Vous n'avez jamais trouvé d'explication simple et compréhensible de la mécanique quantique ? En voilà une, en exclusivité pour forum fr, que je vous ai concocté.

La densité de présence

Tout d'abord, d'un point de vue quantique, les particules ne sont pas définies par une position et une vitesse, comme on s'y attend pour des objets physiques, mais par une densité de présence ou encore densité de probabilité. On peut se représenter cette densité de présence comme un nuage, un gaz plus ou moins dense où l'on a une chance de détecter la particule. Ce qu'on appelle couramment la position de la particule est l'endroit de l'espace où la densité est la plus importante. Mais il n'y a pas vraiment de bord, la densité se prolongeant avec des valeurs de densité de plus en plus petites. De là découle les propriétés fondamentales des particules d'un point de vue quantique : il y a une incertitude sur leur position et sur leur vitesse.

Ensuite, cette densité est en fait un nombre ayant deux composantes qui peuvent être positives ou négatives. On peut comparer cela à une vague qui se propage. Si on observe un point particulier de l'eau, il monte et descend au passage de la vague. La position relative est successivement positive puis négative. D'autre part, la surface de l'eau a une certaine vitesse vers le haut ou vers le bas. Les deux nombres, hauteur relative de l'eau et vitesse du niveau d'eau, sont deux nombres qui peuvent être positifs ou négatifs. C'est la même chose pour la densité de probabilité. On représente ces deux nombres mathématiquement avec un nombre complexe.

La dualité onde-corpuscule

En résumé, donc, une particule a une densité de présence, correspondant à son ondulation en chaque point. L'énergie de la particule correspond à sa vitesse d'ondulation. Ainsi, les photons de différentes couleurs ont des vitesse d'ondulation différentes, et des niveaux d'énergie différents. Et c'est la même chose pour les électrons, et pour toutes les particules. Dans le même temps, la particule est une unité, c'est-à-dire que lorsqu'elle interagit, elle interagit toute entière. C'est ce qu'on appelle la dualité onde-corpuscule. Si on émet un rayon lumineux, il sera constitué de grains, les photons, et en même temps, ces photons se comporteront comme des ondes, puisqu'ils sont constitué d'une densité de présence.

Dans l'expérience des fentes d'Young, on fait passer des particules par deux trous très proches. L'ondulation de la particule peut se séparer sans problème et passer par deux trous en même temps, si ces trous ne sont pas trop éloignés. Une fois passé par les deux trous, l'onde ressort en formant des cercles concentriques autour de chaque trou, qui se superposent. Si on place un écran un peu plus loin, on obtient une figure d'interférence. C'est-à-dire qu'à certains endroits, les densités de présence se sont ajoutées et à d'autres endroits, quand elles étaient de signe opposées, elles se sont annulées. Si on reprend l'image de la vague, l'ondulation est passée par les trous puis s'est répandue, et on a mesuré l'ondulation un peu plus loin. A certains endroits, l'eau n'oscille pas, parce que les deux ondulations s'annulent.

Ce phénomène peut être obtenu avec des particules prises individuellement, puisque chaque particule a sa densité de présence. Ainsi, la dualité onde-corpuscule correspond au fait que la particule est un tout, mais que sa densité de présence se comporte comme une onde.

Superposition d'états

On parle de superposition d'états en mécanique quantique pour parle du fait que la densité de présence se comporte de façon linéaire et additive. Si une particule peut se situer à un endroit A et à un endroit B, alors elle peut se situer à la somme des deux, simplement en faisant la somme de la densité de présence pour les deux états considérés, à savoir être à l'endroit A et être à l'endroit B. Ainsi, un photon devant un miroir semi-réfléchissant ne choisit pas un chemin, il passe par les deux. La notion de superposition d'état dépend de ce qu'on définit comme étant un état. Comme on a l'habitude de localiser un objet à un endroit et à déterminer sa vitesse, on va généralement définir un état quantique par une position à un certain endroit, ou bien par une certaine vitesse. Mais en fait, l'onde de la densité de présence, comme nous l'avons vu, n'est pas nécessairement localisée. Tant que le photon n'a pas besoin de se localiser, il peut suivre plusieurs chemins.

Quand une particule interagit avec une autre, elle perd sa superposition d'état, c'est-à-dire qu'elle devient rapidement un seul de ses états. Dans le cas de la position, si une particule est passée par deux chemins en même temps, quand elle interagit, elle se relocalise, comme si elle était passé par un seul des chemins. C'est pour cela qu'à notre échelle, on ne voit pas les objets dans des états superposés. En effet, ils sont constitués d'innombrables particules, et leur interaction mutuelle et avec l'environnement les oblige à se localiser. Mais prenez au hasard un électron d'un objet, mettez le dans le vide, et il recommencera joyeusement à se répandre dans l'espace.

Quantum d'énergie

Les quanta d'énergie suggère que l'énergie varie instantanément, saute de niveau en niveau. En fait, il s'agit plutôt d'une problématique de superposition d'états. Quand on mesure l'énergie d'une particule, on interagit avec elle, et donc on l'oblige à se déterminer dans un état particulier. Si la position peut prendre à peu près n'importe quelle valeur, il n'en va pas de même que la vitesse d'une particule en rotation, comme c'est le cas d'un électron autour d'un atome. En effet, la particule en rotation n'étant pas localisé précisément, sa densité se répand le long de la trajectoire circulaire et cela a des conséquences importantes.

Une vitesse est équivalente à une fréquence d'oscillation de la densité de présence, qui est équivalente à un niveau d'énergie. Plus la densité de présence varie rapidement le long de sa trajectoire, plus la particule est énergétique, et plus elle va vite. Or pour une particule en rotation, cette oscillation revient sur elle-même, et donc une certaine période d'oscillation ne peut être qu'une fraction de la longueur du cercle. Quand on oblige la particule à prendre un état particulier, parce qu'on veut connaitre sa vitesse, elle prend donc nécessairement une vitesse correspondant à un multiple entier de la fréquence de base, correspondant à une ondulation se faisant sur toute la longueur de la trajectoire.

En résumé, les quanta d'énergie sont le résultat de la périodicité de l'ondulation le long d'une trajectoire circulaire. L'énergie de saute pas instantanément, mais l'état des particules change rapidement entre des états dont l'énergie correspond à des niveaux précis. C'est ainsi qu'on obtient des fréquences lumineuses caractéristiques pour différents atomes.