Physique quantique

http://www.geocities.com/crousset.geo/quantiq.html.
13 mars 2005.



Physique quantique

La physique quantique, voila un domaine qui échappe au sens commun. Elle est intimement liée avec le monde qui nous entoure dans la mesure ou elle permet de décrire les propriétés dynamiques des particules subatomiques et les interactions entre la matière et le rayonnement.  Cependant, la théorie quantique reste en marge (jusqu'a présent...) avec les théories qui s'appliquent à l'échelle macroscopique (la mécanique classique par exemple).

Qui veut appréhender la physique quantique doit abandonner toute intuition  et toute logique fondée sur sa connaissance du monde qui nous entoure. De plus, elle s'appuie sur des formalismes mathématiques puissants impossibles à traduire en concepts courants. La théorie quantique se caractérise par un ensemble de concepts abstraits totalement contre-intuitifs qui la rende très difficile à vulgariser. Ce pourquoi cette page ne s'étalera pas dans les détails saugrenus de cette discipline mais essaiera plutôt d'aborder les notions, précisément non intuitives, qu'il est nécessaire d'avoir à l'esprit pour mieux appréhender les sujets de ce site.

Aujourd'hui, la théorie quantique constitue le fondement de toute la physique moderne: la physique du solide, la physique de la matière condensée, la supraconductivité, la physique nucléaire et la physique des particules élémentaires trouvent en cette théorie un base cohérente.

Ce que ne sont pas les atomes

En 1911, le physicien Rutherford détermina l'existence du noyau atomique. Il émit l'hypothèse que tous les atomes sont constitués d'un noyau dense chargé positivement et autour duquel tournent, comme les planètes autour du Soleil, les électrons chargés négativement. La théorie électromagnétique classique développée par le physicien britannique James Maxwell prédit sans équivoque qu'un électron tournant autour du noyau rayonne continuellement de l'énergie électromagnétique jusqu'à épuisement total de son énergie. Ainsi, d'après la théorie classique, un atome tel que décrit par Rutherford serait instable. Cette lacune amena le physicien danois Niels Bohr, à postuler, en 1913, que la théorie classique n'est pas valable pour un atome et que les électrons se déplacent sur des orbites placées à des distances déterminées du noyau et qu'à chaque changement d'orbite d'un électron il y a absorption (s'il s'éloigne du noyau) ou émission d'énergie (s'il s'en approche). Damned, qu'avait il fait la, l'image décrite en 1911 est sympathique car facile à assimiler avec des concepts familiers. Cependant, comme je l'ai souligné plus haut, la mécanique quantique n'est pas le domaine du familier, l'image donnée par Bohr est pour le moins trompeuse. Les électrons ne tournent pas autour du noyau! Ce sont des objets quantiques qui ne sont pas modélisations par des points et qui ne possèdent pas de trajectoire. Les électrons n'occupent pas une position précise mais sont diffus. On les décrit par une fonction d'onde qui détermine la probabilité de leur présence en un lieu et à un instant donné. On représente communément cette probabilité par des sortes de nuages flou (orbitales) plus ou moins dense selon cette probabilité. Les électrons d'un atome on des niveaux d'énergie bien définis spécifique à l'élément considéré.

Théorie des quanta

Le premier développement qui conduisit à la résolution des difficultés théoriques que les observations amenaient fut l'introduction par le physicien allemand Max Planck de la notion de quantum comme réponse aux études conduites par les physiciens sur le rayonnement du corps noir, pendant les dernières années du XIXe siècle. Son hypothèse indiquait que l'énergie était rayonnée seulement par quanta d'énergie h.f, où f est la fréquence et h le quantum d'action, connu aujourd'hui sous le nom de constante de Planck. En 1900, Planck affirma donc que la matière ainsi que l'énergie rayonnante ont une structure discontinue et postula que la matière ne peut émettre ou absorber l'énergie rayonnante que par petites unités discrètes appelées quanta.

 

La superposition d'état

Voila encore une exclusivité quantique. Le principe de superposition affirme que les caractéristiques d'un atome, d'une particule ou d'un système quantique en général constituant un état. Or, quand un système à plusieurs état possibles, la somme de tous ces états est également un état possible! Le système se trouve alors dans une superposition d'état. C'et grâce à ce principe qu'une particule peut occuper plusieurs positions à la fois ou qu'un atome peut se trouver dans un état de superposition d'energies. Ce phénomène est bien sur impensable dans l'univers classique. Le simple fait de mesurer fait disparaître la superposition d'état au profit d'un seul. Pourtant à défaut d'avoir une mesure de la superposition d'états la théorie quantique nous donne la probabilité qu'on a de mesurer chaque état.

