Préhistoire de la physique quantique



À la fin du XIXème siècle, les physiciens sont presque convaincus que les lois classiques leur donnent une connaissance complète du monde physique. Cependant quelques rares questions restent sans réponse. En 1900, la physique quantique est née d’une volonté de répondre à l’une d’entre elles.


Pour comprendre les origines de la physique quantique, il convient d’établir un bilan des connaissances en matière de physique à la veille du XXème siècle. Grossièrement la physique est alors partagée en trois disciplines :

– la mécanique,

– l’électromagnétisme et

– la thermodynamique.


La mécanique classique ou newtonienne repose sur deux piliers, établis tous deux par Isaac NEWTON à la fin du XVIIème siècle.

— Le premier de ces piliers est en fait constitué de trois lois dites « du mouvement » ;

— Le deuxième est la théorie de la gravitation universelle, qui est sans doute l’une des plus grandes découvertes scientifiques de tous les temps.

La combinaison de ces deux découvertes majeurs va induire des progrès théoriques et techniques considérables pour l’humanité. Ce sont aujourd’hui encore les lois de Newton qui nous permettent de calculer les trajectoires des fusées et des satellites que « l’on envoie dans l’espace » !

L’électromagnétisme, deuxième branche de la physique, est issu d’une volonté d’unifier le magnétisme et l’électricité. Les lois fondamentales de l’électromagnétisme sont énoncées en 1864 par James MAXWELL sous la forme de quatre équations devenus célèbres. Elles sont toujours largement utilisées pour décrire des systèmes variés, comme les ondes radios, la téléphonie ou encore les moteurs électriques.

La troisième branche de la physique classique est la thermodynamique. Cette discipline, régie par trois principes fondamentaux, étudie les mécanismes de transfert thermique entre les corps. Elle s’est développée au cours du XIXe siècle notamment sous l’impulsion des physiciens Carnot, Joule et Clausius. Les applications de la thermodynamique sont nombreuses. Elle a permis l’invention du moteur à explosion, des systèmes de réfrigération ; elle est aussi à la base de l’étude de nombreux systèmes physiques et géophysiques.


La lumière : onde électromagnétique


Spectre électromagnétique


Ajoutons à cet ensemble de connaissances dont les physiciens disposent, l’optique, qui peut être traitée en intégralité avec les seules équations de MAXWELL et qui pour cette raison fait partie de l’électromagnétisme. On distingue habituellement deux facettes de l’optique : l’une, géométrique, représente les rayons lumineux comme des lignes droites que l’on peut tracer sur du papier à l’aide d’une règle ; l’autre, ondulatoire, traite la lumière comme une onde.



En fait moyennant certaines hypothèses, la première est une approximation pratique et intuitive de la deuxième. Le début sur la nature ambivalente de la lumière a joué un rôle essentiel dans le développement de la physique quantique. Après quelques siècles d’hésitation — due en partie à une vision corpusculaire héritée de Newton — à l’aube du XXème siècle, il ne fait plus de doute que la lumière a un caractère ondulatoire. On doit cette découverte notamment aux travaux des physiciens Huygens, 1690, Young, 1801, et Fresnel 1818. Peu après les équations de Maxwell viennent couronner ces découvertes en décrivant la manière dont les champs électriques et magnétiques, qui composent la lumières, oscillent dans le temps et dans l’espace. Si l’on résout ces équations, on est alors capable de décrire, pour chaque point d’un rayon lumineux, la position et le comportement temporel du champ électromagnétique. On peut en déduire trois choses.



  • La première est que la lumière se propage à une vitesse déterminée et finie. C’est la fameuse « vitesse de la lumière »

  • La deuxième déduction est que, si la lumière ne rencontre pas d’obstacle, elle se propage dans une direction fixe et rectiligne.

  • Enfin, la solution mathématique met en évidence un phénomène ondulatoire qui oscille avec une certaine fréquence, c’est-à-dire un nombre d’oscillations par seconde, et une certaine longueur d’onde qui détermine la couleur de la radiation lumineuse.

Pour avoir un ordre d’idée, la lumière bleue a une longueur d’onde de quatre cents nanomètres environs, ce qui représente un centimètre divisé par vingt-cinq mille. La prise de conscience du caractère ondulatoire de la lumière a permis aux physiciens de comprendre deux phénomènes essentiels qui sont les interférences et la diffraction, inexplicables à l’aide d’un modèle corpusculaire de la lumière.


Interférences et diffraction



Un phénomène d’interférence a lieu lorsque deux ondes ou plus se rencontrent en un point dans l’espace. L’image simple à laquelle on a souvent recours pour comprendre ce qui se passe, est celle d’un étang d’eau calme dans lequel on jette deux cailloux. On suppose que leurs points de chute sont suffisamment distants l’un de l’autre pour que l’on puisse voir deux sources de vagues se former, se déplacer librement puis se rencontrer. Quand deux vagues se superposent, elles créent une vague dont la hauteur dépend de la différence de hauteur entre les vagues sources. Si elles sont toutes les deux à leur maximum au point de rencontre, la vague résultante est d’une amplitude maximale ; si l’autre à son minimum, le résultat est une vague d’amplitude minimale éventuellement nulle ; entre les deux situations on obtient une vague dont l’amplitude se situe entre ces deux limites. Lorsqu’on réalise des interférences avec de la lumière, dans le premier cas, on crée une lumière d’intensité maximale alors que le deuxième cas conduit à une intensité minimale. En observant le résultat sur un écran on constate une alternance des zones brillantes et de zones sombres caractéristiques du phénomène d’interférence. Par ailleurs, les interférences permettent d’expliquer un deuxième phénomène qui est la diffraction.




