A LA DECOUVERTE DU MONDE QUANTIQUE

VOYAGE AU COEUR DE LA MATIÈRE
À LA DÉCOUVERTE DU MONDE QUANTIQUE
Alain Couleau
Alain Couleau - Club Vega - 2014

Nous trouvons tous normal aujourd'hui, de taper sur un clavier d'ordinateur, d'utiliser un
GPS (Global Positioning System) pour trouver son chemin, de communiquer à l'aide
d'un téléphone portable, de regarder un film gravé sur un lecteur de DVD, d'écouter les
news sur son transistor.
Les lasers, les procédés d'imagerie médicale comme l'IRM sont des évolutions techno-
logiques qui nous paraissent familières…
Tous ces événements pratiques et scientifiques dont nous mesurons mal l'importance
n'ont été possibles que par la révolution quantique qui a secoué les fondements de la
physique classique il y a environ un siècle.
Sur un plan pratique, environ 30% de la production de l'Europe et des Etats-Unis dé-
rivent d'inventions qui en sont issues…
Dans cette histoire passionnante, nous allons pénétrer dans un monde assez étrange et
dérangeant où les incertitudes et les probabilités font loi, un monde où l'on est ici ou
ailleurs, et partout en même temps, un monde où la raison s'effondre, le monde de la
matière intime,
le monde quantique.
Nous allons essayer de comprendre "comment ça marche", sans faire appel à des no-
tions mathématiques et physiques complexes. Ce qui reste un véritable enjeu, car la
Physique Quantique défie toute tentative d'illustration concrète.
Si vous êtes prêts, alors ouvrez grands, non pas vos yeux, mais votre esprit, et comme
Alice au Pays des Merveilles, suivez-moi sans trop réfléchir en écoutant la douce mélo-
pée de ce "cantique", car quand vous reviendrez dans le monde macroscopique, pour
reprendre l'expression d'un célèbre physicien américain, "si vous pensez avoir compris,
c'est que je n'aurai pas été assez clair".
Alain Couleau - Club Vega - 2014

I. LA GENÈSE
La nécessaire découverte des quanta
Nous sommes à la fin du XIXème siècle, plus exactement en 1887…
Dans l'angle d'un laboratoire plongé dans l'obscurité, se dresse un drôle d'appareil
constitué d'un circuit reliant deux boules métalliques entre elles, destiné à produire de
l'électricité… un oscilloscope.
Un peu plus loin sur une autre
table, se trouve un simple cer-
ceau de fil de cuivre presque
fermé, monté sur un pied isolant.
Tout est prêt et le jeune expéri-
mentateur établit le contact pour
faire jaillir entre les deux
sphères, les étincelles crépi-
tantes.
Tournant le dos aux fulgurantes étincelles, il laisse ses yeux s'habituer à l'obscurité,
pour observer le cerceau. Aucun doute possible… De minuscules étincelles traversent
la brèche du cerceau.
Ce jeune savant allemand du nom de Heinrich Rudolph Hertz venait de démontrer de
manière irréfutable la nature électro-magnétique des ondes lumineuses, confirmant
les équations énoncées quelques années plus tôt par le physicien écossais John Clerk
Maxwell.
Car la lumière est omniprésente dans cette histoire, et un torrent de questions la
concernant, partageait les physiciens de l'époque.
Comment la lumière franchit-elle l'espace pour transmettre son message à nos
yeux ?
Alain Couleau - Club Vega - 2014

Depuis le XVIIème siècle, deux camps s'opposaient.
• ceux qui, rangés derrière l'illustre Sir Isaac Newton, défendaient
la théorie corpusculaire, selon laquelle la lumière est formée de myriades de petits
grains ou "corpuscules" projetés à grande vitesse dans toutes les directions, par les
corps lumineux, tels les éclats d'une bombe qui exploserait sans fin.
• les théoriciens de l'onde, conduits par le physicien hollandais
Christiaan Huygens, eux, défendaient la nature ondulatoire de la lumière.
Mais depuis les expériences faites par Thomas Young et Augustin Fresnel au début
du XIXème siècle, l'évidence de la nature ondulatoire de la lumière s'imposait.
Renforcée par les équations de Maxwell sur l'électromagnétisme, énoncées en 1864 en
ces termes :
"… la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature… la lumière
est une perturbation électromagnétique qui se propage dans l'espace…"
et validée, nous l'avons vu par l'expérience de Hertz.
La théorie corpusculaire semblait donc avoir perdu toute raison d'exister.
La physique classique en cette fin de XIXème siècle repose sur 3 piliers essentiels :
- la gravitation, qui détermine la structure à grande échelle de l'univers, - l'électromagnétisme, qui traite des relations entre l'électricité et le magnétisme, - et la thermodynamique qui traite de la chaleur, de l'énergie thermique et de ses
transformations.
La communauté scientifique d'alors, malgré les récentes découvertes de l'électron, des
rayons X et de la radioactivité, et la polémique en cours sur l'existence des atomes,
était persuadée qu'il ne restait plus rien d'essentiel à découvrir.
Ce sentiment général, on le retrouve dans une déclaration d'un physicien américain de
l'époque :
"Nos futures découvertes seront à chercher du côté de la sixième décimale."
Il persistait néanmoins quelques expériences inexplicables dans le cadre de la physique
classique.
L'un de ces problèmes, les bizarreries de l'orbite de Mercure, conduira, mais ceci est
une autre histoire, à une autre révolution de la physique, celle de la théorie de la Relati-
vité restreinte, puis générale, au début du XXème siècle.
Alain Couleau - Club Vega - 2014

Pour ce qui nous concerne, on peut résumer les échecs de la physique classique de la
fin de ce siècle à trois problèmes :
- le "rayonnement du corps noir", - l'"effet photoélectrique", - le "spectre atomique".
Trois situations qui intéressent les rapports entre la lumière et la matière.
Le Quantum fit son entrée officielle en physique à l'occasion de ce que l'on nomme "la
catastrophe ultraviolette".
1er Acte
LE RAYONNEMENT DU CORPS NOIR
En cette fin de XIXème siècle , certains des plus grands physiciens allemands étaient
obsédés par un problème qui les tracassait depuis longtemps : quelle était la relation
entre la température, la gamme des couleurs et l'intensité de la lumière émise par un
tisonnier brûlant ?
Cela peut sembler être un problème anodin, mais pour une nation qui ne s'était forgée
qu'en 1871, la recherche de la solution du tisonnier brûlant, qui allait devenir le "pro-
blème du corps noir", était intimement lié au besoin de donner à l'industrie de l'écl-
airage allemande un avantage décisif sur ses concurrentes britannique et américaine.
Il est bien connu qu'un objet dont on élève la température, change de couleur.
Le bout d'un tisonnier en fer qu'on a laissé dans le feu commence à briller faiblement
d'un éclat rouge terne. Quand sa température augmente, il passe au rouge cerise, puis
au jaune-orangé vif et enfin au blanc.
Le fait que tous les objets chauffés émettent une lumière d'une même couleur à la
même température, était bien connu des potiers depuis longtemps.
Alain Couleau - Club Vega - 2014