QUANTIQUE PHYSIQUE

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Née avec le xxe siècle, établie sur des bases claires à partir de 1925, la physique quantique s'est imposée comme l'outil nécessaire pour décrire les phénomènes à l'échelle atomique (et même certains phénomènes à plus grande échelle). La physique quantique implique une révision radicale des concepts habituels, tirés de notre expérience à notre échelle ; elle représente une véritable révolution qui se fonde sur au moins quatre principes. D’abord, des grandeurs physiques, que l'on imaginait continues, sont en fait discrètes (c'est-à-dire prennent des valeurs séparées les unes des autres) et ne peuvent varier que par « sauts » discontinus : ces grandeurs sont quantifiées. Ensuite, il est impossible de mesurer simultanément toutes les grandeurs attachées à un système physique ; par exemple la position et la vitesse : la notion de trajectoire n'a pas de sens à l'échelle des particules. Troisièmement, le déterminisme classique est remis en cause par l'inévitable interprétation probabiliste des résultats de mesures. Enfin, des systèmes physiques peuvent apparaître comme corrélés, même s'ils sont très distants les uns des autres : il y a ainsi, dans certains cas, non-séparabilité entre plusieurs systèmes.

Physique quantique

Vidéo : Physique quantique

La description de l'atome et de ses constituants a nécessité l'élaboration d'une nouvelle physique, appelée physique quantique.En décembre 1900, Max Planck propose de décrire la matière chauffée comme un ensemble d'oscillateurs vibrants dont les échanges d'énergie sont « composés d'un... 

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Tous ces aspects ont suscité des doutes, des incompréhensions, des discussions passionnées qui ont marqué fortement l'histoire de la physique, voire de la pensée philosophique. Pourtant, si l'on examine son mode de fonctionnement en évitant de s'enfermer dans une représentation inadéquate, la physique quantique n'a rien de fondamentalement mystérieux. Surtout, elle a reçu et reçoit tous les jours, jusque dans les applications à notre vie quotidienne, des confirmations éclatantes.

La naissance de la physique quantique

L'état de la physique à la fin du XIXe siècle

Depuis toujours, l'homme s'efforce de comprendre et de prévoir les phénomènes naturels. À la fin du xixe siècle, cet effort aboutit, en physique, à des succès impressionnants : presque tous les phénomènes physiques trouvent une explication et peuvent être prédits quantitativement par des lois fondamentales simples ; les diverses branches de la physique sont extraordinairement unifiées.

À l'aube du xxe siècle, la matière apparaît constituée de petits corpuscules. L'hypothèse atomique est désormais admise comme une réalité. Les atomes s'assemblent pour former les molécules, selon les lois de la chimie. L'étude statistique des systèmes formés d'un grand nombre de corpuscules (la théorie cinétique des gaz) permet de déduire les divers concepts de la thermodynamique (pression, température, entropie...) [cf. thermodynamique].

Les corpuscules possèdent des positions et des vitesses. De la sorte, il suffit de connaître ces positions et ces vitesses à un instant donné, et d’appliquer les lois de la mécanique rationnelle, dégagées au cours des siècles par Archimède, Galilée, Newton... pour déterminer l'état d'un système physique à tout instant.

Par ailleurs, les physiciens connaissent un autre type de phénomène : le rayonnement. Le champ qui lui est associé permet d'unifier l'électricité, le magnétisme et l'optique. La synthèse réalisée par James Maxwell prévoit notamment l'existence d'ondes électromagnétiques, existence confirmée ensuite par Heinrich Hertz. Les ondes « hertziennes » ont des longueurs d'onde de l'ordre du mètre ou du centimètre. La lumière visible, dont le caractère ondulatoire a été largement vérifié, est une onde électromagnétique, mais de longueur d'onde beaucoup plus courte, de l'ordre de 10–7 mètre. Les rayons X, découverts par Wilhelm C. Röntgen en 1895, correspondent à des longueurs d'onde encore plus petites.

James Maxwell

Photographie : James Maxwell

Le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) dont les travaux ont été capitaux pour la physique théorique. Ses découvertes ont ouvert la voie à Albert Einstein et à Max Planck. 

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Au total, la physique classique constitue un système simple, grandiose et solidement confirmé par l'expérience. Un bel édifice qui semble presque achevé et dont s'enorgueillit à juste titre le scientisme dominant à cette époque. Or, en vingt ou trente ans, cet édifice va se trouver complètement bouleversé. Des faits expérimentaux inattendus vont conduire à une révolution radicale : la révolution quantique.

Quelques expériences cruciales

Une première lézarde apparaît dans l'édifice. La thermodynamique classique montre qu'en situation d'équilibre un corps noir, c’est-à-dire un corps qui absorbe la totalité du rayonnement qu'il reçoit, émet un rayonnement dont le spectre (la distribution des longueurs d'onde) ne dépend que de la température : un morceau de charbon, une tige de fer passent du rouge au jaune, puis du jaune au blanc quand on les chauffe. Mais les spectres observés expérimentalement contredisent totalement ceux que prédit la théorie classique. En 1900, Max Planck (cf. planck) reprend le calcul en supposant que les échanges d'énergie entre matière et rayonnement se font par paquets indivisibles, par quanta, et non pas de façon continue. Ces quanta ε d'énergie sont proportionnels aux fréquences ν du rayonnement (ε = ) avec une constante de proportionnalité, la constante de Planck h, sensiblement égale à 6,62 × 10–34 J.s. Cette valeur, quoique extrêmement petite à l'échelle macroscopique, change complètement le résultat théorique, et donne un accord parfait entre l'expérience et le nouveau mode de calcul. Considérée au début comme un pur artifice mathématique, cette première quantification devait être suivie de beaucoup d'autres...

Un autre paradoxe apparaît dans l'étude des atomes, qu'on se représente comme de petits systèmes solaires, avec des électrons tournant autour d'un noyau :

– selon la théorie classique, ces électrons devraient rayonner, donc perdre de l'énergie, et tomber sur le noyau ; ce n'est pas le cas : les atomes restent stables ;

– les énergies des électrons liés aux noyaux ne prennent pas n'importe quelle valeur, mais seulement une suite de valeurs discrètes, repérées par des nombres entiers.

Aucun de ces deux faits – stabilité des atomes, quantification des niveaux d'énergie – n'est compatible avec la mécanique classique. Niels Bohr (cf. bohr), Arnold Sommerfeld et d'autres ont pu dégager des recettes ad hoc permettant d'ajouter ces aspects quantiques à la théorie classique.

Un troisième paradoxe est fourni par l'effet photoélectrique (cf. effet photoélectrique) : lorsqu'on irradie des atomes par de la lumière, des électrons peuvent être éjectés, mais avec des vitesses qui ne dépendent que de la fréquence de la lumière reçue. Albert Einstein, en 1905, explique cette propriété surprenante en reprenant l'hypothèse de Planck. Il dénomme photons les quanta d'énergie lumineuse, et confirme que la lumière, malgré ses propriétés ondulatoires, doit aussi être considérée, dans certaines conditions, com [...]

Conférence d'Einstein

Photographie : Conférence d'Einstein

Albert Einstein (1879-1955), physicien américain d'origine allemande, donne une conférence sur les rapports entre science et civilisation au Royal Albert Hall, à Londres, en 1933. 

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  • : directeur de recherche au C.N.R.S., centre de physique théorique, École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Claude de CALAN, « QUANTIQUE PHYSIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-quantique/