• La mesure en physique quantique

     

    PHYSIQUE DES ONDES

    ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

    RUBRIQUE N° 12 La mesure en physique quantique

    Par Paul Bouchard Le 11/03/2016

    1) INTRODUCTION

    En conclusion de la rubrique N°11 je disais vouloir ''pénétrer'' dans l'atome froid, c'est à dire étudier le phénomène de ''dégénérescence quantique'' dans un atome qui n'a plus d'énergie. C'était à la suite de ma découverte sur internet de la thèse de Gaël Renaudi sur le refroidissement des atomes par évaporation. Cette dernière technique permet l'obtention d'un flux continu d'atomes refroidis à une température de l'ordre du nanokelvin, extrêmement proche du zéro absolu. Ces atomes ont donc la particularité de posséder leurs électrons rassemblés sur l'orbite fondamentale, au plus près du noyau, dans ''l'état dit dégénéré''. Recherchant sur internet la définition d'un ''état'' en physique quantique, je me suis trouvé confronté tout d'abord au problème de la ''mesure'' de l'état d'un système en physique quantique. Ce sont les caractéristiques de la mesure dans un système quantique que j'ai donc décidé d'étudier en premier. Puis, j'ai été conduit à l'étude de l'énergie contenue dans le noyau de l'atome, ce qui fera l'objet de la prochaine rubrique N° 13.

    2) INCERTITUDE QUANTIQUE

    21) État quantique unique ou multiple

    Pour entreprendre l'étude de l'état énergétique particulier des atomes froids sur des bases solides et la confirmer expérimentalement, il convient de connaître au préalable le problème particulier de la mesure en physique quantique. Il faut connaître les différences de conception de la mesure d'un état entre physique quantique et classique. Voici ce que dit Wikipédia sur ce sujet :

    << L'état d'un système physique décrit tous les aspects de ce système, dans le but de prévoir les résultats des expériences que l'on peut réaliser. Le fait que la mécanique quantique soit non déterministe entraîne une différence fondamentale par rapport à la description faite en mécanique classique : alors qu'en physique classique, l'état du système détermine de manière absolue les résultats de mesure des grandeurs physiques, une telle chose est impossible en physique quantique et la connaissance de l'état permet seulement de prévoir, de façon toutefois parfaitement reproductible, les probabilités respectives des différents résultats qui peuvent être obtenus à la suite de la ''réduction du paquet d'ondes'', lors de la mesure d'un système quantique. >>

    << Pour cette raison, on a coutume de dire qu'un système quantique peut être dans plusieurs états à la fois. Il faut en réalité comprendre que le système est dans un état quantique unique, mais que les mesures peuvent donner plusieurs résultats différents, chaque résultat étant associé à sa probabilité d'apparaître lors de la mesure. >>

    22) La mesure en mécanique quantique des particules

    Nous voici dans le flou, et même dans l'angoisse de pénétrer dans un domaine mouvant. La poursuite de la recherche sur Wikipédia n'est en rien rassurante :

    << En mécanique quantique, le ''paquet d'onde'' possède une signification particulière : il est interprété comme étant une onde de probabilité qui décrit la probabilité pour une particule (ou des particules) dans un état donné, d'avoir une position et une quantité de mouvement données....Le paquet d'onde est une solution mathématique de l'équation de Schrödinger. Le carré de l'aire en dessous du paquet d'onde solution (intégrale quadratique) est interprétée comme étant la densité de probabilité de trouver une particule dans cette région... >>

    << La décohérence peut être montrée comme une conséquence normale des équations d'évolution (Schrödinger) et de quelques hypothèses physiques (environnement). Alors que la réduction du paquet d'onde est un "postulat" en lui-même, une méthode de calcul qui ne découle en rien des autres "postulats" et équations. Elle est "efficace" (permet les calculs) mais n'a pas de sens physique clair... >>

    << Le concept de ''réduction du paquet d'ondes'' implique de nombreuses difficultés sur le plan logique et épistémologique. À ce titre, il a induit de nombreux et parfois célèbres débats au sein de la communauté scientifique. La question philosophique de la réalité est soulevée dans la mesure où la théorie suggère que ce que nous considérons comme la "réalité" possède une infinité théorique d'états quand elle n'est pas "observée" (plus exactement perturbée par une mesure, provoquant une ''décohérence quantique''). Les différentes interprétations de la mécanique quantique diffèrent notamment sur le sens à donner aux états non observés. >>....

