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Mécanique quantique - Partie 2

Quelques paradoxes [modifier]

Ces « paradoxes » nous questionnent sur l'interprétation de la mécanique quantique, et révèlent dans certains cas à quel point notre intuition peut se révéler trompeuse dans ce domaine qui ne relève pas directement de l'expérience quotidienne de nos sens.

Le chat de Schrödinger [modifier]

Article détaillé : Chat de Schrödinger.

Ce paradoxe met en évidence les problèmes d'interprétation du postulat de réduction du paquet d'onde.

Paradoxe EPR (Einstein Podolski Rosen) et expérience d'Alain Aspect [modifier]

Articles détaillés : Paradoxe EPR et expérience d'Aspect.

Ce paradoxe met en évidence la non-localité de la physique quantique, impliquée par les états intriqués.

Expérience de Marlan Scully : apparence de rétroaction dans le passé [modifier]

Article détaillé : Expérience de Marlan Scully.

Cette expérience peut être interprétée comme une démonstration que les résultats d'une expérience enregistrée à un instant T dépendent objectivement d'une action effectuée à un temps ultérieur T+t. Selon cette interprétation, la non-localité des états intriqués ne serait pas seulement spatiale, mais également temporelle.

Toutefois, la causalité n'est pas strictement violée car il n'est pas possible - pour des raisons fondamentales - de mettre en évidence avant l'instant T+t que l'état enregistré à l'instant T dépend d'un évènement ultérieur. Ce phénomène ne peut donc donner aucune information sur l'avenir.

Contrafactualité. Problème d'Elitzur-Vaidman [modifier]

Selon la mécanique quantique, des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent sur les résultats de l'expérience. Ce paradoxe est décrit en détails dans l'article contrafactualité.

La décohérence : du monde quantique au monde classique [modifier]

Article détaillé : Décohérence.

Pourquoi, alors que les principes de la mécanique quantique s'appliquent a priori à tous les objets contenus dans l'univers (nous y compris), continuons nous à percevoir classiquement l'essentiel du monde macroscopique ? En particulier, pourquoi les superpositions quantiques ne sont-elles pas observables dans le monde macroscopique? La théorie de la décohérence explique leurs disparitions très rapides en raison du couplage inévitable entre le système quantique considéré et son environnement.

Cette théorie a reçu une confirmation expérimentale avec les études portant sur des systèmes mésoscopiques pour lesquels le temps de décohérence n'est pas trop court pour rester mesurable, comme par exemple un système de quelques photons dans une cavité (Haroche et al.-1996)

Voir aussi [modifier]

La Wikiversité possède des cours sur « Département:Mécanique quantique ».

Articles connexes [modifier]

Concepts fondamentaux [modifier]

Interprétation [modifier]

Il existe de nombreuses interprétations des effets de la mécanique quantique, certaines étant en contradiction totale avec d'autres. Faute de conséquences observables de ces interprétations, il n'est pas possible de trancher en faveur de l'une ou de l'autre de ces interprétations. Seule exception, l'école de Copenhague dont le principe est justement de refuser toute interprétation des phénomènes.


Problèmes, paradoxes et expériences [modifier]

Mathématique [modifier]

Mécanique quantique relativiste [modifier]

Article détaillé : Mécanique quantique relativiste.

Informatique quantique [modifier]

Article détaillé : Informatique quantique.

Vide Quantique [modifier]

Article détaillé : Vide quantique.

Divers [modifier]

Bibliographie [modifier]

Ouvrages [modifier]

Ouvrages de vulgarisation [modifier]

