PETIT PENSE-BÊTE (suite) : F(i) à F(vii)
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(tiré du livre du physicien Brian GREENE : « La magie du cosmos »)
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PETIT PENSE-BÊTE – F(i)
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LA MECANIQUE QUANTIQUE PAR L’EXPERIENCE
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– 1ère EXPERIENCE :
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Il y a un monde fascinant dans lequel il apparaît que notre perception de l’univers est fausse.
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Dans son livre : « la Magie du cosmos », le physicien Brian GREENE nous emmène dans un voyage qui bouscule les lois de l’expérience humaine.
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– Pourquoi ne voit-on jamais les évènements se dérouler à l’envers ?
Selon les lois de la physique, c’est pourtant tout à fait possible.
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Cet autre monde transparaît quand on explore les phénomènes les plus extrêmes du cosmos, des trous noirs au big-bang ou au coeur même de la matière.
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Ici, il se pourrait que notre univers soit une réalité parallèle parmi d’autres ; que le monde en 3 dimensions ne soit qu’un mirage et que la distinction entre passé, présent et futur soit une illusion.
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Mais comment est-ce possible ?
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– Comment pouvons-nous nous tromper à ce point sur quelque chose de si familier ?
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C’est une perspective révolutionnaire qui ouvre les portes à une multitudes de possibles.
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Nous allons nous rendre au royaume des particules minuscules.
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Le monde quantique est un monde où les lois semblent invraisemblables. On a l’impression que les choses n’aiment pas rester à un seul et même endroit.
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Pourtant, ces lois régissent l’univers.
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Les lois quantiques n’ont jamais été infirmées par l’expérience.
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– Que révèlent-elles sur la nature de la réalité ?
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LE SAUT QUANTIQUE :
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Depuis des milliers d »années, nous essayons de comprendre les mystères du fonctionnement de l’univers.
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Jusque là, nous avons déjà réussi à énoncer un ensemble de lois qui décrivent les mouvements prévisibles des galaxies, des étoiles et des planètes.
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Mais aujourd’hui, nous savons qu’à un niveau fondamental, les choses sont beaucoup plus floues.
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Car nous avons découvert des principes nouveaux et révolutionnaires qui ont radicalement transformé notre vision de l’univers.
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Dans l’espace … à PARIS, à NEW-YORK …etc.. et jusque dans le monde de l’infiniment petit, ces mystérieuses lois qui ont fait basculer notre conception du monde redéfinissent notre compréhension de la réalité.
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Ce sont les lois de la mécanique quantique.
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La mécanique quantique régit les phénomènes à l’oeuvre dans chaque atome et particule du moindre morceau de matière ; qu’il s’agisse d’étoiles et de planètes, de roches et d’immeubles ou de nous-mêmes.
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Dans la vie de tous les jours, on ne remarque pas les bizarreries de la mécanique quantique mais elles sont bel et bien là.
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Il suffit de savoir où chercher. Pour cela, il faut changer de point de vue et descendre au niveau de l’infiniment petit : les atomes et les particules.
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Au niveau quantique, les lois qui gouvernent ce monde semblent complètement différentes des principes familiers qui régentent les grands objets du quotidien.
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Et quand on commence à les appréhender, on ne voit plus les choses de la même façon.
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Il est presque impossible de se représenter la bizarrerie des choses à l’échelle de l’infiniment petit.
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– Mais que se passerait-il si on pouvait faire un tour dans un endroit régi par les lois quantiques, et où les personnes et les objets se comportent comme des atomes et des particules ?
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On en prendrait plein les yeux.
Parce qu’ici, les objets font des choses complètement dingues.
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Dans l’univers quantique, on a le sentiment que les choses n’aiment pas rester à un seul et même endroit ou suivre une seule direction.
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C’est comme si elles étaient à plusieurs endroits en même temps.
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Ce qui est fait ici, a des répercussions immédiates ailleurs. Même s’il n’y a personne.
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Et ce n’est pas le plus étrange.
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Si les gens se comportaient comme les particules à l’intérieur d’un atome, la plupart du temps, on ne saurait pas où ils se trouvent.
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En fait, ils pourraient être absolument n’importe où, jusqu’à ce qu’on les cherche.
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– Mais alors, pourquoi croyons-nous à ces lois insolites ?
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Et bien, parce que, depuis plus de 75 ans, nous les utilisons pour prédire la façon dont les atomes et les particules se comportent.
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Et qu’au fil des expériences, les lois quantiques se sont toujours vérifiées.
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« C’est la meilleure théorie. »
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Les lois de la MECANIQUE QUANTIQUE ont été démontrées par des milliards de preuves.
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Elles ont confirmé un nombre incalculable de prédictions bizarres.
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Les principes quantiques n’ont jamais été infirmés par l’expérience.
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Les lois quantiques sont plus simples à appréhender au niveau de l’infiniment petit comme les atomes.
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Mais n’oublions pas une chose : nous sommes faits d’atomes tout comme absolument tout ce que nous voyons autour de nous.
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Alors, aussi curieux soient-ils, ces principes ne s’appliquent pas seulement aux petites choses mais aussi à la réalité.
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– Comment avons-nous découvert ces lois étranges qui semblent contredire une grande partie de ce que nous pensions savoir de l’univers ?
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Il n’y a pas si longtemps, on croyait avoir à peu près tout compris :
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– les principes qui gouvernent l’orbite des planètes autour du soleil ;
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– la trajectoire courbe d’une balle dans le ciel ;
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– la façon dont les ondulations se propagent à la surface d’un plan d’eau.
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Ces lois ont été énoncées par des équations qui constituent la mécanique classique. Elles nous permettaient de prédire le comportement des choses avec certitude.
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Tout semblait parfaitement logique jusqu’au jour où, il y a environ un siècle, les scientifiques ont tenté d’expliquer certaines propriétés de la lumière.
