Infiniment petit

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Table des matièresI. Les phénomènes Quantique .............................................................................................................................................................................................................................. 5 1. Explication...................................................................................................................................................................................................................................................... 5 a) Principe de superposition .......................................................................................................................................................................................................................... 5 b) L’indétermination de la mesure................................................................................................................................................................................................................. 6 c) La dualité onde-corpuscule........................................................................................................................................................................................................................ 7 d) Effet tunnel ................................................................................................................................................................................................................................................ 8 e) La quantification ........................................................................................................................................................................................................................................ 9 f) L’intégrale de chemin............................................................................................................................................................................................................................... 10 g) Principe d’incertitude d’Heisenberg ........................................................................................................................................................................................................ 11 h) L’intrication quantique............................................................................................................................................................................................................................. 12 Ateliers : ............................................................................................................................................................................................................................................................... 14 a) Principe de superposition : ...................................................................................................................................................................................................................... 14 b) La dualité onde-corpuscule...................................................................................................................................................................................................................... 15 c) Effet tunnel .............................................................................................................................................................................................................................................. 16 d) La quantification ...................................................................................................................................................................................................................................... 17 e) L’intégrale de chemin............................................................................................................................................................................................................................... 17 f) Principe d’incertitude d’Heisenberg (liée au phénomène de dualité onde-particule de la lumière)...................................................................................................... 18 g) L’intrication quantique............................................................................................................................................................................................................................. 18 Des liens pour plus de documentation : .............................................................................................................................................................................................................. 18 a) Principe de superposition ........................................................................................................................................................................................................................ 18 b) L’indétermination de la mesure............................................................................................................................................................................................................... 19 c) La dualité onde-corpuscule...................................................................................................................................................................................................................... 20 d) Effet tunnel .............................................................................................................................................................................................................................................. 21 e) La quantification ...................................................................................................................................................................................................................................... 22 2

f) L’intégrale de chemin............................................................................................................................................................................................................................... 23 g) L’intrication quantique............................................................................................................................................................................................................................. 24II. Théorie quantique des champs (Quantum field theory) ................................................................................................................................................................................. 26 1. Explication.................................................................................................................................................................................................................................................... 26 ............................................................................................................................................................................................................................................................................. 27 2. Ateliers ......................................................................................................................................................................................................................................................... 28 3. Des liens pour plus de documentation ........................................................................................................................................................................................................ 28III. Le modèle standard des particules élémentaires ........................................................................................................................................................................................ 29 1. Explication.................................................................................................................................................................................................................................................... 29 2. Ateliers ......................................................................................................................................................................................................................................................... 31 3. Des liens pour plus de documentation ........................................................................................................................................................................................................ 31IV. Théorie de la gravitation quantique à boucle (Loop quantum gravity) ....................................................................................................................................................... 33 1. Explication.................................................................................................................................................................................................................................................... 33 2. Ateliers ......................................................................................................................................................................................................................................................... 34 3. Des liens pour plus de documentation ........................................................................................................................................................................................................ 34V. Théorie des Cordes et supercordes ................................................................................................................................................................................................................. 36 1. Explication.................................................................................................................................................................................................................................................... 36 2. Ateliers ......................................................................................................................................................................................................................................................... 37 3. Des liens pour plus de documentation ........................................................................................................................................................................................................ 37VI. Les supraconducteurs .................................................................................................................................................................................................................................. 39 1. Explication.................................................................................................................................................................................................................................................... 39 2. Ateliers ......................................................................................................................................................................................................................................................... 40 3. Des liens pour plus de documentation ......................................................................................................................................................................................................... 40VII. L’ordinateur quantique ................................................................................................................................................................................................................................ 41 1. Explication.................................................................................................................................................................................................................................................... 41 3

2. Ateliers (?! Simulation des portes logiques quantique)............................................................................................................................................................................... 43 3. Des liens pour plus de documentation ......................................................................................................................................................................................................... 43VIII. La M. Quantique et la biologie..................................................................................................................................................................................................................... 45 1. Explication.................................................................................................................................................................................................................................................... 45 2. Ateliers ......................................................................................................................................................................................................................................................... 48 3. Des liens pour plus de documentation ......................................................................................................................................................................................................... 48IX. La modélisation de l’atome.......................................................................................................................................................................................................................... 49 1. Explication.................................................................................................................................................................................................................................................... 49 2. Ateliers ......................................................................................................................................................................................................................................................... 51 3. Des liens pour plus de documentation ......................................................................................................................................................................................................... 51 4

I. Les phénomènes Quantique1. Explicationa) Principe de superpositionQuand on étudie le mouvement des objets du quotidien, par exemple un ballon de foot, on considère des quantités bien définies : sa vitesse, saposition, sa vitesse de rotation ou son énergie.On ne sait pas forcément mesurer très exactement ces quantités, mais on sait qu’elles existent et qu’elles ont des valeurs précises. A uninstant donné, le ballon de foot est dans un état bien défini. Ça, c’est la mécanique dite « classique », c’est-à-dire celle desobjets normaux.Mais pour les objets microscopiques, tout change ! Contrairement au ballon de foot, une particule microscopique peut être dans un mélangede plusieurs états. Aussi incroyable que cela paraisse, cela veut dire qu’un électron peut par exemple posséder à la fois deux vitesses, ouêtre à deux endroits différents à la fois. Voire même plus de deux endroits !Pour désigner le fait qu’en mécanique quantique, les objets peuvent être dans plusieurs états à la fois, on parle du principe desuperposition.Les physiciens ont une notation bizarre pour désigner ça, il décrivent les états avec des sortes de crochets comme celui-ci , et poursuperposer des états ils les additionnent.Vous avez certainement déjà entendu parler de cette étrange superposition à travers l’exemple du fameux chat de Schrödinger, ce chat« fictif » qui serait à la fois mort et vivant. En utilisant cette notation entre crochets, on pourrait écrire :|Chat> = | Mort > + | Vivant >Bien sûr, l’exemple du chat n’est pas très réaliste, car je vous l’ai dit cette situation ne peut se produire que pour les objets microscopiques. Et heureusement ! Vousimaginez si le ballon de foot pouvait se trouver à la fois derrière et devant la ligne de but !Vous allez voir que de cette simple idée de superposition des états découlent toutes les étrangetés de la mécanique quantique. 5

b) L’indétermination de la mesureContinuons notre comparaison entre la mécanique classique et la mécanique quantique. En mécanique classique on peutmesurer les propriétés des objets, par exemple la vitesse du ballon de foot. On peut bien sûr faire des erreurs de mesure (parexemple mesurer 133 km/h alors que la vraie valeur est 132 km/h pour la frappe de Roberto Carlos). Mais si on améliore laprécision de notre instrument, on va se rapprocher de plus en plus de cette vraie valeur.Mais comment ça se passe en mécanique quantique ? Imaginez un électron qui aille à la fois à 1000km/h et 2000 km/h. Je vousrappelle qu’on va noter cela comme ça :|électron> = |1000 km/h > + |2000 km/h >Si on mesure la vitesse de cet électron, que va-t-on trouver ? 1000 km/h ? 2000 km/h ? Entre les deux ?Ce que nous dit la mécanique quantique, c’est qu’on va trouver soit l’un, soit l’autre, mais qu’il n’existe aucun moyen de savoir à l’avancelequel des deux. Le résultat de la mesure est probabiliste. Le pire étant que même si on imagine refaire plusieurs fois l’expérience exactement de la même manière,on ne trouvera pas forcément le même résultat que la fois d’avant. En fait dans la situation que je décris, vous allez trouver 1000 km/h dans 50% des cas, et 2000 km/h dans50% des autres.On peut même avoir des variantes de cette situation où l’on mélange des états avec des proportions différentes, comme dans un cocktail. Par exemple on peut écrire lemélange suivant :(1/4) | 1000 km/h > + (3/4) | 2000 km/h >Ici l’électron est 3 fois plus dans l’état 2000km/h que dans l’état 1000 km/h. Et devinez quoi ? Cela modifie les probabilités lors des mesures. Avec un électron dans cet état,vous mesurerez bien plus souvent 2000 km/h que 1000 km/h (les proportions ne seront pas tout à fait 1/4 et 3/4, mais ça n’est pas important à ce stade).Ce que je vous décris là est une révolution conceptuelle incroyable en physique. Les physiciens ont longtemps supposé que la nature étaitdéterministe : si on refait deux fois exactement la même expérience (en principe), on retrouve deux fois le même résultat. Et si on connaît l’état d’un système à uninstant donné, on peut (toujours en principe) prédire ce que sera le résultat d’une mesure. En mécanique quantique, tout cela est parti en fumée : il existe unindéterminisme fondamental qui fait que les résultats des mesures dépendent du hasard, d’une manière qu’il est impossible de prévoir.Cette idée a tellement choqué Albert Einstein que c’est à son sujet qu’il a déclaré son fameux « Dieu ne joue pas aux dés ». Il refusait de penser que le hasard pouvaitjouer un rôle fondamental en physique. Et pourtant il avait tort. 6

c) La dualité onde-corpusculeJe vous l’ai dit, en mécanique quantique on peut superposer les états. En particulier un objet microscopique peut se trouver dans plusieurs endroits à la fois : il suffit desuperposer des états différents. On peut même pousser le bouchon plus loin et imaginer une particule qui soit dans une infinité d’endroits à la fois. Pour écrire ça, ilfaut superposer un nombre infini d’états différents. C’est un cocktail avec un nombre infini d’ingrédients !Mais histoire que notre particule soit quand même un peu plus dans certains endroits que dans d’autres, on va mettre un coefficient à chacun des états qu’on superpose. Jevous ai dit que le coefficient que l’on met devant chaque état est relié à la probabilité de trouver notre particule dans cet état. Donc mathématiquement, on va définir unefonction P(x,y,z) qui va nous dire quelle est la probabilité de trouver notre particule dans chacun des points (x,y,z) de l’espace.Vous voyez qu’en faisant cela, notre particule n’est plus un corpuscule localisé, mais elle est décrite par cette fonction P(x,y,z) que l’on va appeler un champ deprobabilités. Ce champ partage plusieurs similitudes avec le champ électrostatique. Par exemple quand le temps s’écoule, ce champ peut évoluer et se comporter d’unemanière qui ressemble beaucoup aux ondes électromagnétiques. Finalement on ne va plus décrire notre particule comme un objet ponctuel, mais comme uneonde !Cette description de la matière par des ondes avait été introduite au début du XXème siècle par plusieurs chercheurs, dont le physicien français Louis De Broglie. Cedernier a notamment proposé l’idée de la dualité onde-corpuscule : les particules peuvent suivant les circonstances se comporter soit comme des particules, soitcomme des ondes. Cette idée totalement contre-intuitive a permis de mettre un terme au débat multi-centenaire sur la nature de la lumière. Alors la lumièreest-elle faite d’ondes électromagnétiques ou de photons ? Eh bien les deux mon général ! 7

