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Définition et synonyme de : QUANTIQUE, physique

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Article publié par Encyclopaedia Universalis QUANTIQUE, physique e La théorie quantique est née au début du xx siècle quand les théories classiques (mécanique, électromagnétisme) montrèrent leurs limites devant divers phénomènes. Les problèmes provenaient aussi bien de la physique du microcosme, comme la constitution et la stabilité des atomes ou l'effet photoélectrique, que de celle du monde à notre échelle, comme le rayonnement thermique (la lumière émise par des corps « chauffés au rouge »). C'est dire d'emblée que le domaine quantique ne saurait être limité au monde microscopique. L'essor de la quantique La théorie quantique est aujourd'hui une théorie universelle qui a vocation à régir les phénomènes physiques de toute nature et de toute échelle, même si, bien entendu, dans de nombreuses situations, ses approximations classiques (mécanique classique, théorie des champs) suffisent largement à rendre compte des situations communes. Bien que les physiques atomique, nucléaire et subnucléaire restent les domaines d'origine et de prédilection de la théorie quantique, il existe des objets proprement astronomiques, telles les naines blanches ou les étoiles à neutrons, de nature fondamentalement quantique. Et la matière la plus ordinaire présente des propriétés essentielles, telle sa cohésion ou son impénétrabilité, qui resteraient incompréhensibles sans le recours aux concepts quantiques.
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QUANTIQUE, physique

La théorie quantique est née au début du xxe siècle quand les théories classiques (mécanique, électromagnétisme) montrèrent leurs limites devant divers phénomènes. Les problèmes provenaient aussi bien de la physique du microcosme, comme la constitution et la stabilité des atomes ou l'effet photoélectrique, que de celle du monde à notre échelle, comme le rayonnement thermique (la lumière émise par des corps « chauffés au rouge »). C'est dire d'emblée que le domaine quantique ne saurait être limité au monde microscopique.

L'essor de la quantique

La théorie quantique est aujourd'hui une théorie universelle qui a vocation à régir les phénomènes physiques de toute nature et de toute échelle, même si, bien entendu, dans de nombreuses situations, ses approximations classiques (mécanique classique, théorie des champs) suffisent largement à rendre compte des situations communes. Bien que les physiques atomique, nucléaire et subnucléaire restent les domaines d'origine et de prédilection de la théorie quantique, il existe des objets proprement astronomiques, telles les naines blanches ou les étoiles à neutrons, de nature fondamentalement quantique. Et la matière la plus ordinaire présente des propriétés essentielles, telle sa cohésion ou son impénétrabilité, qui resteraient incompréhensibles sans le recours aux concepts quantiques. Il en va de même pour des propriétés spécifiques, comme la conductivité des métaux ou la couleur des pigments. Aussi a-t-on vu la technologie quantique prendre, au cours du xxe siècle, une extension considérable : lasers, supraconducteurs, etc. L'ampleur du champ d'action de la physique quantique n'a d'égale que sa robustesse : en près d'un siècle, l'échelle de ses domaines d'application s'est étendue de façon remarquable (de l'atome au noyau, des solides aux astres) sans qu'aucune faille n'apparaisse dans sa structure théorique, ni aucune contradiction avec les données expérimentales. Il faut cependant signaler que, en physique des interactions fondamentales, la mise en œuvre des principes quantiques fondamentaux est rendue malaisée par la nécessité de les articuler avec la conception einsteinienne de l'espace-temps. Les problèmes mathématiques, en partie irrésolus, rendent pour l'instant fort difficile la comparaison des rares résultats théoriques explicites avec les données d'observation.

Si la théorie quantique montre une validité et une fécondité des plus réjouissantes, le diagnostic doit être plus réservé en ce qui concerne sa santé épistémologique. Il est surprenant de constater que les inévitables débats conceptuels qui ont entouré, dans les années 1920, la conception et la naissance des idées quantiques n'ont guère permis l'émergence rapide d'une compréhension profonde et partagée de ses véritables nouveautés. Sans doute la technicisation de la pratique scientifique contemporaine a-t-elle favorisé une approche à la fois empiriste et formaliste où les succès des applications masquaient les insuffisances de la conceptualisation. La terminologie elle-même porte la marque de ces retards, comme le montre l'appellation encore courante de « mécanique quantique », véritable oxymore puisque les idées de la mécanique traditionnelle sont justement battues en brèche par la nouvelle théorie, qu'il est donc plus simple et plus naturel de baptiser du mot quantique, adéquatement transformé en substantif – la quantique.

