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Les physiciens graphiques apparaissent : Louis de Broglie, ménage le choux et la chèvre en déclarant que la matière est à la fois une onde (à la Manière des champions la physique quantique (qui ont introduit un degré d’abstraction supplémentaire dans les sacro-saintes règles de l’observation (interaction de ce qui est observé et de l’appareillage qui observe)) et un corpuscule à la manière des tenants des théories plus classiques .

Nous avons là un cas de rivalité mimétique intéressant

Les 2 théories ont été validées par de nombreuses expériences et ont la prétention d’être des systèmes d’explication universels- mais ces deux théories scientifiques puissantes sont en fait  incompatibles l’une avec l’autre :

 si la mécanique quantique a raison alors la relativité générale a tord ! ! !

 

La théorie des quanta

la mécanique de Newton paraissait fournir une description exhaustive des mouvements des corps.

Mais en ce changement du 19EME au 20EMEsiècle, de nouvelles observations mirent en lumière ses limites, parmi lesquelles le spectre de la lumière émise par les gaz chauffés ou dans lesquels une décharge électrique a lieu.

Au début du 20EMEsiècle, le physicien anglais Ernest Rutherford découvrit la nature des particules alpha et montra qu'elles sont constituées par des noyaux d'hélium, et énonça la loi des transformations radioactives.

Les physiciens avaient aussi à découvrir une interrelation pertinente entre les deux théories de la lumière: la théorie corpusculaire, qui présente la lumière comme un flot de particules, et la théorie ondulatoire, qui la considère comme constituée d'ondes électromagnétiques. Un troisième problème théorique consistait dans l'absence de toute base moléculaire pour la théorie thermodynamique. Dans son livre intitulé les Principes élémentaires de la mécanique statistique (Elementary Principles in Statistical Mechanics, 1902), le physicien américain Josiah Gibbs admit l'impossibilité de développer une théorie de l'action moléculaire capable d'embrasser les phénomènes de la thermodynamique, du rayonnement et les phénomènes électriques tels qu'ils étaient compris à l'époque.

Au tournant du siècle, la nature ondulatoire de la lumière semblait donc confirmée grâce à de nombreuses expérimentations.

L'interférence et la diffraction avaient permis la détermination de la longueur d'onde de la lumière; les phénomènes de polarisation avaient mis en évidence sa transversalité. La confirmation expérimentale de la théorie de Maxwell, grâce aux expériences de Hertz, indiqua qu'elle est constituée d'ondes électromagnétiques. L'interaction entre lumière et matière n'était cependant pas encore élucidée. Certains corps étant transparents, d'autres se laissant traverser seulement par des longueurs

d'onde déterminées, il s'agissait d'expliquer pourquoi le spectre ne présentait pas de continuité. En 1888, Heinrich Hertz remarqua par hasard que les surfaces métalliques (une plaque de zinc, par exemple) émettent des électrons quand elles sont irradiées par des rayons ultraviolets. La libération des électrons est indépendante de l'intensité (ce fut le physicien allemand Philipp Lenard qui en apporta la preuve), mais elle augmente de manière linéaire avec la fréquence de la lumière incidente.

 

La physique quantique est née avec le 20EMEsiècle, en 1900, à la suite des travaux de Max Planck.

Max Planck étudiait le phénomène de "rayonnement des corps noirs". Selon la théorie classique, les échanges d'énergie à l'intérieur du corps noir s'effectuaient de manière continue. (L'expression corps noir fait référence à un corps idéal, ou surface qui absorbe, sans aucune réflexion, toute l'énergie de rayonnement.) Un corps porté à une haute température («!chaleur rouge!») émet la plupart de ses rayonnements dans la gamme des basses fréquences (rouge et infrarouge)!; un corps porté à une plus haute température ("chaleur blanche") émet relativement plus de rayonnements à de plus hautes fréquences. Dans les années 1890, les physiciens réalisèrent des études quantitatives détaillées de ces phénomènes et représentèrent les résultats sous la forme d'une série de courbes ou de graphiques. La théorie classique ou préquantique prédisait un faisceau de courbes tout à fait différentes de celles réellement observées Cette théorie prédisait que l'intensité du rayonnement d'un corps noir pour une longueur d'onde donnée était proportionnelle à la quatrième puissance de la valeur de cette longueur d'onde. Ce résultat n'était pas en accord avec les observations expérimentales d'une part, et impliquait que l'énergie totale rayonnée par un corps noir était infinie d'autre part. Il fallait donc réviser en profondeur la théorie.

