Comprendre le principe d'incertitude de Heisenberg

Le principe d'incertitude de Heisenberg est l'une des pierres angulaires de la physique quantique, mais il n'est souvent pas profondément compris par ceux qui ne l'ont pas étudié attentivement. S'il définit, comme son nom l'indique, un certain niveau d'incertitude aux niveaux les plus fondamentaux de la nature elle-même, cette incertitude se manifeste de manière très limitée, de sorte qu'elle ne nous affecte pas dans notre vie quotidienne. Seules des expériences soigneusement construites peuvent révéler ce principe à l'œuvre. 

En 1927, le physicien allemand Werner Heisenberg a présenté ce qui est devenu connu sous le nom de Principe d'incertitude de Heisenberg (ou juste principe incertain ou parfois, Principe de Heisenberg). En tentant de construire un modèle intuitif de physique quantique, Heisenberg avait découvert qu'il y avait certaines relations fondamentales qui limitaient la façon dont nous pouvions connaître certaines quantités. Plus précisément, dans l'application la plus simple du principe:

Plus vous connaissez précisément la position d'une particule, moins vous pouvez connaître simultanément avec précision la quantité de mouvement de cette même particule.

Relations d'incertitude de Heisenberg

Le principe d'incertitude de Heisenberg est une déclaration mathématique très précise sur la nature d'un système quantique. En termes physiques et mathématiques, cela limite le degré de précision que nous pouvons jamais parler d'avoir sur un système. Les deux équations suivantes (également présentées, sous une forme plus jolie, dans le graphique en haut de cet article), appelées relations d'incertitude de Heisenberg, sont les équations les plus courantes liées au principe d'incertitude:

Équation 1: delta- X * delta- p est proportionnel à h-bar
Équation 2: delta- E * delta- t est proportionnel à h-bar

Les symboles dans les équations ci-dessus ont la signification suivante:

• h-bar: Appelée la "constante de Planck réduite", elle a la valeur de la constante de Planck divisée par 2 * pi.
• delta-X: C'est l'incertitude de position d'un objet (disons d'une particule donnée).
• delta-p: C'est l'incertitude de la dynamique d'un objet.
• delta-E: C'est l'incertitude énergétique d'un objet.
• delta-t: C'est l'incertitude dans la mesure du temps d'un objet.

À partir de ces équations, nous pouvons distinguer certaines propriétés physiques de l'incertitude de mesure du système en fonction de notre niveau de précision correspondant à notre mesure. Si l'incertitude dans l'une de ces mesures devient très petite, ce qui correspond à une mesure extrêmement précise, alors ces relations nous indiquent que l'incertitude correspondante devrait augmenter, pour maintenir la proportionnalité.

En d'autres termes, nous ne pouvons pas mesurer simultanément les deux propriétés dans chaque équation avec un niveau de précision illimité. Plus nous mesurons précisément la position, moins nous sommes capables de mesurer simultanément l'élan (et vice versa). Plus nous mesurons le temps avec précision, moins nous pouvons mesurer l'énergie avec précision (et vice versa).

Un exemple de bon sens

Bien que ce qui précède puisse sembler très étrange, il existe en fait une correspondance décente avec la façon dont nous pouvons fonctionner dans le monde réel (c'est-à-dire classique). Disons que nous regardions une voiture de course sur une piste et que nous étions censés enregistrer quand elle franchissait une ligne d'arrivée. Nous sommes censés mesurer non seulement le temps qu'il franchit la ligne d'arrivée mais aussi la vitesse exacte à laquelle il le fait. Nous mesurons la vitesse en appuyant sur un bouton sur un chronomètre au moment où nous le voyons franchir la ligne d'arrivée et nous mesurons la vitesse en regardant un affichage numérique (ce qui n'est pas conforme à l'observation de la voiture, vous devez donc tourner votre tête une fois qu'il franchit la ligne d'arrivée). Dans ce cas classique, il y a clairement un certain degré d'incertitude à ce sujet, car ces actions prennent un certain temps physique. Nous verrons la voiture toucher la ligne d'arrivée, appuyer sur le bouton du chronomètre et regarder l'affichage numérique. La nature physique du système impose une limite précise quant à la précision de tout cela. Si vous vous concentrez sur la surveillance de la vitesse, il se peut que vous soyez un peu en retrait lorsque vous mesurez l'heure exacte sur la ligne d'arrivée, et vice versa.

Comme pour la plupart des tentatives d'utilisation d'exemples classiques pour démontrer le comportement physique quantique, cette analogie présente des défauts, mais elle est quelque peu liée à la réalité physique à l'œuvre dans le domaine quantique. Les relations d'incertitude découlent du comportement ondulatoire des objets à l'échelle quantique et du fait qu'il est très difficile de mesurer avec précision la position physique d'une onde, même dans les cas classiques.

Confusion au sujet du principe d'incertitude

Il est très courant que le principe d'incertitude soit confondu avec le phénomène de l'effet d'observateur en physique quantique, tel que celui qui se manifeste lors de l'expérience de pensée de chat de Schroedinger. Ce sont en fait deux problèmes complètement différents en physique quantique, bien que tous deux taxent notre pensée classique. Le principe d'incertitude est en fait une contrainte fondamentale sur la capacité de faire des déclarations précises sur le comportement d'un système quantique, indépendamment de notre acte réel de faire l'observation ou non. L'effet observateur, d'autre part, implique que si nous faisons un certain type d'observation, le système lui-même se comportera différemment qu'il ne le ferait sans cette observation en place.

Livres sur la physique quantique et le principe d'incertitude:

En raison de son rôle central dans les fondements de la physique quantique, la plupart des livres qui explorent le domaine quantique fourniront une explication du principe d'incertitude, avec différents niveaux de succès. Voici quelques-uns des livres qui le font le mieux, de l'avis de cet humble auteur. Deux sont des livres généraux sur la physique quantique dans son ensemble, tandis que les deux autres sont autant biographiques que scientifiques, donnant un aperçu réel de la vie et du travail de Werner Heisenberg:

• L'histoire étonnante de la mécanique quantique par James Kakalios
• L'univers quantique par Brian Cox et Jeff Forshaw
• Au-delà de l'incertitude: Heisenberg, la physique quantique et la bombe par David C. Cassidy
• Incertitude: Einstein, Heisenberg, Bohr et la lutte pour l'âme de la science par David Lindley