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Par exemple, le type de lumière émise par des gaz chauffés dans une éprouvette en verre.
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L’EXPERIENCE :
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En observant la lumière émise par des gaz chauffés dans une éprouvette en verre, à travers un prisme, les chercheurs ont été sidérés.
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A travers un prisme, on a constaté que la lumière formait des raies ; pas un spectre continu comme celui qu’un coin de verre projette sur une table, mais des raies extrêmement nettes.
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Ce n’était pas un spectre qui se fondait comme celui d’un arc-en-ciel mais des lignes bien délimitées de couleurs différentes.
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C’était un vrai mystère pour les chercheurs.
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Une explication a été avancée.
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L’EXPLICATION :
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L’explication émanait d’un groupe de scientifiques aux idées novatrices qui, au début du XXème siècle, tentaient d’analyser la nature fondamentale du monde physique.
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L’un des plus intuitifs d’entre eux était Nils BOHR. Un physicien Danois qui adorait débattre en jouant au ping-pong.
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Nils BOHR était convaincu que la réponse à ce mystère se trouvait au coeur de la matière, dans la structure de l’atome. Dans sa vision, les atomes ressemblent à de minis systèmes solaires avec des particules encore plus infimes – les électrons – tournant en orbite autour d’un noyau.
Un peu comme les planètes orbitent autour du soleil.
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Mais, selon Nils BOHR, à la différence du système solaire, les électrons ne peuvent pas se trouver sur n’importe quelle orbite mais seulement sur des orbites bien spécifiques.
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C’était une idée qui allait à l’encontre des théories admises.
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Les électrons ne pouvaient être que sur des orbites déterminées. Et uniquement celles-là.
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Nils BOHR postule que lorsqu’on chauffe un atome, ses électrons deviennent excités et sautent d’une orbite fixe à une autre.
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A chaque saut vers une orbite de niveau d’énergie inférieur, de l’énergie est libérée sous la forme d’un rayonnement lumineux avec une longueur d’onde très précise.
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C’est pour cela que les atomes émettent une couleur spécifique et c’est de là que vient l’expression : « SAUT QUANTIQUE ».
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Sans le SAUT QUANTIQUE, on aurait une couleur mal définie émise par un atome passant d’un état excité à désexcité.
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Or, au contraire, on observe, par exemple, des « rouge » et des « vert » très francs.
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C’est grâce aux SAUTS QUANTIQUES que les couleurs sont très franches.
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Ce qui est surprenant là-dedans, c’est que l’électron passe directement d’une orbite à une autre, apparemment sans traverser l’espace qui les sépare.
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Un peu comme si MARS sautait brusquement de son orbite à celle de JUPITER.
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Pour Nils BOHR, le SAUT QUANTIQUE résulte d’une propriété fondamentale et totalement bizarre des électrons, dans les atomes.
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Ils émettent ou absorbent des paquets d’énergie indivisible. Des quantités minimums spécifiques appelés : QUANTAS.
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C’est pour cela que les électrons ne peuvent occuper que des orbites spécifiques.
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« Un électron doit être ici ou là : pas entre les 2. »
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« Cela ne ressemble à rien de ce qu’on peut observer. »
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‘Penser au quotidien : quand on mange, est-ce que la nourriture est sous forme de QUANTAS ?
Faut-il se servir une quantité minimum déterminée ? Non. »
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Mais l’énergie des électrons, dans un atome, est quantifiée.
C’est un phénomène extrêmement mystérieux.
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Pourtant, les expériences ont bientôt montré que Nils BOHR avait raison.
Les électrons obéissent à un ensemble de lois différent de celui qui régit les planètes ou, par exemple, les balles de ping-pong.
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La découverte de Nils BOHR a complètement changé la donne.
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Mais cette conception nouvelle de l’atome a mis Nils BOHR et ses collègues en porte-à-faux avec les théories physiques communément admises.
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Le SAUT QUANTIQUE n’était qu’un début. Par ses idées révolutionnaires, Nils BOHR s’est très vite opposé à l’un des plus grands physiciens de tous les temps : EINSTEIN.
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F (ii) – PETIT PENSE-BÊTE –
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LA MECANIQUE QUANTIQUE PAR L’EXPERIENCE (suite)
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– 2nde EXPERIENCE :
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Par ses idées révolutionnaires, Nils BOHR s’est très vite opposé à l’un des plus grands physiciens de tous les temps : EINSTEIN.
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EINSTEIN n’avait pas peur de la nouveauté.
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Mais, dans les années 1920, le monde de la mécanique quantique a pris une direction qu’il n’avait pas envie de suivre car elle divergeait nettement des prédictions absolues et définitives qui caractérisaient la physique classique.
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Si on avait demandé à EINSTEIN ce qui distingue la physique d’une forme de spéculation oiseuse, il aurait répondu :
« Nous, nous pouvons prévoir les choses avec certitude. »
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La MECANIQUE QUANTIQUE leur a, en quelque sorte, tiré le tapis sous les pieds.
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L’EXPERIENCE DE LA DOUBLE FENTE
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La célèbre expérience de la double fente montre de façon particulièrement imagée les mystères de la physique quantique.
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Mais, si on aspire à une description de la réalité qui se fonde sur des certitudes, attendons-nous à voir nos attentes voler en éclat.
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On peut se faire une idée de cette expérience et de la façon dont elle a bouleversé notre vision de la réalité, en réalisant une expérience similaire. Non pas au niveau des particules mais avec des objets plus ordinaires comme ceux qu’on trouve, par exemple, dans un bowling.
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Mais, avant, réaménageons un peu la piste en posant, par exemple, une plaque debout avec 2 fentes de chaque côté, et posée devant un écran détecteur.
