Le
principe d’incertitude
Pour mieux
comprendre le sort du noyau au cœur d’une nébuleuse planétaire, il nous faut faire
un petit détour vers la mécanique quantique. Faisons donc connaissance avec
l’un de ses principes fondamentaux : le principe d’incertitude.
Mesurer la
position et la vitesse d’une particule
Imaginons que
nous ayons à donner une description complète d’un électron, c’est-à-dire à
déterminer des grandeurs comme sa position ou sa vitesse. A première vue, cela
ne pose pas de problème et, selon la physique classique, nous devons pouvoir
mesurer ces quantités avec une précision illimitée.
La mécanique
quantique est d’un avis différent. Selon elle, toute description d’un phénomène
physique doit prendre en compte l’acte d’observation. Nous ne pouvons pas nous
contenter de dire qu’il n’y a aucune difficulté dans la mesure, mais il nous
faut étudier avec soin la façon dont nous allons effectuer celle-ci.
Essayons donc de
mesurer simultanément la position et la vitesse de l’électron. Le moyen le plus
simple est d’utiliser un rayon lumineux. Nous ne sommes pas limités à la
lumière visible, nous pouvons avoir recours à toute la gamme des ondes
électromagnétiques, depuis le domaine radio jusqu’aux rayons gamma.
Commençons avec
un faisceau radio d’une longueur d’onde d’un mètre par exemple. Le problème qui
se pose est que nous ne pouvons déterminer la position de l’électron qu’avec
une précision de l’ordre de la longueur d’onde. Ainsi, avec ce rayonnement
radio, nous ne pouvons déterminer la position qu’à un mètre près. Pour
augmenter la précision, la solution est simple. Passons de l’autre côté du
spectre électromagnétique et utilisons des rayons gamma. Les longueurs d’onde
sont maintenant très petites et la position de l’électron peut être mesurée
avec une grande précision, par exemple un millionième de milliardième de mètre.
Mais un nouveau
problème se pose. Les photons qui composent le rayonnement gamma sont très
énergétiques. Leur rencontre avec l’électron est violente et le choc perturbe
le mouvement de la particule, donc sa vitesse. En conséquence, une grande
incertitude affecte maintenant notre détermination de cette dernière. Pour ne
pas perturber la particule et pouvoir mesurer avec précision sa vitesse, il
faut avoir recours à un rayonnement peu énergétique, donc aux ondes radio, et
nous nous retrouvons avec une grande incertitude sur la position.
Werner Heisenberg :
Würzburg, 1901 – Munich, 1976. Découvreur du principe d’incertitude (ou d’indétermination).
Le principe
d’incertitude
La situation est
inextricable et c’est l’un des enseignements de la mécanique quantique, connu
sous le nom de principe d’incertitude : il est impossible de connaître avec
précision à la fois la position et la vitesse d’une particule.
La présentation
ci-dessus, qui illustre l’importance de l’acte d’observation, pourrait laisser
penser qu’il s’agit d’un problème expérimental et que des techniques plus
raffinées pourraient surmonter la difficulté. Il n’en est rien. Le principe
d’incertitude est une propriété fondamentale de la matière, pas un problème
expérimental. La mécanique quantique, dont les prédictions ont été maintes fois
vérifiées, indique clairement qu’un électron ne possède pas à la fois une
position et une vitesse précises. Les observations ne font que mettre en
évidence cette propriété, elles n’en sont pas à l’origine.
Mais les objets
de la vie quotidienne semblent se conduire de façon plus raisonnable. Il est
possible de déterminer avec une grande précision la vitesse et la position
d’une voiture. Pourquoi ces objets ne sont-ils pas soumis au principe
d’incertitude ? En fait, ils le sont également, mais cela n’a pas de
conséquence notable. La raison en est que ces objets ont une masse sans commune
mesure avec celle d’une particule élémentaire.
Si un photon peut
influencer le mouvement d’un électron, dont la masse est extrêmement faible, il
lui est impossible de perturber un objet de plusieurs kilogrammes. L’acte
d’observation n’a donc pas d’influence. En conséquence, le principe
d’incertitude n’a pas d’effet direct sur la vie de tous les jours. Il est bel
et bien possible d’attribuer à tout corps macroscopique une position et une
vitesse bien déterminées.
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