  • Banesh Hoffman et Michel Paty ; L'étrange histoire des quanta, Collection Points-Sciences 26, Le Seuil (1981). ISBN 2-02-005417-5
  • Emilio Segré ; Les physiciens modernes et leurs découvertes - Des rayons X aux quarks, Fayard (1984) ISBN 2-213-01383-7. Une histoire vulgarisée qui couvre la période 1895-1983. L'auteur a reçu le prix Nobel 1959 pour la découverte expérimentale de l'antiproton.
  • Georges Gamow ; Trente années qui ébranlèrent la physique (Histoire de la théorie quantique), 1968. Réédité par Jacques Gabay (2000) ISBN 2-87647-135-3.
  • Stéphane Deligeorges (ed) ; Le monde quantique, Collection Points-Sciences 46, Le Seuil (1984). ISBN 2-02-008908-4
  • Emile Noël (ed) ; La matière aujourd'hui, Collection Points-Sciences 24, Le Seuil (1981). ISBN 2-02-005739-5
  • Serge Haroche ; Physique quantique, Leçon inaugurale au Collège de France, coédition Collège de France/Fayard (2004).
  • Étienne Klein ; Petit voyage dans le monde des quanta, Collection Champs 557, Flammarion (2004). ISBN 2-08-080063-9
  • Helge S. Kragh ; Quantum generations - A history of physics in the twentieth century, Princeton University Press (1999) ISBN 0-691-01206-7

Ouvrages de philosophie [modifier]

  • Bernard d'Espagnat ; "Le réel voilé, Analyse des concepts quantiques", Fayard, 1994
  • Michel Bitbol ; “Mécanique quantique, une introduction philosophique”, Flammarion, 1996 (Collection Champs, 1997)
  • Brice de Witt and Neil Graham ; "The many-worlds interpretation of quantum mechanics" Princeton University Press, 1973
  • David Bohm and Basil Hiley ; "The undivided Universe, An ontological interpretation of quantum mechanics", Routledge, 1993
  • Bas Van Fraassen ; "Quantum mechanics, An empiricist view" Oxford University Press, 1991
  • R. I. G. Hughes ; "The structure and interpretation of quantum mechanics", Harvard University Press, 1992
  • Roland Omnès ; "The interpretation of quantum mechanics", Princeton University Press, 1994

Ouvrages d'initiation [modifier]

Accessibles au niveau d'un premier cycle universitaire.

  • Jean-Marc Lévy-Leblond & Françoise Balibar ; Quantique : rudiments, InterEditions/Editions du CNRS (1984). Réédité par Masson (1997) ISBN 2-225-85521-8, aujourd'hui racheté par Dunod : ISBN 2-225-85521-8 Une excellente initiation à la physique quantique, accessible dès le premier cycle universitaire. Le bagage mathématique est restreint au minimum, l'accent étant porté sur la compréhension des phénomènes.
  • Richard Feynman ; Mécanique quantique, volume 3 du Cours de physique de Feynman, Dunod. ISBN 2100049348. Un cours de niveau premier cycle universitaire, par un théoricien américain de grande renommée, prix Nobel de physique 1965. Une vision profonde et personnelle de la physique, alliée à une grande pédagogie, font de ce cours un modèle du genre, très apprécié depuis sa parution aux États-Unis en 1963 à l'issue d'un enseignement donné à CalTech (Californian Institute of Technology, Pasadena). Feynman prend pour point de départ les amplitudes de transitions plutôt que la fonction d'onde y (l'équation de Schrödinger ne fait son apparition qu'au chapitre 16 à la page 320 !). Ces amplitudes constituent l'objet central de sa propre formulation en intégrale de chemins . Cette approche peut dérouter l'étudiant ayant déjà suivi un cours d'initiation standard . Comme toujours avec Feynman, l'aspect formel est réduit à sa juste place.
  • Max Born ; Structure atomique de la matière - Introduction à la physique quantique, Collection U, Armand-Colin (8ème édition-1971). Un livre de référence par un professeur de physique théorique de l'univeristé de Göttingen, prix Nobel de physique 1954 pour son interprétation statistique de la fonction d'onde de Schrödinger. Ce livre vaut pour certains détails historiques de première main.
  • Bernard Cagnac & Jean-Claude Pebay-Peyroula ; Physique atomique - Tome 1 : expériences et principes fondamentaux, Dunod (1975). ISBN 2-04-002555-3. Ce livre décrit précisément et en détails les aspects expérimentaux suivants : l'effet photoélectrique, les spectres optiques, l'expérience de Franck et Hertz, l'effet Compton, l'émission et l'absorption de photons, le laser, la dualité onde-corpuscule, les modèles atomique planétaires, ainsi que de nombreux aspects du magnétisme orbital et du magnétisme de spin, dont l'expérience de Stern et Gerlach.
  • Edouard Chpolski ; Physique atomique (2 vol.), Editions Mir (1977) ISBN . Un exposé des principes de la physique atomique, qui fournit de nombreux détails historiques.
  • Abraham Pais ; Inward Bound - Of Matter & Forces in the Physical World, Oxford University Press (1986) [ISBN 0-19-851997-4] Ecrite par un ancien assistant d'Einstein à Princeton, cette superbe histoire des développements de la physique moderne démarre en 1895 avec la découverte expérimentale des rayons X, et se termine en 1983 lors de la découverte expérimentale au C.E.R.N. des bosons-vecteurs W et Z. L'auteur décrit avec beaucoup de détails l'évolution des idées, indiquant systématiquement les références des publications originales. Quel dommage que ce livre ne soit pas traduit en français...

