A la suite de mon article sur les particules et la mécanique quantique,, j’ai eu plusiuers questions et demandes d’explication. Il semble notamment que vous n’ayaez jamais entendu parler des «orbitales». C’était autrefois au programme de première et terminale, et je pensais donc que vous en aviez entendu parler.
    Mais plus généralement on me pose des questions sur les particules, les électrons et leur mouvement. Je vais essayer de répondre.

    Je ne vous expliquerai pas la mécanique quantique. Comme je vous l'ai dit dans mes précédents articles, si j'ai eu quelques cours sur cette matière à l'X, je ne m’en suis jamais servi ensuite, et de plus les outils mathématiques qu’elle utilise aujourd’hui n’existaient pas du temps de mes études.
    En fait quand on subit un cours de mécanique quantique, c’est totalement abstrait; c’est un ensemble d’équations qui décrivent l’état des particules dans leur environnement, et de plus cela dépend de l’état de l’observateur. Finalement on ne conait les particules et leurs propriétés qu’au travers «d’opérateurs» mathématiques".
C’est très frustrant pour quelqu’un qui a les pieds sur terre.

    Je vais donc plutôt essayer de rester concret et je ne vous dirai pas ce que sont les particules, mais plutôt ce qu’elles ne sont pas !!
    Dans les classes de bac, on a tendance à représenter les électrons notamment, ou les photons lumineux, comme de petites billes sur des trajectoires, tournant autour du noyau de leur atome pour les électrons, un peu comme la terre autour du soleil.(à droite sur la figure ci-dessus)
    Seulement cette représentation que nous empruntons à notre environnement, ou à l’espace sidéral, n’est pas exact en mécanique quantique, car les particules ont une vitesse non négligeable vis à vis de celle de la lumière (300 000 km/s) et dès lors, les lois habituelles de la mécanique classique, vraies pour les faibles vitesses de notre environnement, ne le sont plus dans ce cas et ce sont les lois de la relativité qu’il faut appliquer, celles qui apparaissent mathématiquement dans ces fameuses équations.

    Il y a alors d’étranges différences que nous avons du mal à imaginer.
    La particule, petite boule à un endroit donné et sur une trajectoire de mouvement, à une vitesse déterminée, n’existe pas.
    Je vais essayer de vous donner une explication matérielle bien que dans ce domaine, ce soit assez incertain dès qu'on veut être concret.
    Quand je veux voir une balle de tennis et mesurer sa vitesse, (par exemple 200 km/h) je prends un détecteur optique et un chronomètre très rapide. je capte dans ce détecteur des photons lumineux qui ont cheminé autour de la balle. Ceux qu’elle a interceptés me donnent un signal «d’absence de photons», ou bien de ceux qu’elle a réfléchi, signal qui me dit où est la balle à l’instant t (c’est son image) Ceci n’est possible que grâce à deux conditions :
            - les photos sont pratiquement sans masse et donc leur collision avec la balle ne modifie pas son comportement, car la quantité d’énergie qu’ils peuvent lui donner est négligeable, vis à vis de la quantité de mouvement qu’il faudrait donner à la balle, très pesante, pour la dévier. (dans un choc enter deux mobile, la grandeur qui permet d'étudier les interactions et leurs conséquence est la quantité de mouvement mv, de chacun des mobiles)
            - les photons se déplacent très vite à la vitesse de la lumière, sans commune mesure avec la vitesse de la balle. Donc quand ils arrivent dans ma caméra, la balle ne s’est déplacée que d’une quantité infime, pendant le temps de parcours des photons entre la balle et la caméra. Je peux donc connaÎtre sa position avec exactitude à l'instant t.
    Pour savoir dans quelle direction va ma balle il me faut deux mesures successives qui me donnent un deuxième point de la trajectoire et donc le sens du déplacement
    Si maintenant je place une autre caméra à une distance d connue avec précision, et je repère à nouveau le passage de la balle, et si je puis mesurer de façon très précise le temps t entre les deux passages, la vitesse de la balle sera v = d/t.

