Histoire des idées en physique quantique

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Quelles sont les idées principales en physique quantique et comment ont-elles émergées. Support de conférence présentée aux élèves de TS.
Audio de la conférence proposées aux élèves du lycée du Forez à Feurs en avril 2015 : http://cedric.lemery.free.fr/Audio/20150428_ConfPhysQ-HistoireIdees.mp3

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  • Une présentation de la physique quantique
    Autrement dit, quelle est la nature de la matière ?
    Quel est le sens de cette citation d'Hermann Weyl ?
  • Au début du XXème siècle, lorsqu'émerge les idées de la physique quantique, celles-ci apparaissent en rupture avec les idées de l'époque. On ne peut comprendre la physique quantique sans revenir sur le contexte historique qui a présidé à son émergence.
  • Ainsi, la description Newtonnienne du monde consiste à décrire la réalité sous la forme d'objets évoluant dans un espace absolu sans rapport avec ce qu'il contient.
    Cette méthodologie se révèle très efficace pour décrire le mouvement des objets du quotidien comme les objets astronomiques.
    C'est ce qui est enseigné en TS : on se donne un système, un référentiel d'étude, les lois de Newton nous permettent de décrire l'évolution des coordonnées d'espace du système.
  • L'efficacité de cette approche a mené au scientisme du XIXème siècle dans lequel on distingue clairement les phénomènes matériels des phénomènes ondulatoires.
  • Dans ce contexte, quelle est la nature de la lumière ?
    « Vieille » controverse qui remonte au XVIIème siècle opposant Newton partisan de la nature corpusculaire à huygens, partisan de la nature ondulatoire
  • Pour trancher la controverse, rien de tel que l'expérience : l'une des caractéristique des ondes est la diffraction.
    Celle-ci est difficile à mettre en oeuvre avec la lumière ce qui a longtemps fait pencher la balance du côté des partisans de la nature corpusculaire.
    Mais au XIXème des expériences de diffraction permirent de trancher le débat.
  • Le halo de la lune, le phénomène des arc-en-ciel sont des phénomènes naturels qui s'explique en affirmant la nature ondulatoire de la lumière.
    et en 1864, Maxwell propose une description de la lumière en terme ondulatoire parfaitement satisfaisante au niveau théorique et en accord avec l'expérience.
    A la fin du XIXème siècle, la physique est à ce point « complète » qu'il était déconseillé aux bons élèves de s'engager dans cette voie : tout était compris, il n'y avait plus rien à y découvrir.
    A vrai dire il ne restait plus que quelques petits problèmes dont celui du rayonnement du corps noir.
  • Ce phénomène, très usuel, est extrêmement facile à observer.
  • Malheureusement, la description classique de ce phénomène en terme d'équilibre entre le rayonnement émis et absorbé, aboutit à une absurdité : l'intensité émise deviendrait infinie aux basses longueurs d'onde. C'est ce que les physiciens de l'époque ont appelé la catastrophe ultraviolette.
  • En 1900, Max Planck propose l'hypothèse suivante pour expliquer la nature du rayonnement émis par un corps chaud.
    Cette hypothèse est une hypothèse ad hoc, c'est à dire qu'il ne la prend que par ce que cela permet de faire coller la théorie à l'expérience.
    Il ne donne aucune explication physique.
  • Il faut attendre 1905 pour en avoir une explication physique : la lumière est composée de grains d'énergie et chaque photon porte le quanta d'énergie proposé par Planck.
    Cette hypothèse fut proposé par un jeune employé du bureau des brevets de Berne.
    L'idée d'E. est d'attribuée les considérations de Planck à la lumière elle-même plutôt que simplement aux interactions entre la lumière et la matière.
    Cette année, Einstein proposa 3 articles qui maintenant apparaissent comme les 3 piliers de la science moderne du Xxème : l'un sur les grains de lumière aboutissant à la physique quantique , l'autre sur la nature du temps qui aboutira à la théorie de la relativité et le dernier sur le mouvement brownien qui conduira à la preuve de l'existence des atomes.
  • Les atomes justement parlons-en : quelle est la nature de la matière ?
  • A la fin XIXème, l'électron est découvert par Thomson
    Le « pudding model » de la matière
    1905 : l'article d'Einstein sur le mouvement brownien -> l'atome (lien entre mouvement brownien des grains de pollen et l'agitation des molécules d'eau)
    1908 : confirmation expérimentale par Jean Perrin
    1910 : exp de Rutherford qui aboutissent au modèle de l'atome constitué d'un noyau et d'électron en périphérie
  • La contribution de Niels Bohr en 1913
  • Cette contribution permet d'expliquer le spectre de rayonnement des atomes en mettant en lien la structure des niveaux d'énergie des atomes et la théorie des quanta proposée par Planck et Einstein.
  • Problème : comment expliquer cette quantification des niveaux d'énergie des atomes ?
    1923 : De Broglie propose d'appliquer aux électrons ce qu'on sait de la lumière
  • Histoire des idées en physique quantique

