Principe d’indétermination d’Heisenberg

Le principe d’indétermination d’Heisenberg est l'une des idées les plus étrange de la physique quantique. Proposé par le physicien allemand Werner Heisenberg en 1927, ce principe révèle une limitation fondamentale de notre capacité à mesurer certaines paires de propriétés d'une particule quantique avec une précision illimitée.

Pour comprendre ce principe, il faut d'abord se familiariser avec les notions de position et de quantité de mouvement, aussi appelée impulsion. La position indique où se trouve une particule dans l'espace, tandis que l'impulsion est liée à sa vitesse et à sa direction de déplacement. En mécanique classique, comme celle qui décrit le mouvement des objets quotidiens, il est possible de mesurer avec une grande précision et indépendamment de l’observation, la position et l'impulsion d'un objet. Mais à l'échelle quantique, les règles changent.

Le principe d’indétermination affirme que plus nous connaissons précisément la position d'une particule, moins nous pouvons connaître précisément sa vitesse, et vice versa. En termes simples, il existe une indétermination inévitable dans la mesure simultanée de ces deux propriétés. Cette indétermination est quantifiée par une relation mathématique qui montre que le produit des incertitudes sur la position et l'impulsion ne peut jamais être inférieur à une certaine valeur minimale. Cette valeur est liée à la constante de Planck, une constante fondamentale de la physique quantique.

L’expérience de la double fente

L’expérience des fentes de Young avec des particules individuelles comme des électrons ou des photons illustre parfaitement les concepts de superposition et d’indétermination en mécanique quantique.

Lorsque des particules sont envoyées une par une à travers les deux fentes, si nous n’effectuons pas de mesure pour déterminer par quelle fente chaque particule passe, chaque photon apparaît de manière aléatoire sur l’écran de détection. En répétant un grand nombre de ces tirs, on observe que l’ensemble des points d’impact sur cet écran commence à former peu à peu un motif d’interférence caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière.

Ce motif indique que chaque particule se comporte comme une onde, passant simultanément par les deux fentes et interférant avec elle-même avant que sa fonction d’onde ne s’effondre au moment de l’impact sur l’écran. Ainsi, le fait de placer un écran de détection provoque un effondrement de la fonction d’onde, expliquant pourquoi, bien que le photon soit passé par les deux fentes en même temps sous forme d’onde, il se manifeste finalement en un seul point sur l’écran photovoltaïque.

En revanche, si nous tentons de mesurer par quelle fente chaque particule passe, par exemple en plaçant des détecteurs près des fentes pour observer leur passage, quelque chose de fondamental change : le motif d’interférence disparaît. À la place, nous obtenons deux bandes distinctes sur l’écran de détection, correspondant aux deux fentes. Cela indique que les particules sont détectées comme passant par une fente ou l’autre, comme si elles se comportaient de manière corpusculaire plutôt qu’ondulatoire.

Ce phénomène illustre de manière claire le principe d’indétermination d’Heisenberg : le choix de mesurer par quelle fente passe chaque particule perturbe son état quantique. Avant la mesure, chaque particule est dans un état de superposition quantique, où elle peut passer simultanément par les deux fentes et se comporter comme une onde. Cependant, lorsque nous mesurons par quelle fente la particule passe, cette mesure force la particule à "choisir" une trajectoire spécifique au lieu de continuer à se comporter comme une onde. Cela modifie complètement son comportement et sa trajectoire. Le photon cesse alors de manifester un comportement ondulatoire pour se comporter davantage comme un corpuscule. C'est pourquoi on dit que les particules quantiques telles que les photons, mais aussi les électrons ou les atomes, présentent une dualité onde-corpuscule.

En déterminant par quelle fente passe la particule, elle cesse de se comporter comme une onde et adopte plutôt un comportement de particule corpusculaire. Étrangement, le motif d’interférence caractéristique de l’onde disparaît. Chaque particule, une fois détectée par l'une des deux fentes, s'écrase sur l’écran de détection derrière cette fente spécifique. Ainsi, le motif d'interférence ondulatoire disparaît et est remplacé par l'ombre projetée des deux fentes.

