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Les années folles
de la physique
Dominique ODERO
… les années folles : 1920 ~ 1935
des années de révolution dans tous les domaines :
Architecture : Le Corbusier…
Cinéma : Luis Buňuel, René Clair, Jean Cocteau…
Littérature : André Breton, Louis Aragon, Paul Eluard…
Mode : Paul Poiret…
Musique/Danse : le Jazz, Joséphine Baker…
Peinture : Salvador Dali, Picasso, Braque, Miro, Magritte…
Sculpture : Mayol, Abbal…
…Et la Physique ! :
Niels Bohr, Albert Einstein, Louis de Broglie, Paul Dirac, Werner Heisenberg,
Erwin Schrödinger, Max Born, Wolfgang Pauli, Enrico Fermi, Ettore Majorana…
Aujourd’hui, on utilise tous les jours :
Mais il y a aussi le gigantesque, par exemple :
l’étude du fonds diffus
cosmologique avec le
satellite européen Planck
Laser méga joule
CEA Bordeaux
ITER
Cadarache
LHC
Cern genève
La Physique Quantique
décrit le comportement des particules constituant l’atome.
Les objets de tous les jours font appel à la physique atomique
(énergies de l’ordre du KeV)
Le « gigantesque » fait appel à la physique nucléaire ou physique des particules
(énergies de l’ordre du GeV et du TeV)
Petit lexique
1/2
L’atome est constitué d’un noyau et d’un
nuage d’électrons
L’électron : « particule » de matière
Le noyau : protons et neutrons
Le photon : « particule » de lumière
Energie exprimée en électron volt (eV et ses multiples :
keV, MeV, GeV, TeV)
Fréquence ν : nombre de cycles par seconde (Hz)
Longueur d’onde λ : λ= c/ν
E=mc²
Petit lexique
2/2
Le rayonnement électromagnétique :
Comment en est-on arrivé là ?
La « préhistoire »
-350aJC
Aristote
La physique « moderne »
1700
1600
Galilée
La physique quantique
1800
1850
1900 1927
1964 1982 2000
Les années folles
Fermat
Newton
Moreau de
Maupertuis
Young
Lagrange
Hamilton
Congrès SOLVAY
Interprétation
de Copenhague
Röntgen, JJ Thomson,
Maxwell E Rutherford, H Becquerel,
P & M Curie, M Planck,
A Einstein, N Bohr,
A Sommerfeld, …
L De Broglie, W Heisenberg,
E Schrödinger, M Born,
W Pauli, PA Dirac, …
Au commencement :
ARISTOTE (- 350 a. J.C, Grec)
Au XVIème siècle, naissance de la « physique moderne »
GALILEE (1564-1642, Italien) :
 la première expérience de pensée
(loi de la chute des corps),
et notion de variables cachées.
( l’élément qui manque pour finaliser la compréhension)
… puis
Isaac NEWTON (1643-1727, Anglais)
théorie de la gravitation universelle
( unification de la mécanique terrestre et
de la mécanique céleste)
 la lumière est constituée de corpuscules
(mais Christian HUYGENS pensait que la lumière
était constituée d’ondes)
 et « inventeur » de la non localité (transmission
instantanée d’une force)
… et enfin
James Clerck MAXWELL
(1831-1879, Ecossais)
La lumière, l’électricité, le magnétisme
sont constitués d’ondes (1865)
… sans oublier les « fabricants d’outils » :
Pierre De FERMAT (début XVIIème siècle-1665) :
 Principe du moindre temps pour la lumière (1662)
Pierre Louis MOREAU DE MAUPERTUIS (1698 -1759) :
 Principe de moindre action pour les corpuscules (1744)
Pierre Simon De LAPLACE (1749-1827)
Joseph LAGRANGE (1736-1819) et William HAMILTON (1805-1865)
Arthur CAYLEY (1821-1895) et James SILVESTER (1814-1897)
Thomas YOUNG ( 1773-1829) et Louis-Augustin FRESNEL (1788-1827)
Fentes de Young (1801) :
 Phénomène de diffraction / interférence de la lumière (optique ondulatoire) :
Les principaux moyens expérimentaux à la fin du XIXème siècle
la spectroscopie
Le spectroscope est un appareil destiné à observer les spectres lumineux émis
par différents corps simples chimiques.
:
A la fin du XIXème siècle, la physique semblait être complète et bien expliquée
par
• les particules (mécanique, thermodynamique), d’une part,
• les ondes (optique, électricité, magnétisme), d’autre part,
• et, un accros au déterminisme, la théorie cinétique des gaz (MaxwellBoltzmann).
