Qu'est-ce que le Principe d'Incertitude d'Heisenberg ? - Chad Orzel

Leçon complète: http://ed.ted.com/lessons/what-is-the-heisenberg-uncertainty-principle-chad-orzel

Le principe d'incertitude de Heisenberg postule que vous ne pouvez jamais connaitre simultanément la position exacte et la vitesse exacte d'un objet. Pourquoi pas ? Parce que tout dans l'univers se comporte à la fois comme une onde et une particule simultanément. Chad Orzel nous entraine dans ce monde complexe de la physique quantique.

Leçon de Chad Orzel, animation de Henrik Malmgren.

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.