Comprendre le principe d’incertitude de Heisenberg

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

En 1927, le physicien allemand Werner Heisenberg a mis en avant ce qui est devenu le principe d’incertitude de Heisenberg (ou simplement le principe d’incertitude ou, parfois, le principe de Heisenberg). En essayant de construire un modèle intuitif de la physique quantique, Heisenberg avait découvert qu’il existait certaines relations fondamentales qui limitaient notre capacité à connaître certaines quantités. Plus précisément, dans l’application la plus simple du principe :

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

Les relations d’incertitude de Heisenberg

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

Équation 1 : delta- x * delta- p est proportionnel à la barre h Équation 2 : delta- E * delta- t est proportionnel à la barre h

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

• h-bar : Appelée « constante de Planck réduite », elle a la valeur de la constante de Planck divisée par 2*pi.
• delta-x : C’est l’incertitude sur la position d’un objet (disons d’une particule donnée).
• delta-p : C’est l’incertitude de l’élan d’un objet.
• delta-E : C’est l’incertitude sur l’énergie d’un objet.
• delta-t : C’est l’incertitude de la mesure du temps d’un objet.

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

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

Un exemple de bon sens

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

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

Confusion sur le principe d’incertitude

Il est très fréquent que le principe d’incertitude soit confondu avec le phénomène de l’effet observateur en physique quantique, comme celui qui se manifeste lors de l’expérience de la pensée du chat de Schroedinger. Il s’agit en fait de deux questions complètement différentes en physique quantique, bien qu’elles taxent toutes deux notre pensée classique. Le principe d’incertitude est en fait une contrainte fondamentale à la capacité de faire des déclarations précises sur le comportement d’un système quantique, indépendamment de notre acte réel d’observation ou non. L’effet d’observateur, d’autre part, implique que si nous faisons un certain type d’observation, le système lui-même se comportera différemment qu’il ne le ferait sans cette observation.

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

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