    << La ''décohérence quantique'' est une théorie susceptible d'expliquer la transition entre les règles physiques quantiques et les règles physiques classiques....>>

    Si la philosophie intervient dans ce domaine qui se voudrait scientifique, c'est certainement que le problème de la mesure est mal posé. Il est pourtant indispensable de rechercher une ''cohérence'', précisément au niveau quantique qui est le plus élémentaire. Car ce niveau est le socle de l'échelle de notre monde et de l'univers. Avec nos appareils (microscopes électroniques) les plus performants, nous pouvons accéder à l'échelle de la dizaine d’angströms (au groupe d'atomes), ce qui est déjà une prouesse. Mais le plus extraordinaire c'est que, par le raisonnement et l'expérimentation, les meilleurs scientifiques ont pu imaginer, avec pertinence et réalisme, le fonctionnement de la matière intra-atomique. Cependant la ''mesure'' de ce fonctionnement, avec nos appareils et nos unités macroscopiques reste un sujet de discussion et de réelle incertitude.

    Il semble évident que les méthodes d'études et les théories qui sont valables à notre échelle macroscopique et adaptées à des structures matérielles, ne sont pas transposables telles que au niveau des particules quantiques. Cela est d'autant plus vrai si l'on adopte nos hypothèses, car la matière étant faite d'ondes, la ''mécanique'' quantique n'est pas la théorie la mieux adaptée. Les coordonnées cartésiennes, la connaissance simultanée de la ''position et de la vitesse'' d'une particule-onde, ne sont pas des éléments pertinents en physique des ondes. Par contre les notions de fréquence, de résonance, d'interférence et d'effet Doppler, qui sont des données propres aux ondes, restent adaptées à toutes les échelles, depuis l'électron jusqu'aux galaxies.

    3)  DUALITÉ  ONDE  ET  PARTICULE

    La cause profonde des difficultés de la physique quantique, telle qu'elle est conçue actuellement par la physique standard, se trouve dans la définition de la lumière comme une ''onde associée à une particule,'' alors qu'il s'agit de deux concepts irréductibles. Nous avons exposé de nombreuses fois cette idée dans le blog, notamment au chapitre N°5 de la rubrique historique N°4. Cette formulation de la dualité ''onde-corpuscule'' a été adoptée par la communauté scientifique faute de pouvoir trancher entre les partisans de l'une ou l'autre des théories. Elle a même été étendue à l'électron (notre onde électromagnétique) puisque cette particule se comporte aussi comme une onde. Je cite Étienne Klein :

    << L’étrangeté de la chose vient de ce que toutes les particules, qu’elles soient de lumière ou de matière, nous apparaissent soit comme des ondes (elles peuvent interférer – l’interférence est une addition qui est inhibitrice) soit comme des corpuscules (elles semblent ponctuelles quand on détecte leur position), mais elles ne sont ni des ondes ni des corpuscules. (…) Puisque les concepts d’onde et de corpuscule apparaissent mutuellement exclusifs en même temps qu’indissociables, il n’existe aucune possibilité de définir leur sens au moyen, d’une seule expérience. On ne peut pas les combiner en une seule image (...) Comme nous dit John Bell, dans la bouche de Niels Bohr, (…) la complémentarité est proche du concept de contradiction (…) Contradiction est le mot fétiche de Bohr, comme l’ont fait remarquer Wootters et Zurek dans un article de 1979. »

    Si l'on veut résumer de façon simple (sûrement trop rapide) la controverse scientifique posée par cette dualité, il faut étudier Louis de Broglie dans : ''Le dualisme des ondes et des corpuscules dans l’œuvre d’Albert Einstein'' et ''La physique nouvelle et les quanta''. Il a cherché une solution pour une présentation mathématique convenable de ce mariage contre nature. Sa ''fonction d'onde'', associée à la particule a résolu, provisoirement, le problème au grand soulagement de la communauté scientifique qui a toujours la possibilité de se référer à cette ''fonction'' en cas d'impasse avec la ''mécanique'' des particules. On trouvera de très larges extraits des textes de présentation par Louis de Broglie sur le site suivant : Site : 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule.

