Comment une particule peut-elle traverser un mur qu'elle n'a pas l'énergie de franchir ?

Parce qu'une particule est aussi une onde, et qu'une onde ne s'arrête pas net contre un mur. En mécanique quantique, un électron qui heurte une barrière d'énergie qu'il ne peut pas gravir est surtout réfléchi, mais une petite partie de son onde ressort de l'autre côté. Cette fuite correspond à une vraie probabilité de trouver la particule là-bas, si bien que de temps en temps elle apparaît tout simplement au-delà de la barrière. Les physiciens appellent ça l'effet tunnel. Une balle lancée trop lentement contre une colline redescend toujours ; un électron, de temps à autre, passe à travers.

Les chances chutent très vite, de façon exponentielle, quand la barrière devient plus haute ou plus épaisse, ou la particule plus lourde. C'est pour ça que tu ne traverses jamais ta porte d'entrée, alors que des électrons franchissent sans arrêt des barrières épaisses de quelques atomes. On a aussi vu des protons et même des atomes entiers le faire.

L'effet tunnel a résolu un mystère en 1928. Des noyaux radioactifs crachent des particules alpha qui semblaient ne pas avoir assez d'énergie pour s'échapper. George Gamow, et de leur côté Ronald Gurney et Edward Condon, ont montré qu'elles sortent par effet tunnel. Une particule alpha heurte la paroi de son noyau plus de 10^21 fois par seconde, et si chaque essai n'a qu'une chance infime de réussir, le noyau peut durer une éternité : le bismuth 209 a une demi-vie d'environ 2 × 10^19 ans. Le même tour fonctionne à l'envers dans le Soleil, où il permet aux protons de fusionner à des températures trop basses selon les règles classiques.

Tu t'en sers tous les jours. La mémoire flash des téléphones et des clés USB s'écrit en poussant des électrons à travers un mince isolant. Le microscope à effet tunnel utilise ce courant pour voir des atomes un par un. Et l'effet fixe une limite : dans des transistors plus fins qu'environ un nanomètre, les électrons passent tout droit à travers et fuient.