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
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. Déplacement d’énergie
sans déplacement de matière
Déplacement de matière
son
vague
L'apogée de la physique classique
Description Newtonnienne
Description Ondulatoire
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. 600 nm400 nm
600 nm400 nm
à T = 600°C
à T = 2000°C
Rayonnement des corps
chauds
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. 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. 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. 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.
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. E Le modèle de Bohr
h
Les atomes n'absorbent
que les photons ayant
la bonne énergie
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. 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. Description quantique de l’électron
Une expérience avec des balles
+=
La balle passe soit par le trou 1, soit par le trou 2
20. Même expérience
avec des ondes
Source
Diffraction
Intensité mesurée
I12 ≠ I1 + I2
Caractéristique des ondes
Interférence
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. 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. • 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. 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
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. 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. 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. 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. 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
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
Notes de l'éditeur
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