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Normalement, si on fait rouler plusieurs boules sur la piste, soit elles seront arrêtées par la plaque, soit elles passeront par une des 2 fentes et iront frapper l’écran détecteur placé derrière la plaque.
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C’est exactement ce qui se produit.
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Les boules qui passent dans les fentes viennent déchirer l’écran détecteur pile dans l’axe de la fente gauche ou de la fente droite.
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L’expérience de la double fente ressemble à ça. Sauf qu’au lieu de boules de bowling, on utilise des électrons qui sont des milliards de fois plus petits.
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On peut représenter les électrons par des boules de bowling plus petites.
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Voyons ce qui se passe lorsqu’on en lance plusieurs.
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Quand les électrons passent dans les fentes, il se produit un phénomène complètement différent derrière la plaque.
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Au lieu de déchirer l’écran détecteur en seulement 2 points, les électrons sont disséminés sur toute la surface de l’écran et dessinent des bandes verticales, y compris dans la zone comprise entre les 2 fentes.
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Alors qu’en toute logique, elle devrait être protégée des impacts.
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– COMMENT EXPLIQUER CELA ?
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Pour les physiciens – même dans les années 1920 -, cela ne pouvait signifier qu’une seule chose : il s’agit d’ondes.
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– LES ONDES :
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Comme les vagues, les ondes font un tas de choses que des boules de bowling ne peuvent pas faire.
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Les ondes peuvent se scinder et se combiner.
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Si on envoie une vague à travers la double fente, elle se scinde d’abord en 2, puis les 2 vagues résultantes se rencontrent.
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Les crêtes et les creux de chacune d’elles se combinent ; 2 crêtes qui se rencontrent forment une crête plus grande ; 2 creux qui se rencontrent forment un creu plus grand. Et quand une crête et un creu se rencontrent, ils s’annulent.
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Si on traduit la hauteur du niveau d’eau par des points plus ou moins brillants sur l’écran détecteur, les crêtes et les creux créent une succession de bandes.
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C’est ce qu’on appelle : une figure d’interférence.
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– Mais les électrons sont des particules. Alors, comment peuvent-ils dessiner cette figure ?
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– Comment un seul électron peut-il produire le même schéma qu’une onde ?
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Dans les années 1920, la 1ère fois que cette expérience a été réalisée, les scientifiques ont eu du mal à comprendre le comportement des électrons.
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« Une particule est une particule. Une onde est une onde. Comment une particule peut-elle être une onde ? »
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« Ou alors on abandonne l’idée que c’est une particule…. Ce truc que je prenais pour une particule est une onde ! »
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« Une vague n’est pas une particule. L’océan est fait de particules et ses vagues n’en sont pas. Les cailloux ne sont pas des vagues, ce sont des cailloux…. «
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« Le caillou est un type de particule. Une vague est un type d’onde. Et voilà qu’on vient nous expliquer qu’un caillou, c’est la même chose qu’une vague !! Quoi ??!! »
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Certains scientifiques se demandaient si un électron en mouvement pouvait s’étaler à la façon d’une onde.
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Le physicien Erwin SCHRÖDINGER a formulé une équation qui semblait décrire le phénomène.
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SCHRÖDINGER a considéré que cette onde était la description d’un électron étalé. Un électron qui, pour une raison « X », est devenu diffus.
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C’est à dire qui n’est plus un point mais une tache.
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Cela a donné lieu à de nombreux débats.
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Finalement, c’est un physicien du nom de Max BORN qui a proposé une explication totalement inédite.
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Max BORN a dit que l’onde n’était pas un électron étalé, ni quoi que ce soit d’autre de connu de la science.
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Pour Max BORN, il s’agissait d’une chose très curieuse : UNE ONDE DE PROBABILITE.
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– UNE ONDE DE PROBABILITE :
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Une onde de probabilité, c’est l’amplitude d’une onde à une position donnée qui prédit la probabilité que l’électron se trouve à cette position.
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Une amplitude élevée ne veut pas dire c’est là que se trouve l’électron ; mais c’est là qu’il a le plus de chance de se trouver.
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« C’est très étrange. Cela semble indiquer que l’électron ait une multitude de possibilités. »
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On n’a pas le droit de demander où est l’électron – (là, tout de suite) -. Mais on a le droit de demander : « si je cherche l’électron dans cette portion de l’espace, quelle est la probabilité que je le trouve là ? »
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« C’est un vrai casse-tête. »
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Aussi étrange soit-elle, cette nouvelle manière de décrire le mouvement de particules comme les électrons, est parfaitement juste.
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Quand on lance un seul électron, on ne peut jamais prédire où il va atterrir.
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Mais si on utilise l’équation de SCHRÖDINGER pour trouver L’ONDE DE PROBABILITE de l’électron, on peut prédire avec une assez grande certitude qu’en jetant un nombre suffisant d’électrons, 33,1 % d’entre eux se retrouveront ici ; 7,9 % là … et ainsi de suite …
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D’innombrables expériences ont confirmé ce type de prédictions.
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Par conséquent les équations de la mécanique quantique s’avèrent étonnamment précises … Dès lors qu’on accepte qu’il s’agit seulement de probabilités.
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Si, pour nous, le mot de « probabilité » équivaut au mot « devinette », les casinos démontreront qu’on a tort.
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Si on tente notre chance à n’importe quel jeu de hasard, on constatera le pouvoir des probabilités.
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PAR EXEMPLE : Disons qu’on mise 20 euros sur le n° 29 à la roulette.
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Le casino ignore si on va gagner cette fois-ci, ou la prochaine, ou la suivante.
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Mais le casino sait que la probabilité pour qu’on gagne à ce jeu est de 1 sur 38.
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Alors, même si on gagne de temps en temps, à long terme le casino ramasse toujours plus qu’il ne perd.
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Les casinos n’ont pas besoin de connaître le résultat de chaque main, de chaque lancer de dés et de chaque tour de roulette.