d) Effet tunnelSi vous m’avez suivi jusque-là, vous avez compris qu’une des conséquences du principe de superposition, c’est qu’il faut admettre de décrire les particules par des ondes. Ily a plusieurs implications étranges de ce changement de perspective.Revenons à notre ballon de foot : si vous le lancez contre un mur, il va rebondir. Il n’y a aucune chance qu’il traverse le mur comme par magie. Et pourtant avec les ondesc’est différent. Songez aux ondes sonores par exemple : si votre voisin d’à côté met la musique à fond, une partie du son va traverser et arriver chez vous. Certes le sonsera atténué, voire très atténué, mais une petite partie passera quand même.Maintenant imaginez un électron qui arrive sur un obstacle (une sorte de mur microscopique). Si cet électron est décrit par une onde, comme pour la musique de votrevoisin, il y a une petite partie cette onde qui va passer de l’autre côté de l’obstacle (voir ci-contre).Je vous rappelle que cette onde décrit une probabilité de trouver l’électron à un endroit donné. Donc ça veut dire qu’il y a une petite probabilité que l’électron traversel’obstacle. On parle de l’effet tunnel, car tout se passe comme si une fois de temps en temps, un petit tunnel se créait dans le mur pour laisser passer notre électron.L’effet tunnel est un autre exemple de ces choses qui se produisent dans le monde quantique, mais pas dans le monde macroscopique. Et il s’agit d’un phénomène avéré :on s’en sert pour faire des microscopes dits « à effet tunnel », qui permettent de voir et manipuler les atomes. L’effet tunnel permet également d’expliquer le principe dela radioactivité. 8

e) La quantificationNous y voici : je vais enfin vous parler de ce phénomène qui donne son nom à la mécanique quantique. Ca n’est pas forcément le plus spectaculaire, mais il a revêtu uneimportance historique fondamentale.Comme d’habitude, voyons comment sont les choses en mécanique normale. Pour les objets macroscopiques, on utilise des quantités comme la position, la vitesse,l’énergie ou la vitesse de rotation. Ces quantités peuvent en principe prendre n’importe quelle valeur parmi les nombres réels. Ce sont des quantités continues.Mais en mécanique quantique, ça n’est plus nécessairement le cas ! Certaines quantités se trouvent contraintes à prendre des valeurs bien définies, on dit qu’elle sontquantifiées. Par exemple un atome d’hydrogène dans son état d’énergie minimale aura une énergie de -13.6 eV (eV, c’est l’électron-volt, l’unité d’énergie qu’on utilisepour les particules). Si on veut augmenter son énergie, alors on doit l’augmenter jusqu’à -3.4 eV. Impossible de lui donner une énergie intermédiaire entre cesdeux valeurs ! Quant à diminuer son énergie, n’y pensez même pas, impossible de descendre sous la valeur de -13.6 eV ! Et c’est d’ailleurs heureux, car s’il n’y avait pasça, les électrons iraient se crasher sur les protons, et les atomes seraient instables. La mécanique quantique a permis de résoudre ce paradoxe que la mécaniqueclassique n’expliquait pas.Mais au fait, pourquoi certaines propriétés seraient-elles quantifiées ? Encore une fois il est possible de la comprendre en considérant simplement la descriptionondulatoire des particules. Pensez à une autre onde : celle qui agite une corde de guitare. Puisque la corde est attachée aux deux extrémités, elle ne peut vibrer qu’àcertaines fréquences. Les sons émis par une corde le sont donc à des fréquentes discontinues, et ne prennent pas des valeurs intermédiaires ! Il se passe le mêmephénomène pour les ondes qui décrivent les particules, et plusieurs quantités physiques qui décrivent les objets microscopiques sont quantifiées. 9

f) L’intégrale de cheminPoursuivons notre exploration des conséquences inattendues de la description ondulatoire de la matière. Quand en physique classique les objets ont une position biendéfinie, ils suivent une trajectoire bien définie. Le coup-franc de Roberto Carlos passe à droite du mur, et pas à gauche.Mais en mécanique quantique, puisque les particules peuvent être à plusieurs endroits à la fois, elles peuvent aussi suivre plusieurs trajectoires à la fois !L’illustration la plus spectaculaire de ce phénomène est celle de l’expérience de la double fente.Dans cette expérience, on envoie des électrons sur un écran comportant seulement deux fentes par lesquelles ceux-ci peuvent passer. On peut montrer que mêmequand l’électron semble passer par la fente A, sa trajectoire dépend du fait que la fente B soit ouverte ou fermée.On interprète cela en disant que même si l’électron passe principalement par A, un tout petit peu de lui essaye aussi de passer par B, et est donc sensible au fait que B soitouverte ou fermée. (C’est comme si la trajectoire du coup-franc de Roberto Carlos était affectée par le fait de mettre un défenseur supplémentaire à gauche du mur !)Le physicien Feynman a poussé cette idée à son paroxysme, en écrivant que lorsqu’une particule quantique va d’un point à un autre, elle passe par tous les cheminspossibles qui relient ces deux points. Une approche connue sous le terme d’intégrale de chemin. 10

g) Principe d’incertitude d’HeisenbergPour ceux qui ont tenu jusque-là, passons à la 7ème et dernière étape de ce voyage dans les mystères de la mécanique quantique. Le principe d’incertitude de Heisenbergest une des propriétés les plus caractéristiques mais aussi les plus étranges du monde quantique.Quand je vous ai décrit l’idée de superposition des états, j’ai sous-entendu que l’on pouvait superposer tout et n’importe quoi. En fait ça n’est pas vrai ! Il y a descontraintes. La plus connue est qu’on ne peut pas spécifier à la fois exactement la position et la vitesse d’une particule. Plus sa position est précisément définie,plus sa vitesse est incertaine, et réciproquement. C’est le principe d’incertitude de Heisenberg.Si vous êtes un peu familiers avec certains aspects des ondes acoustiques ou lumineuses, on peut illustrer ce principe. Quand on analyse un son, on peut regarder sa courbeen intensité, comme ce qu’on voit sur les logiciels d’enregistrement (ci-contre en bleu). Mais on peut aussi décomposer le son sur les différentes fréquences qui lecomposent (mathématiquement on utilise cette opération qui s’appelle la transformée de Fourier). On obtient alors un spectre de fréquences, c’est la courbe violette ci-contre.Or il s’avère que plus le son est court (comme un coup sec sur une batterie), plus il contient un nombre important de fréquences. Et réciproquement plus le son est pur enfréquence, plus il doit être long dans le temps.Dans le son il y a donc une sorte de phénomène d’incertitude : il ne peut pas être à la fois localisé dans le temps (très court) et en fréquence (très pur). La situation estanalogue pour la lumière : si vous voulez faire une onde à une longueur d’onde parfaitement définie, cette onde doit s’étendre partout dans l’espace ! Si vous voulez lalocaliser, il faut ajouter des fréquences supplémentaires.En mécanique quantique, il se passe exactement la même chose. A partir du moment où on admet de décrire les particules par des ondes, alors il faut renoncer à pouvoirspécifier à la fois leur position et leur vitesse.Pour résumer, comme le disait Heisenberg« Chérie, j’ai garé la voiture, mais je sais plus où ». 11

h) L’intrication quantiqueAu départ on génère deux photons intriqués, par exemple issus d’une même désintégration et donc intimementliés par les conditions expérimentales. Puis, on les sépare en les envoyant chacun à un endroit bien différent (d’unbout à l’autre de la planète si vous en avez envie, il n’y a aucune limite à cette étape). Cet envoi se fait de façonclassique, dans une fibre optique par exemple.C’est ensuite que la “magie” de l’intrication opère : lorsqu’on agit sur l’un des photons, l’autre réagit de façoninstantanée.Pour parler plus concrètement : si l’on fait une mesure en laboratoire sur le premier photon – par exemple son sensde rotation (spin) – alors on pourrait en déduire le sens de rotation de l’autre photon que l’on a envoyé à l’autre bout de la planète.Malheureusement, on ne pourra pas savoir si le sens de rotation des photons sera le même ou s’il sera opposé avant de mesurer chacun des photons : tout ce que l’onpourra dire, c’est qu’il existe un lien entre le sens de rotation de ces deux photons. En clair, si l’on change le sens de rotation de l’un, on change le sens de rotation del’autre instantanément.Un exemple d’intrication quantique pour mieux saisirImaginez deux équipes de chercheurs, l’une à New-York et l’autre à Paris. Disons que l’équipe de Paris ait reçu unphoton intriqué (appelé photon n°2) de la part de l’équipe de New-York (qui possède de son côté un photon n°1). Lesdeux équipes se sont téléphonées puis se se sont mises d’accord sur une petite expérience :Équipe de NYC : nous allons modifier régulièrement le sens de rotation de notre photon dans notre laboratoire.Puisque votre photon et le notre sont intriqués, le votre devrait changer de sens de rotation instantanément enmême temps que le notre ! Si c’est bien le cas, envoyez-nous un e-mail.Équipe de Paris : OK.L’équipe de Paris branche ses appareils de mesure et surveillent leur photon intriqué patiemment. D’abord le photontourne dans un sens, puis d’un coup, tourne dans l’autre sens. Cela veut dire que l’équipe de NYC a, de son côté, modifié le sens de rotation de leur photon n°1. 12

L’équipe de Paris envoie un e-mail à NYC : “notre photon vient de changer de sens !”. L’équipe de NYC répond : “C’est parce que nous venons de changer le sens de notrephoton n°1, cela veut dire que nos photons sont bien intriqués !”.Ce que l’expérience ne dit pas, c’est dans quel sens tourne le photon à New-York : l’intrication quantique, telle que vous venez de la découvrir, permet de détecter àdistance le changement d’état du photon (changement de sens de rotation). Les scientifiques de Paris n’ont aucun moyen de savoir, à moins de demander à l’autreéquipe, dans quel sens tourne le photon n°1. Ils savent juste quel lien quantique existe entre les deux particules et que quand on change le sens de rotation du photon n°1,on change le sens de rotation du photon n°2.Imaginez qu’il soit possible de transmettre une information plus intéressante que “le photon vient de changer de sens” ! Avec deux photons comme c’est le cas dans cepetit exemple, ce n’est pas possible. Heureusement, les scientifiques peuvent faire plus que jouer avec deux photons : ils peuvent jouer avec trois photons ! 13