Remarque: Pour rester dans le domaine de la cosmologie, on peut souligner une hypothèse intéressante de Hugh Everest qui postule que a chaque réduction du nombre d'états il n'y a pas passage de superposition d'états à un seul mais réalisation de tous les état dans un univers différent. Théorie qui reste, à priori, invérifiable de par le fait que les univers parallèles ne communiquent pas entre eux.

La dualité onde-corpuscule

Que les atomes soient constitués de particules, soit, mais il restait encore des phénomènes inexplicables. Comme les ondes électromagnétiques ont des caractéristiques de particules, le physicien français Louis Victor de Broglie suggère, en 1924, que la dualité s'appliquait non seulement à la lumière mais aussi à la matière et qu'ainsi les particules pourraient aussi montrer des propriétés d'ondes. Quelques années plus tard, cette prédiction fut vérifiée expérimentalement par les physiciens américains Clinton Joseph Davisson, Lester Halbert Germer et le britannique George Paget Thomson. Ils montrèrent qu'un faisceau d'électrons dispersés par un cristal génère une diffraction caractéristique d'une onde. 

Comment ce concept peut il s'accorder avec les observations de tous les jours où la matière est solide et fiable ? On peut penser que comme la valeur énorme de la constante c nous cache les véritables propriétés de l'espace-temps, la petitesse de la constante de Planck h, nous occulte le caractère ondulatoire de la matière en les rendant négligeable au niveau macroscopique. 

L'équation d'onde

La notion ondulatoire de la particule permet au physicien australien [autrichien !] Erwin Schrödinger de développer une équation dite équation d'onde pour décrire les propriétés ondulatoires de la particule et, plus particulièrement, le comportement de l'électron dans l'atome d'hydrogène. L'équation d'onde de Schrödinger présente donc quelques solutions discrètes seulement, ces solutions sont des expressions mathématiques dont les paramètres représentent les nombres quantiques. (Les nombres quantiques sont des entiers introduits dans la physique des particules pour exprimer la grandeur de certaines quantités caractéristiques des particules ou des systèmes.) Les solutions de l'équation de Schrödinger indiquent aussi que les quatre nombres quantiques de deux électrons ne peuvent pas occuper le même état énergétique. Cette règle, déjà établie empiriquement par le physicien suisse Wolfgang Pauli, en 1925, est appelée principe d'exclusion.

Le principe d'incertitude

L'impossibilité de localiser un électron avec exactitude à un moment précis est analysée par Werner Heisenberg qui, en 1927, formule le principe d'incertitude. Ce principe stipule l'impossibilité de déterminer simultanément la position exacte et le moment d'une particule. Non pas à cause de l'imprécision des appareils de mesure, mais à cause d'une caractéristique intrinsèque du monde quantique. En premier lieu, il est impossible de mesurer la position d'une particule sans perturber sa vitesse. Les connaissances de la position et de la vitesse sont dites complémentaires, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent pas être précisées simultanément. Ce principe est aussi fondamental si l'on veut comprendre la mécanique quantique telle qu'elle est conçue aujourd'hui: les caractères ondulatoire et corpusculaire du rayonnement électromagnétique peuvent être compris comme deux propriétés complémentaires du rayonnement.

Le principe d'incertitude est à la base d'un effet curieux appelé “Effet Tunnel“. Si une balle est lancé contre un mur, celle ci rebondit faute d'avoir assez d'énergie pour traverser le mur. Au niveau microscopique, la mécanique quantique affirme qu'il y a une probabilité non nulle pour qu'une particule se retrouve de l'autre coté du mur. Le principe d'Heisenberg autorise les particules à emprunter de l'énergie à condition de la restituer dans les délais temporels imposés par les relations d'incertitudes. Ainsi, face à un mur de béton, les particules peuvent (et le font parfois!) emprunter suffisamment d'énergie pour creuser un tunnel à travers le mur. Ce phénomène est bien sur très improbable au niveau macroscopique puisqu'il faut que toute les particules d'un objet aient la chance de pouvoir traverser au même moment! La petitesse de la constante h montre qu'il faudrait attendre au moins l'age de l'univers estimée avant d'avoir une chance de réussir.