Max Planck prit le problème à l'envers et tenta de trouver une formulation analytique de la courbe expérimentale observée. Cette formulation obtenue, il lui fallut l'interpréter physiquement. La seule interprétation acceptable qu'il trouva consistait à remplacer les échanges continus d'énergie par des quantités finies qu'il baptisa quanta. La quantité d'énergie transportée par un quantum d'énergie est alors proportionnelle à la fréquence du rayonnement associé. Le rapport de proportionnalité est égal à une constante nommée constante de Planck et représentée par la lettre h

 

Ainsi, selon la théorie des quanta de Planck, tout échange d'énergie entre quelques corps que ce soit, s'opère par des transferts de quantités d'énergie finies. On dit que les échanges d'énergie sont quantifiés.

Le travail de Planck consista principalement à développer une formule mathématique pour décrire les courbes de façon exacte; il en déduisit alors une hypothèse physique qui pouvait expliquer la formule. Son hypothèse indiquait que l'énergie était rayonnée seulement par quanta d'énergie hu, où u est la fréquence et h le quantum d'action, connu aujourd'hui sous le nom de constante de Planck, que nous retrouvons dans l'équation suivante:

 

                            1/2mv²=hf-W             h=6,67.10e-34J.s

 

L'énergie cinétique mv²/2 des électrons est donc indépendante de l'intensité, mais pas de la fréquence f du rayonnement incident!; la constante de Planck h a toujours la même valeur pour tous les métaux et est donc considérée comme une constante universelle. W prend différentes valeurs suivant les matériaux, et si sa valeur est supérieure à hf, la fréquence de la lumière est insuffisante pour libérer les électrons du métal.

 

La mécanique ondulatoire, l'équation de Schrödinger et le principe de complémentarité

Dès 1905, Albert Einstein interpréta avec succès l'effet photo-électrique à l'aide de la toute jeune théorie des quanta de Planck (Albert Einstein expliqua les résultats obtenus par Lenard en relation avec l'effet photoélectrique (un phénomène observé expérimentalement et au cours duquel les électrons sont émis des surfaces métalliques sur lesquelles on dirige un rayonnement). Il s'agit de l'hypothèse photonique. Einstein écrit, dans son article la Production et la génération de la lumière du point de vue heuristique (1905): "En partant de l'hypothèse que la lumière incidente soit constituée de photons d'énergie hf, on parvient à expliquer l'émission des électrons suite à l'irradiation lumineuse de la manière suivante: les photons pénètrent dans la couche superficielle du corps et leur énergie se transforme, en partie du moins, en énergie cinétique des électrons. Le cas le plus simple est celui dans lequel un photon cède toute son énergie à un seul électron. En outre, pour quitter le corps, chaque électron doit accomplir un certain travail W, caractéristique du corps. Il s'ensuit que l'énergie cinétique des électrons sortants vaut: 1/2mv²=hf - W Cette hypothèse rencontra de vives oppositions, même de la part de Planck, et ce n'est qu'en 1921 qu'Einstein reçut le prix Nobel pour sa théorie sur l'existence des photons, laquelle eut plusieurs confirmations expérimentales). L'idée force de cette interprétation réside dans le fait que le quantum d'énergie associé à une fréquence de lumière se comporte comme une particule de matière. Einstein baptisa ce corpuscule de lumière le photon.

Ce qui est véritablement révolutionnaire dans l'idée d'Einstein tient dans le fait que la lumière avait acquis, avec la théorie de l'électromagnétisme achevée par Maxwell, une nature résolument ondulatoire. La lumière était alors perçue comme une onde électromagnétique. Avec l'hypothèse du photon, la lumière apparut tout à coup comme une entité hybride, se comportant tantôt comme une onde, tantôt comme une particule. L'invention par Einstein du concept de photon fut le premier pas vers une révolution en profondeur des fondements mêmes de la physique classique.

Alors que le photon conférait à la lumière - l'onde lumineuse - un caractère corpusculaire, Louis de Broglie appliqua l'idée inverse aux particules matérielles. Il émit l'hypothèse que le comportement des particules (les particules connues à l'époque étaient l'électron, le proton et le neutron) pouvait à son tour être décrit à la fois comme la manifestation d'un corpuscule et la manifestation d'une onde. Il associa donc une onde à chaque particule matérielle et développa une mécanique pour manipuler ces nouveaux êtres : la mécanique ondulatoire.

