Cet article de blog examine comment la mécanique quantique et la physique classique, malgré leurs cadres différents, présentent des solutions identiques dans des conditions extrêmes spécifiques, convergeant ainsi vers une seule physique.
La physique a connu une transformation majeure au XXe siècle. L'émergence de la relativité restreinte et de la mécanique quantique, en particulier, a engendré des changements révolutionnaires. Pourtant, considérés du point de vue du processus de progrès scientifique, ces deux exemples présentent des caractéristiques distinctes.
La théorie de la relativité restreinte, publiée en 1905, a non seulement bouleversé des concepts fondamentaux de la physique tels que le temps et l'espace, mais a également nécessité la réécriture de nombreuses formules. Parmi celles-ci figure la règle d'addition des vitesses, longtemps considérée comme une formule valable pour le mouvement relatif. Cette loi explique l'observation intuitive selon laquelle un train roulant à 150 km/h a l'impression qu'un autre train circulant en sens inverse à la même vitesse fuit à 300 km/h. Or, selon la théorie de la relativité restreinte, cette loi d'addition est erronée.
Cela ne signifie pas que la physique classique soit complètement invalidée par la nouvelle théorie. Même du point de vue de la relativité restreinte, les équations de la physique classique fournissent des descriptions et des prédictions suffisamment précises pour la plupart des situations. Par exemple, si le train mentionné précédemment roulait à 150 000 km/s, un écart évident apparaîtrait entre la nouvelle théorie et les calculs de la physique classique. Cependant, même à des vitesses supérieures à celle du son, aux alentours de 1 500 km/h, les résultats des deux calculs fournissent des approximations suffisamment bonnes. Bien que la théorie de la relativité restreinte englobe pleinement le pouvoir explicatif de la physique classique, cette dernière reste valable dans le domaine restreint d'application de la théorie restreinte, à savoir la condition que « la vitesse ne soit pas particulièrement élevée ». De ce point de vue, nous pouvons affirmer avec confiance que la théorie de la relativité restreinte a permis un progrès en physique en intégrant la physique classique tout en élargissant le champ d'explication et de prédiction.
Qu’en est-il alors de la mécanique quantique ? En 1910, les physiciens cherchaient à expliquer les états dynamiques des électrons au sein des atomes, mais la physique classique s’est avérée incapable d’une telle explication. Finalement, les physiciens ont construit le cadre de la mécanique quantique à partir de prémisses incompatibles avec la physique classique, fournissant ainsi une explication précise et cohérente des phénomènes problématiques. Si le mouvement des électrons libres, non contraints par les atomes, peut être expliqué par la physique classique, la mécanique quantique est nécessaire pour décrire les électrons à l’intérieur des atomes. Lorsqu’un électron à l’intérieur d’un atome acquiert suffisamment d’énergie, il devient un électron libre. Cela s’apparente à la libération de l’électron, qui passe du domaine de la mécanique quantique à celui de la physique classique.
Le problème est que les équations de la mécanique quantique ne parviennent pas à expliquer efficacement des phénomènes que la physique classique a pourtant décrits avec succès. Dès lors, on peut se demander si l'émergence de la mécanique quantique représente véritablement un progrès en physique. Des phénomènes comme les collisions de boules de billard, que la mécanique quantique seule ne peut expliquer, relèvent toujours du domaine de la physique classique. La théorie du chaos, développée à partir de 1980, révèle une autre facette de la relation entre les deux théories. Elle examine comment deux états initiaux très légèrement différents évoluent au fil du temps. Or, en mécanique quantique, il existe des cas où la signification de l'expression « deux états initiaux très légèrement différents » ne peut être clairement définie. Cela implique que la théorie du chaos ne peut s'appliquer qu'au domaine de la physique classique.
Pourtant, la mécanique quantique et la physique classique sont curieusement liées. Si l'on considère les conditions extrêmes correspondant à un électron venant d'être libéré d'un atome, les équations de la mécanique quantique prennent une forme remarquablement cohérente avec celles de la physique classique. Ceci indique que les deux théories, expliquant chacune des domaines de phénomènes distincts, se rejoignent à la frontière entre ces domaines dans des conditions extrêmes, formant ainsi une transition continue. Par cette connexion, la physique classique et la mécanique quantique s'affirment comme des composantes complémentaires de la physique.
Si la physique classique avait été abandonnée et avait disparu, ou si la physique classique et la mécanique quantique n'avaient pas réussi à s'unir harmonieusement, l'évaluation des progrès de la physique du XXe siècle aurait fait l'objet de débats. Cependant, à la lumière de l'ensemble de la physique telle que nous la connaissons aujourd'hui, il apparaît clairement que l'émergence de la mécanique quantique a elle-même permis des progrès. Grâce à la physique classique, à la relativité restreinte et à la mécanique quantique, nous disposons d'une physique à la fois diverse et interconnectée, à l'image d'un monde à la fois diversifié et interconnecté.
