Le principe dincertitude est lune des idées les plus connues (et probablement incomprises) de la physique. Il nous dit quil existe un flou dans la nature, une limite fondamentale à ce que nous pouvons savoir sur le comportement des particules quantiques et, par conséquent, sur les plus petites échelles de la nature. De ces échelles, le plus que nous pouvons espérer est de calculer les probabilités pour où les choses sont et comment elles Contrairement à lunivers mécanique dIsaac Newton, où tout suit des lois claires sur la façon de se déplacer et où la prédiction est facile si vous connaissez les conditions de départ, le principe dincertitude consacre un niveau de flou dans la théorie quantique.
Lidée simple de Werner Heisenberg nous dit pourquoi les atomes nimplosent pas, comment le soleil parvient à briller et, étrangement, que le vide de lespace nest pas réellement vide.
Une première incarnation du principe dincertitude est apparue dans un Article de 1927 par Heisenberg, un physicien allemand qui travaillait à linstitut Niels Bohr à Copenhague à lépoque, intitulé « Sur le contenu perceptif de la cinématique théorique quantique et de la mécanique ». La forme la plus familière de léquation est apparue quelques années plus tard, lorsquil a affiné ses pensées dans des conférences et des articles ultérieurs.
Heisenberg travaillait sur les implications de la théorie quantique, une étrange nouvelle façon dexpliquer comment les atomes comportement qui avait été développé par des physiciens, notamment Niels Bohr, Paul Dirac et Erwin Schrödinger, au cours de la décennie précédente. Parmi ses nombreuses idées contre-intuitives, la théorie quantique proposait que l’énergie n’était pas continue mais qu’elle se présentait sous forme de paquets discrets (quanta) et que la lumière pouvait être décrite à la fois comme une onde et comme un flux de ces quanta
. En étoffant cette vision du monde radicale, Heisenberg a découvert un problème dans la façon dont les propriétés physiques de base dune particule dans un système quantique pouvaient être mesurées. Dans lune de ses lettres régulières à un collègue, Wolfgang Pauli, il a présenté les idées dune idée qui est depuis devenue une partie fondamentale de la description quantique du monde.
Le principe dincertitude dit que nous ne pouvons pas mesurer la position (x) et le moment (p) dune particule avec une précision absolue. Plus nous connaissons précisément lune de ces valeurs, moins nous connaissons lautre avec précision. En multipliant les erreurs dans les mesures de ces valeurs (les erreurs sont représentées par le symbole triangulaire devant chaque propriété, la lettre grecque « delta ») doit donner un nombre supérieur ou égal à la moitié dune constante appelée « h- bar ». Ceci est égal à la constante de Planck (généralement écrite comme h) divisée par 2π. La constante de Planck est un nombre important en théorie quantique, un moyen de mesurer la granularité du monde à ses plus petites échelles et elle a la valeur 6,626 x 10 à 34 joule secondes.
Une façon de penser au principe dincertitude est comme une extension de la façon dont nous voyons et mesurons les choses dans le monde quotidien . Vous pouvez lire ces mots parce que des particules de lumière, des photons, ont rebondi sur lécran ou le papier et ont atteint vos yeux. Chaque photon sur ce chemin porte avec lui des informations sur la surface sur laquelle il a rebondi, à la vitesse de la lumière. Voir une particule subatomique, comme un électron, nest pas si simple. Vous pouvez également faire rebondir un photon dessus et espérer ensuite détecter ce photon avec un instrument. Mais il y a de fortes chances que le photon donne un certain élan à lélectron lorsquil le frappe et change le chemin de la particule que vous essayez de mesurer. Ou bien, étant donné que les particules quantiques se déplacent souvent si vite, lélectron peut ne plus être à lendroit où il était lorsque le photon a rebondi sur lui. Dans tous les cas, votre observation de la position ou de lélan sera inexacte et, plus important encore, lacte dobservation affecte la particule observée.
Le principe dincertitude est au cœur de beaucoup de choses que nous observons mais que nous ne pouvons pas expliquer en utilisant la physique classique (non quantique). Prenez les atomes, par exemple, où des électrons chargés négativement gravitent autour dun noyau chargé positivement. Selon la logique classique, on pourrait sattendre à ce que les deux charges opposées sattirent, conduisant tout à seffondrer en une boule de particules. Le principe dincertitude explique pourquoi cela ne se produit pas: si un électron sapprochait trop près du noyau, alors sa position dans lespace serait connue avec précision et, par conséquent, lerreur de mesure de sa position serait minuscule. Cela signifie que lerreur dans mesurer son élan (et, par inférence, sa vitesse) serait énorme. Dans ce cas, lélectron pourrait se déplacer assez vite pour voler hors de latome.
Lidée de Heisenberg peut également expliquer un type de rayonnement nucléaire appelé désintégration alpha. Les particules alpha sont deux protons et deux neutrons émis par certains noyaux lourds, comme luranium-238.Habituellement, ceux-ci sont liés à lintérieur du noyau lourd et auraient besoin de beaucoup dénergie pour briser les liens les maintenant en place. Mais, comme une particule alpha à lintérieur dun noyau a une vitesse très bien définie, sa position nest pas aussi bien définie. Cela signifie quil y a une petite chance, mais non nulle, que la particule puisse, à un moment donné, se trouver en dehors du noyau, même si elle na techniquement pas assez dénergie pour séchapper. Lorsque cela se produit – un processus métaphoriquement connu sous le nom de « tunnel quantique » car la particule qui séchappe doit en quelque sorte se frayer un chemin à travers une barrière dénergie quelle ne peut pas franchir – la particule alpha séchappe et nous voyons la radioactivité.
un processus de tunnel quantique similaire se produit, en sens inverse, au centre de notre soleil, où les protons fusionnent et libèrent lénergie qui permet à notre étoile de briller. Les températures au cœur du soleil ne sont pas suffisamment élevées pour que les protons aient suffisamment dénergie pour surmonter leur répulsion électrique mutuelle. Mais, grâce au principe dincertitude, ils peuvent se frayer un chemin à travers la barrière énergétique.
Le résultat le plus étrange du principe dincertitude est peut-être ce quil dit à propos des aspirateurs. Les aspirateurs sont souvent définis comme labsence de tout. Mais ce nest pas le cas en théorie quantique. Il existe une incertitude inhérente à la quantité dénergie impliquée dans les processus quantiques et au temps quil faut pour que ces processus se produisent. Au lieu de la position et de lélan, léquation de Heisenberg peut également être exprimée en termes dénergie et de temps. Encore une fois, plus une variable est contrainte, moins lautre est contrainte. Il est donc possible que, pendant de très, très courtes périodes de temps, lénergie dun système quantique peut être très incertaine, à tel point que les particules peuvent apparaître hors du vide. Ces « particules virtuelles » apparaissent par paires – un électron et sa paire dantimatière, disons le positron – pendant un court instant, puis sannihilent. Ceci est tout à fait conforme aux lois de la physique quantique, tant que les particules nexistent que de manière éphémère et disparaissent lorsque leur temps est écoulé. Lincertitude, alors, nest pas à craindre en physique quantique et, en fait, nous ne serions pas là si ce principe nexistait pas.
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