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Les casinos savent que, sur des milliers de résultats, il seront gagnants ; et ils peuvent prédire, avec une précision remarquable, combien de fois ils le seront.
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F (iii) – PETIT PENSE-BÊTE –
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LA MECANIQUE QUANTIQUE PAR L’EXPERIENCE (suite)
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– LE DEBAT ENTRE Nils BOHR et Albert EINSTEIN
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D’après les lois de la mécanique quantique, le monde tout entier est un jeu de hasard.
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Toute la matière qui constitue l’univers est faite d’atomes et de particules subatomiques gouvernés par la PROBABILITE et non par la certitude.
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La nature est décrite par une théorie intrinsèquement probabiliste. Mais c’est absolument contraire à l’intuition et la plupart des gens ont du mal à l’accepter.
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EINSTEIN ne faisait pas exception. Il ne pouvait pas croire que la nature fondamentale de la réalité était déterminée par le hasard.
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EINSTEIN ne pouvait pas l’accepter. Il a dit : « Dieu ne joue pas aux dés. »
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EINSTEIN détestait l’idée qu’on ne puisse pas affirmer avec certitude telle ou telle chose se produit.
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Beaucoup d’autres physiciens ont, en revanche, été séduits par la PROBABILITE car les équations de la mécanique quantique leur permettaient de prédire le comportement de paquets d’atomes et de particules microscopiques avec une précision surprenante.
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Ce qui s’est traduit rapidement par plusieurs inventions majeures : le laser ; le transistor ; le circuit intégré ; et toute l’électronique …
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Si la mécanique quantique se mettait brusquement en grève, pratiquement toutes nos machines tomberaient en panne.
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Les équations quantiques ont aidé les ingénieurs à concevoir des interrupteurs minuscules qui dirigent le flot d’électrons et contrôlent tous les ordinateurs, les caméras numériques, et les téléphones.
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Les diodes, les transistors, tous les composants sur lesquels reposent notre technologie de l’information et notre quotidien fonctionnent grâce à la mécanique quantique.
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Sans la mécanique quantique, on se retrouverait au XIXème siècle avec les machines à vapeur, le télégraphe …
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La mécanique quantique est la théorie la plus remarquable que les physiciens aient jamais découverte.
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Et pourtant, on n’est toujours pas d’accord sur sa signification et ce qu’elle nous apprend sur la nature de la réalité.
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Malgré tous ces triomphes, la mécanique quantique reste extrêmement mystérieuse.
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Elle fait marcher un tas de choses. Mais on n’a toujours pas répondu aux questions fondamentales soulevées par EINSTEIN dans les années 1920 et 1930.
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Des questions sur la probabilité et la mesure.
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Autrement dit, l’observation.
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Pour Nils BOHR, l’acte de mesurer changeait tout.
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Et donc, tant qu’on n’avait pas mesuré ou observé une particule, ses caractéristiques étaient incertaines.
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Reprenons l’expérience de la double fente avec un électron.
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Avant que l’écran détecteur ne localise sa position, l’électron peut se trouver presque n’importe où.
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Les possibilités sont innombrables.
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Ce n’est qu’au moment où on l’observe – (et à ce moment seulement) -, que l’incertitude concernant sa position est levée.
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D’après la théorie de Nils BOHR, l’action de mesurer une particule contraint celle-ci à abandonner toutes les autres positions qu’elle aurait pu avoir, pour une position définie où on l’observe.
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C’est l’acte de mesurer qui force la particule à faire ce choix.
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Nils BOHR acceptait que la réalité soit, par nature, floue.
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Pas EINSTEIN.
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EINSTEIN croyait en la certitude.
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Pas seulement quand on mesure ou observe quelque chose, mais à n’importe quel moment.
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Et, d’ailleurs, EINSTEIN a dit : « J’aime à penser que la lune est là, même quand je ne la regarde pas. »
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C’est ce qui agaçait EINSTEIN. La réalité de l’univers dépend-elle réellement du fait qu’on le regarde ?
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« C’est bizarre… »
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EINSTEIN était convaincu qu’il manquait quelque chose dans la théorie des QUANTAS ; quelque chose qui décrive les caractéristiques détaillées des particules. Comme leur position, même quand on ne les observe pas.
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Mais, à cette époque, peu de physiciens partageaient cette préoccupation.
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Pour EINSTEIN, ce n’était pas faire son boulot de physicien jusqu’au bout.
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Selon EINSTEIN, la théorie de BOHR n’était pas mauvaise, mais elle n’était pas complète.
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C’était le refrain d’EINSTEIN :
« La mécanique quantique n’est pas incorrecte mais, en l’état, elle n’est pas complète. Elle n’englobe pas tout ce qu’on peut prédire avec certitude. »
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Mais Nils BOHR ne voulait pas en démordre.
Et, quand EINSTEIN décrétait : « Dieu ne joue pas aux dés. »
Nils BOHR lui rétorquait : « Cessez de dire à Dieu ce qu’il doit faire ! »
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Puis, en 1935, EINSTEIN a cru avoir trouvé le talon d’Achille de la mécanique quantique.
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Un phénomène si contraire à toute intuition logique de l’univers que cela pourrait, d’après EINSTEIN, enfin prouver que la théorie de BOHR était incomplète.
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Ce talon d’Achille s’appelait : L’INTRICATION QUANTIQUE.
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« La prédiction la plus bizarre, la plus absurde, la plus folle et la plus ridicule de la mécanique quantique, c’est L’INTRICATION. »
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L’INTRICATION QUANTIQUE est une prédiction théorique issue des équations de la mécanique quantique.
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2 particules peuvent devenir intriquées si elles sont proches et que leurs propriétés deviennent corellées.
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Et, bizarrement, la mécanique quantique dit que, même si on sépare ces particules, qu’on les envoie chacune dans une direction opposée, elles resteront inextricablement liées.
