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15 juin 2016
Le Mystère du monde quantique

La bd la plus compliquée que je connaisse. Mais l'une des plus passionnantes, assurément. Le lecteur suit Bob et son chien Rick dans leurs pérégrinations de l'esprit scientifique qui n'est pas sans rappeler l'univers de Marc Antoine Mathieu tant le bancale de la matière, une optique réflexive et l'absurde dominent un scénario travaillé. Un régal pour le lecteur curieux, avide d'un savoir duquel le registre lexical ne lui échappera plus – orbital atomique, nature ondulatoire, particule atomique, probabilités, fonction d'onde… Autant de nouveaux concepts qui donnent un relief fou au réel.

Aussi rencontrent-ils d'abord Max Planck (1858-1947), grand initiateur de la théorie quantique lequel leur rappelle ce qu'est une constante – une quantité présente dans les lois de la nature (la constante G de Newton qui mesure l'intensité de la force gravitationnelle entre deux masses ou celle de la vitesse de la lumière dans le vide, la constante C).
Planck, lui, a découvert une troisième constante qu'il nommera h – sans pour autant savoir ce qu'elle implique (c'est souvent comme ça, avec les précurseurs...).
En posant l'hypothèse suivante : la matière chaude, comme l'est cette bûche, là, se compose de charges électriques qui oscillent depuis son centre, sur une ligne droite. Autrement dit, un oscillateur. Plus il oscille vite, plus sa fréquence augmente et plus la flamme est jaune. Moins il oscille, moins forte est sa fréquence et rouges sont les braises. Or, une matière qui dégage de la chaleur, comme le fait cette bûche, là, se composerait d'un grand nombre d'oscillateurs aux fréquences diverses. Dès lors, comment calculer l'énergie que dégage la bûche ?
Planck, jamais à court d'arguments, trouva alors que la quantité d'énergie est fonction de la fréquence de l'oscillateur. Plus, il oscille, plus la fréquence est élevée, plus l'énergie est forte. Ce qui ne répond pas à la question : comment la calculer. Aussi, Planck la calibra. C'est pourquoi h=Ɛ/f ! Soit h, le rapport entre…, Ɛ, la quantité d'énergie divisée par f, la fréquence de l'oscillateur. D'où la troisième constante h, dite de Planck, qui, elle, mesure le rapport énergie/fréquence oscillatoire. Plus sa valeur est élevée, plus ça chauffe, plus c'est jaune. À l'inverse, moins elle l'est, moins ça chauffe, moins c'est jaune.
Conséquence : l'énergie dégagée par la matière est segmentée par sa quantité, laquelle, on vient de le voir, est fonction de l'ensemble des fréquences des oscillateurs. Or, le postulat n'est basé que sur une hypothèse ! C'est pourquoi Planck disait qu'il n'y voyait dans ces travaux, aucune description du réel puisqu'il a utilisé cette méthode pour les besoins d'un comptage.
Mais voilà...
Einstein, Albert de son prénom (1879-1955), se saisit de la constante h pour l'appliquer à la… lumière. Laquelle se constitue désormais non pas d'une onde, mais de paquets d'énergie qu'il nommera quanta de lumière.
Dès lors, la constante h passera de savant en savant. Après Planck et Einstein, Bohr, Niels Bohr (1885-1962). Il introduisit h dans la structure de l'atome, cette brique de toute matière censée être indivisible, et considéra que l'énergie émise par un atome d'hydrogène (le plus petit de ses congénères) ne pouvait être quantifiée que par une suite discontinue de valeurs. Aussi, l'énergie d'un atome H devient quantifiable selon que son électron se meut sur un rayon orbital plus ou moins éloigné de son proton. C'est là que ça se corse ! Un électron ne pouvant tourner indéfiniment autour de son noyau de manière circulaire ou elliptique – sinon la température augmenterait et la constante G lui imposerait un crash sévère – il se comporte forcément autrement. Mais comment ?
Bohr suppose alors qu'un atome passe d'un état à un autre – autrement dit, son électron change de d'orbite sans en connaître la cause. Voilà pourquoi Einstein propose un moyen qui décrit le comportement des atomes ! Ainsi naquit une vision probabiliste de ces transitions atomiques. Par seconde, l'électron se trouvera sur tel ou tel rayon atomique.
Conséquences : Einstein introduit le hasard dans la description d'un atome tout en déduisant la présence d'une impulsion. Bin oui ! Si l'électron change d'orbite c'est forcément sous le coup d'une impulsion. Du coup, à l'observer, l'atome n'est plus seulement une particule, mais est aussi une onde. C'est peut-être la raison pour laquelle la matière ne se constitue pas uniquement de particules… Une onde de matière ?
Onde vs particule, nature ondulatoire du monde quantique vs discontinuité dans les phénomènes quantiques, quel postulat prendre ?
Aucun, selon Bohr. Quoi ? Comment ? La représentation d'un électron corpuscule et celle d'un électron onde n'ont rien à voir ? Oui, peut-être… Mais peut être n'existe-t-il pas de réalité quantique objective ? Seuls, existent les résultats des observations.
Un point de vue, donc. Et Heisenberg, Werner de son prénom (1901-1976), de poursuivre en s'échinant le bulbe sur les supposées notions de position et d'impulsion. Qui dit impulsion, sous-entend position de départ. Or, si position de départ il y a, nature corpusculaire de l'électron se confirme. Mais si impulsion il y a, la nature ondulatoire s'affirme. « Autrement dit, plus vous essayez d'observer l'aspect corpusculaire de l'électron, moins vous pouvez observer son aspect ondulatoire ! Et réciproquement. » Un truc à tuer le chien, ça !

Une suite d'hypothèses avancée par l'audace, la créativité, qui, au regard des moyens actuels, se voit confortée et, de fait, fait évoluer notre représentation du réel. Depuis, « l'apparence de notre monde repose sur l'existence de la constante h ». Un bd exigeante par son côté didactique – si tant est que le lecteur s'y implique a minima. Par l'effort la culture s'acquière, non de la paresse. Ça, c'est la récompense.

Titre : Le Mystère du monde quantique
Auteur : Thibault Damour & Mathieu Burniat
Éditeur : Dargaud
Année de publication : Mars 2016