Selon la mécanique ondulatoire, à toute particule est associée une onde dont la longueur d'onde est inversement proportionnelle à l'énergie de la particule. Il s'ensuit que plus une particule est énergétique (plus sa vitesse est grande), plus la longueur d'onde qui lui est associée est courte.

 

L’idée de Louis de Broglie sera expérimentalement vérifiée par les physiciens américains Clinton Joseph Davisson, Lester Halbert Germer et le britannique George Paget Thomson. Ils montrèrent qu'un faisceau d'électrons dispersés par un cristal génère une diffraction caractéristique d'une onde.

La notion ondulatoire de la particule permet au physicien australien Erwin Schrödinger de développer une équation dite équation d'onde pour décrire les propriétés ondulatoires de la particule et, plus particulièrement, le comportement de l'électron dans l'atome d'hydrogène.

Quoique cette équation différentielle soit continue et ait des solutions en tous les points de l'espace, les solutions admissibles sont limitées par certaines conditions exprimées par les équations mathématiques, appelées équations caractéristiques. L'équation d'onde de Schrödinger présente donc quelques solutions discrètes seulement, ces solutions sont des expressions

mathématiques dont les paramètres représentent les nombres quantiques. (Les nombres quantiques sont des entiers introduits dans la physique des particules pour exprimer la grandeur de certaines quantités caractéristiques des particules ou des systèmes.) L'équation de Schrödinger est résolue pour l'atome d'hydrogène et amène à des conclusions en accord substantiel avec la théorie quantique précédente. De plus, elle apporte une solution pour l'atome d'hélium, problème que la première théorie n'avait pas pu expliquer de façon adéquate, et demeure ici aussi en parfait accord avec les mesures expérimentales. Les solutions de l'équation de Schrödinger indiquent aussi que les quatre nombres quantiques de deux électrons ne peuvent pas être les mêmes (deux électrons ne peuvent pas occuper le même état énergétique). Cette règle, déjà établie empiriquement par le physicien suisse Wolfgang Pauli, en 1925, est appelée principe d'exclusion.

 

Mécanique matricielle

Parallèlement au développement de la mécanique ondulatoire, Heisenberg développe une nouvelle méthode d'analyse mathématique connue sous le nom de mécanique matricielle. D'après la théorie d'Heisenberg développée en collaboration avec les physiciens allemands Max Born et Ernst Pascual Jordan, cette formule n'est pas une équation différentielle mais plutôt une matrice: une zone qui consiste en un nombre infini de lignes dont chacune est constituée d'un nombre infini de grandeurs. La mécanique matricielle introduit la notion de matrices infinies pour représenter la position et le moment d'un électron à l'intérieur d'un atome. Il existe différentes matrices, pour chacune des autres propriétés physiques observables associées au mouvement d'un électron, comme l'énergie et le moment cinétique. Tout comme les équations différentielles de Schrödinger, ces équations matricielles sont solubles; en d'autres termes, il a été possible de les manipuler pour obtenir les

résultats prédits, comme par exemple les différentes fréquences des raies dans le spectre d'hydrogène et les autres grandeurs observables. À l'instar de la mécanique ondulatoire, la mécanique matricielle est en accord avec la première théorie quantique dans tous les processus pour lesquels cette dernière confirme les observations expérimentales; elle est même utile pour expliquer les phénomènes que la première théorie quantique ne pouvait interpréter.

Par la suite, Schrödinger réussit à prouver que les mécaniques ondulatoire et matricielle sont deux versions mathématiques différentes de la même théorie, aujourd'hui appelée mécanique quantique. Même pour le simple atome d'hydrogène constitué de deux particules, les deux types d'interprétation mathématique sont extrêmement complexes. Le prochain atome le plus simple, celui d'hélium, possède trois particules; pourtant, ce problème de trois corps (qui consiste à décrire les interactions

mutuelles des trois corps séparés) n'est pas encore complètement résolu, même pas dans la dynamique classique dont l'expression mathématique est relativement simple. Il est cependant possible de calculer les niveaux d'énergie. Pour l'application de la mathématique de la mécanique quantique à des situations relativement complexes, le physicien peut utiliser l'une des nombreuses formulations. Ce choix sera déterminé par celle qui conviendra le mieux afin d'obtenir une solution approximative convenable. Bien que la mécanique quantique décrive les phénomènes observés en termes purement mathématiques, il est possible de donner une description grossière de ce que l'atome est censé être aujourd'hui. Une série d'ondes stationnaires entourent le noyau; ces ondes ont des sommets en certains points; chaque onde stationnaire complète représente une orbite. La valeur absolue du carré de l'amplitude de l'onde en un point de l'espace à un moment donné est la probabilité d'y trouver l'électron.