Après des décennies de débats, et par-delà toute technicité, on peut distinguer deux caractéristiques essentielles de la quantique, dont la nouveauté radicale justifie quelques néologismes.

La première est la « pantopie », plus couramment appelée « non-localité » : les objets quantiques ne peuvent se voir assigner une localisation spatiale ponctuelle, intrinsèque et stable ; les quantons ont une extension spatiale qui dépend de leur état physique, et qui varie inversement avec leur extension en vitesse (inégalités de Heisenberg, plus connues sous l'appellation, aujourd'hui problématique, de « principe d'incertitude »). Cette contrainte assure par exemple la stabilité énergétique des atomes, puisqu'elle interdit aux électrons d'être à la fois infiniment près du noyau et immobiles, ce qui les ferait sombrer dans un puits d'énergie sans fond.

La seconde caractéristique est l'« implexité », couramment appelée « non-séparabilité » : un système quantique composé (par exemple : deux photons) ne peut être défini par la donnée indépendante des états de ses composants. Ou encore : pour un état bien spécifié d'un ensemble, on ne peut attribuer des états bien spécifiés à ses éléments, mais seulement des corrélations entre divers états possibles. Plus brièvement encore, selon une formulation de Schrödinger : la meilleure connaissance possible d'un tout n'entraîne pas nécessairement celle des parties.

Les quantons

On appelle « quantons », selon une terminologie de plus en plus répandue, les objets types de la physique quantique. Il s'agit d'une catégorie universelle qui englobe les espèces particulières tels les photons, électrons, nucléons, etc. La crise de la physique classique à la fin du xixe siècle a mis en évidence l'inadéquation des deux concepts clés avec lesquels elle cherchait à rendre compte de la nature des objets matériels, celui de particule et celui d'onde. Des entités précédemment conçues comme particulaires (électrons par exemple) révélaient dans certaines circonstances des propriétés non locales et continues, cependant que des entités considérées comme ondulatoires (lumière) montraient un caractère discontinu et dénombrable. On tenta pendant un temps de décrire la situation en termes d'une « dualité onde-corpuscule » en vertu de laquelle les entités fondamentales présenteraient une « complémentarité » (selon la perspective introduite par Niels Bohr) essentielle entre deux modes d'existence antinomiques. Ainsi, les premiers colons débarqués en Australie, découvrant dans les cours d'eau d'étranges bêtes à bec et à poils, les décrivaient-ils comme un mixte de taupe et de canard (duckmole). Mais le développement des expériences quantiques montre l'insuffisance d'une telle conception. Les entités quantiques ne sont ni des ondes ni des corpuscules, tout comme les canards-taupes australiens sont des êtres nouveaux, jusque-là inconnus, et auxquels les savants attribuèrent le nom original d'ornithorynque.

Il convient donc de reconnaître la spécificité des objets quantiques et de leur attribuer une dénomination propre – celle de « quanton » étant tout indiquée. Même s'il est vrai que, dans certaines circonstances, les quantons peuvent présenter un aspect ondulatoire, ou, dans d'autres, exclusives des premières, un aspect particulaire, c'est leur originalité et leur différence par rapport aux objets classiques qui font tout leur intérêt. La nature des quantons se caractérise au mieux par la façon originale dont ils se placent par rapport à la dichotomie du continu et du discontinu (discret). Alors que les particules relèvent du discret à la fois du point de vue du nombre (on peut les compter individuellement) et de l'étendue (elles sont ponctuellement localisées) et que les ondes relèvent du continu sous ces deux points de vue, les quantons conjuguent le continu de l'étendue et le discret du nombre.

En conséquence de l'implexité quantique, un système de quantons identiques présente des propriétés collectives très spécifiques, de deux sortes. Pour certains quantons, appelés « bosons » (d'après le physicien indien S. Bose), un véritable grégarisme les pousse à un conformisme maximal, privilégiant les situations où ils adoptent le même comportement ; tel est le cas des photons, et c'est ce qui permet l'effet laser. Pour d'autres quantons, appelés « fermions » (d'après E. Fermi), c'est au contraire la plus grande différence entre les situations individuelles qui est favorisée (principe d'exclusion de Pauli) ; tel est le cas des électrons, et c'est cet exclusivisme qui explique en dernière analyse la structure des atomes comme l'impénétrabilité de la matière. De façon générale, ces dispositions collectives spécifiquement quantiques jouent un rôle essentiel dans les comportements de la matière à l'échelle macroscopique.

Auteur: Jean-Marc LÉVY-LEBLOND
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