En vertu de ces principes, l'Univers obéit à un modèle mathématique précis et rigoureux qui ne peut que déterminer la probabilité d'occurrence d'un futur possible. Ce futur n'est donc pas forcement celui qui se réalise...

Les recherches actuelles

Malgré son efficacité incontestable et ses succès dans de nombreux domaines et applications de la physique (lasers, transistors, ...) la physique quantique continue à poser deux problèmes d'envergure :

        •          Où se trouve la limite entre ce monde quantique aux règles étranges et le monde macroscopique que la physique classique décrit entièrement?

        •         Pourquoi les lois des la physiques quantique, qui ne s'appliquent qu'au monde subatomique, ne peuvent se généraliser à l'échelle de l'univers (ou inversement).

Nous sommes confronté à deux constatations contradictoires. Le monde quantique semble exister en marge de l'univers et pourtant on a pu constater que l'observateur perturbe l'objet quantique quand il l'observe, le monde extérieur ne semble donc pas exister de façon totalement indépendante! La recherche du lien entre la mécanique quantique et les lois de l'univers (la théorie du tout en quelque sorte) est toujours un des plus grand défi de la physique.

http://www.geocities.com/crousset.geo/index.html
http://www.geocities.com/crousset.geo/cosmos.html
mailto:cedric.rousset@free.fr
http://www.geocities.com/crousset.geo/biblio_cosmo.html
 
 

Gatsby Green breast

http://www.generationterrorists.com/quotes/the_great_gatsby.html

Most of the big shore places were closed now and there were hardly any lights except the shadowy, moving glow of a ferryboat across the Sound. And as the moon rose higher the inessential houses began to melt away until gradually I became aware of the old island here that flowered once for Dutch sailors' eyes - a fresh, green breast of the new world. Its vanished trees, the trees that had made way for Gatsby's house, had once pandered in whispers to the last and greatest of all human dreams; for a transitory enchanted moment man must have held his breath in the presence of this continent, compelled into an aesthetic contemplation he neither understood nor desired, face to face for the last time in history with something commensurate to his capacity for wonder.

Madagascar article étudiants Michigan

http://www.ejmagazine.com/2008b/30.Madagascar.html

Madagascar at a Crossroads

Between development and conservation, an island's unparalleled biodiversity persists

STORY AND PHOTOS BY ANISA ABID

Abid studied wildlife in Madagascar in the Summer of 2008 as part of a Michigan State University study abroad program.

Brookesia chameleons are some of the smallest reptiles on Earth. They live mostly in the dry deciduous forests of Madagascar.

