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Qu’est-ce que l’effet tunnel ?

mardi 25 février 2014, par Robert Paris

Messages

  • Peux-tu résumer ce que signifie dire : l’effet tunnel est un phénomène quantique ?

  • Cela signifie que, d’un point de vue classique, pour la matière à notre échelle, aucune matière ne peut franchir une barrière de potentiel. Par contre, une petite fraction de la matière des particules y parvient et cela provient d’une propriété quantique. En effet, les quanta sautent et, en l’occurrence, ils ne franchissent pas la barrière par un mouvement classique mais par un saut quantique !!!

    • Donnons un exemple de déplacement « plus vite que la lumière » dans le cas de l’ « effet tunnel », cité d’après « L’atome » de Jean-Paul Auffray :

      « Selon la mécanique quantique, les rayons émis (ou absorbés) par un atome sont composés de photons dotés, en tant que tels, de deux caractéristiques fondamentales : ils se déplacent à la vitesse de la lumière (égale à 300.000 kilomètres par seconde environ) et ils transportent chacun un paquet d’énergie égal à la constante de Planck h multiplié par la fréquence du rayon considéré. Les choses se présentent différemment dans notre représentation. Les rayons sont composés de quanta d’action auxquels ni l’une ni l’autre des deux contraintes citées ci-dessus n’est applicable : les quanta peuvent aller soit moins vite soit plus vite que la lumière et peuvent transporter une énergie soit plus petite soit plus grande que h fois la fréquence… Selon notre point de vue, lorsqu’un quantum rencontre sur son chemin un passage étroit – un tunnel – dont la largeur ou le diamètre est du même ordre de grandeur que la longueur de son pas, il « allonge le pas » pour traverser cet obstacle, ce qui a pour effet de le faire émerger de l’autre côté du piège plus tôt que prévu : il traverse donc le tunnel à une vitesse « supraluminique ». Ce phénomène remarquable est connu en mécanique quantique sus le nom d’ »effet tunnel »…. Le phénomène fascine… et embarrasse les physiciens : c’est qu’ils sont habitués à penser que « rien ne peut aller plus vite que la lumière »…. Aephraïm Steinberg à Berkeley a étudié de près le comportement d’un paquet d’ondes traversant un tunnel constitué dan ses expériences par une couche mince réfléchissante que seul un quantum sur cent en moyenne parvenait à traverser. Ses conclusions confirment qu’en traversant le tunnel le paquet « voyage plus vite que la vitesse de la lumière »... Les calculs de Richard Feynmann montrent que sur de longues distances seuls les quanta qui se déplacent à la vitesse de la lumière parviennent à demeurer en phase les uns avec les autres et sont donc observables (sont « réels » pour les spécialistes). C’est ce qui nous fait dire que la lumière a une vitesse c bien déterminée, toujours la m^me dans le vide. »

  • En physique classique, si l’énergie cinétique d’une particule est inférieure à l’énergie potentielle de liaison, elle ne pourra pas s’échapper. Il n’en est pas de même dans le monde étonnant de la mécanique quantique où une particule, même avec une énergie cinétique insuffisante, peut s’échapper d’un système comme s’il existait un tunnel à travers la colline d’énergie potentielle faisant obstacle. C’est une conséquence directe de la nature probabiliste de l’onde associée à l’évolution d’une particule quantique.

  • Je n’ai pas compris comment la physique fait pour concevoir qu’une particule quantique franchisse une barrière de potentiel. C’est un peu un effet miracle, non ?

  • L’effet tunnel, ou franchissement quantique d’une barrière de potentiel, est-ce un miracle ou est-il explicable par une propriété du vide quantique ?

    Une barrière de potentiel c’est une situation où l’énergie de la particule est inférieure au minimum nécessaire pour passer : l’énergie potentielle de la barrière. Donc en toute logique (en physique classique), la particule ne peut pas franchir l’obstacle. Mais cela suppose que la particule soit un objet fixe (toujours le même) qui se déplace dans un espace qui lui est indépendant, sans recevoir de cet espace une part de sa « réalité », soit tout le contraire de ce que dit la physique quantique. Par contre, avec l’image quantique de la particule, on comprend très bien que la particule quantique franchisse la barrière.

    En effet, la « réalité » de la particule est portée par un boson de Higgs qui peut très bien franchir parfois cette barrière. D’autre part, l’onde de probabilité de présence, elle aussi, peut parfois la franchir à condition que les dimensions de la barrière n’excèdent pas une certaine limite. Du coup, on retrouve derrière la barrière l’onde de probabilité et le boson de Higgs et on y reconstitue ainsi la particule réelle. On ne peut pas dire qu’elle a traversé. On ne peut pas dire non plus qu’elle a creusé (l’expression « effet tunnel » étant d’ailleurs plutôt malheureuse !). On peut dire qu’elle a effectué un de ses fameux « sauts quantiques » qu’elle réalise d’ailleurs sans cesse dans le vide quantique et pas seulement pour franchir les barrières de potentiel. On peut dire que ce sauts sont rendus possibles par les fluctuations d’énergie du vide.

    Voir ici

  • Je sais que vous n’y êtes pour rien mais l’expression de "tunnel" n’est pas fameuse pour décrire cet effet physique, car, dans un tunnel, les objets entrent et sortent normalement ce qui n’est nullement le cas dans cet effet quantique mais il est vrai qu’on serait en peine de trouver une image classique décrivant un effet quantique. La plupart des particules ne franchissent pas le tunnel et celles qui le franchissent sautent directement de l’entrée à la sortie !!!

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