Figure 1. Une mouche noire imagée par un microscope électronique est aussi monstrueuse que n’importe quelle créature de science-fiction. (crédit : Département américain de l’agriculture via Wikimedia Commons)
La mécanique quantique est la branche de la physique nécessaire pour traiter les objets submicroscopiques. Parce que ces objets sont plus petits que ce que nous pouvons observer directement avec nos sens et doivent généralement être observés à l’aide d’instruments, certaines parties de la mécanique quantique semblent aussi étrangères et bizarres que certaines parties de la relativité. Mais, comme la relativité, la mécanique quantique s’est avérée valide – la vérité est souvent plus étrange que la fiction.
Figure 2. Les atomes et leur sous-structure sont des exemples familiers d’objets qui nécessitent une explication complète de la mécanique quantique. Certaines de leurs caractéristiques, comme les enveloppes discrètes des électrons, relèvent d’explications de physique classique. En mécanique quantique, nous conceptualisons des « nuages d’électrons » discrets autour du noyau.
Certains aspects de la mécanique quantique nous sont familiers. Nous acceptons comme un fait que la matière est composée d’atomes, la plus petite unité d’un élément, et que ces atomes se combinent pour former des molécules, la plus petite unité d’un composé. (Voir figure 2.) Si nous ne pouvons pas voir les molécules d’eau individuelles dans un cours d’eau, par exemple, nous savons que c’est parce que les molécules sont si petites et si nombreuses dans ce cours d’eau. Lorsque nous présentons les atomes, nous disons généralement que les électrons gravitent autour des atomes dans des coquilles discrètes autour d’un minuscule noyau, lui-même composé de particules plus petites appelées protons et neutrons. Nous savons également que la charge électrique se présente sous la forme de minuscules unités portées presque entièrement par des électrons et des protons. Comme pour les molécules d’eau dans un cours d’eau, nous ne remarquons pas les charges individuelles dans le courant qui traverse une ampoule, car les charges sont si petites et si nombreuses dans les situations macroscopiques que nous percevons directement.
Making Connections : Les royaumes de la physique
La physique classique est une bonne approximation de la physique moderne dans des conditions abordées pour la première fois dans La nature de la science et de la physique. La mécanique quantique est valable en général, et il faut l’utiliser plutôt que la physique classique pour décrire les petits objets, comme les atomes.
Les atomes, les molécules et les charges fondamentales des électrons et des protons sont tous des exemples d’entités physiques quantifiées, c’est-à-dire qu’elles n’apparaissent que dans certaines valeurs discrètes et n’ont pas toutes les valeurs imaginables. Quantifié est le contraire de continu. Nous ne pouvons pas avoir une fraction d’atome, ou une partie de la charge d’un électron, ou 14-1/3 cents, par exemple. Au contraire, tout est construit à partir de multiples intégraux de ces sous-structures. La physique quantique est la branche de la physique qui traite des petits objets et de la quantification de diverses entités, dont l’énergie et le moment angulaire. Tout comme la physique classique, la physique quantique comporte plusieurs sous-domaines, tels que la mécanique et l’étude des forces électromagnétiques. Le principe de correspondance stipule que dans la limite classique (grands objets se déplaçant lentement), la mécanique quantique devient identique à la physique classique. Dans ce chapitre, nous commençons le développement de la mécanique quantique et sa description de l’étrange monde submicroscopique. Dans les chapitres suivants, nous examinerons de nombreux domaines, tels que la physique atomique et nucléaire, dans lesquels la mécanique quantique est cruciale.