Préambule, Kelvin

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Un avant-goût de mécanique quantique
Comment la physique est-elle passée du monde classique au monde quantique ? Répondre à cette
question sera mon fil directeur.
Et je voudrais y répondre en montrant la construction de l’édifice scientifique, pierre à pierre - une
illustration de la science selon Henri Poincaré :
Le savant doit ordonner ; on fait la science avec des faits comme une maison avec des pierres ; mais
une accumulation de faits n’est pas plus une science qu’un tas de pierres n’est une maison. La
science et l’hypothèse, Chapitre IX (1908).
Et maintenant avant de commencer je vous pose la question : « Quelles sont vos idées, vos a priori,
vos interrogations sur la mécanique quantique ? ». Nous allons ensemble essayer de les confronter
peu à peu aux idées quantiques naissantes, de la définition de quantum à la dualité onde-corpuscule
en passant par la catastrophe ultraviolette, l’effet photoélectrique et l’atome de Bohr.
PREAMBULE
Quantum, quanta, quantique
Quantique vient de quantum qui est un mot latin signifiant « combien grand », quelle quantité.
En français quantum désigne une quantité déterminée (cf. Larousse en 5 volumes) et c’est ce que ce
mot signifie en physique, c'est-à-dire pas n’importe quelle quantité.
Le pluriel latin est quanta. On emploie aussi un quanta, des quanta en francisant l’emploi du latin.
Les deux nuages de Kelvin
L’état des lieux
Nous allons maintenant faire un petit tour dans la physique du XIXe siècle car la mécanique quantique
est issue des problèmes qui résistaient aux théories alors admises, elle n’a pas été créée à partir de rien.
La théorie quantique n’aurait pas pu naître du temps d’Aristote ou même de Newton.
Au XIXe siècle, la mécanique newtonienne triomphe. Elle explique tous les mouvements terrestres et
célestes. L’exemple de la découverte de Neptune est significatif. On n’arrivait pas à calculer la
trajectoire d’Uranus ce qui conduisait soit à mettre en doute la mécanique newtonienne, soit à postuler
l’existence d’une planète perturbatrice pour l’heure inconnue. En 1845 l’anglais John Adams établit la
trajectoire de la planète hypothétique mais les astronomes anglais ne se mobilisent pas pour la trouver.
En 1846 le français Urbain Le Verrier calcule sa trajectoire et demande à l’allemand Johann Galle de
la rechercher ; celui-ci l’observe quelques jours plus tard. D’où le triomphe newtonien.
Le 27 avril 1900, Lord Kelvin donne une conférence à l’Institution royale de Grande-Bretagne. Le titre
de sa conférence est « Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light » -
Les nuages du XIXe siècle planant sur la théorie thermodynamique de la lumière. Il affirme que « la
beauté et la clarté de la théorie » sont seulement obscurcies par « deux nuages » mais qu’ils seront
rapidement résolus et qu’ils n’altèrent en rien sa confiance dans la science du XIXe. Nous allons parler
de ces nuages mais d’abord :

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Qui était Kelvin ? En résumé pas n’importe qui !
William Thomson, Lord Kelvin né en 1824, mort en1907. En 1900, il avait donc 76 ans.
C’est un physicien reconnu et écouté. Pendant sa longue carrière, il a publié 661 articles et déposé 70
brevets.
Il est d’abord connu pour ses travaux en thermodynamique ; il formule l’un des énoncés historiques du
second principe de la thermodynamique : un cycle monotherme (mettant en jeu une seule source de
chaleur) ne peut être moteur. Selon un exemple incontournable, si cela est faux, un navire peut avancer
en prélevant de la chaleur à l’océan et en rejetant de l’eau refroidie.
L’unité internationale de température s’appelle le kelvin (symbole K) car il a introduit l’échelle des
températures « absolues » (zéro absolu et unité).
Il est connu aussi pour l’effet Thomson qui combine conduction électrique et conduction thermique
ainsi que pour la détente de Joule-Thomson.
Il travaille également sur l’électricité (conduction électrique des câbles sous-marins, promoteur du
premier câble transatlantique), sur la mécanique des fluides (en 1891, il donne la forme exacte des
vagues du sillage d’un navire) et fait une estimation (fausse mais c’est le premier essai par un
physicien) de l’âge de la Terre ...
Quels sont les deux nuages dont parle Kelvin ?
Le premier nuage est le résultat négatif de l’expérience de Michelson et Morley : cette expérience
d’interférences lumineuses n’arrive pas à mettre en évidence la vitesse de la Terre par rapport à
« l’éther », milieu imaginé comme support de la propagation des ondes lumineuses car il est
impossible à l’époque de concevoir des ondes se propageant dans le vide. Cela conduira à l’abandon
de l’éther et à la théorie de la Relativité.
Le second nuage est « la catastrophe ultraviolette » du rayonnement thermique. Un corps chauffé émet
de la lumière : c’est le rayonnement thermique. La dissipation de ce second nuage conduira à la
Mécanique quantique.
Nous allons étudier pas à pas ce second nuage.