Le credo de l’époque : « CAUSALITE- DETERMINISME- LOCALITE »
• Mais, il restait juste « 2 petits nuages » :
• l’« éther luminifère »
• la catastrophe ultraviolette
Ancienne théorie des quanta
Max PLANCK
(1858-1947, Allemand,
Prix Nobel en 1918)
Décembre 1900, explication de l’élimination de
la « catastrophe ultraviolette » par l’introduction
de discontinuités de l’énergie rayonnée par la matière
sous forme de « quanta » :
E=hν
1/3
Ancienne théorie des quanta
Albert EINSTEIN (1879-1955, Allemand,
prix Nobel en 1921)
En 1905, publication de 3 articles fondamentaux :
- Explication de l’effet photoélectrique en tenant
compte des idées de PLANCK : c’est la lumière
elle-même qui est « quantifiée » !
- Explication du mouvement brownien par la prise
en compte de la nature atomique de la matière
- Introduction de la théorie de la relativité restreinte.
2/3
Ancienne théorie des quanta
Niels BOHR
prix Nobel en 1922)
(1885-1962, Danois,
3/3
ONDE ou PARTICULE?
Début des années 20,
la révolution quantique est en marche!
Louis DE BROGLIE (1892-1987, Français,
prix Nobel en 1929)
Théorie de l’onde pilote pour expliquer
la dualité onde-corpuscule.
(1924)
p = h/λ
 Association des principes de Fermat et de Maupertuis
Erwin SCHRÖDINGER (1887-1961, Autrichien,
prix Nobel en 1932)
Introduction de la mécanique ondulatoire
avec la fonction ψ (1925) :
C’est une superposition d’ondes de fréquences très proches
(paquet d’ondes). Le volume associé correspondrait à la taille
de l’électron. Un saut quantique constituerait un simple
échange d’énergie entre deux formes de vibrations différentes
« Erwin ne cesse de calculer
Avec son ψ ondulatoire
Mais à quoi ça peut ressembler
Ça, on aimerait bien le savoir »
Bloch
Max BORN (1882-1970, Allemand, prix Nobel en 1954)
 Interprétation probabiliste :
La fonction ψ représente une densité de probabilité
de présence de l’électron autour du noyau.
(1926)
Werner HEISENBERG (1901-1976, Allemand,
prix Nobel en 1932)
Les « observables » (les fréquences des raies spectrales
et leur intensité) :
la mécanique matricielle et le principe d’indétermination
(1925) :
Δp*Δq ≥ h
ΔE*Δt≥ h
p = impulsion ou quantité de mouvement du quanton
q = position du quanton
La dualité onde-corpuscule :
L’électron, le photon se comportent
soit comme une onde,
soit comme une particule.
Cette dualité peut s’exprimer par le mot « quanton »
(J.M. LEVY-LEBLOND)
Picasso - Seated woman-1927
Le principe de complémentarité :
1/2
Le principe de complémentarité :
Onde et corpuscule sont les deux aspects exclusifs de la
réalité.
On ne peut les observer en même temps.
(C’est-à-dire avec le même dispositif expérimental)
Quand on conçoit une expérience pour déterminer si
le quanton est une onde, le résultat trouvé est
une onde.
Quand on conçoit une expérience pour déterminer si
le quanton est une particule, le résultat trouvé est
une particule.
Magritte – Magie noire
2/2
Le principe de superposition :
L’addition est la quintessence du formalisme quantique :
Soit u l’état possible d’une particule (c.a.d sa masse ,sa charge, sa position, sa vitesse,
son spin ou sa polarisation…)
Et v un autre état possible de la même particule,
alors:
u+v
est aussi un état possible,
et encore mieux :
au + bv
est aussi un état possible!
a et b étant des nombres.
Wolfgang PAULI (1900-1958, Autrichien, prix Nobel en 1948)
 L’inventeur du 4ième nombre quantique:
le spin: s= 0 ou ± n/2
 Le principe d’exclusion (1926)
 Le neutrino
…
 « L’effet » Pauli !
Paul Adrien DIRAC (1902-1984, Anglais, prix Nobel en 1933)
1928:
Equation relativiste : généralisation de l’équation
de Schrödinger aux vitesses proches de la célérité
de la lumière
Mise en évidence de la possibilité d’existence
d’antiparticules.
(Découverte du positron en 1932)
Opérateurs de création et d’annihilation de particules
Précurseur de la physique quantique des champs
Cinq caractéristiques
de la genèse de cette
nouvelle physique
 Ça s’est passé en Europe : « Le théâtre
quantique »
 Des échanges constants
entre les physiciens
 Une imagination fertile
(expériences de pensée)
 La jeunesse et l’audace
La « Knabenphysik » en Allemagne
Les « ragazzi de la via Panisperna »
en Italie
 La complémentarité entre
jeunes et « vieux »
Le Congrès SOLVAY de 1927
L’interprétation de Copenhague (1927) :
- Tant qu’il n’y a pas de mesure, il n’y a pas d’existence d’un résultat.
