La mécanique quantique : les règles étranges du tout petit

L'idée

À notre échelle, le monde est prévisible : si tu connais la vitesse et la position d'un ballon, tu peux calculer où il retombera. Au début du XXe siècle, les physiciens découvrent qu'à l'échelle des atomes et de la lumière, la nature suit d'autres règles. On les appelle la mécanique quantique, du latin quantum, « combien », parce que tout commence par une histoire de quantité.

Quatre idées en résument l'essentiel :

• L'énergie vient par paquets. Un atome ne peut pas avoir n'importe quelle énergie : seulement certaines valeurs, comme les marches d'un escalier. Ces paquets s'appellent des quanta.
• Onde et particule à la fois. La lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme un flot de grains d'énergie, les photons. Et les électrons, qu'on croyait de petites billes, se comportent aussi comme des ondes.
• Des probabilités, pas des certitudes. On ne peut pas prédire exactement où sera un électron, seulement la probabilité de le trouver ici ou là. En 1927, l'Allemand Werner Heisenberg montre qu'on ne peut pas connaître en même temps, avec une précision parfaite, la position et la vitesse d'une particule.
• Des liens à distance. Deux particules peuvent être intriquées : ce qu'on mesure sur l'une est lié à ce qu'on mesure sur l'autre, même très loin.

Une précision : ces effets sont bien réels, mais ils deviennent invisibles à notre échelle. Un ballon ou une voiture ne « traversent » pas les murs. Méfie-toi des publicités qui collent le mot « quantique » sur des produits miracles : c'est presque toujours sans rapport avec la physique.

Une image pour comprendre

Pense à une rampe et à un escalier. Sur une rampe, tu peux t'arrêter à n'importe quelle hauteur. Sur un escalier, seulement sur une marche. Pour la physique d'avant 1900, l'énergie était une rampe ; pour la physique quantique, c'est un escalier, aux marches si petites qu'on ne les remarque pas dans la vie courante.

C'est ce qui explique les couleurs des néons ou des feux d'artifice : quand l'électron d'un atome descend d'une marche, il libère un photon d'une énergie bien précise, donc d'une couleur bien précise. Le sodium donne du jaune orangé, le cuivre du vert-bleu. Chaque élément a ainsi sa « signature » de couleurs, et c'est comme cela qu'on sait de quoi sont faites les étoiles.

L'histoire de la découverte

1900, une astuce de calcul. L'Allemand Max Planck cherche à expliquer la couleur de la lumière émise par un objet chauffé, comme le fer rougi dans la forge. Les formules connues donnent des résultats absurdes. Planck essaie alors de supposer que l'énergie est émise par petits paquets. Ça marche parfaitement. Lui-même y voit d'abord un simple artifice. Il recevra le prix Nobel de physique de 1918 pour cette découverte des quanta d'énergie.

1905, Einstein prend l'idée au sérieux. Albert Einstein explique l'effet photoélectrique, la lumière qui arrache des électrons à un métal, en disant que la lumière elle-même est faite de grains d'énergie. C'est pour cela qu'il reçoit le prix Nobel de 1921.

1913, l'atome en escalier. Le Danois Niels Bohr propose un atome où les électrons ne peuvent occuper que certains niveaux d'énergie. Son modèle explique les couleurs émises par l'hydrogène. Prix Nobel en 1922.

1924 à 1927, la grande construction. Le Français Louis de Broglie propose que les électrons soient aussi des ondes ; des expériences le confirment en 1927. Werner Heisenberg et l'Autrichien Erwin Schrödinger écrivent, chacun à sa manière, les équations de la nouvelle physique. En 1927, à Bruxelles, au congrès Solvay, les plus grands physiciens débattent. Einstein refuse l'idée que la nature soit fondamentalement faite de hasard ; Bohr la défend. Leur discussion durera des années.

Les expériences tranchent. Il faudra attendre des expériences très fines, à partir des années 1970 et 1980, notamment celles du Français Alain Aspect avec des photons intriqués, pour montrer que la mécanique quantique a raison sur ce point. Aspect, l'Américain John Clauser et l'Autrichien Anton Zeilinger reçoivent le prix Nobel de physique de 2022.

De plus en plus grand. En 1984 et 1985, John Clarke, le Français Michel Devoret et John Martinis montrent que des effets quantiques comme l'effet tunnel, une particule qui franchit une barrière qu'elle ne devrait pas pouvoir franchir, apparaissent aussi dans un circuit électrique assez grand pour tenir dans la main. Prix Nobel de physique 2025.

Ce que cela change pour nous

Sans mécanique quantique, pas de monde moderne :

• Les transistors, ces minuscules interrupteurs dont les puces des téléphones et des ordinateurs contiennent des milliards, ont été conçus grâce à elle.
• Les lasers des lecteurs de codes-barres, de la chirurgie des yeux et des fibres optiques d'Internet.
• Les LED des lampes et des écrans, et les panneaux solaires, qui transforment des photons en courant électrique.
• L'IRM des hôpitaux et les horloges atomiques dont dépend le GPS.

Et la suite se prépare : des ordinateurs quantiques, des capteurs ultra-précis et des communications protégées par les lois de la physique. Pour l'instant, ces machines restent surtout dans les laboratoires.

Pour aller plus loin

• Celui qui a expliqué l'effet photoélectrique : Albert Einstein.
• La lumière, onde et grain : la lumière et les couleurs.
• Les briques que décrit la quantique : l'atome et le tableau périodique.
• L'autre grande révolution de la physique du XXe siècle : la relativité.