    Essayons de faire la même chose avec un électron qui a une vitesse non négligeable vis à vis de celle de la lumière, et supposons que je puisse capter un photon qu’il a réfléchi avec ma caméra, le temps que le photon parvienne à ma caméra, l’électron se sera déplacé d’une distance non négligeable.
    Donc je ne peux pas savoir où se trouve l’électron, du moins précisément : je ne connais qu’une zone dans laquelle il se trouve probablement.

    Par ailleurs le photon que j’ai envoyé sur l’électron pour le repérer a une énergie non négligeable vis à vis de celle de l’électron et notamment de sa quantité de mouvement (mv) sur sa trajectoire. C’est donc comme si je mesurais la trajectoire de la balle de tennis en la bombardant d’autres balles de tennis : quand elles se cogneraient, la trajectoire initiale de la balle dont je veux mesurer les paramètres est modifiée.
    Si pour savoir où elle va, la première balle ayant modifié sa trajectoire lors de la première mesure, l’indication de la seconde mesure sur la position de la balle  est donc erronée, en ce qui concerne la tralectoire initiale que je veux connaître.
    Donc je ne peux connaître que très approximativement la direction de déplacement de l’électron.

    De la même façon si je veux connaître sa vitesse, je vais faire non seulement une grosse erreur sur les positions, mais encore sur les temps des impacts et donc sur leur différence entre les deux mesures.
    Je ne peux donc pas non plus connaître exactement la vitesse de mon électron.
   
    Donc je ne peux connaître qu’approximativement les caractéristiques de la particule; je sais qu'avec une mauvaise précision où elle est et quand elle y est.
    Finalement je ne peux, par le calcul, que connaître une zone où elle risque d’être, et plus je veux le savoir à un instant précis, plus la zone est imprécise et étendue.
    Finalement mes équations me font traiter ma particule à des instants donnés comme un grand nombre de particules distinctes (une pour chaque instant) et je ne pourrai calculer que la probabilité qu’elle se trouve dans espace donné. C’est l’onde associée à la particule qui me donne cette probabilité.

    Alors les orbitales qu’est ce ? (voir les figures ci dessus) : ce sont les zones ou ma particule a une probabilité importante de se trouver, mais on ne sait pas quand. On peut dire qu’elle se déplace dans cette zone, qui contient ses trajectoires si tant est qu’il y en ait. D’où cette représentation en «nuages». (figure de droite en tête de l'article)

    Une autre bizarrerie de la mécanique quantique c’est le rôle de l'observateur.
    Dans notre environnement , les lois qui décrivent les phénomènes sont indépendantes de l'observateur, du moins dans un système tridimensionnel de référence. Il n'y a une dépendance que si l'onfait des observations dans deux systèmes de référence animés d'une vitesse, l'un par rapport à l'autre.C'est le cas de l'effet Doppler et de la modification du son émis par un véhicule en mouvement par rapport à l'observateur.
     Mais on peut décrire ce qui s'est passé en astrophysique il y a des millions d'années, alors qu'aucun obesrvateur humain n'était là.
     En mécanique quantique les phénomènes varient suivant l'opérateur, car, comme on vient de le voir, suivant les données qu'il veut connaître sur la particule, il modifie son état en cherchant à les déterminer.

    En fait les équations de la mécanique quantique ne décrivent les particules que par certaines «quantités» : la masse, la charge, le spin, et leurs relations entre ces grandeurs.
    Et elles expliquent les interactions entre ces particules, en décrivant les modifications  des relations entre ces grandeurs, grâce à des opérateurs mathématiques.
    C’est très abstrait et ce qui est extraordinaire, c’est que cela permet de prévoir leur comportement, de prévoir les phénomènes, mais ce qu’elles sont en réalité, comment réagissent elles dans la pratique, personne ne le sait et ne le saura sans doute jamais.

    On m'a posé aussi la question, "qu'est ce que l'onde par rapport à la particule". C'est assez compliqué à expliquer et , pour ne pas alourdir ct article, j'essaierai de le faire demain.