Ateliers : a) Principe de superposition : ❖ Utilisation de l’interféromètreMatérielles • Source de lumière(laser) • Film (filtre) • Objectif (élargir le faisceau du laser) • Fente de largeur réglable • Ecran blanc (pour la projection) ❖ Colors and hardness box https://www.youtube.com/watch?v=hkmoZ8e5Qn0Matérielles • Porcelaine froide • 2 colorant diffèrent (ou peinture gouache) • Papier à verre • 3 petite boites en carton (ou autre chose) 14

b) La dualité onde-corpuscule. ❖ ❖ Double Slit DIY Quantum Interference https://www.youtube.com/watch?v=xP0qE5DquJkMatérielles • Carton • Mines de crayon • Scotch • Cutter • laser ❖ Représentation de l’état ondulatoire avec un fluide (onde)Matérielles • Récipient • Fluide (eau +maïzena) • Plaque avec deux fente (métallique ou plastique) • Plaque avec une seule fente (métallique ou plastique) 15

❖ Représentation de l’état corpusculaire avec du sable (corpuscule)Matérielles • Carton • Cutter • Sable • Récipient pour ramasser le sable (carton couleur noir) c) Effet tunnel ❖ (Représentation du phénomène par une montagne en carton)Matérielles • Carton (découpage en forme de montagne) • Peinture • Des cercles colorés en carton couleur différente • Trombones • Feutres • Punaises 16

d) La quantification ❖ Modèle semi 3D d’un atome avec les différents niveaux d’énergiesMatérielles • Porcelaine froide • Colorant • Colle chaude • Carton • Papier fiche cartonné • Piles de montre • Aimant • Feutres colorés e) L’intégrale de chemin ❖ Modélisation des trajectoires possible pour une onde dans le cas de 3 fentesMatérielles • 2 Fils scoubidou 30 cm (couleur différentes) • Carton • Cutter • 2 vices avec écrous • Punaises 17

f) Principe d’incertitude d’Heisenberg (liée au phénomène de dualité onde-particule de la lumière) g) L’intrication quantique(Matérielles non disponible)https://blogs.scientificamerican.com/critical-opalescence/how-to-build-your-own-quantum-entanglement-experiment-part-1-of-2/https://blogs.scientificamerican.com/critical-opalescence/how-to-build-your-own-quantum-entanglement-experiment-part-2-of-2/http://physicsopenlab.org/2016/02/20/entangled-gamma-photons/https://www.technologyreview.com/s/600827/the-experiment-that-will-allow-humans-to-see-quantum-entanglement/Des liens pour plus de documentation : a) Principe de superposition Liens :https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_de_superposition_quantiquehttps://universdessciences.wordpress.com/2014/05/17/244/http://www.futura-sciences.com/sciences/videos/tout-quantique-fonctionne-principe-superposition-2641/http://www-igm.univ-mlv.fr/~dr/XPOSE2003/Quantique/Superposition.htmhttps://cercle.institut-pandore.com/physique-quantique/chat-schrodinger-superposition-quantique/http://physique.coursgratuits.net/physique-quantique-ondulatoire/principe-de-superposition.phphttps://fr.wikibooks.org/wiki/Th%C3%A9orie_quantique_de_l%27observation/_Introduction Vidéos : https://www.youtube.com/watch?v=Va-WLeObSSo https://www.youtube.com/watch?v=YPlAWN3k6So https://www.youtube.com/watch?v=3Kd36VNJAaI https://www.youtube.com/watch?v=3lDV1cTmbUg 18

b) L’indétermination de la mesure Liens :https://cercle.institut-pandore.com/physique-quantique/lindetermination-de-heisenberg/https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_d%27incertitudehttp://uel.unisciel.fr/chimie/strucmic/strucmic_ch01/co/apprendre_ch1_38.htmlhttp://www.rts.ch/decouverte/sciences-et-environnement/maths-physique-chimie/4640892-en-quoi-le-theoreme-d-indetermination-en-physique-quantique-contredit-le-principe-de-causalite.htmlhttps://madosedescience.wordpress.com/2012/01/25/le-principe-dindetermination-de-heisenberg/http://www.rtflash.fr/principe-d-indetermination-d-heisenberg-pris-en-defaut-par-l-experience/articlehttp://www.astrosurf.com/luxorion/quantique-relations-heisenberg.htm Vidéos :https://www.youtube.com/watch?v=cXnOFt7Cclkhttps://www.youtube.com/watch?v=HqyJ7-ibUmohttps://www.youtube.com/watch?v=7s5uYqfRCn4https://www.youtube.com/watch?v=T2rOq697H20 19

c) La dualité onde-corpuscule Liens :http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/mecanique-quantique-dualite-onde-corpuscule-16331/https://www.astronomes.com/le-big-bang/dualite-onde-particule/https://www.kartable.fr/ressources/physique-chimie/cours/la-dualite-onde-particule-5/22790http://www.web-sciences.com/documents/terminale/tedo18/teco18.phphttp://www.tangentex.com/DualiteOndeCorpuscule.htmhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Dualit%C3%A9_onde-corpusculehttps://www.assistancescolaire.com/eleve/TS/physique-chimie/reviser-le-cours/dualite-onde-corpuscule-t_pch20http://www.matierevolution.fr/spip.php?article882http://labolycee.org/Quantique.htmlhttp://res-nlp.univ-lemans.fr/NLP_C_M04_G02/co/cours_03.htmlhttp://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=8014 Vidéos :https://www.youtube.com/watch?v=kZTUhGhJfwkhttps://www.youtube.com/watch?v=JlsPC2BW_UIhttps://www.youtube.com/watch?v=_vt9P0nKCWohttps://www.youtube.com/watch?v=OuNIEPvOUVIhttps://www.youtube.com/watch?v=Nn3N2q242O8https://www.youtube.com/watch?v=FIoz6PxxXichttps://www.youtube.com/watch?v=A0VwIMbAilE 20

d) Effet tunnel Liens :https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_tunnelhttp://www.futura-sciences.com/sciences/videos/physique-quantique-quest-ce-effet-tunnel-658/http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-effet-tunnel-4810/https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3126http://www.astronoo.com/fr/articles/effet-tunnel.htmlhttp://www.insp.jussieu.fr/Le-microscope-a-effet-tunnel-un.htmlhttp://www.lerepairedessciences.fr/reflexions/questions_cours_fichiers/effet_tunnel.htmhttp://www.laradioactivite.com/site/pages/Effet_tunnel_Radioactivite_Alpha.htmhttp://www.e-scio.net/mecaq/etunnel.php3https://phet.colorado.edu/fr/simulation/quantum-tunnelinghttp://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=8017 Vidéos :http://www.futura-sciences.com/sciences/videos/physique-quantique-quest-ce-effet-tunnel-658/https://www.youtube.com/watch?v=DC0U5viudt0https://www.youtube.com/watch?v=jT6iNQK9Ws4https://www.youtube.com/watch?v=heSl1pEJO2chttps://www.youtube.com/watch?v=4GEGFIsDKKchttps://www.youtube.com/watch?v=R8-UI0iqqes 21

e) La quantification Liens :https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4152https://fr.wikipedia.org/wiki/Quantification_(physique)https://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_quantiquehttp://physiquequantique.webs.com/la-quantificationhttp://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-physique-quantique-13197/http://www.futura-sciences.com/sciences/videos/tout-quantique-fonctionne-quantification-energie-2552/http://www.e-scio.net/mecaq/quantification.php3https://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-atomique/2-la-quantification-de-l-energie/https://www.universalis.fr/classification/physique/theories-physiques-et-concepts-fondamentaux/mecanique-quantique-et-physique-quantique/http://www.spirit-science.fr/Matiere/Phys2-quantique.htmlhttp://chaours.rv.pagesperso-orange.fr/physique/Quant/quant.htm Vidéos :https://www.youtube.com/watch?v=2O8C78x2P7ohttps://www.youtube.com/watch?v=opDMyb5OydQhttp://www.futura-sciences.com/sciences/videos/tout-quantique-fonctionne-quantification-energie-2552/https://www.youtube.com/watch?v=PAc4SYHog64https://www.youtube.com/watch?v=so6-2mVI3qE 22

f) L’intégrale de cheminhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Int%C3%A9grale_de_cheminhttps://fr.quora.com/Quest-ce-quune-int%C3%A9grale-de-cheminhttp://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-les-integrales-de-chemin-22497.phphttp://forums.futura-sciences.com/physique/703579-interpretations-de-lintegrale-de-chemin-de-feynman.htmlhttp://dictionnaire.sensagent.leparisien.fr/Int%C3%A9grale%20de%20chemin/fr-fr/https://en.wikipedia.org/wiki/Path_integral_formulationhttps://en.wikipedia.org/wiki/Path_integralhttp://www.scholarpedia.org/article/Path_integral:_mathematical_aspectshttp://www.einstein-online.info/spotlights/path_integralshttps://arxiv.org/abs/quant-ph/0004090http://www.thephysicsmill.com/2013/07/16/reality-is-the-feynman-path-integral/Vidéos :http://www.dailymotion.com/video/xxekw9https://www.youtube.com/watch?v=33Nrg_AR4vQ&lc=z12dvpnrkneywfp0j220fxep1vbig5t0s.1485302475302690https://www.youtube.com/watch?v=NXumUeK2ITwhttps://www.youtube.com/watch?v=vSFRN-ymfgEhttp://www.dailymotion.com/video/xxekw9 23

g) L’intrication quantiqueLiens :http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-l-intrication-quantique-confirmee-par-une-experience-de-bell-sans-faille-36134.phphttps://fr.wikipedia.org/wiki/Intrication_quantiquehttp://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-intrication-quantique-4814/http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/intrication-quantique-intrication-quantique-record-distance-deux-kilometres-60640/https://cercle.institut-pandore.com/physique-quantique/teleportation-quantique-intrication-quantique/https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4347http://www.sciencepresse.qc.ca/blogue/flashcordon/2013/06/24/intrication-quantique-reve-communication-instantaneehttp://www.alterinfo.net/Qu-est-ce-que-l-intrication-quantique_a115415.htmlhttp://french.china.org.cn/china/txt/2017-06/16/content_41040559.htmhttp://mavoiescientifique.onisep.fr/une-intrication-quantique-entre-deux-lieux-distants-de-1200-km/https://actualite.housseniawriting.com/science/physique/physique-quantique/2017/02/08/lintrication-quantique-prouvee-par-la-lumiere-des-etoiles/20515/http://www.agoravox.fr/actualites/technologies/article/le-mystere-de-l-intrication-182633http://www.elishean.fr/lintrication-quantique-dans-la-matrice/https://fr.wikibooks.org/wiki/Th%C3%A9orie_quantique_de_l%27observation/_L%27intricationhttp://www.cerpi-officiel.be/quantique/lintrication-quantique.htmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglementhttps://www.sciencedaily.com/terms/quantum_entanglement.htmhttps://phys.org/news/2017-05-unbreakable-quantum-entanglement.htmlhttps://www.thoughtco.com/what-is-quantum-entanglement-2699355https://www.quantamagazine.org/entanglement-made-simple-20160428/ 24