    1. 1. La nature de la matière La physique quantique
    2. 2. Les origines...Les origines...
    3. 3. Mouvements des objets dans un espace absolu sans rapport avec ce qu'il contient Description Newtonnienne du monde Confirmée par l'expérience (lois de Képler, mouvements verticaux, etc.)
    4. 4. Déplacement d’énergie sans déplacement de matière Déplacement de matière son vague L'apogée de la physique classique Description Newtonnienne Description Ondulatoire
    5. 5. La nature de la lumière
    6. 6. Une propriété des ondes : La diffraction Vagues Lumière
    7. 7. La lumière est une onde Description de Maxwell Petit problème à la fin du XIXème siècle : Comment un corps chaud rayonne de la lumière ? ? Maxwell, 1864
    8. 8. 600 nm400 nm 600 nm400 nm à T = 600°C à T = 2000°C Rayonnement des corps chauds
    9. 9. Echange d'énergie entre le rayonnement et la matière : • La matière chauffée émet un rayonnement • Le rayonnement est absorbé par la matière Description thermodynamique du rayonnement d'équilibre Catastrophe ultra-violette ! Intensité  Théorie Classique Expérience Explication du phénomène
    10. 10. Intensité  Théorie Classique Expérience Planck La théorie des quantas Les échanges d'énergie matière/rayonnement sont quantifiés : E = h×ν où ν est la fréquence Max Planck, 1900 Mais quelle est la signification physique de cette affirmation ?
    11. 11. 1905 Un pas vers la déconstruction de la physique classique… La lumière est corpuscule & La lumière est onde Albert Einstein, 1905 Employé d’un bureau des brevets de Berne Chaque photon porte E=hν Explication du rayonnement du corps noir et de l’effet photoélectrique La lumière est composée de grains d’énergie : les photons (1923)
    12. 12. A retenir !  L'énergie de la lumière est transportée par des photons qui présentent un aspect particulaire et ondulatoire  L'énergie d'un photon est E = h.ν  E est en J,  h la constante de Planck en J.s,  ν, la fréquence de l'onde en Hz.
    13. 13. Et la matière ?
    14. 14. Thomson, 1897 Charge négative Substance positive Rutherford, 1910
    15. 15. Le petit défaut du modèle de Rutherford L’atome ne serait pas stable ! Bohr, 1913 Quantification des niveaux d’énergie de l’atome
    16. 16. E Le modèle de Bohr h Les atomes n'absorbent que les photons ayant la bonne énergie
    17. 17. Pourquoi ne pas appliquer ce que nous connaissons de la lumière à l’électron ? « La comédie Française » Pourquoi pas ? De Broglie, 1923 Confirmation expérimentale : Diffraction d’électrons en 1927 Comment expliquer ce modèle ?
    18. 18. L'électron est une onde Vrai également pour une onde « tournant » sur elle-même Pour une onde limitée seules certaines fréquences sont possibles ...et une particule ?! Explication des niveaux d'énergies de l'atome
    19. 19. Description quantique de l’électron Une expérience avec des balles += La balle passe soit par le trou 1, soit par le trou 2
    20. 20. Même expérience avec des ondes Source Diffraction Intensité mesurée I12 ≠ I1 + I2 Caractéristique des ondes Interférence
    21. 21. Et avec des électrons ? Canon à électron Compteur à électron (type geiger) Clic Clic Clic Chaque électron passe soit par le trou A, soit par le trou B Prévision Expérimentalement Paradoxe incompréhensible : Comment les électrons peuvent-ils arriver un par un et en même temps former une figure d’interférence ? ?
    22. 22. Regardons passer les électrons Observation des électrons qui passent dans les trous Expérimentalement, nous imposons la proposition précédente : les électrons passent soit par le trou 1 soit par le trou 2 Expérimentalement Les électrons savent qu’on les observe ?
    23. 23. • Les particules ne sont pas des corpuscules • Leurs propriétés ne pré-existent pas à la mesure • Il faut abandonner la notion de trajectoire Les leçons d'une expérience
    24. 24. La nature quantique de la matière Une particule Une onde Electron à 1 keV Longueur d'onde - fréquence = h 2.m.E  = 10-10 m = 1 Å = Taille de l'atome Grain de poussière de 1 µm m=10-15 kg, v=1 mm/s  = 6,6 10-16 m = 6,6 10-6 Å négligeable devant la taille du grain position - vitesse
    25. 25. A retenir p= h λ Dualité onde-corpuscule : on peut associer une onde à tout objet matériel Constante de Planck (J.s) Longueur d'onde (m) Quantité de mouvement
    26. 26. Penser la mécanique quantique • Fonction d’onde de De Brolgie Électron décrit par ψ(espace,temps) • Principe d’incertitude d’Heisenberg détermination vitesse position & • Principe de complémentarité de Bohr Onde Corpuscule Observation • Equation de Schrodïnger Déterminée par Equation Schrodïnger
    27. 27. description de la probabilité d’existence Analogue à une personne qui ne trouve pas un ami chez lui ? Puis il part à sa recherche… Il est certain qu’il ne peut être à deux endroits à la fois Quel est le sens de la fonction d'onde ?
    28. 28. La réalité objective existe-t-elle en dehors de l’observateur ? Matérialistes La mécanique quantique est incomplète, il existe des variables cachées. « Dieu ne joue pas aux dés » Idéalistes C’est l’expérimentateur qui effectue une réduction. Scission
    29. 29. L'expérience EPR Mesure sur l'une 2 particules intriquées Mesure sur l'autre La valeur de la mesure pré-existe à la mesure ou les 2 particules communiquent entre elles La Mécanique quantique est incomplète ?
    30. 30. Résultats expérimentaux Alain Aspect, Orsay, 1981 Remise en cause du réalisme les propriétés mesurées existent indépendamment de l'expérimentateur La mécanique quantique est une théorie complète Zeilinger, Vienne, 2007 (Corrélations entre 2 photons distants de 144 km !) Remise en cause du principe de localité les propriétés mesurées sont locales et/ou
    31. 31. Le chat de Schrödinger
    32. 32. Pourquoi tout n'est pas quantique ? Le problème de la décohérence Phénomènes quantiques perdurent tant que le système n'échange pas d'information avec l'environnement • Système microscopique • Basse température

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