Ouvrages destinés à l'apprentissage de la discipline [modifier]

Accessibles à partir du second cycle universitaire.

  • Constantin Piron ; "Mécanique Quantique: Bases et Applications", Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1998) ISBN 2-88074-399-0. Ce cours expose les bases de la théorie quantique et ses applications élémentaires sous une forme moderne, totalement renouvelée grâce aux travaux et aux découvertes faites ces trente dernières années, tant dans le domaine expérimental que dans le domaine théorique. Les concepts mathématiques sont introduits au fur et à mesure des besoins d'une manière élémentaire mais rigoureuse. Le tout est illustré par de nombreux exercices, avec corrigé.
  • Michel Le Bellac ; Physique quantique, Collection Savoirs actuels, EDP Sciences/CNRS Editions (2003) ISBN 2-86883-665-0 et ISBN 2-271-06147-4. Cet excellent ouvrage, qui aborde les aspects les plus récents de la théorie, est bien parti pour devenir le livre de cours en français de référence du début de ce XXIe siècle ...
  • Jean-Louis Basdevant & Jean Dalibard ; Mécanique quantique (avec CD-ROM), Editions de l'école Polytechnique (2002), ISBN 2730208194. Le fruit de nombreuses années d'enseignement à l'X.
  • Jean-Louis Basdevant & Jean Dalibard ; Problèmes quantique, Editions de l'école Polytechnique (2004), ISBN 2730211179. Complément du volume de cours précédent, ce livre contient 19 problèmes, avec corrigés, sur une grande diversité d'exemples expérimentaux contemporains.
  • C. Cohen-Tannoudji, B. Diu et F. Laloë, Mécanique quantique [détail des éditions]. Incontournable, c'est le traité de réference en français depuis sa parution, ultra-complet, par le prix Nobel de physique 1997 (C.C.T.), chercheur du Laboratoire Kastler-Brossel de spectroscopie hertzienne de l'école normale supérieure de la rue d'Ulm et professeur honoraire au Collège de France (ancien titulaire de la chaire de physique atomique) et ses collaborateurs.
  • Albert Messiah Mécanique quantique, 2 volumes, Dunod (1959). Réédité en 1995 : ISBN 2100073613. Il fut le livre de référence en français jusqu'à l'apparition de l'ouvrage précédent.
  • Lev Landau, Evguéni Lifchitz, Physique théorique, t. 3 : Mécanique quantique, Éditions MIR, Moscou, [détail des éditions]. Écrit par un théoricien soviétique (en collaboration avec un de ses élèves) connu pour ses travaux en physique de l'état condensé, prix Nobel de physique 1962. Ouvrage très complet.
  • Peter Atkins ; Molecular quantum mechanics, Oxford University Press (2ème édition-1983) ISBN . Cours très pédagogique, par le célèbre professeur de chimie-physique de l'Université d'Oxford.
  • Alain Aspect ; Quelques tests expérimentaux des fondements de la mécanique quantique (en optique), dans : Qu'est-ce que l'Univers ?, Vol. 4 de l'Université de Tous les Savoirs (sous la direction d'Yves Michaux), Odile Jacob (2001) 589. Dualité onde-corpuscule, intrication quantique & paradoxe E.P.R., par un professeur d'optique à l'Université de Paris-Sud (Orsay), auteur en 1982 d'une remarquable expérience testant les inégalités de Bell des corrélations E.P.R. (expérience en faveur des prédictions de la mécanique quantique. Cette expérience fut améliorée en 1998 par Anton Zeilinger et ses collaborateurs de l'Université d'Innsbrück, Autriche).
  • Anton Zeilinger ; La téléportation, Pour La Science 272 (Juin 2000) 36-44