La diffraction se produit lorsqu’un rayon lumineux passe à travers une ouverture dont les dimensions sont du même ordre de grandeur que la longueur d’onde. Pour de la lumière visible comme du centimètre de diamètre ne fait donc pas l’affaire ! Lorsque le rayon passe à travers une ouverture de très faible dimension, il crée toute une multitude de sources secondaires qui émettent à leur tour de la lumière et interfèrent entre elles. Ceci donne lieu à une alternance de zones sombres et brillantes comme pour une interférence à deux ondes. On obtient un dessin caractéristique de la forme de l’ouverture et appelé figure de diffraction. Il est important de bien comprendre que ces deux phénomènes fondamentaux ne sont explicable que si l’on se représente la lumière comme une onde. Ainsi, en cette fin de XIXème siècle, les problèmes de l’optique semblent enfin résolus à l’aide d’une théorie unifiée. Par ailleurs, la mécanique et la thermodynamique apportent une révolution industrielle en marche. Les physiciens pensent alors posséder la clé leur permettant de tout comprendre du monde qui les entoure ! Tout, ou presque…



Deux petits nuages


Le 27 avril 1900, le physicien Kelvin prononce cette phrase qui est restée célèbre : « La connaissance en physique est semblable à un grand ciel bleu, à l’horizon duquel subsistent seulement deux petits nuages ». D’où viennent ces deux petits nuages ? Le premier provient d’une expérience réalisée par Michelson et Morley en 1887. A cette époque on pensait que la lumière se propageait dans un milieu indéfini appelé « éther », une sorte d’atmosphère liée à la Terre et entraînée par son mouvement. Les deux physiciens s’interrogent sur l’existence réelle de l’éther et cherchent à mesurer la différence de vitesse de la lumière dans deux direction perpendiculaires. Mais ils n’observent aucune différence. Ceci remet l’existence de l’éther en question et démontre que la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions de l’espace. Autrement dit, on ne peut pas l’additionner à la vitesse de la Terre comme on le fait pour un voyageur qui marche dans un wagon ! Ces conclusions ne sont pas explicables avec les connaissances de l’époque. Ce résultat fondamental sera reprise plus tard par Einstein et lui permettra de développer sa célèbre théorie de la relativité. Le deuxième petit nuage est ce que l’on appelle le problème du corps noir. La question sous-jacente est de savoir quelle relation il existe entre la couleur d’un corps chauffé et sa température. En 1900, deux physiciens, Rayleigh et Jeans établissent, à l’aide d’un raisonnement qui mêle la mécanique, la thermodynamique et l’électromagnétisme, une loi qui donne l’intensité lumineuse d’un corps chauffé, le fameux corps noir en fonction de sa température et de la longueur d’onde. Néanmoins, quand on applique la formule obtenue à des radiations de longueurs d’onde de plus en plus courtes, on obtient une intensité lumineuse qui est de plus en plus importante. A la limite, celle-ci diverge même vers l’infini. Cette région des courtes longueurs d’onde correspond aux radiations ultraviolettes. Cela implique que tout corps qui brûle et qui émet de la lumière, le Soleil ou un simple four par exemple, contient des radiations ultraviolettes d’une intensité infinie ! Ceci est évidemment faux, car totalement incompatible avec toute vie sur la Terre. Cette constatation porte le nom bien connu de « catastrophe ultraviolette ». C’est le deuxième point que la physique classique n’explique pas. Durant cette même année 1900, le physicien Max Planck va s’attaquer à ce problème et, pour le résoudre, il va donner naissance à ce que l’on appellera bientôt la « physique quantique ».



On peut en retenir :


  • Les trois principales branches de la physique classique sont : la mécanique newtonienne, l’électromagnétisme et la thermodynamique.

  • Newton a imposé longtemps sa vision corpusculaire de la lumière à la communauté scientifique

  • A la fin du XIXe siècle, la théorie ondulatoire, appuyée par les expériences réalisées par Huygens, Young et Fresnel ne fait plus de doute.

  • Les équations de Maxwell apportent un cadre mathématique solide à la théorie ondulatoire

  • La lumière est une onde électromagnétique qui se propage en ligne droite à une vitesse finie.

  • Les interférences et la diffraction ne s’expliquent qu’à l’aide d’une théorie ondulatoire de la lumière.

  • Les deux problèmes non résolus par la physique classique sont : l’invariance de la vitesse de la lumière en fonction de sa direction de propagation et le problème du corps noir.

  • En 1900, en cherchant à résoudre le problème du corps noir, Max Planck donne naissance à la physique quantique.

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