Le principe d'incertitude d'Heisenberg est l'une de ces rares idées
de la physique quantique à se répandre dans la culture populaire.
Il stipule que l'on ne peut jamais connaitre simultanément la position exacte
et la vitesse exacte d'un objet
et apparaît comme une métaphore de presque tout,
de la critique littéraire au commentaire sportif.
L'incertitude est souvent expliquée comme un résultat de la mesure,
que l'acte de mesurer la position d'un objet modifie sa vitesse, ou vice versa.
La véritable origine est beaucoup plus profonde et plus étonnante.
Le Principe d'Incertitude existe parce que tout dans l'univers
se comporte à la fois comme une onde et une particule en même temps.
En mécanique quantique, la position exacte et la vitesse exacte d'un objet
n'ont pas de signification.
Pour le comprendre, nous devons réfléchir à ce que signifie
se comporter comme une particule ou une onde.
Les particules, par définition, existent à chaque instant, dans un seul endroit.
Nous pouvons le représenter sur un graphique.
La probabilité de trouver l'objet à un endroit précis ressemble à un pic :
100% à une position spécifique, et zéro partout ailleurs.
Les ondes, en revanche,
sont des perturbations qui se propagent dans l'espace,
comme des ondulations à la surface d'un étang.
Nous pouvons clairement identifier
les caractéristiques de la forme d'onde dans son ensemble,
surtout sa longueur d'onde,
qui est la distance entre deux sommets voisins,
ou deux creux voisins.
Mais nous ne pouvons pas lui attribuer une position unique.
Elle a une bonne probabilité d'être dans de nombreux différents endroits.
La longueur d'onde est essentielle en physique quantique
parce qu'elle est liée à son moment,
le produit de la masse par la vitesse.
Un objet se déplaçant rapidement a un moment important,
ce qui correspond à une très courte longueur d'onde.
Un objet lourd a un moment important,
même si il n'est pas en mouvement très rapide,
ce qui signifie de nouveau une très courte longueur d'onde.
C'est pourquoi nous ne remarquons pas
la nature ondulatoire des objets du quotidien.
Si vous jetez une balle de baseball en l'air,
sa longueur d'onde est un milliardième du billionième du billionième de mètre,
beaucoup trop petite pour être détectée.
En revanche, les petites choses, comme des atomes ou des électrons,
peuvent avoir des longueurs d'onde assez grandes pour être mesurées.
Donc, si nous avons une onde pure, nous pouvons mesurer sa longueur d'onde,
et par conséquent, son moment, mais elle n'a pas de position.
Nous pouvons très bien connaître la position d'une particule,
mais elle n'a pas de longueur d'onde,
son moment reste donc inconnu.
Pour obtenir les deux à la fois,
nous avons besoin de mélanger les deux images,
de faire un graphique qui a des ondes, mais seulement dans une petite zone.
Comment pouvons-nous faire cela ?
En combinant les ondes de différentes longueurs d'onde,
ce qui signifie donner à notre objet quantique la possibilité d'avoir
différents moments.
Lorsque nous additionnons deux ondes, il y a des endroits
où les sommets s'ajoutent, pour former une onde plus grande
et d'autres endroits
où les sommets de l'une vont combler les creux de l'autre.
Le résultat comporte des endroits avec des sommets
séparées par des endroits plats.
Si nous ajoutons une troisième onde,
les régions où les ondes s'annulent grandissent,
une quatrième onde amplifie cela, avec des sommets plus étroits.
En continuant à ajouter des ondes, nous pouvons faire un paquet d'ondes
avec une longueur d'onde claire dans une petite zone.
C'est un objet quantique avec une nature à la fois ondulatoire et corpusculaire,
mais pour ce faire, nous avons dû perdre toute certitude
sur sa position et son moment.
Sa position n'est pas limitée à un seul point.
Il y a une bonne probabilité de le trouver dans une zone bornée
en dehors du centre du paquet d'ondes;
et nous avons formé ce paquet en additionnant de nombreuses ondes :
il est donc possible trouver cet objet avec un moment
correspondant à n'importe laquelle de ces ondes.
La position et le moment sont incertains,
et ces incertitudes sont reliées.
Si vous voulez réduire l'incertitude sur la position,
en faisant un paquet d'ondes plus petit, vous devez ajouter plus d'ondes,
d'où une plus grande incertitude quant au moment.
Pour mieux connaitre le moment,
il vous faut un paquet d'ondes plus grand,
donc plus d'incertitude sur la position.
Voilà le principe d'incertitude de Heisenberg,
établi pour la première fois
par le physicien allemand Werner Heisenberg en 1927.
Cette incertitude est pas une question de mesure mal ou bien effectuée,
mais un résultat inéluctable
de la combinaison des natures ondulatoire et corpusculaire.
Le principe d'incertitude est pas une simple limite pratique à la mesure.
C'est une limite sur les propriétés qu'un objet peut avoir,
intégré à la structure fondamentale de l'univers lui-même.