    http://www.matierevolution.fr/spip.php?article822

    Je suis stupéfait d'avoir trouvé sur ce site qui s’appelle également ''matière et révolution'', une mine d'or de textes tirés des œuvres ou conférences d'éminents scientifiques qui exposent des idées nouvelles sur le monde de la physique. Le travail d'explication de ces textes est malheureusement un peu touffu. Je suis encore loin d'avoir fait le tour de tous les sujets traités, mais je signale, dans l'optique de mon blog, le chapitre 39 daté du 3 juin 2011 et rassemblé par Robert Paris. Son sujet est : '' 39- Quelle est la structure de la matière et du vide - ou comment la matière est virtuelle et le virtuel est matière''

    A la lecture de ces textes, j'ai l'impression, avec mon blog, d'ouvrir des portes qui sont déjà bien enfoncées. Mais je pense cependant que les hypothèses de base que j'expose répondent à des problèmes fondamentaux, en apportant des solutions élégantes à des questions que les scientifiques se posent toujours, sans pouvoir affirmer qu'ils possèdent ou non la réponse.

    Cependant j'ai appris par la télévision que la réponse à un problème, en question depuis cent ans, venait d'être officiellement confirmée. Il s'agit des ondes gravitationnelles qui sont émises par les étoiles qui disparaissent (ou qui naissent). Ce n'est pas une nouveauté, car les étoiles dites à neutron, les pulsars, quasars, supernovae et autres magnétars, émetteurs d'ondes magnétiques sont connus depuis 50 ans. La dernière émission a été captée en plusieurs endroits, dans des conditions telles que les résultats sont considérés comme irréfutables, ce qui n'était pas le cas auparavant. Par contre, ce qui est nouveau et qui m'a surpris, c'est de constater maintenant la reconnaissance obligée, par les scientifique, de la nécessité, pour conduire les ondes, d'un ''éther'', appelé vulgairement (à la télévision) ''gelée de veau''. Cela correspond bien à la ''substance de l'espace'' de Jean-Jack Micalef, avec les propriétés qu'il lui attribue. Elle constitue une des hypothèses de base essentielle à mon blog (chapitre N°2).

    4) LA MESURE EN PHYSIQUE QUANTIQUE ONDULATOIRE

    41) Choix d'une méthode

    Puisque nous avons pris le parti de la physique des ondes, suivons Louis de Broglie et sa ''fonction d'onde'' perfectionnée par David Bohm en 1952. Nous laissons de côté la mécanique quantique développée après 1920, et les ondes immatérielles de probabilité, comme nous l'avons déjà fait dans notre rubrique N°4, ''un historique 1750-1930''. Laissons de côté également les notions suivantes : ''réduction du paquet d'onde'', ''décohérence quantique'' et ''observable quantique'', la ''matrice densité'', la ''théorie quantique des champs'', les postulats de la mécanique quantique, l'approche pragmatique ou positiviste, l'épistémologie et l'ontologie (philosophie), l'hypothèse du multivers (appelé aussi "univers multiples"). Nous partirons donc des hypothèses de base de notre blog.

    42) Rappel des hypothèses de base de notre physique des ondes.

    Je cite le chapitre N°2 de notre blog :

    << La notion de "substance de l'espace"est due à Jean-Jack Micalef qui, sur son site "les nouveaux principes de physique", attribue à cette substance les importantes propriétés particulières que sont la célérité de la propagation des ondes dans ce milieu (vitesse de la lumière (c) = 299.792 Km/s) et la quantité de mouvement minimum (force minimum) qui est nécessaire pour qu'une onde puisse se déplacer dans cette substance. L'importante constante de Planck "h" a un rapport avec ce "quantum d'action". La substance de l'espace est le support de la vibration des ondes transportées et de leur action à distance. L'autre notion essentielle que J.J.Micalef met en valeur est que les ondes qui circulent sont faites DE "substance de l'espace", qui se propagent DANS cette substance. Toutes ces notions et propriétés font partie des bases de mon exposé, comme on le verra dans les chapitres suivants. >>

    << La thèse exposée donne à l'électron la place de particule élémentaire de toute matière. Cet électron est une ''onde tournante'' (en mouvement c'est un vortex) qui possède à la fois l'énergie de son ''onde lumière'' longitudinale et les propriétés électromagnétiques de son onde transversale magnétique qui lui donne une ''structure'' matérielle et la polarise suivant le sens de sa rotation. >>

    La ''structure''de cette onde-particule n'est pas réellement ''matérielle'', c'est en réalité  l'interférence de deux onde, ce qui donne une onde stationnaire ( qui est mobile). Voir à ce sujet le site de Gabriel Lafrenière dont nous avons indiqué l'adresse. L'atome qui, lui, est le ''corpuscule'' de la ''vraie matière'' de base, se trouve à une toute autre échelle que celle de l'électron : 100 000 grandeurs entre un électron et un nucléon, 100 000 grandeurs (femtomètre) entre la dimension du noyau et celle de l'atome.

