La mécanique quantique: L'essentiel pour l'étudiant

Le moment cinétique d'un système physique traduit la « quantité » de son mouvement de rotation, au même titre que son impulsion traduit sa « quantité » de mouvement de translation. Dans un objet solide, il apparait sous deux formes : son moment cinétique orbital, qui traduit la rotation de son centre de gravité dans l'espace, et son moment cinétique intrinsèque, qui traduit sa rotation sur lui-même autour de son centre de gravité. Cette distincion persiste même pour des particules élémentaires (électron, quark, photon...) dont le volume est réduit à un point. Le moment total d'un système composite (atome, noyau...) est la somme des moments orbitaux et intrinsèques (spins) de ses constituants. Cette variété se traduit par des comportements algébriques variables, mais obéissant à des règles communes, qui dérivent de quelques relations de commutation spécifiques.

Ces nouvelles conceptions ont donné lieu à des débats scientifiques qui ont opposé une école dite réaliste, derrière A. Einstein, L. de Broglie et E. Schrödinger, à l'école dite de Copenhague, derrière N. Bohr et W. Heisenberg. Les premiers supposent qu'une meilleure connaissance des lois quantiques éliminera leurs aspects statistiques. Les seconds, au contraire, pensent que ces derniers incarnent une part inaliénable des lois physiques.
E. Schrödinger a résumé la situation avec une parabole passée à la postérité sous le nom de chat de Schrödinger. Ce dernier est enfermé dans une boîte avec une fiole de poison qui peut s'ouvrir suite à la mesure d'une désintégration radioactive. Le noyau mesuré pouvant se trouver dans un état superposé, on en déduit que la fiole peut être simultanément ouverte et fermée, et donc le chat mort et vivant. L'ouverture de la boîte pour le vérifier étant une mesure de l'état du chat, il apparaît à chaque répétition, soit mort soit vivant, et il le reste ensuite. Il était en revanche mort et vivant avant l'ouverture. L'absurdité d’une telle proposition devait, dans l'esprit de Schrödinger, affaiblir le point de vue de Bohr. On sait cependant aujourd'hui que, même si les fluctuations quantiques ne survivent pas dans le monde macroscopique du chat, elles existent bel et bien à l'échelle du noyau.

Réduction du paquet d'onde :
En la mesurant, on oblige l'électron à « choisir » une seule position. Une fois celle-ci choisie, l'électron persiste dans son choix, ce qui explique que la deuxième mesure sans re-préparation donne le même résultat (avec certiltude) que la première. L'état de l'électron a donc été modifié par la mesure, puisque les probabilités ont changé : c'est l'effet de réduction de l'état quan- tique, ou réduction du paquet d'onde.

Lorsqu'un système classique possède plusieurs degrés de liberté (par exemple x, y et z), chaque degré est associé dans sa description quantique à un espace de Hilbert, et l'espace de Hilbert décrivant le système total est leur produit direct. C'est ce qui se produit, par exemple, avec le spin d'une particule, qui est un degré de liberté supplémentaire de la particule, ou lorsqu'on veut décrire plusieurs particules.

L'interaction entre photons et électrons se fait lors de processus d'absorption ou d'émission d'un photon. Le photon étant une particule élémentaire, donc insécable, ces processus sont instantanés et conduisent à des variations discontinues de l'énergie de l'électron.