite analogie pour mieux comprendre ce phénomène. Imaginons que plutôt que de voir grâce à la lumière, composée de minuscules photons, nous voyons grâce à des autos volantes qui rebondissent dans nos yeux (et que nous sommes des géants). Si une auto frappe une autre auto (disons qu'elles ne subissent aucun dommage ...), la position de l'auto changera, ou bien, selon le type d'auto utilisé pour la mesurer, elle changera de vélocité. Donc, si je mesure la vélocité de l'auto, je changerai sa position. Je connais donc très précisémment sa vélocité, mais je ne connais pas sa position. Ce qui nous ramène au même principe dont nous avons discuté préalablement. Puisque la mesure modifie les paramètres, on ne peut jamais connaitre tous les paramètres***. Bref, si l'objet mesuré est plus petit que l'objet avec lequel on le mesure, le principe d'incertitude s'applique et on ne peut connaitre avec certitude que la position OU que la vélocité. 


*** En fait, c'est faux. Avec certaines conditions spéciales et des types de "paires" de photons, on peut le faire, mais on ne s'y attardera pas ici.