    43) Les mesures aux différentes échelles

    La substance de l'espace étant un universel ''existant'' à toutes les échelles, il serait possible d'imaginer un point zéro de coordonnées universelles à partir duquel les positions de toutes les matières seraient fixées. Les partisans du big-bang seraient heureux de pouvoir fixer ce point, origine supposée de ''notre monde'', ainsi que la date utopique de la création de la matière. Il est certainement préférable pour une science sérieuse de s'en tenir aux enseignements de la théorie de la relativité. Je cite Wikipédia :

    << La relativité galiléenne énonce, en langage moderne, que toute expérience faite dans un référentiel inertiel se déroulerait de manière parfaitement identique dans tout autre référentiel inertiel. Devenu « principe de relativité », son énoncé sera ensuite modifié par Einstein pour être étendu aux référentiels non inertiels : de « restreinte », la relativité deviendra « générale », et traitera de plus de la gravitation, ce que ne fait pas la relativité restreinte. >>

    L’intérêt des études scientifiques et des ''mesures'' expérimentales est de pouvoir s'adapter aux différentes échelles sans avoir à discuter philosophie. Ce n'est pas, cependant, sans poser des problèmes pratiques aux ''jointures'' des échelles, par exemple en nanotechnologie. Nous avons traité le problème important des unités fondamentales dans notre post-scriptum N°1. Je cite un passage de ce texte :

    << La thèse exposée dans le blog possède un avantage considérable sur le ''modèle standard'' aujourd'hui en vogue, celui de rassembler dans l'électron les deux composantes de la matière, à savoir le mouvement (l'énergie cinétique) et la structure (l'énergie dite de masse). La simplicité de cette conception ( que la science officielle n'approuve pas), permet pourtant d'expliquer et de justifier les valeurs des constantes et unités dites naturelles et fondamentales qui ont été calculées par les pionniers de la physique quantique. Ces constantes concernent précisément la substance de l'espace (S.E.) et l’électron, il s'agit de la célérité de la lumière (c), de la constante de Planck (h), de la charge de l'électron (e) et de sa masse élémentaire (m). >>

    << Ce chapitre de notre post-scriptum espère montrer que, dans l'optique de notre thèse, ces constantes et unités dites naturelles et leur combinaison avec les autres unités fondamentales ( Kilogramme, mètre, seconde, kelvin ), permettraient de relier entre elles les équations et les unités qui sont à la base de toutes les lois de la physique. C'est d'ailleurs dans cet optique que le Bureau International des Poids et Mesures, lors de sa 24 ème Conférence, en novembre 2011, a demandé aux physiciens de travailler, afin, je cite: « de faire progresser le Système international d'unités (SI), en repoussant les limites de la métrologie, de façon à ce que les unités de base du SI puissent être définies en s'appuyant sur les constantes de la nature, sur les constantes physiques fondamentales ou les propriétés des atomes ». >>

    5) LA MESURE AU NIVEAU DE L'ATOME

    Lorsqu'il est question de mesure au niveau de l'atome, il est essentiellement question d'énergie en relation extérieure à l'atome, c'est à dire de rayonnement, d'électricité, d'électromagnétisme. Tous ces domaines concernent l'énergie de l'électron dans ses rapports ''externes'' à l'atome. Ils ne sont donc pas concernés par l'incertitude de la mesure. Nous parlons maintenant de la difficulté de la mesure des phénomènes qui se passent à l'échelle ''interne'' à l'atome. Nous l'avons vu, elle provient de l'incertitude existant sur l'état du système à l'instant de la mesure ainsi que sur la conviction que l'observation, elle-même, entre en relation avec les faits, et se trouve donc partie prenante de la mesure. Nous venons de voir que l'atome, dont la mesure est de l'ordre de l’angström, marque la limite entre un monde quantique fait d'ondes et un monde dit macroscopique où le raisonnement expérimental sur des corpuscules de matière est acceptable. La nanotechnologie (1 nanomètre = 10 angströms = limite de résolution des microscopes) n'a déjà plus les mêmes problèmes de mesure que la physique quantique.