https://www.washingtonpost.com/news/speaking-of-science/wp/2017/06/15/quantum-entanglement-sciences-spookiest-phenomenon-achieved-in-space/https://www.pri.org/stories/2017-07-25/love-quantum-physics-and-entanglementhttps://www.sciencealert.com/physicists-just-quantum-entangled-photons-between-earth-and-spacehttps://www.sciencealert.com/scientists-have-set-a-limit-for-quantum-entanglement-and-it-s-really-freaking-powerfulVidéos :https://www.google.dz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=video&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjrvpe-653XAhVIVhQKHR_vBq0QuAIIKjAA&url=https%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3D5R6k2mEacZo&usg=AOvVaw0SpL4qVt1mZvm7K6fZzCMDhttps://www.google.dz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=video&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjrvpe-653XAhVIVhQKHR_vBq0QtwIILzAB&url=https%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3D4z4JC3ANimc&usg=AOvVaw0lwsoIZ0l6ECDigN2FhCJUhttp://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/intrication-quantique-intrication-quantique-record-distance-deux-kilometres-60640/http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/intrication-quantique-intrication-quantique-nouveau-record-500000-atomes-57744/https://www.youtube.com/watch?v=YBcCzUjkMGkhttps://www.youtube.com/watch?v=6d57cfx_EZghttps://www.youtube.com/watch?v=JCfeEPTeSdAhttps://www.youtube.com/watch?v=JCfeEPTeSdAhttps://www.youtube.com/watch?v=mc_oUm49kn0https://www.youtube.com/watch?v=ZuvK-od647chttps://www.youtube.com/watch?v=tafGL02EUOAhttps://www.youtube.com/watch?v=BFvJOZ51tmchttps://www.youtube.com/watch?v=1zD1U1sIPQ4https://www.youtube.com/watch?v=6yfWdb-JOA8https://www.youtube.com/watch?v=Z34ugMy1QaAhttps://www.youtube.com/watch?v=QjRbNKX2MD8 25

II. Théorie quantique des champs (Quantum field theory) 1. ExplicationLorsque l'on veut parler de la matière et de son comportement dans le monde de l'infiniment petit, celui des particules, on aborde la théorie quantique des champs.La théorie quantique des champs permet de comprendre la physique des particules où dans certaines situations, le nombre de particules entrantes dans une portiond'espace, fluctue et diffère du nombre sortant.Le nombre de particules change lorsque, par exemple, 1 atome dans un état initial donne 1 atome plus 1 photon dans un état final. Autrement dit, un photon est sortisoudainement du vide et est apparu dans le champ électromagnétique.La théorie quantique nous dit que dans le monde réel, tout est « champ ».Nous baignons entièrement, jusqu'au plus profond de nous-même, dans des champs, multiples, diverses, aux caractéristiques étonnantes.Le champ est un concept fondamental en physique, il n'est constitué de rien d'autre, c'est lui-même qui constitue le monde réel, les champs portent l'énergie de tout ce quiexiste dans l'univers, des atomes aux grandes structures galactiques.Le magnétisme, la gravitation, la force nucléaire, la lumière et bien d'autres phénomènes physiques sont portés par des champs.Le plus surprenant, c'est que la matière elle-même, celle dont nous sommes faits, est constituée d'un ensemble de champs, les électrons et les protons, sont eux-mêmesdes champs, ainsi nous sommes constitués de champs échappant à l'intuition. En d'autres termes, nous sommes faits d'un agrégat de fantomatiques particules quantiquesbaignant dans des champs qui portent l'énergie des particules dans tout l'espace disponible autour d'elles.Avec la notion de champ, la vision de la nature des choses est bouleversante, la réalité devient étrange et échappe à nos 5 sens. La réalité ne s'explique pas simplement parla présence de matière, mais aussi par les échanges et les interactions entre les objets réels, et les objets virtuels des champs quantiques de basse énergie.Dans le monde quantique toutes les particules du modèle standard, les fermions et les bosons, émergent de vibrations dans un champ. C'est d'ailleurs le concept de basedu fonctionnement des accélérateurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons, le LHC.Lorsque les scientifiques veulent voir une particule, ils provoquent des collisions dont l'énergie correspond à la particule en question. 26

Les quarks et les électrons constituent la matière ordinaire, or la matière au-dessus du zéro absolu (−273,15 °C), émet de la radiation, c'est à dire de la lumière qui sedéplace dans un champ.Chaque type de fermion et chaque type de boson a son propre champ, les particules sont considérées comme des états excités de ces champs. La dualité onde-corpusculede la lumière, a été étendue aux électrons en 1929, par le mathématicien et physicien français Louis de Broglie (1892 − 1987), puis à toutes les particules.Cependant, notre esprit a besoin d'image de notre monde, pour nourrir son intuition et se représenter les concepts, mais conceptualiser la quantique et l'ensemble deschamps quantiques dans lesquelles nous existons n'est pas facile. Tout est « champ » or les champs quantiques qui sont des systèmes dynamiques bouillonnants et chargés,sont tous des sous-ensembles du champ gravitationnel ou du champ électromagnétique, les deux seuls champs fondamentaux de la nature. 27

2. Ateliers ❖ Représentation des diagrammes de Feynman en (3D aplatie)Matérielles • Fils scoubidou • Porcelaine froide • Colorant (ou gouache) • Carton • Peinture (ou fiche cartonnée pour couvrire le carton) • Feutres 3. Des liens pour plus de documentationLienshttps://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_quantique_des_champshttps://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_de_la_th%C3%A9orie_quantique_des_champshttp://www.sciences.ch/htmlfr/physatomique/physatommecquantchamps01.phphttp://www.diffusion.ens.fr/vip/pageC00.htmlhttp://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-particules-et-champs-sont-ils-reels-32103.phphttp://www.astronoo.com/fr/articles/theorie-quantique-des-champs.htmlhttp://feynman.phy.ulaval.ca/marleau/pp/16tqc/main.htmlhttp://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=8052http://www.physique-quantique.wikibis.com/theorie_quantique_des_champs.phphttps://prmarchenry.blogspot.com/2014/07/physique-quantique-des-champs.html 28

https://plato.stanford.edu/entries/quantum-field-theory/https://www.quora.com/What-is-quantum-field-theoryhttps://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_field_theoryhttp://images.math.cnrs.fr/Les-diagrammes-de-Feynman-1.htmlVidéoshttps://www.youtube.com/watch?v=Z1AdZE79LXshttps://www.youtube.com/watch?v=-J-4oVXU6sghttps://www.youtube.com/watch?v=FBeALt3rxEAhttps://www.youtube.com/watch?v=ATcrrzJFtBYhttps://www.youtube.com/watch?v=DCXasr-y8Vohttps://www.youtube.com/watch?v=oQ1WZ-eJW8Yhttps://www.youtube.com/watch?v=qyBxz3bKdEYIII. Le modèle standard des particules élémentaires 1. ExplicationLe modèle standard de la physique des particules (en abrégé \"modèle standard\") est la théorie actuelle qui permet d'expliquer tous les phénomènes observablesà l'échelle des particules. Le modèle standard englobe donc toutes les particules connues ainsi que les trois interactions ayant un effet à l'échelle des particules :l'interaction électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible. Le modèle standard permet donc d'expliquer tous les phénomènes naturels sauf lagravitation qui, pour l'instant, résiste aux théoriciens pour une théorie quantique...Le modèle standard est une théorie quantique de champs relativistes, c'est donc une théorie à la fois quantique et relativiste.Le modèle standard contient deux interactions distinctes : l'interaction forte expliquée par QCD et l'interaction électrofaible qui est une unification del'interaction faible et de l'électromagnétisme, dont la théorie (QED) est incluse dans cette interaction. Ces interactions sont expliquées par l'échange de bosonsde jauge (les vecteurs de cette interaction) entre fermions élémentaires. 29

Le modèle standard contient aussi le boson BEH, particule qui permet de donner une masse aux autres particules de la théorie (bosons et fermions). Dans le casdes fermions, cela nécessite l'existence d'une nouvelle interaction fondamentale, l'interaction BEH.Les particules élémentaires du modèle standard sont au nombre de 25 : • 12 bosons de spin 1 qui sont les particules de \"rayonnement\" et qui sont les vecteurs des différentes interactions : o 8 gluons qui transmettent l'interaction forte, o les W+ et W- qui transmettent l'interaction faible, o le Z0 qui transmet une forme de l'interaction faible provenant de l'interaction électrofaible, o le photon qui transmet l'interaction électromagnétique. • 12 fermions de spin 1/2 qui sont les particules de \"matière\", séparées en deux catégories : o 6 quarks et leurs anti-quarks, qui forment des particules composites : les hadrons, o 6 leptons et leurs anti-leptons. • 1 boson de spin 0, le H0 ou boson BEH qui a deux rôles : o mélanger les interactions faible et électromagnétique et donner une masse aux bosons W et Z0, o donner une masse aux fermions élémentaires par l'interaction BEH. 30

2. Ateliers ❖ Modélisation du modèle standardMatérielles • Porcelaine froide. • Colorant (ou gouache) • Feutres • Carton • Fiche cartonnée (pour couvrir le carton) • Colle chaude3. Des liens pour plus de documentationLienshttp://voyage.in2p3.fr/standard.htmlhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_standard_(physique_des_particules)https://home.cern/fr/about/physics/standard-modelhttps://public-archive.web.cern.ch/public-archive/fr/Science/StandardModel-fr.htmlhttp://www.sciencepresse.qc.ca/blogue/2014/03/19/modele-standard-belle-theorie-defectueusehttp://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/conference-particules-elementaires-Grojean.xmlhttp://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-l-electron-defie-t-il-le-modele-standard-38691.phphttp://www.diffusion.ens.fr/vip/pageG00.htmlhttp://feynman.phy.ulaval.ca/marleau/pp/04unification/chapitre3.htm 31

