Lettre de septembre 2011 1000000000000000000000000000000Retour à Journal

Conséquence des hypothèses quantiques: une foison d'effets surprenants

La Mécanique Quantique, c'est-à-dire la physique construite sur les hypothèses:

1) hypothèse de Planck-Einstein: la lumière est constituée de grains, les photons,

2) hypothèse de de Broglie: les particules élémentaires se comportent comme des ondes,

correctement interprétées, conduit à de nombreuses découvertes surprenantes. Ce qui n'est pas étonnant, vu l'originalité de ces hypothèses. Certains phénomènes nouveaux se regroupent sous le nom assez banal d'effet. On a donc assisté à la découverte d'une foule d'effets quantiques, tous plus étonnants les uns que les autres.

Le terme d'"effet" n'est pas propre à la Physique Quantique. Il suffit de penser au célèbre effet Doppler, bien expliqué par la physique classique.

Donnons un aperçu des principaux effets quantiques. Nous en détaillerons quelques-uns dans nos prochaines lettres.

Historiquement, le plus important est certainement l'effet photoélectrique. Il s'agit du fait que le courant produit par la lumière tombant sur un métal dépend de la couleur incidente. C'est en proposant une explication de cet effet qu'Einstein a introduit l'hypothèse des photons, hypothèse qui reprend et complète celle de Planck.

Mais sans conteste, l'effet qui a le plus de conséquences, et qui explique à lui seul beaucoup d'autres, c'est le fameux effet tunnel. On appelle ainsi le phénomène selon lequel des particules peuvent traverser des obstacles infranchissables pour la physique ordinaire. L'hypothèse que les particules se comportent comme des ondes a comme conséquence surprenante, que des billes de matière peuvent traverser un mur sans le percer!

Tout le monde a vu des vagues entrer dans un port pour se répandre sur toute sa surface. Les vagues se reconstituent en quelque sorte derrière la jetée, mais avec une amplitude plus faible, bien sûr. En Mécanique Quantique on associe à chaque particule une onde, qui sert à déterminer la probabilité de sa présence en divers endroits. Ainsi cette théorie prévoit qu'une particule peut franchir un mur lorsqu'une partie de son onde associée l'a fait. Elle permet même de calculer la probabilité de cet évènement, très faible mais non nulle.

Cette possibilité de creuser des tunnels dans les murailles est le phénomène le plus spectaculaire de la Physique Quantique. Ce prodigieux effet tunnel sera présenté plus en détail dans la prochaine lettre.

Dans la précédente lettre L'expérience de Davisson et Germer (juillet 2011) on a présenté une confirmation expérimentale de la deuxième hypothèse, celle des ondes quantiques associées aux particules. Quant à la première hypothèse, à savoir l'existence des photons, sa meilleure confirmation vient certainement de l'effet Compton. En envoyant de la lumière d'une couleur bien définie sur des électrons, on constate que le rayonnement diffusé a changé de couleur! De plus la nouvelle couleur dépend de l'angle de diffusion!

Effet Compton

Ce phénomène ne s'observe pas avec la lumière ordinaire (contrairement à l'image ci-contre) mais seulement avec des rayonnements très pénétrants, rayons X durs ou rayons γ. Il s'explique très aisément avec les lois de la mécanique ordinaire, pour peu qu'on admette que la lumière est constituée de photons dont l'énergie et l'impulsion sont données par les lois de Planck.

Parmi les phénomènes quantiques curieux il faut citer l'effet Aharonov-Bohm.

Effet Aharonov-Bohm

Un électron parcourant une boucle se voit influencé par un champ magnétique à l'intérieur de la boucle, même si le champ est nul sur son parcours. Quelque soit la taille de la boucle, l'influence est la même: le spin de l'électron change de direction, et ce changement est proportionnel au flux du champ magnétique à travers la boucle.

Cet effet est particulièrement intéressant car il met en évidence la non-localité des phénomènes quantiques. Modifier un champ magnétique en un endroit peut agir au loin, à des kilomètres de là. Le rapport à l'espace n'est plus ce qu'on connaît, mais devient lâche, distendu, élastique.

Parmi les curiosités qui ont conduit à construire la Physique Quantique il y a les spectres des atomes, ces raies de lumière émises lors de décharges électriques. Or ce phénomène n'est pas rigide et comporte des surprises. On observe des décalages des raies lorsque les atomes sont plongés dans un champ électrique (c'est l'effet Stark) ou dans un champ magnétique (c'est l'effet Zeeman).

Effet Meissner

Les phénomènes spectaculaires du grand froid, tels que la supraconductibilité ou la suprafluidité, ne peuvent s'étudier que dans le cadre de la Physique Quantique. C'est encore un exemple où des évènements à notre échelle ne trouvent d'explication qu'au niveau atomique. Le plus remarquable est l'effet Meissner, qui veut qu'un métal dans l'état supraconducteur, donc très refroidi, rejette le champ magnétique.

Ainsi si l'on dépose un morceau supraconducteur sur un aimant, il s'élèvera pour éviter le champ. Cette propriété miraculeuse de lévitation, dont rêve la technologie, permet de transporter des objets sans frottements, mais au prix d'un sévère refroidissement, dont le coût énergétique est en général (encore) prohibitif.

Parmi les découvertes plus récentes on peut citer l'effet Hall quantique. L'effet Hall lui-même est bien connu de la physique classique. Un fil parcouru par un courant électrique et plongé dans un champ magnétique voit apparaître une petite tension latérale, dont le rapport avec le courant est appelé la résistance de Hall. Cette résistance croît avec le champ magnétique.

Cependant à basse température et haute précision, une surprise apparaît. La résistance de Hall n'augmente pas linéairement avec le champ mais présente des paliers, inexplicables selon la physique classique. Seul le cadre quantique permet d'étudier ce phénomène.

L'existence de paliers permet des mesures de très haute précision. On les utilise pour obtenir la meilleure définition de l'ohm, l'unité de résistance électrique.


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