Aspects historiques [modifier]

  • José Leite-Lopes & Bruno Escoubès ; Sources et évolution de la physique quantique - Textes fondateurs, Masson (1995) [ISBN 2-225-84607-3]. Réédité par E.D.P. Sciences. Donne une vue générale de l'évolution des idées, du XIXe siècle à 1993, ainsi que la traduction française de quelques articles fondateurs.
  • John Archibald Wheeler & Wojciech Zurek ; "Quantum theory and measurement", Princeton University Press, 1983. Un recueil classique d'articles sur le "problème de la mesure"
  • B.L. van der Waerden (ed.) ; Sources of quantum mechanics, Dover Publications, Inc. (1967) ISBN 0-486-61881-1. Ce volume regroupe quelque-uns des articles pionniers de 1916 à 1926 (en traduction anglaise).
  • Paul A.M. Dirac ; The principles of quantum mechanics, Oxford Science Publication, Oxford University Press (4ème édition-1958) ISBN . Le traité historique de base sur les principes de la mécanique quantique, par l'un de ses plus brillants inventeur, professeur de physique théorique à l'université de Cambridge, prix Nobel de physique en 1933 (avec Erwin Schrödinger). Version française : Les principes de la mécanique quantique rééditée par Jacques Gabay ISBN .
  • Erwin Schrödinger ; Mémoires sur la mécanique ondulatoire, réédition des articles historiques par Jacques Gabay (1988) ISBN .
  • Werner Heisenberg ; Les principes physiques de la théorie des quanta, réédition du livre historique par Jacques Gabay (1989) ISBN .
  • Enrico Fermi ; Notes on quantum mechanics, the University of Chicago Press (1961) ISBN .
  • John Von Neumann ; Les fondements mathématiques de la mécanique quantique, Librairie Alcan (1946), réédité par Jacques Gabay (1988) ISBN . Un ouvrage fondamental sur la structure mathématique de la théorie et les espaces de Hilbert.
  • Jagdish Mehra & Helmut Rechenberg ; The historical development of quantum theory, Vols. 1-6, Springer-Verlag (New York-1978 à 2001) ISBN . Histoire monumentale (6 volumes en 9 livres, plus de 4500 pages !) de la mécanique quantique, principalement de 1900 à 1941 (un court texte est consacré aux avancées depuis 1941 jusqu'en 1999).
  • Max Jammer ; The conceptual development of quantum mechanics, McGraw-Hill (New York-1966) ISBN .
  • Max Jammer ; The philosophy of quantum mechanics, John Wiley & Sons (New York-1974) ISBN .

Sur la décohérence [modifier]

  • Serge Haroche, Jean-Michel Raimond & Michel Brune ; Le chat de Schrödinger se prête à l'expérience - Voir en direct le passage du monde quantique au monde classique, La Recherche 301 (Septembre 1997) 50.
  • Serge Haroche ; Une exploration au cœur du monde quantique, dans : Qu'est-ce que l'Univers ?, Vol. 4 de l'Université de Tous les Savoirs (sous la direction d'Yves Michaux), Odile Jacob (2001) 571.
  • Roland Omnès ; Comprendre la mécanique quantique, EDP Sciences (2000) ISBN 2-86883-470-1. Par un professeur de physique théorique émérite de l'Université de Paris-Sud (Orsay), une discussion de l' interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, du problème de la mesure et de la théorie des histoires consistantes de Griffiths et de la décohérence, par l'un de ses pionniers.
  • E. Joos,, H.D. Zeh, C. Kiefer, D. Giulini, K. Kupsch, I.O. Stamatescu ; Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory, Springer-Verlag (1996). Deuxième édition (2003) ISBN 3-540-00390-8
  • Gennaro Auletta ; Foundation & Interpretation of Quantum Mechanics (in the light of a critical - historical analysis of the problems and of a synthesis of the results), Wolrd Scientific (2001) ISBN . Par un professeur de l'Université de Rome, un ouvrage monumental (environ 1000 pages) sur les fondements conceptuels de la mécanique quantique des origines à nos jours - y compris les questions de décohérence -, mis en relation avec les avancées expérimentales les plus récentes.


