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 pur 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 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...