Ainsi apparaît désormais l'impossibilité de prédire la présence d'un électron en un point précis à un moment donné (principe

d'incertitude).

Le principe d'incertitude

L'impossibilité de localiser un électron avec exactitude à un moment précis est analysée par Werner Heisenberg qui, en 1927, formule le principe d'incertitude.

Ce principe stipule l'impossibilité de déterminer simultanément la position exacte et le moment d'une particule.

En premier lieu, il est impossible de mesurer la position d'une particule sans perturber sa vitesse.

Les connaissances de la position et de la vitesse sont dites complémentaires, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent pas être précisées simultanément.

Ce principe est aussi fondamental si l'on veut comprendre la mécanique quantique telle qu'elle est conçue aujourd'hui: les caractères ondulatoire et corpusculaire du rayonnement électromagnétique peuvent être compris comme deux

propriétés complémentaires du rayonnement.

 

Depuis 1925, aucun déficit essentiel n'a été découvert dans la mécanique quantique; pourtant la question de savoir si cette théorie doit être considérée comme complète a été soulevée. Dans les années 1930, l'application de la mécanique quantique et d'une relativité spéciale sur la théorie de l'électron permettent au physicien britannique Paul Dirac de formuler une équation qui sous-entend l'existence du spin de l'électron. Par la suite, cette équation conduira à la découverte de l'existence du positron par le physicien américain Carl David Anderson.

L'application de la mécanique quantique au domaine du rayonnement électromagnétique permet d'expliquer beaucoup de phénomènes tels que le rayonnement de freinage (rayonnement émis par les électrons freinés dans la matière) et la formation de paires (formation d'un positron et d'un électron suite à l'interaction entre l'énergie électromagnétique et la matière). Néanmoins, elle soulève un problème grave appelé difficulté de divergence: certains paramètres, comme la masse simple et la charge simple de l'électron, semblent être infiniment grands dans les équations de Dirac. (Les expressions masse simple et charge simple se réfèrent à des électrons hypothétiques n'ayant d'interaction avec aucune matière et aucun rayonnement; en réalité, les électrons ont toujours une interaction, ne serait-ce qu'avec leur propre champ électrique.) Ce problème est résolu partiellement en 1947-1949 dans le cadre d'un programme nommé renormalisation, développé par le physicien japonais Shin'ichiro Tomonaga, les physiciens américains Julian S.Schwinger et Richard Feynman et le physicien américain d'origine britannique Freeman Dyson. Dans ce programme, la masse et la charge simples de l'électron sont infiniment grandes, de sorte que les autres grandeurs physiques infinies de l'équation sont négligeables. La renormalisation a permis d'augmenter considérablement la précision avec laquelle la structure de l'atome peut être analysée.

 

Nouvelles recherches

La mécanique quantique sert de base aux tentatives actuelles visant à expliquer la force nucléaire  et à développer une théorie unifiée pour toutes les interactions fondamentales de la matière. Toutefois, il existe encore des doutes sur l'intégralité de la théorie quantique. La difficulté de divergence, par exemple, n'est que partiellement résolue. Au moment où la mécanique de Newton est rectifiée par la quantique et la relativité, plusieurs scientifiques (dont Einstein) prédirent de profonds changements dans la mécanique quantique. De grosses difficultés d'ordre théorique persistent par exemple entre la mécanique quantique et la théorie du chaos, qui connut un essor rapide dès les années 1980. Des efforts visant à développer un système capable de concilier la relativité et la mécanique quantique sont actuellement déployés par des théoriciens tels que le physicien britannique Stephen Hawking

 

Succès n’est peut-être pas vérité , mais on doit néanmoins noter que la mécanique quantique est la théorie physique qui a battu tous les records de réussite.

On lui doit les transistors et l’existence concrète des ordinateurs.

Pourtant quoique Einstein ait donc contribué à la naissance même de la mécanique quantique, il la détestait.

Se pourrait-il que Einstein ait eu tord et que

 « Dieu joue aux dés » !

 


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