- Avant la mesure, il y avait superposition d’états.
Après la mesure, il n’y a plus qu’un état mesuré.
(Effondrement instantané de la fonction d’onde lors de la mesure :
réduction du paquet d’ondes)
- La réalité dépend de l’appareil de mesure et de l’observateur.
Le désaccord d’Einstein et de Schrödinger avec
l’interprétation de Copenhague :
• Une théorie physique doit éliminer le hasard et son efficacité n’est pas
suffisante pour la rendre incontestable.
• Or la physique quantique se contente de mesurer les propriétés statistiques des
constituants de la nature (« Dieu ne joue pas aux dés ! »).
• Mais on doit attendre d’elle qu’elle nous explique la structure même du réel, tel
qu’il existe, indépendamment de nous.
« Principe de réalité »
• Donc, la physique quantique est incomplète, il doit exister des variables
cachées.
Le chat de Schrödinger
Expérience de pensée !
Le chat est dans un état « superposé »,
à la fois « chat mort » et « chat vivant »
(heureusement pour le chat !)
La physique quantique est formalisée en 1930-31
Ses fondements mathématiques ont été établis
par John Von NEUMANN (1903-1957, Hongrois) d’une part
et par Paul Adrien DIRAC (1902-1984, Anglais) d’autre part.
En utilisant les travaux du mathématicien David HILBERT (1862-1943)
… Mais …..
1933
La fuite des cerveaux
Hommes:
• A. Einstein, M. Born, W. Pauli, E. Schrödinger,
• E. Wigner, L. Szilard, J. Von Neumann, E. Teller, P. Erdös,
• E. Fermi, E. Segré,
• ….
Femmes:
• Emilie Noether (1882-1935)
• Lise Meitner (1878-1968)
• ….
La physique quantique « orthodoxe » et
l’intrication:
1/2
1935 : contre-attaque d’Einstein
Einstein, en prenant à la lettre l’interprétation de Copenhague montre que:
Si 2 photons ou 2 électrons d’un même atome sont rapprochés, ils interagissent.
Ils ne sont plus dissociables. Ils sont intriqués.
Si on les sépare, ils restent liés, quelle que soit la distance qui les sépare.
La notion de localité a complètement disparu.
« Alors l’un devint deux » R. Ommès
L’intrication est monogame ! Le tiers est exclu !
Intrication:
2/2
Nouvelle expérience de pensée :
Einstein juge les conséquences de cette intrication « farfelues », car :
- Soit les propriétés de l’un des systèmes vers l’autre doivent se déplacer plus
vite que la vitesse de la lumière
(instantanéité ou non localité)
- Soit la physique quantique est incomplète, il doit y avoir des variables cachées
C’est le paradoxe EPR
(EINSTEIN – PODOLSKY – ROSEN)
Fin des Années folles….
… Et ensuite?
Des expériences de pensée vers leur réalisation expérimentale
… 1964 : John BELL (1939-1990, Irlandais)
Elaboration d’une inégalité, qui permet d’établir les conditions d’une expérience,
pour savoir lequel, de BOHR ou d’EINSTEIN, a raison…
… 1982 : Démonstration expérimentale
de l’existence de particules corrélées par Alain Aspect
et son équipe (P. Grangier, G. Roger, J. Dalibard)
(Institut d’optique, Université d’Orsay, France)
Intrication de deux photons
sur une distance de 10 m.
BOHR avait raison, et EINSTEIN avait tort :
« La physique quantique est complète »
Le problème de la mesure quantique :
question philosophique
La physique quantique n’est pas sensée décrire la réalité :
• Interprétation de Copenhague (N Bohr, W Heisenberg, W Pauli,… Stephen Hawking)
La physique quantique décrit totalement la réalité :
•
•
•
•
La théorie de l’onde pilote (D Bohm et L De Broglie 1952)
Les univers multiples (Hugh Everett 1957, John Wheeler)
La réduction spontanée de la décohérence (H D Zeh et W Zureck 1970, S Haroche)
Les histoires consistantes (R B Griffith 1984, M Gell Man)
• L’intrication : un tunnel spatio-temporel (ER = EPR) ? (J Maldacena et L Sussking)
… Et la suite ?
L’intrication et la décohérence amènent à développer de nouvelles technologies :
• La cryptographie quantique
• L’ordinateur quantique
• La téléportation
Mais ça, c’est une autre histoire !…