Vidéoshttps://www.youtube.com/watch?v=nF-RlZF3g1Ihttps://www.youtube.com/watch?v=zHcfOCQQzM4https://www.youtube.com/watch?v=NNVxWOmO4oshttps://www.youtube.com/watch?v=qRxS5GmeDbYhttps://www.youtube.com/watch?v=ELp75CmJI-ghttp://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/video-html5/depphysique/2011/grojeanhttps://www.youtube.com/watch?v=JbsBufsm7Ushttps://www.youtube.com/watch?v=zofMPB52Y3Mhttps://www.youtube.com/watch?v=p5QXZ0__8VUhttps://www.youtube.com/watch?v=XYcw8nV_GTshttps://www.youtube.com/watch?v=V0KjXsGRvoAhttps://www.youtube.com/watch?v=yfS1lr8FW1Ahttps://www.youtube.com/watch?v=edgsmtUH954https://www.youtube.com/watch?v=2ynMmhqVGx4https://www.youtube.com/watch?v=F5fFVkYJ_Rshttps://www.youtube.com/watch?v=2xnsMGNichohttps://www.youtube.com/watch?v=d1zaw-KZX1ohttps://www.youtube.com/watch?v=K6i-qE8AigE 32

IV. Théorie de la gravitation quantique à boucle (Loop quantum gravity) 1. ExplicationLa théorie de la gravité quantique à bouclesVers la quantification de la gravitation (I)La gravité quantique à boucles (en anglais \"Loop Quantum Gravity\" ou LQG) est une théorie visant à réunir la relativitégénérale et la physique quantique, autrement dit à quantifier la gravitation.Cette théorie spéculative considère que l'espace n'est plus un continuum espace-temps mais formé de quanta élémentairesd'énergie. Le temps prend également une valeur discrète.Non seulement cette théorie est avant-gardiste mais elle est très difficile à formaliser et à tester.En 1900, Ernst Planck inventa le concept de quantum d'énergie, annonciateur d'une véritable révolution en physique. Cettethéorie sera formalisée par Einstein, Bohr, Heisenberg, Pauli, Dirac et consorts.Entre-temps, en 1916 Einstein publia sa théorie sur la relativité générale. Einstein avait conscience de la nécessité dequantifier la gravitation mais les deux approches semblaient incompatibles. La relativité générale est une théorie locale,continue, déterministe et évoluant dans un espace-temps dynamique, alors que la quantique est non-locale, discontinue, aléatoire et probabiliste, deux points de vue quisemblaient irrémédiablement inconciliables et qui valurent quelques belles joutes intellectuelles entre Einstein et les adaptes de la théorie quantique.Après beaucoup d'efforts, à la fin du XXe siècle mathématicien et physiciens sont parvenus à unifier trois des quatre interactions fondamentales :- l'interaction électromagnétique (électricité et magnétisme)- l'interaction forte (les gluons échangés entre les quarks dans le noyau)- l'interaction faible (la radioactivité notamment).Cette percée scientifique applaudie à la hauteur de son exploit donna naissance au modèle Standard de la physique des particules et aux théories de grande unification ouGUT dont nous reparlerons en cosmologie.Mais depuis cette avancée et malgré des décennies de recherches, les théoriciens travaillent encore avec des modèles qui ne s'appliquent que dans le cadre d'un espace-temps euclidien, plat, alors qu'ils savent d'expérience que l'univers est fondamentalement fluctuant, sous l'influence locale de la gravitation. 33

Et quand bien même ils tiennent compte de déformations locales de l'espace-temps, les solutions de leurs équations sont incohérentes. En fait les mathématiciens butentsur des singularités signifiant clairement que leurs théories sont incomplètes.La quantification de l'espace-temps présente deux avantages. Elle élimine les singularités qui sont sources de nombreuses divergences dans le modèle Standard desparticules élémentaires où les particules sont considérées comme des points sans dimension. Ces divergences sont déjà apparues dans la théorie du champélectromagnétique avec la divergence de Coulomb : à très courte distance d'une particule (ponctuelle) chargée, la valeur du champ augmente indéfiniment.Ensuite, développer une théorie de la gravitation correctement quantifiée conduit inévitablement à une théorie quantique de la gravité comprenant la relativité générale. 2. Ateliers ❖ Représentation de la théorie LQGMatériel : • Papier journal • Colle blanche • Peinture • Feutres • Fils scoubidou (ou fils de laine) • Scotch • Cutter 3. Des liens pour plus de documentation Lienshttps://sciencetonnante.wordpress.com/2016/09/02/la-gravite-quantique-a-boucles/http://www.astrosurf.com/luxorion/gravite-quantique-boucles-lqg.htmhttps://www.matierevolution.fr/spip.php?breve269https://actualite.housseniawriting.com/science/physique/2016/01/18/la-theorie-des-cordes-rencontre-la-gravitation-quantique-a-boucles-pour-former-une-theorie-du-tout/12774/ 34

http://guydoyen.fr/2013/10/17/la-gravite-quantique-a-boucles/https://fr.wikipedia.org/wiki/Gravitation_quantique_%C3%A0_boucleshttp://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/astrophysique-gravitation-quantique-boucles-theorie-fascinante-2323/http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-gravitation-quantique-boucles-8832/https://sciencetonnante.wordpress.com/2016/09/02/la-gravite-quantique-a-boucles/http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-pourquoi-cherche-t-on-une-theorie-quantique-de-la-gravitation-37685.phphttps://philosophiascientiae.revues.org/692http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=8024 Vidéoshttp://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/astrophysique-gravitation-quantique-boucles-theorie-fascinante-2323/http://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/astrophysique-gravitation-quantique-boucles-theorie-fascinante-2323/page/5/http://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/astrophysique-gravitation-quantique-boucles-theorie-fascinante-2323/page/4/http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-gravitation-quantique-pourrait-etre-testee-grace-couple-pulsar-trou-noir-supermassif-66662/https://www.youtube.com/watch?v=3MJJvXGuDaghttps://www.youtube.com/watch?v=NNZhXymK0DMhttps://www.youtube.com/watch?v=mUg93lSRF2ohttp://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/univers-primordial-pres-big-bang-temps-deviendrait-espace-explique-aurelien-barrau-61658/https://www.youtube.com/watch?v=hJtcoAq_0LMhttps://www.youtube.com/watch?v=r_-IPVJaBl8https://www.youtube.com/watch?v=ZQ_xSWlU6gUhttps://www.youtube.com/watch?v=SW7hmII8MKYhttps://www.youtube.com/watch?v=8GWEPyhzn_U 35

V. Théorie des Cordes et supercordes 1. ExplicationDepuis ses débuts, vers la fin des années 1960, la théorie des cordes a toujours su se démarquer des autres théories parson originalité et son élégance. Elle constitue désormais l’une des meilleures approches à l’un des plus grands défis de laphysique moderne : l’unification des quatre types d’interactions fondamentales. En effet, le modèle standard actuel enphysique des particules inclut la force nucléaire forte, faible ainsi que la force électromagnétique, mais est incapable detenir compte de la force gravitationnelle dans ses prédictions. Le problème réside dans le fait que la relativité générale,qui correspond à une théorie classique de la gravité, ne peut donner de prédiction sur les interactions gravitationnelles àdes échelles de distance très petites (de l’ordre de l’échelle de Plank). En effet, lorsque combinée à la mécaniquequantique, l’obtention de probabilités infinies ne peut que suggérer que la théorie actuelle n’est pas renormalisable. Cequi donne lieu, par exemple, à des intégrales divergentes dans le calcul de quantités finies telles que l’énergie ou laprobabilité d’occurrence d’un phénomène. Alors pour être en mesure de faire une description précise de la gravité enincorporant les effets quantiques non négligeables à cette échelle, de nouvelles conceptions au sujet des particulesélémentaires ont dû être introduites.Ainsi, la motivation initiale derrière la théorie des cordes correspond essentiellement à la même que celle qui avait poussé les Grecs de l’Antiquité à s’interroger sur lastructure de la matière, c’est-à-dire de trouver le plus petit constituant indivisible possible, la «brique fondamentale de l’édifice théorique»1, permettant de reconstruire lamatière telle qu’on l’observe à notre échelle. L’idée de base sur laquelle repose la théorie des cordes semble donc a priori fort simple mais quelque peu contre-intuitive. Ils’agit de remplacer le concept de particules ponctuelles (un point dans l’espace) par celui d’une corde de longueur finie en une dimension pouvant osciller sur différentsmodes. Il en découle ainsi que pour chaque mode de vibrations de la corde émergent des nombres quantiques précis correspondant à des particules distinctes. Bienentendu, cette idée audacieuse a subit beaucoup de critiques de la part de la communauté scientifique au cours des 40 dernières années et est toujours au coeurd’importants débats à l’heure actuelle. Certains sont d’avis qu’elle ne pourra jamais être testée de façon expérimentale, qu’elle est de nature philosophique et qu’elle neservi qu’à développer de nouvelles mathématiques. Bien qu’il soit vrai que notre compréhension actuelle de la théorie est limitée, il ne faut pas perdre de vue que celle-ciest relativement jeune et qu’avec les récents développements survenus au LHC2, les perspectives de confirmation expérimentale sont de plus en plus réalistes.Quoi qu’il en soit, la théorie des cordes, qui a par la suite évolué en théorie des supercordes, suscite maintenant l’intérêt d’un nombre important de chercheurs à travers lemonde. Elle rejoint même l’imaginaire collectif par ses prédictions aux allures quelques fois exotiques telles que les dimensions multiples ou les univers parallèles. Leprésent travail se veut donc une revue des points importants associés à cette théorie afin d’expliquer en partie ses prédictions et de démystifier certains concepts. L’accentsera principalement mis sur une description rigoureuse des cordes bosoniques afin de bien voir les étapes de la construction d’une théorie. Certaines de ses prédictionsseront discutées et les cordes fermioniques seront par la suite brièvement abordées afin de montrer les corrections qu’elles peuvent apporter à certains problèmes liés auxcordes bosoniques. 36

