La nature de la lumière est un problème qui fascine les physiciens depuis très longtemps. Est-elle discrète ou continue ? Est-ce une onde ou une particule ? Descartes, Newton et Einstein s’y sont intéressé sans trouver une explication acceptable. Le XXème siècle nous a apporté son lot de surprises…
La physique newtonienne introduit un espace et un temps continus, mais considère la matière, décrite en termes corpusculaires, comme discontinue. Les théories de la relativité représentent aussi l'espace-temps comme un continuum. La nature de la lumière a été source de discussions depuis avant le XVIIème siècle : est-elle constituée de particules, comme le suggérait Newton, ou bien d'ondes ? Cette dernière conception impliquait cependant l'existence d'un éther électromagnétique, dont les propriétés restaient indéterminées. Telle était la version électromagnétique du débat continu / discontinu. Au début du XIXème siècle, l'interférométrie suggéra de considérer la lumière comme une onde, plus précisément une onde électromagnétique : une victoire de la vision continue. Mais au début du XIXème siècle, la révolution quantique introduisit une vision entièrement nouvelle, qui rendit caduque les descriptions de la lumière en termes d'ondes [classiques] ou de particules. Il fallait la décrire par de nouvelles entités, fonctions d'onde ou champs quantiques. Il apparut ensuite que l'on devait décrire la matière de la même manière. Dans un sens, le débat continu / discontinu était résolu : les deux aspects étaient présents dans la matière ou dans le rayonnement, tous deux quantifiés. Du point de vue mathématique, la situation peut être décrite géométriquement, sous forme de la géométrie non commutative, ou bien algébriquement, par l'emploi d'opérateurs. L'histoire ne se termine pas là. Différents arguments suggèrent que notre description actuelle de la nature n'est pas satisfaisante, et que nous devons chercher une théorie physique plus complète et plus unifiée. La plupart des physiciens estiment qu'elle doit impliquer une quantification de la gravitation, sous une forme ou sous une autre. Celle-ci pourrait se présenter comme une quantification de la géométrie elle-même. Ceci motive une grande part de la recherche actuelle en physique fondamentale, qui considère différentes approches : géométrie quantique, gravité en boucles, réseaux de spin ou réseaux causaux, triangulation dynamiques ... Chacune introduit de nouvelles conceptions de l'espace et du temps, ou ces entités géométriques apparaissent quantifiées ; comme la matière dans la théorie quantique originale, elles incorporent des caractéristiques continues et discontinues. Nous ne savons pas si l'une de ces théories se révélera adéquate. Les travaux continuent.
Élaborée depuis le début du XXe siècle, grâce au travail de quelques physiciens de génie, la mécanique quantique a des implications philosophiques d’une importance sans précédent dans l’histoire de l’humanité, qui nous obligent à considérer sous un jour nouveau les interrogations métaphysiques les plus traditionnelles. Pour comprendre ces enjeux, les auteurs de ce livre – devenu un classique depuis sa parution en 1984 – brossent l’histoire de l’élaboration de la théorie quantique et en exposent les principes fondamentaux. Ils le font en termes simples et sans recours aux mathématiques, grâce à des images insolites et des explications à la portée de tous. Et dans une postface inédite de 2007, ils expliquent les développements récents de la mécanique quantique, et en particulier la très étrange inversion de l’ordre du temps qu’impliquent les expériences « à choix retardé ».
La physique quantique n'est pas une création soudaine, sortie du néant. Elle est née aux confins de la science classique, des efforts obstinés d'exploration des limites de l'ancien monde. Ce livre retrace l'histoire de la théorie des quanta dans le premier quart du XXe siècle jusqu'à l'avènement de la mécanique quantique. Le livre comprend trois parties. Dans la première, l'auteur remonte à la source de la problématique des quanta, c'est-à-dire aux difficultés insurmontables rencontrées à la fin du XIXe siècle par les chercheurs qui essaient d'expliquer les phénomènes d'émission et d'absorption de la lumière par les atomes ou, plus généralement, les phénomènes d'interaction rayonnement-matière. La seconde partie traite des apports respectifs de Planck et d'Einstein. La troisième partie est consacrée à l'examen de la théorie atomique de Bohr, de sa genèse et son développement jusqu'à sa crise au début des années 1920.
Au début du 20e siècle, la quasi-totalité des phénomènes lumineux s’explique en considérant la lumière comme une onde électromagnétique régie par les équations de Maxwell. Mais les physiciens sont impuissants à expliquer dans ce modèle ondulatoire un phénomène récemment découvert : l’effet photo-électrique. Einstein montre qu’il s’explique simplement si on considère la lumière comme formée de grains insécables. Le physicien américain Millikan, sceptique, décide de faire des expériences extrêmement précises pour départager les deux approches…
D’où viennent les nombres quantiques ? Comment une particule peut-elle être une onde ? Le chat de Schrödinger est-il mort ou vivant ? Comment faire léviter un aimant ? Vit-on dans le multivers ? Les communications quantiques sont-elles sécurisées ? Entre antimatière et positrons, quarks et neutrinos, intrication et univers parallèles, la théorie quantique est un domaine à la fois déconcertant et fascinant à explorer. Mais comment s’y retrouver dans ce monde énigmatique ? Avec des cartes bien sûr ! Ce livre aborde 8 thématiques en lien avec la théorie quantique et pour chacune, propose une carte mentale permettant de se familiariser avec les concepts, suivie d’une série de questions-réponses, avec des illustrations, pour approfondir !
Des électrons qui sont à la fois particules et ondes, un chat à la fois vivant et mort, des particules intriquées capables de se répondre à distance... Depuis plus d’un siècle, la physique quantique défie nos intuitions les plus élémentaires. Et pourtant, sans elle, pas de lasers, pas d’ordinateurs, pas de smartphones. C’est toute notre vie quotidienne qui repose sur des lois qui ont dérouté même les plus grands esprits, d’Einstein à Feynman. Ce livre raconte, avec clarté et humour, l’histoire d’une révolution scientifique et culturelle. On y découvre les expériences fondatrices, les grandes figures qui se sont affrontées autour de ses paradoxes, et les applications qui ont changé le monde. Fruit d’une rencontre unique, ce récit mêle la rigueur d’un physicien de renommée internationale et le regard sensible d’une écrivaine. Ensemble, Frank Verstraete et Céline Broeckaert rendent accessible et vivant un univers qui, malgré son mystère, appartient à notre culture commune. Un voyage intellectuel et poétique au coeur de l’invisible, pour découvrir pourquoi comprendre la physique quantique, c’est aussi apprendre à regarder la réalité autrement.