Ainsi, l’expérience des fentes de Young montre que la nature des particules quantiques est intrinsèquement probabiliste et dépendante du contexte de mesure expérimental. Ce n’est pas simplement une question de connaître ou de ne pas connaître à l’avance la trajectoire des particules ; c’est que ces trajectoires n’ont pas de réalité définie avant la mesure, et que la mesure influence la trajectoire et le comportement des particules.

La mécanique quantique nous enseigne que les particules ne possèdent pas des propriétés comme la position et l’impulsion de manière précise et déterminée avant d’être mesurées, ce qui constitue une distinction fondamentale par rapport à la physique macroscopique. Par exemple, le fait de ne pas connaître la vitesse ou la position d’un satellite ne l’empêche pas d’avoir une position et une vitesse précises. En physique quantique, il en est tout autrement : c’est la mesure qui va déterminer le comportement des particules.

Ce principe a des implications profondes. Il remet en question l'idée que l'univers à l'échelle microscopique peut être décrit avec une précision infinie. Par exemple, en essayant de mesurer la position d'un électron avec une grande précision, on perturbe inévitablement sa vitesse de manière significative, rendant toute mesure de son impulsion très incertaine. Cette limitation n'est pas due à des imperfections des instruments de mesure, mais plutôt à la nature même des particules quantiques, qui changent leur comportement en fonction de la manière dont notre esprit les mesure. Cela pose la question de savoir quel est le rôle de l'esprit sur la réalité matérielle, une question qui reste sujette à débat dans la philosophie et l'interprétation de la physique quantique.

Mise en garde sur les termes choisis :

Le principe d’indétermination d’Heisenberg est malheureusement aussi appelé le principe d’incertitude d’Heisenberg. Cette terminologie alternative peut laisser sous-entendre l’idée d’une simple inconnaissance quant à la mesure des propriétés des particules quantiques, ce qui n’est pas le cas. Comme nous venons de le voir, la façon dont on mesure le monde quantique détermine la façon dont ce monde sera réellement après la mesure. Cette nuance est cruciale pour ne pas croire qu’il ne s’agit que d’une question d’inconnaissance. Werner Heisenberg lui-même a introduit initialement le terme “incertitude” dans son article de 1927 pour désigner son concept fondamental. Cependant, il a par la suite exprimé des réserves concernant son propre choix de terme, préférant utiliser le terme “indétermination” pour mieux refléter la nature probabiliste et non déterministe des particules quantiques. Le mot "indétermination" est donc bien mieux approprié pour éviter tout malentendu.

 Conclusion 

Ainsi, ce principe a été vérifié expérimentalement à maintes reprises et constitue un pilier fondamental de la mécanique quantique. Il a également conduit à des développements technologiques majeurs, tels que le microscope électronique, qui utilise les principes de la mécanique quantique pour obtenir des images à très haute résolution.

Enfin, ce principe influence notre compréhension philosophique de la réalité. Il suggère que, contrairement à ce que l’on pourrait penser, la nature à son niveau le plus fondamental est intrinsèquement floue et incertaine. Il pose aussi la question fascinante de savoir quel rôle joue l’esprit sur la réalité et si, sans lui, la réalité ne serait pas très différente. Cela renvoie à des théories scientifiques spéculatives comme celle de l’univers holographique ou des dimensions et univers parallèles.

Cela change la façon dont nous concevons la connaissance et dont celle-ci peut influencer la réalité dans laquelle nous vivons, offrant une vision du monde où l’incertitude et la probabilité jouent des rôles centraux.

Note : Il est important de préciser que je ne suis pas un spécialiste et que cet article a été rédigé à la suite d'une longue conversation avec ChatGPT pour clarifier mes propres incompréhensions. Les explications fournies par ChatGPT, qui m'ont aidé dans la rédaction, ne sont donc pas infaillibles. Si vous identifiez des erreurs ou des pistes d'amélioration concernant ma compréhension des sujets abordés, je vous invite à venir en discuter sur mon forum.