2. Ateliers ❖ Exemples modes de vibration des cordesMatériel • Fils scoubidou colorés • Carton • Fiche cartonnée • Feutres3. Des liens pour plus de documentationLienshttp://iramis.cea.fr/ComScience/Phases/phases_03/p3article1.htmlhttp://www.astrosurf.com/luxorion/quantique-supercordes.htmhttp://www.cafardcosmique.com/La-theorie-des-supercordeshttp://feynman.phy.ulaval.ca/marleau/pp/13cordes/index.htmlhttp://www.astrosurf.com/luxorion/univers-11dimensions2.htmhttps://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_des_supercordeshttp://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-theorie-supercordes-76/http://iramis.cea.fr/ComScience/Phases/phases_03/p3article1.htmlhttps://fr.vikidia.org/wiki/Th%C3%A9orie_des_supercordeshttp://tp-svt.pagesperso-orange.fr/cordes.htm 37

http://www.cafardcosmique.com/La-theorie-des-supercordeshttp://www.diffusion.ens.fr/vip/pageJ01.htmlhttps://sciencetonnante.wordpress.com/2011/03/14/non-lunivers-na-pas-10-dimensions/ Vidéoshttps://www.youtube.com/watch?v=7KaaeWv2wNshttps://www.youtube.com/watch?v=b-J-xfEwohQhttps://www.youtube.com/watch?v=IydLohWtK8Ihttps://www.youtube.com/watch?v=4aJBaIUaXNMhttps://www.youtube.com/watch?v=6nuZNiL4p2Ihttps://www.canal-u.tv/video/universite_de_tous_les_savoirs/la_theorie_des_cordes.1442https://www.youtube.com/watch?v=JClKauUwI5khttps://www.ted.com/talks/brian_greene_on_string_theory?language=frhttps://www.youtube.com/watch?v=MTzm8F_xs3chttps://www.youtube.com/watch?v=kYAdwS5MFjQhttps://www.youtube.com/watch?v=_B0Kaf7xYMk 38

VI. Les supraconducteurs 1. Explication Les supraconducteurs sont des matériaux qui exhibent le phénomène de la supraconductivité (ou supraconduction), c'est-à-dire l'absence de résistance électrique, en dessous d'une certaine température critique Tc. Histoire de la découverte des supraconducteurs Les premiers supraconducteurs connus à partir de 1911, suite aux travaux du physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et son équipe, et que l'on nomme communément des supraconducteurs conventionnels, ne le devenaient qu'à des températures très basses, proches du zéro absolu. La résistance électrique du mercure, par exemple, devient nulle en dessous de 4,2 kelvins (K). C'est en 1986 que l'on a découvert les cuprates, les premiers exemples d'autres classes de matériaux, collectivement appelés supraconducteurs non conventionnels. Aujourd'hui, le record pour un supraconducteur à haute température critique reste extrêmement bas comparativement aux températures à la surface de la Terre (le maximum est 133 K, soit -140 °C). Si l'on disposait d'un supraconducteur à température ambiante, on pourrait entre autres transporter de l'électricité sans perte d'énergie et réaliser des Maglev économiques, comme des trains supersoniques dans des tubes sous vide. La théorie BCS Une théorie complète de la supraconductivité fut proposée en 1957 par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer qui reçurent par la suite pour cette découverte le prix Nobel de physique en 1972. Connue comme théorie BCS, d'après leurs initiales, elle permettait de comprendre ce que laissait dans l'ombre une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau qui fut élaborée par Lev Landau et Vitali Ginzburg en 1950. La théorie BCS explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) formant alors des bosons interagissant avec des phonons. Ce faisant, le courant électrique peut se comporter d'une certaine façon comme un superfluide. Mais cette théorie ne fonctionne bien que dans le cas des supraconducteurs conventionnels et semble échouer pour les autres supraconducteurs. Cependant, les avis des théoriciens diffèrent sur ce sujet. On pense que dans le cas de certains supraconducteurs non conventionnels ce sont des interactions magnétiques qui seraient responsables de la formation de paires de Cooper. Plusieurs familles de matériaux sont considérées comme non conventionnelles. Les supraconducteurs organiques ou moléculaires (sels de Bechgaard), les cuprates, ou les pnictures en sont des exemples.. 39

2. AteliersMatériel • Céramique • Azote liquide • Aimant néodyme • Thermos 3. Des liens pour plus de documentation Lienshttps://fr.wikipedia.org/wiki/Supraconductivit%C3%A9http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-supraconducteur-12240/https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/supraconductivitehttp://www.supraconductivite.fr/fr/index.php?p=supra-materiauxhttps://home.cern/fr/about/engineering/superconductivityhttp://www.cnrs.fr/supra2011/spip.php?article1https://www.science-et-vie.com/science-et-culture/materiaux-supraconducteurs-ils-peuvent-desormais-fonctionner-a-des-temperatures-terrestres-6172https://www.espace-sciences.org/conferences/mardis-de-l-espace-des-sciences/les-supraconducteurs-et-leurs-fascinantes-proprietes Vidéoshttps://www.youtube.com/watch?v=Sj5eue4jm9chttp://www.dailymotion.com/video/xhygwo 40

http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/supraconducteur-secret-supraconducteurs-hautes-temperatures-enfin-perce-63959/http://apprendre.tv5monde.com/fr/apprendre-francais/la-supraconductivite-kesako?exercice=3https://www.youtube.com/watch?v=CZr6lU044E0https://www.youtube.com/watch?v=Q0cAPoDeJGQhttps://www.youtube.com/watch?v=X39uZXcs36Ehttps://www.youtube.com/watch?v=lvrELe530qshttps://www.youtube.com/watch?v=lvrELe530qsVII. L’ordinateur quantique 1. ExplicationNous savons qu'un ordinateur classique traite des informations élémentaires, des bits, qui ne peuventprésenter qu'un état parmi deux possibles : 0 ou 1. C'est le langage binaire. La révolution que proposel'informatique quantique est de remplacer ces bits par des bits quantiques, ou q(u)bits en abrégé,pouvant prendre un ensemble de valeurs beaucoup plus large. En effet, la physique quantique, avecson principe de superposition, permet à un état d'être un \"mélange\" d'autres états. Ainsi, un qbit peutprendre les valeurs 0 ou 1, mais aussi un état constitue de 10% de 0 et 90% de 1, ou toute autrecombinaison. Ceci signifie que quand on mesure la valeur du qbit, on a 10% de chances de trouver 0 et90% de trouver 1. En gros, le qbit peut être à la fois dans l'état 0 et l'état 1 (c'est une facon un peucavalière d'exprimer un résultat mathématique precis et il ne faut pas mettre trop de poids dans cetteinterprétation). La richesse offerte par ce principe se paie cependant par l'introduction d'uneincertitude dans la mesure du qbit.Un peu plus concrétement, avec 4 bits, un ordinateur classique peut traiter un état parmi 24 soit 16états différents :0000, 0001, 0010, 0011, etc. Dans un ordinateur quantique, les quatre qbits pourraient être dans une supersposition de tous ces états. Dans cette situation, l'avantage del'ordinateur quantique est de pouvoir traiter simultanément les 16 états. 41

Des ordinateurs quantiques équipés de processeurs de N qubits permettent donc de gérer 2N informations différentes simultanément ! Ils calculent donc N fois plus vitequ'un ordinateur classique puisqu'ils sont capables d'effectuer ces calculs en parallèle ! Le nombre de qubits augmente donc de manière exponentielle la puissance dutravail en parallèle. Il est ainsi facile de calculer qu'un ordinateur quantique de 300 qbits pourraient gérer environ 1090 informations, soit plus que le nombre d'atomes dansl'Univers observable.Aujourd'hui nous sommes cependant encore loin de pouvoir gérer autant d'états et les prototypes d'ordinateurs quantiques les plus puissants travaillent au mieux avec 7qubits, l'équivalent d'un processeur de 7 bits mais massivement parallèle.Gérer la décohérenceLorsqu'un système quantique est dans un état quantique qui est une superposition de plusieurs états classiques, on parle d'état cohérent, et le phénomène est désignésous les noms \"emmêlement ou imbrication quantique\". Mais l'une des raisons pour lesquelles il est très difficile de produire aux échelles macroscopiques des étatsintriqués est qu'aussitôt qu'un système quantique interagit avec son environnement, il \"décohère\" et tombe dans l'un des états classiques.La puissance potentielle des ordinateurs quantiques dépend des propriétés de parallélisme présentes dans l'état d'imbrication quantique. Le phénomène de décohérencereprésente donc un obstacle majeur pour la fabrication de tels ordinateurs car il signifie un retour vers des états classiques, mais aussi une perte d'information et un grandrisque d'erreurs dans les calculs.\"De plus, la mesure de la valeur contenue dans les qbits brise la superposition, et on se retrouve dans la même situation que dans le cas classique : chaque qbit contient lavaleur 0 ou 1 après la mesure ! On semble donc perdre d'un coup tous les avantages offerts par les propriétés quantiques. Une des grandes difficultés de ce domaine estainsi de trouver des algorithmes propres aux ordinateurs quantiques et qui permettent de ne pas perdre le résultat du calcul quand on le lit...\"Trouver le résultatMais ce n'est pas le seul problème auquel les physiciens doivent faire face. L'ordinateur quantique travaillant dans un univers mathématique multidimensionnel, lesrésultats d'un calcul effectué en parallèle sont distribués dans autant d'univers parallèles ou différents.Quelle est la conséquence pratique de ce phénomène ?L'utilisation d'états imbriqués pour une série de calculs donnée signifie que la solution finale du calcul se trouve délocalisée dans l'ensemble des interférences créées par lesdifférentes étapes classiques. En pratique, cela signifie que si vous regardez un calcul particulier, l'équivalent d'un état intermédiaire, vous prenez le risque de perturder lesautres calculs et de faire disparaître les interférences, ce qui provoquera en quelques sortes le \"plantage\" du calcul quantique. 42

