Un de ces principes est le principe d’incertitude d’Heisenberg. Celui-ci affirme qu’on ne peut jamais connaître la position et la vitesse d’un objet de manière exacte à un même instant. Si vous mesurez la position de l’objet avec précision, sa vitesse ne sera que vaguement connue et vice-versa. Cette incertitude est due au comportement ondulatoire qui surgit en mécanique quantique.

Il n’est pas facile de donner une analogie de ce principe, mais essayons tout de même. Imaginez que vous ayez devant vous deux photographies de fourmis. Sur la première, une seule fourmi est présente et sur la deuxième une colonne de fourmis est visible. Si vous deviez dire avec précision où se trouve la « colonie » de fourmis, qu’allez-vous répondre ? Là où la fourmi est seule, la réponse est simple : elle est à cet endroit précis ! Sur la photographie de la colonne de fourmis par contre, la réponse est plus vague étant donné que les fourmis occupent une plus grande zone sur le sol. Votre réponse sera du style : elle est entre ce point ci et celui là.

En utilisant toujours la même analogie, considérez maintenant que vous deviez dire dans quelle direction vont les « colonies ». Cette fois-ci, il sera plus simple de répondre pour la photographie où une colonne de fourmis est visible car il suffira de voir dans quelle direction la colonne pointe. Pour la photographie où la fourmi est seule par contre, il n’est pas facile de répondre étant donné que nous n’avons pas d’informations sur la direction dans laquelle va la fourmi.

Dans cet exemple, vous avez donc une photographie qui permet de dire où se trouve la « colonie » et une qui permet de dire où elle va. Mais aucune des deux ne vous permet d’avoir ces deux informations en une fois.

La première photographie est un panorama des montagnes et des pistes de skis sur lesquelles se trouvent les skieurs. Sur cette image, vous pourrez localiser les skieurs par rapport au décors et donc les replacer sur une carte. Vous ne pourrez cependant pas dire dans quelle direction ils vont étant donnée qu’ils sont trop petit sur l’image pour obtenir cette information. La position est connue, mais la direction ne l’est pas.

Si nous considérons une seconde photographie qui est un gros plan d’un skieur, vous pourrez cette fois dire dans quelle direction il va. En effet, la direction dans laquelle pointe les skis est la direction dans laquelle ira le skieur. Cependant, la photographie ne contient pas assez d’information sur le décors que pour replacer le skieur dans son environnement. Vous connaissez donc sa direction, mais pas sa position. Aucune des deux photographies ne donne la position et la direction dans laquelle se déplace le skieur en même temps.

Il y a beaucoup d’interprétations possibles pour cette expérience. L’une d’entre elles est l’existence d’une infinité d’univers parallèles. Cette interprétation prétend qu’à chaque fois qu’un « choix » est fait, l’univers se duplique. À chaque solution son univers. Ainsi, lorsque vous ouvrez la boite pour observer le chat, l’univers se scinde en deux : dans l’un d’eux le chat est vivant, dans l’autre il est mort. Mais ceci n’est qu’une hypothèse bien entendu.

L’intrication n’est pas qu’un phénomène imaginaire, nous pouvons réellement l’observer. Dans des expériences réalisées en laboratoire, il est possible de créer des photons intriqués en jouant sur une propriété des particules : le spin. Nous n’allons pas ici expliquer ce qu’est le spin car il s’agit d’un sujet complexe, mais sachez simplement que chaque particule porte un spin. Dans ces expériences, un photon portera un spin +1 et l’autre un spin -1. Les deux particules sont ensuite envoyées aux deux extrémités de la pièce. Tant que le spin des photons n’est pas mesuré, les deux photons ont un spin +1/-1. Mais une fois qu’un photon est mesuré, nous pouvons immédiatement connaître le spin de l’autre photon, avant même de l’avoir mesuré à son tour.

L’intrication peut sembler poser quelques problèmes. Si les deux particules sont séparées de plusieurs milliers de kilomètres et qu’on les mesure en même temps, une « information » aura voyagé plus vite que la vitesse de la lumière. Si l’on admet qu’au départ, le spin de chaque photon n’est pas déterminé, il doit y avoir une forme de communication entre les photons pour qu’au moment où ils sont mesurés ils ne prennent pas tous les deux le même spin. Ceci brise-t-il la relativité restreinte qui dit que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière ?

Cette question est connue sous le nom de paradoxe EPR, pour Einstein-Podolsky-Rosen. La question est complexe et nous n’irons donc pas plus loin dans le débat, mais sachez que l’intrication quantique est un effet réel et qu’elle est notamment utilisée en cryptographie.

Imaginez trois expériences. Premièrement, vous vous placez face à un mur, lancez une balle contre ce dernier et mesurez la force avec laquelle celle-ci le cogne. Deuxièmement, vous répétez l’expérience, mais cette fois ci, vous vous trouvez sur le toit d’une voiture accélérant en direction du mur. Non seulement votre lancer donnera une accélération à la balle, mais en plus, le mouvement de la voiture en direction du mur fera de même. La force mesurée sera cette fois-ci supérieure à la première expérience. Finalement, imaginez que la voiture aille dans le sens opposé et s’éloigne du mur. Vous aurez dès lors très peu de chance de toucher le mur.

Si nous répétons cette fois l’expérience avec de la lumière, nous constatons que dans tous les cas (à l’arrêt ou en mouvement), la lumière se propage à la même vitesse ! Elle n’est pas influencée par son environnement.

1. L’état de la physique à la fin du 19e siècle

Électromagnétisme de Maxwell

Elle explique aussi la nature de la lumière.

Expérience de Young

Un montage optique montre la nature ondulatoire de la lumière.

Une lumière monochromatique passe par une double fente et produit des franges d’interférence sur l’écran.

La lumière est donc constituée d’ondes.

Un grand succès de la théorie de Maxwell est d’avoir expliqué la nature des ondes lumineuses. Ce sont des ondes électromagnétiques qui n’ont pas besoin d’un milieu matériel pour se propager.

Tube de Crookes

Les électrons ont une masse et obéissent aux lois de Newton.

Les électrons sont des particules.

Cependant, quelques nuages cachent le soleil et quelques petits problèmes ne peuvent être expliqués par les théories de Newton ou de Maxwell.

Pourquoi la lumière émise par les atomes ne contient-elle pas toutes les couleurs de l’arc-en-ciel (= spectre discret) ?

Quelle est l’origine de la radioactivité ?

Pourquoi ne sommes-nous pas brûlés quand nous regardons l’intérieur d’un four ?

Le problème du rayonnement du corps noir (catastrophe ultraviolette) :

Tout objet émet un rayonnement qui dépend de sa température.

Selon la théorie, l’énergie émise devrait être infinie, en contradiction évidente avec l’observation, puisque nous pouvons regarder l’intérieur d’un four.