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Pour comprendre à quel point cette idée est farfelue, nous allons étudier l’une des caractéristiques des électrons : LE SPIN.
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– LE SPIN :
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Contrairement à la rotation d’une toupi, LE SPIN d’un électron, comme c’est le cas d’autres grandeurs quantiques, est en général totalement flou et incertain.
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Jusqu’au moment où on le mesure.
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Et, à ce moment-là, on constate que l’électron tourne soit dans le sens des aiguilles d’une montre, soit dans le sens contraire.
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C’est un peu comme une roue d’un jeu de hasard.
Quand la roue s’arrête, le curseur va se trouver au hasard sur le rouge ou sur le bleu.
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Maintenant, imaginons une seconde roue.
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Si ces 2 roues se comportaient comme des électrons intriqués, à chaque fois que l’une s’arrêterait sur le rouge, l’autre tomberait systématiquement sur le bleu. Et inversement.
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Etant donné que les roues ne sont pas reliées, c’est déjà bizarre.
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Mais la théorie défendue par Nils BOHR et ses collègues va encore plus loin.
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Elle prédit que, si l’une des 2 roues est très éloignée, même si elle est sur la Lune, sans qu’elle soit reliée par un fil ou un transmetteur, et bien, même dans ces conditions, si le curseur de l’une des 2 routes est sur le rouge, le curseur de l’autre roue sera, à coup sûr, sur le bleu.
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Autrement dit, si on mesure une particule ici, non seulement on affecte cette particule, mais on affecte aussi celle avec laquelle elle est intriquée?
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Quel que soit leur éloignement.
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Pour EINSTEIN, cette idée d’une connexion longue distance entre des roues ou des particules était si ridicule qu’il a parlé D’ACTION FANTÔME : « ACTION FANTÔME A DISTANCE ».
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– L’ACTION FANTÔME A DISTANCE :
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Quand on mesure l’action d’une des particules à un endroit, il semble que l’autre le sache comme par magie.
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Même si elle est très loin.
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Ce qui est étonnant, c’est qu’en mesurant une particule, on affecte l’état de l’autre, on la modifie.
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« Il n’y a pas de poulie, pas de fil téléphonique, rien qui les relie. »
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– « Alors, comment ce que je fais ici, a-t-il un impact sur ce qui se passe là-bas ? »
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« Il est impossible qu’elles communiquent entre elles. C’est franchement bizarre. »
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Et c’est un phénomène sur lequel EINSTEIN s’est interrogé en 1935.
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EINSTEIN refusait le concept d’INTRICATION.
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Il s’est donc convaincu que c’étaient les calculs qui étaient bizarres. Pas la réalité.
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Il a admis que les particules intriquées existaient. Mais, pour lui, il y avait une explication plus simple à ce phénomène et qui n’avait rien à voir avec une mystérieuse connexion longue distance.
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Il affirmait même que les particules intriquées étaient ….. comme une paire de gants.
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Imaginer qu’on sépare les 2 gants et qu’on les place chacun dans une mallette. Puis, on nous fait livrer une des 2 mallettes, tandis que l’autre mallette est envoyée en Antarctique.
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Avant d’ouvrir notre mallette, on sait qu’on a : soit le gant gauche, soit le gant droit.
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Et, une fois la mallette ouverte, si le gant gauche est à l’intérieur, alors, à cet instant, on sait que la mallette en Antarctique, contient forcément le gant droit, même si personne ne l’a encore ouverte.
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Il n’y a rien de mystérieux là-dedans.
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De toute évidence, en regardant dans notre mallette, on n’a pas affecté l’un ou l’autre gant. Notre mallette a toujours contenu le gant gauche, et celle en Antarctique a toujours contenu le gant droit.
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C’était déterminé depuis l’instant où les 2 gants ont été séparés.
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Pour EINSTEIN, c’était exactement la même chose avec les particules INTRIQUEES.
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Quelle que soit la configuration des électrons, chacune est entièrement définie à partir du moment où ils se séparent.
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– ALORS, QUI AVAIT RAISON ? Nils BOHR ou EINSTEIN ?
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Nils BOHR ? Pour qui l’état aléatoire des particules comme celui des roues de loterie était lié, même si elles étaient à une grande distance l’une de l’autre ?
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Ou EINSTEIN ? Persuadé qu’il n’existait pas de LIEN FANTÔME mais que tout était déjà déterminé avant même qu’on ne l’observe ?
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F (iv) – PETIT PENSE-BÊTE –
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LA MECANIQUE QUANTIQUE PAR L’EXPERIENCE (suite)
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– L’EXPERIENCE qui a clos le débat entre Nils BOHR et EINSTEIN
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« C’est vraiment difficile de savoir qui a raison. BOHR ou EINSTEIN ?
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Parce que EINSTEIN dit : « Une particule possède un spin défini avant qu’on ne le mesure. »
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« Comment pouvez-vous le savoir ? » Lui objecte BOHR.
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« Et bien, mesurez-le et vous trouverez la valeur de son spin. »
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Et BOHR de rétorquer : « Mais c’est le fait de mesurer qui donne au spin une valeur définie. »
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A l’époque, personne ne savait comment résoudre le problème.
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Et on a fini par le considérer comme une question philosophique et non scientifique.
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A sa mort, en 1955, EINSTEIN était toujours convaincu que la MECANIQUE QUANTIQUE offrait, au mieux, un tableau incomplet de la réalité.
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En 1967, à l’université de Columbia, c’est une figure plutôt inattendue qui prend le relai de la croisade que menait EINSTEIN :
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– John CLOSER, un étudiant en doctorat d’astrophysique.
Et Alain ASPECT
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La seule matière qui empêche John CLOSER d’avoir son diplôme est justement la MECANIQUE QUANTIQUE.