Walking through the rainforest in Madagascar’s Andasibe-Mantadia National Park, the haunting call of the Indri, the largest living lemur, can be heard from more than a mile away. Its eerie call in a misty rainforest, where moss drapes off the canopy and earthen smells fill the air, sets the tone for the challenges this species faces. With about three adults per square mile in one of the park’s restricted forest fragments, they are one of the many lemur species threatened with extinction.
They’re not the only endangered animals on the island.
Since man arrived 1,500 years ago, deforestation has accounted for a 90 percent loss of natural trees, according to the World Wildlife Fund. And many rare plant and animal species — like the elephant bird and pygmy hippopotamus — have gone extinct.
There are 355 species of animals — 99 of which are fish or mollusks — and 281 plants listed as endangered by the International Union for Conservation of Nature and Natural Resources. Madagascar primatologist Jonah Ratsimbazafy said a growing population is straining the country’s remaining natural resources.
“We have a saying: All cows cannot awake at the same time,” Ratsimbazafy said. “There are some people who are aware of the problem. Some people, maybe tomorrow.”
He works with the Durrell Wildife Conservation Trust to educate and organize the local community to protect the forests.
Those communities are rewarded through Durrell’s management-transfer programs, which include building schools or infrastructure in exchange for conserving nature.
“If man is part of the problem, he should be part of the solution,” Ratsimbazafy said.
An Island Apart 
When Madagascar broke away from Africa about 60 million years ago, its isolation resulted in an extremely high level of endemic species, those found nowhere else. Scientists believe creatures slowly inhabited the island by floating on vegetation rafts across the Mozambique Channel.
They evolved quickly to fit unique niches.
Lemur species as small as mice feed at night on insects. Others are much larger and eat leaves during the day. They can spring from tree to tree — some can leap as far as 33 feet and land on a spike-covered tree trunk without pricking themselves. They are found in various habitats, from mountain forests to wetlands — the Alaotran gentle lemur is the world’s only primate that lives exclusively in wetlands. Lemurs have adapted to feed on particular parts of plants, so they rarely compete for food.
Though Africa hosts a larger number of species in general, Madagascar holds more endemic — strictly native — species — on an area about the size of France. The island features seven of the eight existing baobab trees, compared to only one in all of Africa. Of the 101 native animal species recorded on the island, nearly all are endemic. Conservation International considers Madagascar one of, if not the most significant biodiversity “hotspots.” An Australian study named it among the top six of the world’s 18 countries having exceptional biodiversity.
Vanishing Act 
Most of Madagascar’s unusual animals and plants have decreased since man arrived 15 centuries ago and began fishing and cattle ranching. Since then, one-fifth of all known lemur species and a third of known genera of lemur have gone extinct.
As much as is known about the country’s biodiversity, there may still be more unknown.
New species are continually discovered. An upcoming report from the International Journal of Primatology states 39 species of lemur have been discovered since 2000, including 11 new species of mouse lemurs.
Habitat loss from deforestation, which extends to multiple classes of wildlife, is the underlying threat for these endangered animals.
Lemurs face additional pressure from hunters who stalk them for food or cultural beliefs. The endangered aye-aye, for example, looks more like a bat with its dark fur, orange eyes, large ears, and long, curved, claw-like nails. Yet it is a harmless nocturnal lemur that is routinely killed by some superstitious locals who consider it to be a portent of evil, according to Kyoto University’s Zoology Department.
The exotic pet trade, a multi-billion dollar industry, according to the U.S. Fish and Wildlife Service, has left several turtle species critically endangered. Ploughshare Tortoises are extremely rare — only about 600 remain in the wild, according to Durrell.
The majestic Madagascar fish-eagle faces extinction. The bird of prey once lived along 1,300 miles of western coastline.
But deforestation and encroaching development has shrunk its habitat to less than 30 percent of that — a scant 370 miles, according to Durrell. Only about 230 critically endangered pairs remain, according to The Peregrine Fund’s latest estimate.
At about 2.5 feet long with a 6.5-foot wingspan, they are the largest species of eagles or hawks in Madagascar.
In Madagascar’s rivers and surrounding ocean, endemic fish populations are fast becoming exhausted because of invasive species competition and over-fishing. From 1980-2005, fish production skyrocketed from 53 to 8,500 tons, according to the United Nations. Humans are also inadvertently degrading coral reefs through eco-tourism.
Some areas in the country’s southwest coast have lost up to 99 percent of coral cover, according to a study by marine conservation group Blue Ventures.
Climate change also threatens wildlife, according to a 2008 study by Rice University ecologist Amy Dunham. She predicted the endangered Milne-Edwards’ sifaka — a lemur found in southeastern Madagascar — would lose half its population within three generations. Changing weather patterns could also threaten animals. Dunham found lemurs are more than 65 percent less fertile in El Niño years.
Running On Empty 
Madagascar is home to more than 18 million people, according to Conservation International. That number grows annually by 3 percent and is expected to double by 2025. Ratsimbazafy said increased competition for land and resources will push wildlife further toward extinction.
“If the same speed of current deforestation still continues within the next 25 years, there [will be] no forest left in Madagscar,” Ratsimbazafy said. “No forest, no biodiversity. It’s very scary.”
The United Nations Environmental, Scientific and Cultural Organization has listed six rainforest parks in Madagascar as World Heritage sites, making them eligible for conservation funding. Other non- governmental organizations, like Durrell and the Andosibe-based Mitsinjo, try to balance conservation with improving locals’ quality of life through agricultural training, education initiatives — including building schools — and eco-tourism jobs.
The Malagasy need all the help they can get. More than 68 percent live in poverty, and 85 percent of those live in rural areas, according to 2005 figures from the National Institute of Statistics. Malagasy life expectancy is about 55 years. Poor hygiene, chronic malnutrition and lack of drinking water contributes to 84 of every 1,000 children dying before age 5, according to the United Nations Development Programme.
Outside Andasibe park, children walk barefoot to school past shacks — made of little more than sticks and raffia palm leaves next to pigpens and open sewers. Many children work in muddy rice paddys.
“Conservation is always difficult when people get little access to food, little access to healthcare or little access to education,” Ratsimbazafy said. “This is not only a concern for Madagascar, but a world concern for all scientists, for all conservationists.”
Anisa Abid is a second-year graduate student in MSU’s environmental journalism program. This is her second appearance in EJ. Contact her at abidanis@msu.edu.

Celia's (5 april 2009) Lagoon sunset