Bibliothèque virtuelle [modifier]

Cours [modifier]
  • Claude Cohen-Tannoudji ; Compléments de mécanique quantique (pdf) : cours de Claude Cohen-Tannoudji (prix Nobel 1997) sur la formulation Lagrangienne de la mécanique quantique (Feynman-Dirac), et sur l'utilisation des fonctions de Green. Notes rédigées en 1966 par Serge Haroche.
  • Jean Dalibard  ; Mécanique quantique avancée (pdf) : cours sur les systèmes de bosons et de fermions, la seconde quantification et l'espace de Fock, et la théorie des collisions.
  • Doron Cohen ; Lecture Notes in Quantum Mechanics, (2006). Excellente introduction, qui couvre de multiples aspects qu'on trouve rarement abordés à ce niveau. ArXiv : quant-ph/0605180.

Lectures complémentaires [modifier]

  • Roger Balian  ; La physique quantique à notre échelle : texte d'une conférence donnée par l'auteur (Service de Physique Théorique du CEA, Saclay) le 15 décembre 2000 à l'Académie des Sciences de Paris lors du colloque : Les quanta : un siècle après Planck. Publié par Michel Crozon & Yves Saquin (éditeurs), Physique et Interrogations Fondamentales - Un siècle de quanta, EDP Sciences (2003) pp. 59-89
  • Max Born  ; Quelques problèmes de mécanique quantique (pdf), Annales de l'Institut Henri Poincaré 1 (3) (1930) pp. 205-263. Après une introduction à la mécanique quantique, Max Born (prix Nobel 1954) discute notamment le phénomène d'effet tunnel appliqué à la radioactivité alpha, poursuit par quelques applications à la cinétique des réactions chimiques, et aborde enfin le problème de la largeur des raies spectrales.
  • P.A.M. Dirac ; Quelques problèmes de mécanique quantique (pdf), Annales de l'Institut Henri Poincaré 1 (4) (1930) pp. 357-400. Paul Dirac (prix Nobel 1933) y expose le formalisme de la physique statistique quantique d'une part, ainsi que l'équation quantique et relativiste de l'électron d'autre part (aujourd'hui appelée « équation de Dirac » en son honneur). À noter que, dans cet article, Dirac identifie de façon erronée un « trou » de la mer de Dirac des états d'énergie négatives (issues des solutions de son équation) avec le proton. On sait aujourd'hui qu'il s'agit d'un positron, antiparticule de l'électron.

Liens externes [modifier]

Sur la téléportation quantique [modifier]

Notes et références [modifier]

  1. ↑ Pour lever cet apparent paradoxe et insister sur l'imperfection de nos concepts classiques d'onde et de corpuscule, les physiciens Jean-Marc Levy-Lebond et Françoise Balibar ont proposés d'utiliser le terme de quanton pour parler d'un objet quantique. Un quanton n'est ni une onde, ni un corpuscule, mais peut présenter les deux aspects selon le principe de complémentarité de Bohr. Malheureusement, cette terminologie a bien du mal à s'imposer dans l'enseignement français
  2. ↑ Cette formulation de la mécanique quantique a été appelée autrefois théorie des transformations. Cette appellation est aujourd'hui abandonnée.
  3. ↑ La notion de chemin a fait un retour spectaculaire en mécanique quantique en 1948 avec la formulation Lagrangienne introduite par Feynman, basée sur le concept d'intégrale de chemin.
  4. ↑ Ce concept est primordial en théorie quantique des champs, théorie qui fait appel à la notion de particule virtuelle.
  5. ↑ Pour une dérivation rigoureuse de l'inégalité énergie-temps, consulter par exemple : Albert Messiah Mécanique quantique - volume 1, Dunod (1959) pp. 114-117, pp. 269-270, et enfin, pour l'oscillateur harmonique, p. 280. Ouvrage réédité par Dunod en 1995 : ISBN 2100073613.
  6. ↑ De même que la composante pi de l'impulsion est le générateur des translations d'espace dans la direction xi.
  7. ↑ Concernant la validité de ce « théorème », lire les travaux très récents d'Eric Galapon : quant-ph/9908033 et quant-ph/0303106.
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16/09/2007
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