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« A l’époque, malgré tous mes efforts, je ne comprenais rien à la MECANIQUE QUANTIQUE. » (John CLOSER)
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CLOSER se demande si EINSTEIN n’était pas dans le vrai, lorsqu’il tombe sur un élément décisif : une publication peu connue d’un physicien Irlandais obscure, du nom de : John BELL.
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BELL semble avoir trouvé un moyen de sortir de l’impasse dans laquelle EINSTEIN et BOHR s’étaient enfermés.
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ET DE RESOUDRE DEFINITIVEMENT LA QUESTION.
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« J’étais convaincu que la théorie quantique était fausse. » (CLOSER)
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Dans son article, BELL dit avoir trouvé un moyen de savoir si des particules intriquées communiquent réellement par le biais d’une ACTION FANTÔME comme les 2 roues.
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Ou bien, si une telle action n’existe pas et que l’état des particules est défini dès le départ comme pour la paire de gants.
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En outre, grâce à des calculs savants, BELL démontre que si la théorie de l’ACTION FANTÔME n’était pas avérée, alors la mécanique quantique ne serait pas seulement incomplète comme le pensait EINSTEIN, elle serait erronée.
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« Je me suis dit : c’est un des plus beaux raisonnements que j’aie jamais vu. » (CLOSER)
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John BELL est un théoricien. Mais son article montre que le débat pourrait être tranché à condition de construire une machine capable de créer et de comparer de nombreuses paires de particules INTRIQUEES.
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John BELL en avait fait une question expérimentale.
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Ce n’était donc plus seulement un débat philosophique et son expérience pouvait être réalisée.
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Cette expérience permettait enfin de résoudre la question.
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John CLOSER entreprend alors de construire la fameuse machine.
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« A l’époque, je n’étais qu’un thésard. Mais je me suis dit : WAOUH ! Il y a peut-être une petite chance que je découvre un résultat qui bouleverserait le monde. » (CLOSER)
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La machine que CLOSER met au point peut mesurer des milliers de paires de particules INTRIQUEES et les comparer dans de nombreuses directions.
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Mais, dès les premiers résultats, CLOSER est surpris et contrarié.
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« Je n’arrêtais pas de me demander : où est-ce que je me suis trompé ? Où sont les erreurs ? » (CLOSER)
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CLOSER recommence alors ses expériences.
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– Alain ASPECT :
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Quelques années plus tard, le physicien français, Alain ASPECT, effectue des tests encore plus sophistiqués dont un qui cible directement le débat entre EINSTEIN et Nils BOHR.
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D’après Alain ASPECT, pour que la mesure des propriétés de l’une des particules influence directement l’autre, il faudrait qu’un signal voyage entre elles plus vite que la vitesse de la lumière.
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Or, EINSTEIN lui-même a démontré que c’était impossible.
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La seule autre explication est la fameuse ACTION FANTÔME A DISTANCE.
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Ce que confirment les expériences d’Alain ASPECT.
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Ces résultats font l’effet d’une bombe. Ils prouvent que les calculs de la MECANIQUE QUANTIQUE sont corrects.
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L’INTRICATION EXISTE.
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Des particules quantiques peuvent être correllées à travers l’espace. Mesurer les propriétés de l’une a une influence instantanée sur l’autre. Comme si la distance qui les sépare n’existait pas.
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Ce en quoi EINSTEIN ne voulait pas croire.
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« L’ACTION FANTÔME A DISTANCE existe bel et bien. » (CLOSER)
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« J’étais désolé de ne pas avoir pu réfuter la MECANIQUE QUANTIQUE parce que j’avais – et j’ai toujours – un mal fou à la comprendre. » (CLOSER)
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L’ACTION FANTÔME A DISTANCE est le phénomène le plus étrange de la MECANIQUE QUANTIQUE. C’est impossible à l’appréhender.
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« Ne demandez pas pourquoi ni comment ça marche. C’est une question qu’on n’a pas le droit de poser. Tout ce qu’on sait, c’est que le monde fonctionne comme ça. »
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A partir du moment où on admet que le monde fonctionne bizarrement, nous serait-il possible d’utiliser ce phénomène « D’ACTION FANTÔME A DISTANCE » et de le tourner à notre avantage ?
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F (v) – PETIT PENSE-BÊTE –
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LA MECANIQUE QUANTIQUE PAR L’EXPERIENCE (suite)
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– 4ème EXPERIENCE
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L’ACTION FANTÔME A DISTANCE est le phénomène le plus étrange de la MECANIQUE QUANTIQUE. C’est impossible à l’appréhender.
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« Ne demandez pas pourquoi ni comment ça marche. C’est une question qu’on n’a pas le droit de poser. Tout ce qu’on sait, c’est que le monde fonctionne comme ça. »
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A partir du moment où on admet que le monde fonctionne bizarrement, nous serait-il possible d’utiliser ce phénomène « D’ACTION FANTÔME A DISTANCE » et de le tourner à notre avantage ?
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Il y a longtemps que l’Homme rêve de transporter des personnes et des objets d’un endroit à un autre, sans qu’ils aient à parcourir la distance qui les sépare.
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Depuis « Startrek », la téléportation est apparue comme un mode de transport très pratique.
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Mais ce qui nous semblait jusque là, de la pure science fiction serait-il possible grâce à l’INTRICATION ?
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Des scientifiques effectuent des tests sur les Iles Canaries, au large des Côtes africaines.
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« On fait des expériences aux Canaries car il y a 2 observatoires, ici. Et, en plus, le cadre est sympa. » (Anton ZEILINGER)
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Anton ZEILINGER est encore loin de pouvoir téléporter qui que ce soit. En revanche, il tente d’utiliser l’INTRICATION QUANTIQUE pour téléporter des particules individuelles, plus exactement des photons, les particules associées à la lumière.