2. Ateliers (?! Simulation des portes logiques quantique) 3. Des liens pour plus de documentation Lienshttps://sciencetonnante.wordpress.com/2017/04/07/les-ordinateurs-quantiques/#more-8225https://cercle.institut-pandore.com/physique-quantique/informatique-ordinateur-quantique/http://www.futura-sciences.com/tech/actualites/ordinateur-quantique-ordinateur-quantique-intel-devoile-puce-supraconductrice-17-qubits-68867/http://www.01net.com/actualites/voici-l-ordinateur-quantique-le-plus-puissant-du-monde-1090608.htmlhttps://www.lesechos.fr/10/12/2015/lesechos.fr/021548110969_google-presente-son-ordinateur-quantique--100-millions-de-fois-plus-rapide-qu-un-ordinateur-classique.htmhttps://cercle.institut-pandore.com/physique-quantique/informatique-ordinateur-quantique/https://fr.wikipedia.org/wiki/Calculateur_quantiquehttp://www.astrosurf.com/luxorion/ordinateur-quantique.htmhttp://www.latribune.fr/technos-medias/informatique/l-ordinateur-quantique-le-plus-rapide-de-tous-les-temps-sera-chinois-741687.htmlhttp://www.lemonde.fr/sciences/article/2017/07/04/informatique-le-grand-saut-de-l-ordinateur-quantique_5155411_1650684.htmlhttp://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-microsoft-fait-un-pas-de-plus-vers-l-ordinateur-quantique-69485.htmlhttp://mashable.france24.com/tech-business/20170307-ibm-ordinateur-quantique-universelhttps://www.sciencesetavenir.fr/high-tech/informatique/les-incroyables-promesses-de-l-ordinateur-quantique_36053 43

http://www.journaldunet.com/solutions/dsi/1137545-l-informatique-quantique-la-quete-du-graal-numerique/http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/t/theme-ordinateur-quantique.phphttp://www.lapresse.ca/sciences/decouvertes/201710/12/01-5139725-lordinateur-quantique-fait-rever-des-chercheurs-montrealais.php Vidéoshttps://www.youtube.com/watch?v=gRxkhgntjIwhttps://www.youtube.com/watch?v=EApyeFgZ9vkhttps://www.youtube.com/watch?v=R1qA7cFQ_aAhttps://www.youtube.com/watch?v=6ZzPN6kFroohttp://www.futura-sciences.com/tech/actualites/pc-testez-processeur-quantique-ibm-depuis-votre-ordinateur-62674/https://www.youtube.com/watch?v=bayTbt_8aNchttps://www.youtube.com/watch?v=YqJTRbc4eZ8https://www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4https://www.research.ibm.com/ibm-q/https://www.youtube.com/watch?v=2B680d-qvhIhttps://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28https://www.youtube.com/watch?v=iYESkqXVWa0https://www.youtube.com/watch?v=lypnkNm0B4Ahttps://www.youtube.com/watch?v=w_-_H9eBte8https://www.youtube.com/watch?v=-kTDmsNumVE 44

VIII. La M. Quantique et la biologie 1. Explication Le physicien Paul Davies s’intéresse de près au rôle des lois quantiques dans le vivant. Dans une revue parue en 2009, il confesse que nombre de physiciens considèrent la vie comme une sorte de miracle par lequel des « molécules stupides » parviennent à coordonner leurs réactions pour engendrer ces systèmes extrêmement complexes capables de percevoir, se déplacer et se reproduire (Physics world, juillet 2009, p 24-28). La biologie contemporaine ne peut plus ignorer la physique quantique affirme avec force Davies pour qui l’hypothèse quantique pourrait expliquer par quel mystère le monde prébiotique est parvenu à engendrer la vie au terme d’une histoire de trois milliards d’années. Si cette hypothèse s’avérait exacte, alors l’origine de la vie serait moins le fait du hasard et plutôt le résultat d’un long procès dont le « miracle » tiendrait en fait à l’intervention de processus quantiques permettant aux molécules de tester des chemins et de trouver celui qui mène au vivant. Pour le dire autrement, le monde prébiotique aurait utilisé des processus similaires à ceux imaginés pour construire un ordinateur quantique. Cette fascinante hypothèse est partagée par quelques physiciens de renom. Mais il faudra théoriser cette affaire avant de bien comprendre un réel dont la connaissance est pour l’instant lacunaire pour ne pas dire embryonnaire. Ce qui ne nous interdit pas de réfléchir une fois de plus sur le grand tournant qui se dessine en biologie. En fait, depuis plus d’un siècle, les sciences du vivant se sont pensées dans le cadre de la chimie. Plus précisément, la biologie contemporaine est une biologie chimique. Solidement ancrée sur deux spécialités largement développées dans les laboratoires, la chimie organique et la biologie moléculaire. Néanmoins, quelques scientifiques qu’on dira dissidents ont envisagé l’implication de phénomènes physiques dans le vivant mais cette orientation théorique est restée extrêmement marginale. Quelques savants ont misé sur le magnétisme avant la guerre de 39 mais c’est à la fin des années 1960 que grâce à l’impulsion de Frölich, les recherches en « biologie physique » ont pris un essor modeste mais avéré. Une précision importante ; la biologie physique étudie expérimentalement ou théoriquement des processus descriptibles par des formalismes physiques. Qui peuvent être quantiques comme la cohérence et l’effet tunnel, ou électromagnétique ou autres comme par exemple les vibrations et propagations qu’on trouve dans les phénomènes désignés comme phonons et solitons. Ces derniers ayant fait l’objet des travaux précurseurs de Frölich. Il ne faut donc pas confondre la biologie physique et la biophysique. La seconde consiste à étudier par des techniques physiques (rayons X. résonance magnétique nucléaire…) les structures biomoléculaires. La première consiste à étudier des phénomènes physiques se produisant au sein des biomolécules, des cellules et même des organismes. Et peut-être pourrait-on envisager également la conscience. La biologie quantique a donc définitivement émergé comme spécialité selon les dires de Davies qui mentionne plusieurs études impliquant les solitons mais aussi les effets tunnels. Les solitons pourraient intervenir dans la genèse de comportements coordonnés des biomolécules. Il faut en effet que ces milliards de milliards d’atomes puissent fonctionner ensemble pour permettre aux cellules d’assurer leurs fonctions. L’effet tunnel est une curiosité de la mécanique quantique. On sait que dans le monde classique, un solide ne peut franchir une barrière dont l’énergie est supérieure à la sienne. Par exemple, une bille dotée 45

d’une vitesse donnée au centre d’un bol ne peut sortir du récipient si son énergie cinétique est inférieure à l’énergie gravitationnelle correspondant à la hauteurdu bol. Mais dans un système quantique, ce phénomène est possible. Une particule peut franchir une barrière énergétique dont le seuil est supérieur à sa propreénergie. Tout dépend si fonction d’onde ne s’annule pas au niveau du franchissement. Auquel cas, cette fonction indiquant la probabilité de présence, laparticule peut sauter la barrière avec plus ou moins de succès. Davies mentionne alors une spéculation sur le rôle de l’effet tunnel dans la mutation des gènes(censés être à la base de l’adaptation). Un tel effet pourrait produire un « défaut d’appariement » entre les bases au moment des processus géniques et engendrerune substitution de base, G au lieu de A par exemple. Un autre processus impliquant l’effet tunnel pourrait concerner des protéines repliées avec une structuretridimensionnelle quasi-labyrinthique au sein duquel un proton pourrait trouver plus facilement sa route vers le centre actif s’il se servait de cet effet tunnel.Davies mentionne également des travaux portant sur le rôle de la cohérence dans la photosynthèse avec cependant une interrogation sur la température où seproduit le phénomène (voir plus loin) ; et conclut que si l’intervention de la mécanique quantique dans le vivant est appuyée par des expériences et des théories,ce n’est pas pour autant que la biologie quantique fait consensus dans la communauté scientifique. C’est même l’inverse, un domaine réservé pour l’instant àune minorité. L’avenir dira s’il s’agit de curiosités de savants étudiant des « phénomènes exotiques » où si comme le pensent certains, avec l’auteur de ceslignes, une révolution scientifique se prépare.Révolution quantique en biologie : l’exemple de la cohérence dans la photosynthèseRécemment, les ordinateurs quantiques ont été à la une à l’occasion de l’attribution du prix Nobel de physique. Le principe de ces calculateurs est d’utiliser desinterférences quantiques liées aux superpositions d’états. Ce qui permet d’effectuer des opérations rapides tout en dépassant les limites de l’information binaire.Un système quantique cohérent peut occuper un état situé entre le 0 et le 1. Néanmoins, la cohérence est détruite avec une extrême rapidité dès lors que lesystème est couplé au monde classique, ne serait-ce qu’avec quelques atomes de matière placés à la pointe d’une aiguille. Ce n’est qu’aux températures prochesdu zéro absolu que les cohérences quantiques pourraient être utilisées. Pourtant, les systèmes vivants évoluant à des températures positives semblent pouvoir seservir des cohérences quantiques. Ces phénomènes ont été observés par exemple en étudiant les biomolécules liées à la photosynthèse ; ils pourraient constituerune première pierre pour un nouvel édifice théorique, celui de la biologie quantique, pressentie comme nouveau paradigme par quelques observateurs attentifs,mais largement inconnue du grand public et même des étudiants en biologie. Cela fait des décennies que la physique quantique est invoquée comme « chaînonmanquant ontologique » sans pour autant que le lien ait été établi entre ce monde quantique au comportement étrange et le monde biologique classique quenous percevons, mesurons et dans lequel nous vivons en y interagissant. Finalement, le classique chaînon manquant permettant de passer du monde prébiotiqueau monde animé, serait un « chaînon ontologique quantique ». Mais avant d’éclaircir cette question des origines, il faudra beaucoup de résultats expérimentauxainsi que des avancées théoriques inédites. La biologie quantique semble prendre un essor soudain, un siècle après la physique quantique.Les travaux des physiciens sur la cohérence quantique ont été couronnés par le Nobel en 2012. Ce qu’on sait moins, c’est que dans le domaine de la biologie,des études sur la cohérence sont en cours et que des premiers résultats ont été obtenus expérimentalement en 2007 dans le laboratoire dirigé par GrahamFlemming, soit une dizaine d’années après premiers succès de la cohérence publiés par Serge Haroche et David Wineland. La cohérence quantique est unphénomène difficile à expérimenter et à comprendre car elle défie les notions de la physique classique. Il se produit une cohérence lorsqu’un photon interagitavec au moins deux atomes pendant un laps de temps extrêmement réduit ce qui limite les possibilités de l’observer. Pendant ce court espace de temps, lesystème quantique est dans deux états et lorsque la décohérence se produit, un transfert « réel » d’énergie se produit. Un photon est émis et la cohérence estsupprimée au profit d’un phénomène classique. La cohérence peut être observée avec plus de succès lorsque la température est basse. C’est dans de telles 46