    La technique de mesure à effectuer sur des ondes intra-atomiques rejoint la technique de sondage d'opinion, en ce sens que le mode d’enquête modifie le résultat. Le choix de l'échantillon, le moment et la durée de l’enquête, le choix des questions, l'orientation et le but de l'étude sont des critères déterminants lors de sondages d'opinions. Tout cela est d'ordre psychologique puisqu'il s'agit d'opinions. Cette ressemblance avec le domaine des ondes a donné aux philosophes une bonne occasion de s'introduire dans ce domaine scientifique complexe et d'élever (compliquer) le débat.

    Dans notre physique des ondes qui a pour base l'électron et son onde double, la mesure doit être considérée soit sur un plan énergétique soit sur celui de l'onde de structure (magnétiquement polarisée), mais le ''résultat'' de la mesure ne peut être que dépendant du ''mariage'' intime de ces deux aspects. Il en est de même de l'explication des phénomènes que nous étudierons dans la prochaine rubrique N° 13.

    6) CONCLUSION PROVISOIRE

    L'électron, avec son énergie et sa structure, constitue donc en lui même, une sorte de résumé de tous les états et phénomènes de la physique. Tout au long de notre blog, nous avons étudié les corrélations ''énergie-structure'' ainsi que les diverses sortes d'échanges de rayonnements entre les structures. Nous avons toujours raisonné au plus près de cette particule élémentaire car nous pensons que l'origine et l'explication de tous les phénomènes physiques se trouvent à ce niveau.

    Mais pour solutionner un problème de physique, un scientifique a besoin de mesurer l'ensemble des facteurs qui interviennent. S'il s'agit d'ondes qui sont en principe toujours en mouvement interne et généralement en déplacement, les systèmes de mesure géométriques et mécaniques ne peuvent donner que des résultats ''aléatoires''. (Se dit d'une grandeur qui peut prendre un certain nombre de valeurs à chacune desquelles est attaché une probabilité).

    Dans cette dernière rubrique, nous venons donc d'aborder les difficultés de la mesure à cette échelle quantique. Nous avons vu la nécessité, pour la physique des particules ( modèle standard), d'adopter le calcul des probabilité étant donné le caractère aléatoire des mesures. Comme d'autre part la mathématique s'est emparé de la physique théorique, jusqu'à utiliser des particules virtuelles pour expliquer des phénomènes expérimentaux, il s'est posé un problème de conscience puis un problème philosophique de crédibilité des méthodes et des résultats mesurés.

    Les scientifiques ont demandé à pouvoir travailler en paix et ont proposé toutes sortes d'astuces théoriques pour justifier leurs méthodes et leurs résultats sans être vraiment convaincants. Bientôt ce sont les religions qui vont vouloir s'emparer du problème ( si ce n'est déjà fait). Pour ma part, j'espère que, les hypothèses de base du blog et surtout la particule élémentaire qui marie l'énergie et la structure, peuvent aider à promouvoir la physique des ondes, ses lois, ses méthodes, ses unités de mesure, en bref à faire comprendre que la matière est faite d'ondes.

    Les laboratoires de recherche ne m'ont pas attendu pour en prendre conscience sans l'avouer. Quant aux industriels et aux ''start up'' ils ne cessent, avec notre consentement aveugle, de nous cerner d'ondes qui commandent, à notre place, les robots personnels, ménagers, sociaux, industriels. Tous les appareils y passent progressivement et toutes les fréquences sont utilisées, souvent au point de se superposer. C'est même sans compter avec toutes les fréquences utilisées pour les télécommunications de toutes sortes. Les cerveaux qui sont allergiques à certaines fréquences ont des difficultés pour vivre dans les villes et sont obligés de s'isoler dans les zones moins ''fréquen(c)ées''. Le danger pour l'homme vient de la mise en résonance prolongée de certaines fréquences d'ondes extérieures avec les fréquences de ses propres cellules. Les pouvoirs publics ont donc comme nouvelle mission permanente de surveiller, régler (mais aussi utiliser) toutes les fréquences et les puissances émises par chaque individu, média, groupes et sociétés. Il doivent aussi impérativement nous protéger d'éventuels rayonnements gamma d'origine nucléaire. Quant aux citoyens, ils devraient recevoir une instruction lucide, mais non traumatisante et sectaire, sur la physique des ondes, puisqu'il faut bien faire avec et puisque nous ''sommes fait avec''.