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Il commence par créer une paire de photons INTRIQUES dans un laboratoire sur l’Ile de LA PALMA.
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L’un des photons reste à LA PALMA, tandis que l’autre est envoyé par un laser, sur l’Ile de Ténérife, à 143 km de là.
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Ensuite, Anton ZEILINGER fait intervenir un 3ème photon, celui qu’il compte téléporter, et le fait interagir avec le photon INTRIQUE resté à LA PALMA.
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Son équipe étudie cette interaction et compare l’état quantique de chacune des 2 particules.
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C’est là que ça devient intéressant.
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Grâce au phénomène d’ACTION FANTÔME A DISTANCE, les scientifiques peuvent utiliser le résultat de la comparaison pour transformer le photon INTRIQUE qui est sur l’Ile de TENERIFE, en une copie identique du 3ème photon.
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Au final, c’est comme si le 3ème photon avait été téléporté à travers l’océan, sans franchir l’espace qui sépare les 2 Iles.
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En quelque sorte, on extrait l’information contenue dans l’original et on fabrique un nouvel original là-bas.
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Grâce à cette technique, le physicien a réussi à téléporter des dizaines de particules.
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– MAIS POURRAIT-ON ALLER PLUS LOIN ?
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Puisque nous sommes composés de particules, ce processus permettra-t-il de rendre un jour possible la téléportation humaine ?
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Imaginons qu’on veut aller à NEW-YORK pour y déjeuner.
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En théorie, l’INTRICATION pourrait un jour nous le permettre.
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Voilà ce qu’il nous faut : une chambre à particules ici, à PARIS, INTRIQUEE avec une autre chambre à particules à NEW-YORK.
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On monte dans un silo qui fonctionne comme un scanner ou un FAX.
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Pendant que la machine scane les particules dont on est composé, bien plus nombreuses que les étoiles dans l’univers observable, elle scanne simultanément les sparticules dans l’autre chambre et établi une liste comparative de l’état quantique des 2 ensembles de particules.
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C’est là qu’intervient le phénomène de l’INTRICATION.
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Par le biais de l’ACTION FANTÔME A DISTANCE, cette liste répertorie le lien entre l’état original de nos particules et l’état de celles qui se trouvent à PARIS.
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Ensuite, l’opératrice envoie cette liste à NEW-YORK où son collègue reconstruit l’état quantique rigoureux de chacune de nos particules gràce aux informations fournies, et matérialise un nouveau « MOI ».
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En réalité, les particules n’ont pas voyagé de PARIS à NEW-YORK. C’est le phénomène d’INTRICATION qui permet d’extraire notre état quantique à PARIS et de le reconstituer intégralement à NEW-YORK.
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Et nous voici à NEW-YORK, réplique exacte de nous-même.
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D’ailleurs, il vaudrait mieux. Parce que le fait de mesurer l’état quantique de l’ensemble de nos particules à PARIS, a détruit le « MOI » original.
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Le protocole de téléportation quantique exige que l’objet téléporté soit détruit au cours du processus.
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« Forcément, il y a de quoi être inquiet. Si ça râtait, on finirait sous la forme d’un amas de neutrons, de protons et d’électrons. Pas terrible. » (CLOSER)
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Certes, nous sommes encore loin de la téléportation humaine, aujourd’hui. Mais cette éventualité soulève une question : la personne – « MOI » – arrivée à NEW-YORK par la téléportation, est-elle vraiment « MOI » ?
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En fait, il ne devrait pas y avoir de différences entre l’ancien « MOI » à PARIS, et le nouveau « MOI » à NEW-YORK.
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Selon les lois de la MECANIQUE QUANTIQUE, ce qui fait que je suis « MOI », ce ne sont pas les particules physiques mais les informations qu’elles contiennent.
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Or, celles-ci ont toutes été téléportées, bien que nous soyons constitués de milliards de milliards de particules.
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C’est une question philosophique profonde.
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Est-ce l’orginal ou non, qui arrive dans le silo de réception ?
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Si, par « original », on entend quelque chose qui possède toutes les propriétés de l’original, alors, dans ce cas, la réponse est « OUI ».
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« Jamais je n’entrerais dans cette machine. » (CLOSER)
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En attendant que la téléportation humaine devienne peut-être une réalité, l’incertitude de la MECANIQUE QUANTIQUE a une foule d’autres applications potentielles.
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F (vi) – PETIT PENSE-BÊTE –
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LA MECANIQUE QUANTIQUE PAR L’EXPERIENCE (suite)
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– L’ORDINATEUR QUANTIQUE
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En attendant que la téléportation humaine devienne peut-être une réalité, l’incertitude de la MECANIQUE QUANTIQUE a une foule d’autres applications potentielles.
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Au MIT, Set LLOYD est l’un des nombreux chercheurs qui tentent d’explorer ses propriétés de façon totalement nouvelle.
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« La MECANIQUE QUANTIQUE est bizarre. Quand on tombe sur des citrons bizarres, autant en faire une citronnade pas comme les autres. » (Set LLOYD)
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La « citronnade » de Set LLOYD, c’est un ordinateur quantique.
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Voilà l’intérieur d’un ordinateur quantique.
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Cette machine bizarroïde a beau ne pas ressembler à un PC classique, elle parle pourtant le même langage.
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Un code binaire, une langue informatique faite de « 0 » et de « 1 » appelés BIT.
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Le plus petit élément d’information est un BIT.
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Dans le principe, un ordinateur décompose l’information en éléments encore plus petits et les manipule à toute allure.
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Contrairement au BIT classique dont la valeur est soit « O » soit « 1 », les BIT quantiques sont beaucoup plus souples.
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Disons qu’ici on a des BIT. Ici « O », et là « 1 ». C’est une information.