conditions, à 77 degrés Kelvin (environ moins 200 degrés Celsius) que Fleming a observé cette cohérence en utilisant des molécules extraites de bactéries. Cesrésultats n’ont rien d’inattendus car ils se situent dans le prolongement des études de décohérences menées par les physiciens et ne permettent pas d’émettre deshypothèses sur un éventuel rôle de la cohérence quantique dans les systèmes biologiques. Mais ce n’était que partie remise puisque trois ans plus tard, GregScholes est parvenu à observer la cohérence quantique dans des molécules particulières extraites d’algues. Ces expériences ont été menées à températureambiante, ce qui montre que ce processus quantique est envisageable dans n’importe quel système vivant.Scholes et ses collaborateurs ont utilisé une protéine particulière, « l’antenna », extraite de cryptophytes, algues marines utilisant cette protéine qui, bienqu’étant distincte de l’universelle chlorophylle, joue un rôle équivalent en permettant de transférer l’énergie lumineuse vers les dispositifs de carbosynthèse. Enl’espace de quelques fractions de secondes, ces algues peuvent capter une proportion non négligeable de l’énergie lumineuse pour la diriger vers les centres desynthèse des carbohydrates. Pour réaliser ce phénomène, on imagine aisément que le photon doit trouver le plus rapidement possible son chemin, sinon il repartdans l’environnement. Et justement, cette possibilité est permise par la cohérence quantique. L’énergie passe ainsi par plusieurs chemins possibles dans lamolécule avant de se décider pour emprunter le chemin accessible le plus direct. C’est étrange à concevoir mais c’est ainsi que fonctionne la cohérencequantique. Imaginez que vous rentrez du Cap Ferret pour rejoindre le centre de Bordeaux un dimanche ensoleillé. Vous pouvez emprunter plusieurs chemins enjouant sur une combinaison de portions de route. Vous testez chaque parcours puis vous revenez à la case départ pour prendre celui qui vous mènera à bon portdans le délai le plus court. Bien évidemment, c’est impossible à réaliser et tout ce que vous pouvez faire, c’est éventuellement contacter un de vos amis pourqu’il vous dise s’il est coincé ou pas dans un bouchon près de Bordeaux, ce qui ne vous garantit aucunement que lorsque vous passerez au même endroit, l’étatde la circulation sera le même. Par contre, l’énergie du photon peut, à l’échelle quantique, tester les chemins dans la molécule de transfert et choisir le plusrapide pour aller vers les centres moléculaires de la carbosynthèse. Ces processus de cohérence quantique, bien qu’obtenus dans des conditions expérimentalescréées en laboratoire, n’en sont pas moins tangibles d’un point de vue biologique, selon les dires de Scholes.Les recherches sur les effets quantiques en biologie constituent actuellement l’un des champs les plus prometteurs car les résultats commencent à tomber tandisque le schéma théorique est très loin d’être élucidé, comme le conclut Fleming, co-auteur d’une petite revue sur ce sujet et spécialiste de ce domaine très pointunécessitant la maîtrise des expériences microphysiques sur des macromolécules biologiques ainsi qu’une bonne connaissance des formalismes quantiques.Selon Fleming, si le 20ème siècle a vu se développer des questionnements sur le « fonctionnement quantique » des systèmes biologiques, ce n’est querécemment que les phénomènes quantiques dans les biomolécules ont pu être observés (G.R. Fleming et al., New Journal of Physics, 13, 2011). Des moléculesessentielles à la communication cellulaire, comme par exemple les canaux ioniques, sont soupçonnés d’utiliser des processus quantiques. L’étendue de cesphénomènes est assez large, autant sur le plan des molécules étudiées qu’au niveau des processus quantiques impliqués et pour la plupart échappant au senscommun. Ce que l’on peut comprendre aisément car les concepts et formules de la mécanique quantiques ne représentent pas un monde classique. Et pourtant,ce monde classique émerge du monde quantique, telle une tapisserie dont les mailles sont non seulement invisibles mais tissées avec des lois défiantl’entendement classique. Des travaux récents ont même montré que l’espace et le temps découlent des lois de la physique quantique. Alors autant miser surl’hypothèse d’un monde vivant dont les éléments moléculaires sont pour une part soumis aux règles du monde quantique. Ce qui supposerait une doubledescription du vivant, mécaniste, chimique et moléculaire lorsqu’on développe les techniques d’analyse moléculaire, mais quantique si l’on utilise desdispositifs ajustés à l’observation des phénomènes quantiques comme peuvent l’être la cohérence, la non séparabilité, l’effet tunnel et les interférences. Avecdeux corpus théoriques complémentaires, celui de la chimie organique et celui de la physique. 47

2. Ateliers(…..) 3. Des liens pour plus de documentation Lienshttps://fr.sott.net/article/12622-La-biologie-passerat-elle-par-la-case-quantiquehttp://www.agoravox.fr/actualites/technologies/article/la-physique-quantique-appliquee-a-124767http://www.metaquine.com/2016/05/07/vers-une-biologie-quantique/http://www.programme.tv/c18257937-les-secrets-de-la-physique-quantique/la-biologie-quantique-99726975/http://automatesintelligent.blog.lemonde.fr/2011/11/02/avancees-de-la-recherche-en-biologie-quantique/http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-biologie-quantique-photosynthese-51672/https://fr.wikipedia.org/wiki/Biologie_quantiquehttp://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-la-vie-est-elle-aussi-quantique-37681.phphttp://leplus.nouvelobs.com/contribution/317306-la-mecanique-quantique-l-adn-et-l-origine-de-la-vie-remise-en-question.htmlhttps://www.sciencesetavenir.fr/nature-environnement/plantes-et-vegetaux/birgitta-whaley-percer-les-secrets-du-vivant-grace-a-la-biologie-quantique_107763https://fr.sott.net/article/12622-La-biologie-passerat-elle-par-la-case-quantiquehttp://automatesintelligent.blog.lemonde.fr/2011/11/02/avancees-de-la-recherche-en-biologie-quantique/http://philoscience.over-blog.com/2014/12/sur-la-biologie-quantique-avec-le-pr-johnjoe-mac-fadden.html 48

Vidéoshttps://www.youtube.com/watch?v=N6rv2_ebwFshttps://www.youtube.com/watch?v=qnqA9c1xOnUhttps://www.ted.com/talks/jim_al_khalili_how_quantum_biology_might_explain_life_s_biggest_questions/up-next?language=frhttps://www.youtube.com/watch?v=DQDfl-pmEWshttps://www.youtube.com/watch?v=nTVVnY1AXpchttps://www.youtube.com/watch?v=ydg7yhLevGMhttps://www.youtube.com/watch?v=wyJIz8HBqMQhttps://www.youtube.com/watch?v=pFLbswqtmgEhttps://www.youtube.com/watch?v=7C-zKaU3cNkhttps://www.youtube.com/watch?v=a_NpFbAePDEIX. La modélisation de l’atome 1. ExplicationLes Grecs de l'Antiquité se sont intéressés à la nature de la matière. Empédocle d'Agrigente (vers le Ve siècle av. J.-C.) affirmait que la matière était composéede quatre éléments : l'eau, l'air, la terre et le feu. Démocrite (460-370 av. J.-C.) affirmait que la matière était constituée de petites particules qu'il nomma atomos(indivisible en grec ancien)1. Au contraire, Aristote (384-322 av. J.-C.) affirmait que la matière était divisible à l'infini1. Pour des raisons philosophiques, lathéorie d'Aristote domina jusqu'au XIXe siècle1.Au XVIIIe siècle, Antoine de Lavoisier (1743-1794) énonce que, lors d'une réaction chimique, la masse des réactifs est égale à la masse des produits2. Cetteobservation est souvent exprimée par la phrase : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». Bien que la science ait fait de notables progrès depuiscette époque, elle est un principe qui reste encore vrai au XXIe siècle. 49

En 1808, John Dalton connaît les travaux de Lavoisier et propose un modèle qui reprend l'idée de base du modèle atomique de Démocrite : la matière estconstituée de particules indivisibles2. Il a développé le modèle atomique de Dalton qui s'appuie sur quelques principes : 1. Les atomes, particules extrêmement petites et indivisibles, constituent la matière. 2. Tous les atomes d'un même élément chimique sont identiques. 3. Si un élément chimique est différent d'un autre, alors les atomes qui le composent sont différents. 4. Les atomes d'éléments chimiques différents peuvent se combiner, selon des proportions définies, pour former des composés. 5. Les réactions chimiques amènent la création de nouvelles substances, mais le principe de Lavoisier est toujours respecté.En 1897, J.J. Thomson étudie les rayonnements se propageant dans les tubes cathodiques. De ses études, il conclut que des particules négatives y circulent. Cesparticules, appelées « électrons », proviennent de l'atome et s'en détachent facilement. Il propose un modèle atomique qui tient compte de l'existence desélectrons : le modèle atomique de Thomson3. Selon Thomson, l'atome ressemble à un muffin aux raisins : la pâte contient la charge positive de l'atome et lesraisins représentent les électrons. Les atomes ne sont donc plus indivisibles, mais les autres propriétés énoncées par Dalton demeurent vraies.En 1911, Ernest Rutherford étudiait la radioactivité. À cette époque, les scientifiques savaient que les rayons alpha étaient électriquement positifs. Rutherfords'intéressait à l'emplacement des électrons dans le noyau et décida de bombarder une mince feuille d'or avec des rayons alpha. Il prévoyait que les rayonsseraient légèrement déviés par les électrons, mais il découvrit que quelques rayons alpha « rebondissaient » comme s'ils avaient rencontré un mur, alors que lamajorité des autres traversaient la feuille. Sachant que les particules de même charge électrique se repoussent, il en vint à la conclusion que l'atome étaitconstitué d'un noyau petit, massif et chargé positivement et que les électrons tournaient autour du noyau de façon aléatoire4. Ses observations le menèrent àcréer le modèle atomique de Rutherford.Ce modèle possède cependant une faille de taille. En effet, les électrons, chargés négativement, devraient être attirés par le noyau, chargé positivement. Sic'était le cas, il faudrait très peu de temps avant que les particules négatives et positives ne se touchent, mettant fin à l'existence de l'atome5.Pendant la même période, Niels Bohr étudie le spectre d'émission produit par différents éléments chimiques. Il remarque entre autres qu'un même élémentchimique émet toujours les mêmes raies caractéristiques. Pour lui, ces raies ne peuvent être le fait que d'électrons en mouvement qui empruntent quelques« rails » précis : les orbitales électroniques. C'est en 1913 qu'il publie son modèle de l'atome : le modèle de Bohr6 (aussi appelé « modèle atomique deRutherford-Bohr »). Selon son modèle, la lumière produite par les atomes provient des électrons qui « montent » sur des orbitales plus éloignées du noyau etqui, en retombant, émettent de la lumière : ils effectuent des transitions électroniques.Bien qu'il explique les raies caractéristiques ainsi que pratiquement tous les comportements de l'atome observés par le passé, le modèle de Bohr ne parvenaitpas à expliquer pourquoi le noyau n'éclatait pas, puisqu'il était constitué de protons, qui se repoussent.En 1913, Henry Moseley (1887-1915) détermine expérimentalement, au moyen de rayons X, le nombre de protons de chaque éléments. À partir de cettedécouverte, on classe les éléments en ordre croissant de numéros atomiques. Ce classement basé sur la structure de l'atome permet de mieux expliquer pourquoicertains éléments possèdent des propriétés semblables. référence: manuel synergie: 2e cycle du secondaire (2e année) manuel de l'élève STE p.:32 (repère) 50