La matière

Pour étudier ce qui nous entoure, nous pouvons utiliser plusieurs référentielle, de tailles différentes.

Après la découverte du noyau atomique par Joseph John Thomson (1856 - 1940) et Ernest Rutherford (1871 - 1937) en 1909, la question était de savoir comment se comporter les électrons avec ce noyau. Plusieurs théories ont été proposées, dont celle de Rutherford en personne, supposant que les électrons tournés autour du noyau. Cependant, elle n'offrait pas de directives précises sur la façon de tourner des électrons. Cette directive sera offert par le physicien danois Niels Bohr (1885 - 1962) en 1913. Pour lui, les électrons tournent de manière très précise : ils se situent en temps normal sur des orbites stables et stationnaire, de rayon une valeur très précise et de moment cinétique un multiple (entier) de la constante de Plank. Il modélise cela dans une simple équation :

$\mathrm{||}\overrightarrow{L}\mathrm{||}=\mathrm{nh}$

Avec L le moment cinétique de l'orbite, n un nombre entier naturel et h la constante de Plank. Cependant, si un électron reçoit de l'énergie de l'extérieur (sous forme d'ondes électromagnétiques / photons), il peut changer d'orbite. Cependant, ce changement ne peux pas avoir lieu n'importe comment. Il doit recevoir assez d'énergie pour aller à une autre orbite stable de l'atome. C'est ce que l'on appelle une absorption. Bien que l'orbite soit stable, le total des orbites dans l'atome ne le seront plus, et l'électron va devoir repasser à une orbite moins énergétique, en émettant son excédent d'énergie (sous forme d'ondes électromagnétiques / photons). C'est ce que l'on appelle un rayonnement.

Cette théorie présente l'avantage d'expliquer pas mal de résultats spectroscopiques, discipline grandement développée pendant le siècle précédent. Elle permet notamment d'expliquer les résultats spectroscopiques de l'hydrogène. Cependant, elle ne suffit pas pour des atomes (et molécules) plus complexes. Elle a aussi permis de faire le lien entre le photon et les ondes électromagnétiques : à échelle quantique, les ondes électromagnétiques peuvent être perçus comme des particules. Cette théorie est nommée la théorie des quantas, introduites par Albert Einstein (1879 - 1955) et Max Planck au début du XXème siècle. Cette théorie est l'une des théories parents de la physique quantique.

La mécanique à petite échelle

Définir la mécanique quantique

Au début des années 1930, les physiciens étaient unanimes : la physique à petite échelle est très bizarre. Il faut accepter que certaines lois "classiques" de notre monde n'existent pas à petite échelle, et que certaines lois à petites échelles ne veulent rien dire à notre échelle. Après pas mal de rencontres, les physiciens ont pris la décisions d'utiliser une nouvelle mécanique à petite échelle : la mécanique quantique.

Les postulats de mécanique quantique

Comme tout théorie physique, la physique quantique est basée sur des postulats relativement solides. Le premier postulat défini un état quantique. En effet, un état quantique représente une propriété observée pour un objet quantique, et peut être décrit par un vecteur complexe géométrique.
Le deuxième postulat est le postulat de correspondance. Il fait correspondre à chaque état quantique existant une manière de les mesurer. Ce postulat défini aussi les état quantique observables, nommés... des observables. En effet, un état quantique peut représenter un simple état de mécanique classique (comme une vitesse ou une possition) pour des objets quantiques. Or, si l'on fait l'observation comme ça à partir d'une observable, on obtient une erreur. Le principe de correspondance permet de corriger cette erreur, en appliquant une transformation à chaque état quantique, pour passer d'une forme classique à une forme quantique.
Le troisième postulat décrit les valeurs mesurées via les observables, comme des valeurs propres de l'observable. En gros, la mesure doit être faite de telle manière que le référentiel géométrique de l'observable et de sa mesure soit (à un redimensionnement près) pareil.
Le quatrième postulat, le postulat de Born décrit comment utiliser les valeurs mesurées via les observables. En effet, les valeurs osbervées n'ont qu'une certaine probabilités d'être vrai, selon l'observable utilisée (ce qui est différent de la physique classique : une valeur observée est toujours vraie). Selon ce postulat, les valeurs observées doivent passer par une fonction pour que l'on obtienne sa probabilité réelle : la célèbre fonction d'onde.
Le cinquième postulat, le postulat de réduction d'onde, énonce que une mesure d'un système provoque l'effondrement du système. En physique quantique, l'effondrement d'un système représente le fait que l'état mesuré va directement prendre comme valeur l'état mesuré. C'est une confirmation que une mesure en physique quantique est possible.
Finalement, le sixième postulat décrit l'évolution temporelle d'un objet quantique après mesure. L'étude d'un système dans le temps se fait via un système d'équation assez célèbre : les équations de Schrodinger. Les valeurs décrites par ce système sont l'évolution de l'objet dans le temps.

Qu'est ce qu'est un boson ?

La définition brute

Un boson est une particule du modèle standard de spin entier. Donc, ils sont soumis à la statistique de Bose-Einstein, et pas au principe d'exclusion de Pauli. Ici, cela veut dire que plusieurs bosons peuvent être dans le même état quantique (absence du principe d'exclusion de Pauli).

Les bosons de jauge

Certains bosons peuvent être représentés comme vecteurs de forces élémentaires. Ces bosons sont appelés bosons de jauge. Ils sont généralement décrit comme des particules virtuelles.

Le photon

Qu'est ce qu'est un photon ?

Selon le modèle standard, le photon est un boson de jauge, vecteur de la force électromagnétique. Il est décrit comme un quantum d'énergie dans une onde électromagnétique. Selon la façon dont une expérience est menée (et les résultats sont obtenus) sur une onde électromagnétique, on peut parfois l'observer comme une onde, ou comme un photon (une particule). Par exemple, c'est l'explication aux résultats de l'expérience de la fente de Young. Dans le cas du photon, la longueur d'onde de l'onde est proportionelle à l'énergie transporté par le photon (un multiple d'une quantité élémentaire d'énergie : la constante de Planck). Pour être plus précis, de manière parfaitement quantique, une onde électromagnétique représente la probabilité de trouver un photon à un certain endroit.

Le cas du laser

Selon le modèle de Bohr, l'absorption d'énergie via un photon excite un atome, qui pourra rayonnée un autre photon un peu plus tard de lui même, de manière assez aléatoire. Or, si l'émission est provoquée par un photon externe, alors le photon émis aura la même direction que le photon externe. En plaçant des miroirs de manière astucieuse, vous pouvez créer un enchaînement de ce phénomène, et créer un faisceau de photon ayant la même direction : vous venez de créer un laser.