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Mais si c’est à la fois ici et là, on a un BIT quantique ou : QUBIT
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De même qu’un électron peut à la fois tourner dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse, un QUBIT peut prendre simultanément les valeurs de « 0 » et de « 1 ». Ce qui en fait un élément multi-tâches.
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Ce qui veut dire qu’on peut effectuer des calculs d’une complexité inimaginable.
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En théorie, un QUBIT peut être n’importe quel élément qui se comporte selon les lois quantiques ; comme un électron ou un atome.
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Ici, il s’agit de minuscules circuits supra-conducteurs conçus grâce à la nanotechnologie et capables de fonctionner simultanément dans 2 directions.
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Comme les QUBIT sont multi-tâches, notre puissance de calculs pourrait exploser de façon exponentielle si on parvenait à en faire travailler plusieurs ensemble à la résolution d’un problème.
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1 Qubit peut faire 2 choses à la fois.
2 Qubit peuvent faire 4 choses à la fois
10 Qubit peuvent faire 1024 choses à la fois
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et 300 Qubit pourraient effectuer simultanément plus de choses qu’il y a de particules élémentaires dans l’univers.
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Vous voulez avoir une idée de la puissance d’un ordinateur quantique ?
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Imaginons qu’on soit perdu dans un labyrinthe végétal.
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On aimerait trouver la sortie le plus vite possible.
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Mais les possibilités sont innombrables et on est obligé de les essayer une par une.
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Cela veut dire qu’on va se retrouver dans des impasses, finir dans des cul-de-sacs, et tourner là où il ne fallait pas, avant d’avoir un coup de chance et de trouver la sortie.
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En gros, c’est comme ça que nos ordinateurs résolvent les problèmes ; même s’ils travaillent très vite, ils ne font qu’une seule chose à la fois, tout comme on essaie les chemins les uns après les autres dans le labyrinthe.
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Mais si on pouvait tester toutes les possibilités simultanément, ce serait différent.
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C’est un peu comme ça que fonctionne un ordinateur quantique.
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Puisque les particules peuvent être à de nombreux endroits simultanément, la machine pourrait vérifier en même temps un nombre considérable de chemins et de solutions, et trouver la bonne en un clin d’oeil.
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Dans un labyrinthe, il y a un nombre délimité de chemins à explorer. Et même un ordinateur classique trouverait la sortie rapidement.
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Mais imaginons un problème qui comporte des milliards de variables comme, par exemple :
– prévoir la météo à long terme, on pourrait anticiper les catastrophes naturelles comme les séismes et les ouragans.
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Résoudre ce genre de problème aujourd’hui, serait impossible car il faudrait, pour ça, des machines d’une taille colossale.
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Mais un ordinateur quantique pourrait faire le travail avec seulement quelques centaines d’atomes et le cerveau de cet ordinateur serait plus petit qu’un grain de sable.
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F (vii) – PETIT PENSE-BÊTE –
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LA MECANIQUE QUANTIQUE (fin)
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Nous savons de mieux en mieux exploiter la puissance du monde quantique.
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Qui sait jusqu’où cela nous emmènera.
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Mais il ne faut pas oublier qu’au coeur de cette théorie qui nous a tellement apporté, une question fondamentale reste sans réponse.
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– Qu’advient-il de toutes les bizarreries qu’on observe au niveau quantique, à l’échelle des atomes et des particules ?
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– Comment se fait-il que, dans le monde quantique, les choses flottent dans un état d’incertitude en partie ici, et en partie là ?
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Alors que nous qui sommes faits d’atomes et de particules, nous semblons figés à jamais dans un état bien défini.
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Nous sommes toujours soit ici, soit là.
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Nils BOHR n’a jamais réellement expliqué pourquoi l’incertitude du monde quantique paraissait disparaître à mesure que les choses augmentaient en taille.
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Aussi présente et précise que soit avérée la MECANIQUE QUANTIQUE, les scientifiques n’ont toujours pas résolu ce mystère.
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Certains sont convaincus qu’il manque des détails dans les équations quantiques.
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Même si les possibilités sont immenses dans le monde de l’infiniment petit, ce sont ces détails manquants qui recalculent les chiffres à mesure qu’on passe du niveau des atomes au niveau des objets.
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Et donc, il devient clair que toutes ces possibilités, sauf une, disparaissent.
Ce qui donne un seul résultat défini.
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D’autres physiciens pensent que toutes les possibilités qui existent dans la MECANIQUE QUANTIQUE ne disparaissent jamais mais que chaque possibilité trouve son aboutissement.
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Mais la plupart aboutissent dans des univers parallèles au nôtre.
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C’est une idée qui donne le vertige.
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Mais il se pourrait que la réalité dépasse le cadre de l’univers que nous voyons. Et qu’elle se ramifie constamment en créant des mondes nouveaux où chaque possibilité se matérialise.
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La MECANIQUE QUANTIQUE est un territoire encore vierge. Et nul ne peut prédire où son exploration nous entraînera.
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Le simple fait que notre réalité soit plus étendue, plus étrange et plus mystérieuse qu’on le croyait est magnifique et impressionnant.
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Le plus beau, dans la science, c’est qu’elle nous permet d’apprendre des choses qui dépassent nos rêves les plus fous. La MECANIQUE QUANTIQUE en est l’illustration parfaite.
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Le jour où on découvre la MECANIQUE QUANTIQUE, on n’est plus jamais le même.
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Aussi étrange la MECANIQUE QUANTIQUE soit-elle, il est clair, maintenant, qu’il n’y a pas de frontière entre les mondes de l’infiniment petit et de l’infiniment grand.
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Ses lois s’appliquent partout.
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La seule différence est que ses caractéristiques les plus bizarres sautent plus aux yeux quand les objets sont petits.
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La découverte de la MECANIQUE QUANTIQUE a révélé une réalité, notre réalité qui est à la fois surprenante et fascinante ; et qui nous permet de comprendre un peu mieux le cosmos.
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