Une introduction au monde quantique

Par Emma Blanchet

Le terme physique quantique vous a déjà passé par les oreilles, mais que l’implique-t-il réellement? C’est quoi son origine? Si vous vous posez des questions similaires, aujourd’hui nous allons discuter des réponses avec un petit mot sur son importance dans le domaine de la recherche spatiale!

Vers la fin des années 1800 et le début des années 1900, les physiciens ont découvert des informations inexplicables, aujourd’hui, ces inconnus sont connus universellement sous le nom de l’origine de la physique quantique. Bref, c’est quoi la physique quantique? Dit simplement, c’est une étude de matière et d’énergie et leurs comportements au niveau nanoscopique. Ce domaine d’étude a comme but de déchiffrer des secrets de la nature et de l’univers. L’expérience qui a mené à sa découverte porte le nom de catastrophe ultraviolette!

D’abord, pour expliquer son origine, il faut premièrement discuter de science optique. Chaque corps de matières émet des ondes sur le spectre électromagnétique (et oui, même toi, ton corps). Quelques objets émettent des ondes qui sont visibles à l’œil nu, ces ondes ont une longueur d’onde typiquement entre 400-700 nanomètres. Certaines matières, quand réchauffées à une température élevée, émettent des ondes visibles elles aussi! Par exemple, quand le fer se réchauffe, parfois il crée une lueur de couleurs orange et rouge. Les corps de matières non organiques qui émettent des ondes visibles portent le nom de «corps-noirs» (le terme anglais: «blackbody»). Le soleil est un «corps-noir»! Ce qui caractérise un «corps-noir» est le fait que la radiation émise par le corps est généralement à la même fréquence qu’oscillent les atomes quand le corps est réchauffé à une telle température. Quand ce phénomène est présent, l’objet est nommé un «corps-noir» idéal. Pour ces corps, l’intensité de la radiation émise est affectée par la température à laquelle elle est.

La figure ci-dessous démontre les véritables résultats de l’intensité de radiation en fonction de la longueur d’onde émise. Ces résultats proviennent des expériences physiques. Dans la Figure 1, les crêtes des fonctions ont une longueur d’onde et une radiation maximale, et la température leur accordant ce maximum est indiquée.

Cependant, en utilisant la physique classique, les formules et les mathématiques n’ont pas pu prédire les résultats obtenus en laboratoire. La Figure 2 représente les fonctions obtenues en laboratoire avec une fonction dérivée par la physique classique. Il n’est pas difficile d’observer que les fonctions ne se ressemblent pas à mesure qu’on se rapproche vers l’axe de l’intensité. Les graphiques obtenus par la physique classique indiquent une incohérence: quand la valeur de la longueur d’onde tend vers 0, c’est-à-dire quand la longueur d’onde devient très petite (vers les rayons ultraviolets), l’intensité de radiation tend vers l’infini! Ce résultat scientifique a pris donc le nom de «catastrophe ultraviolette»! La formule qui a prédit la radiation infinie en terme de la longueur d’onde est la suivante:

Mathématiquement, quand la longueur d’onde (le symbole lambda λ au dénominateur) prend une très petite valeur, la division du terme en entier produit un très grand nombre.

Le physicien allemand, Max Planck, a résolu l’équation E = nhv. Cette équation indique que l’énergie présente dans les ondes est un multiple entier de hv (h étant la constante de Planck et v représentant la fréquence de l’onde). Pour proposer cette formule, Planck a dû travailler avec l’hypothèse que l’énergie dans les ondes peut seulement posséder certaines valeurs uniques de fréquences. Ceci a résolu la catastrophe ultraviolette! C’est grâce à des formules de mécaniques statistiques et de probabilités et en menant des expériences de probabilité que Planck a pu dériver l’expression. La formule complexe suivante a été dérivéeƒƒ par Planck, elle décrit précisément les graphiques obtenus en laboratoire:

L’énergie est donc «quantifiée»! Ceci signifie que la lumière émet de l’énergie sous forme de minuscules «paquets» d’énergie. Un «paquet» est une unité indivisible. Les ondes ne peuvent donc pas prendre n’importe quel valeur d’énergie, seulement des multiples (soit 1, 2, 3… fois) de la constante de Planck multipliés avec la fréquence. Il faut se rappeler que ceci est vrai à l’échelle nanoscopique, nous discutons du comportement des particules subatomiques. Ceci conclut l’origine de la découverte de la physique quantique! Cette découverte a mené à la découverte d’autres phénomènes qui éberlueront et titilleront les physiciens à venir.

Sur le spectre du domaine de la physique, la physique quantique et l’astrophysique se trouvent aux extrêmes. La physique quantique, comme nous en avons discuté, se fie aux particules minuscules: les électrons, les photons et les atomes. La recherche spatiale s’en remet à l’exploration de l’univers en totalité, y compris les astres, phénomènes astronomiques, mais surtout des plans à grande échelle. Les physiciens ont appris rapidement que ce qui est vrai à l’échelle atomique n’est pas toujours valable à l’échelle astronomique. Donc, comment la physique quantique peut-elle nous aider dans le domaine d’exploration de l’espace?

Pour l’instant, la physique quantique se prononce comme étant une voie de recherche intrigante pour des communications satellites retravaillés entre la terre et l’espace. Elle peut faciliter la communication spatiale-terrestre.

En termes d’exploration, la physique quantique peut servir comme outil puissant. La communication entre nos objets célestes et nos chercheurs sur terre est cruciale pour capturer et mesurer de l’information précise et pertinente. Par exemple, l’utilisation de technologies quantiques (ex: calcul quantique) nous permettront de transférer des données et informations cryptées dans l’espace, fourniront des mesures de navigation améliorées et réduiront l’effet Doppler subi par les signaux voyageant dans l’espace lointain. Même à ça, les scientifiques travaillent à créer des horloges plus performantes que les horloges atomiques. Les «horloges quantiques» sont hyper précises et leur nature complexe leurs permettent de justifier les différences dans les cadres de temps et de référence. Ceci facilite la communication spatiale-terrestre.

Pour conclure, ceci englobe l’histoire de l’origine de la physique quantique avec un bref aperçu de son importance dans le domaine de la recherche spatiale!

Bibliographie

Belenchia, A., & Carlesso, M. (2022). Quantum Physics in Space. Physics Reports, 951, 1–70. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.physrep.2021.11.004.

Caltech Faculty. (n.d.). What is quantum physics?. Caltech Science Exchange. https://scienceexchange.caltech.edu/topics/quantum-science-explained/quantum-physics#:~:text=The%20field%20of%20quantum%20physics,the%20context%20of%20classical%20physics

Libretexts. (2023, January 30). Blackbody radiation. Chemistry LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Quantum_Mechanics/01._Waves_and_Particles/Blackbody_Radiation#:~:text=Blackbody%20radiation%20is%20a%20theoretical,much%20light%20as%20it%20absorbs

Images

Fig. 1 Graphique représentant l’intensité de radiation en fonction de la longueur d’onde. La température où se trouve un maximum est indiqué auprès de la fonction.

[Graphique d’intensité de radiation en fonction de la longueur d’onde] (n.d.) LibreTexts. https://chem.libretexts.org/@api/deki/files/344342/7802300dc479885783293a8e8b92afc50b47ab50.jpg?revision=2

Fig. 2 Graphique représentant l’intensité de radiation en fonction de la longueur d’onde. La fonction en couleur noire représente le graphique de l’équation [1] qui peint les résultats dérivé de théorie classique.

[Graphique d’intensité de radiation en fonction de la longueur d’onde y compris le graphique de la théorie classique] (n.d.) LibreTexts. https://chem.libretexts.org/@api/deki/files/425548/clipboard_eb505c5c090c78ef313414a012280063c.png?revision=1