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La Physique cest quoi déjà? …en deux mots… Cest avant tout une façon de voir le monde Cette représentation sarticule autour de deux éléments essentiels:

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3 La Physique cest quoi déjà? …en deux mots… Cest avant tout une façon de voir le monde Cette représentation sarticule autour de deux éléments essentiels: - L Observation (Expérience: Un mode dinterrogation de la Nature) qui fournit des données factuelles (Ex: données sensorielles)condensées en principes - La Théorie: cest une explication formalisée construite sur la base des principes induits de lexpérience. Cette vision date du XVIIème siècle, initiée par Galilée et Newton….

4 Un cadre: lespace et le temps absolus de Newton Idéal newtonien de représentation des phénomènes Particules et … …champs médiateurs des forces Ex: Champ de gravitation, électrique, magnétique, … Objets localisés Objets étendus dans lespace

5 Lois de la dynamique de Newton Mouvement des particules Systèmes de particules en interaction Gaz, liquides, solides, … Une propriété fondamentale de la description classique Le déterminisme: Tout est donné (ses états futurs comme son histoire) si lon connaît la configuration du système à un instant donné

6 Champs = Milieux dotés dune dynamique propre Théorie classique des champs Ex: Le champ électromagnétique de Maxwell Lois dynamiques: Equations de Maxwell Le Champ = « Matelas à ressorts » 3 D – Perturbation du champ = déplacement dun ressort - Perturbations du Champ se propagent à vitesse finie=Ondes Ex: Champ EM: Onde EM= Lumière…

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8 Quantité dénergie lumineuse à une longueur donde (fréquence) donnée Le Problème du corps noir: Répartition spectrale du rayonnement thermique des corps Connue expérimentalement Seule la partie basses énergies (IR) est en accord avec la physique classique- La partie hautes énergies ( tronçon de gauche: UV) résiste à linterprétation. En accord avec la physique classique Désaccord!!!

9 Max Planck propose une solution semi-classique au problème Rayonnement (lumière émise traitée classiquement) Hypothèse non classique: Discontinuité des échanges dénergie entre matière et rayonnement « La matière ne peut absorber ou émettre dénergie lumineuse que par paquets finis » Cest lhypothèse des quanta Étrangère à la physique classique Introduction dune nouvelle constante fondamentale: la constante de Planck h En 1905: Réinterprétation par Einstein – Le rayonnement a une structure corpusculaire: Il est composé de photons (Dualité onde/particule)

10 Selon A. Einstein la discontinuité de Planck provient de cette structure granulaire de la lumière Cest la première fois dans lhistoire de la Physique quun objet est décrit de manière duale: La lumière est onde et particules (photons)! Confirmation expérimentale éclatante: Effet photoélectrique et effet Compton

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13 En 1911: Rutherford étudie les particules Diffusion par la matière Découverte du noyau atomique Modèle planétaire de latome

14 Latome de Rutherford est instable…. Les électrons: régis par la dynamique classique… …doivent sécraser sur le noyau en émettant de la lumière daprès la théorie EM… La théorie classique ne fixe pas la taille des atomes

15 Masse electron XvitesseXperimètre du cercle numéroté « n » = n X constante de Planck Hypothèse discontinuiste: La sélection se fait selon la condition de Bohr En 1913, N. Bohr va proposer une solution hybride Les lois classiques du mouvement restent valables Tous les trajets classiques ne sont pas permis (en rouge) à lélectron: les trajets permis (en vert) sont dénombrables- pas de rayonnement (stationnarité) Grand succès explique les spectres de raie des éléments (hydrogène surtout)explique les spectres de raie des éléments (hydrogène surtout) Fixe la taille des atomes: 1 dix milliardième de mètreFixe la taille des atomes: 1 dix milliardième de mètre Mécanisme démission de lumière par transition entre deux états permisMécanisme démission de lumière par transition entre deux états permis

16 Pas de représentation du saut dans lespace-temps: La théorie de Bohr rompt avec le déterminisme classique Mais ce saut est très singulier: il nobéit pas à un mécanisme classique. Au cours du saut léléctron devrait passer par les positions intermédiaires qui lui sont interdites!! Sinon lémission serait progressive! Le saut de Bohr dune orbite permise à une autre saccompagne de lémission ou de labsorption de photons: Emission et absorption sont font par paquets (quanta) Comment renouer avec une description classique – trajet dans lespace-temps- déterministe de latome?

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18 1924: Louis de Broglie réinterprète les conditions de Bohr Condition de Bohr = Condition de résonance dune onde stationnaire Image de la corde fermée 1 fuseau 2 fuseaux Longueur L 1ère orbite de Bohr 2ème orbite de Bohr Hypothèse des ondes de matière De Broglie associe aux électrons une onde qu les guide le long de leur trajet Confirmation expérimentale en 1927 par Davisson et Germer (figure de diffraction électronique)

19 En 1925, Erwin Schrödinger découvre la loi – léquation éponyme – régissant la propagation de londe de De Broglie associée à une particule dans lespace et retrouve les résultats de Bohr Emergence dune physique du continu où londe est la réalité ultime Le corpuscule est reconstruit comme superposition dondes de Schrödinger Paquet dondes Combinaison dondes = Centre du paquet dondes = Zône de forte amplitude= se comporte comme le Corpuscule classique Ananlogie avec la lumière Ondes élémentaires = couleurs

20 La propagation de londe de Schrödinger dans lespace-temps usuel nest vraie que pour 1 seule particule! 2 particules en interaction sont décrites par une seule onde se propageant dans un espace…abstrait à 6D!!! Plus le nombre de particules est grand et plus cet espace est grand… Londe nest pas séparable en deux ondes individuelles Elle ne se propage pas dans lespace usuel Elles donnent bien lieu à des interférences observables dans notre espace et les particules se comportent bien comme des objets discrets !!! Rupture avec le mode de pensée classique de représentation des phénomènes dans lespace-temps Quelle est la vraie nature de londe de Schrödinger?

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22 1924: Hypothèse des ondes de matière par De Broglie 1925: Découverte de la loi régissant la propagation de ces ondes par Schrödinger – Espoir dune physique du continu 1925/26: Londe se propage dans un espace abstrait – ruine de cet espoir: que sont les ondes? Que sont les particules? 1927: Mise en évidence expérimentale de ces ondes… Pendant ce temps… 1925: Invention dune mécanique abstraite –la mécanique matricielle – par Heisenberg. Basée sur la notion de grandeur physique uniquement (pas donde). Rupture avec lidéal classique. Grands succès. 1926: Equivalence avec la mécanique ondulatoire démontrée par Schrödinger. 1926: Notion de particule objective. Born propose linterprétation probabiliste de londe de Scrödinger- De Broglie …Rupture définitive avec la physique classique!!

23 Londe est déterminée de façon rigoureuse et donc aussi les probabilités. On ne peut prédire que les probabilités doccurrence des événements (réalisations des phénomènes):Les phénomènes sont soumis à un déterminisme statistique. Pour concilier les notions de particule et donde: Londe est un outil de prévision probabiliste du comportement de la particule (son mouvement par ex.) Onde = Champ – Objet associant à tout point de lespace un nombre dautant plus grand que londe y est plus marquée (amplitude plus grande) Calcul de la probabilité (intensité) « Probabilité » de trouver la particule en un point : Seules sont mesurables ces probabilités: les interférences sont un révélateur des probabilités quantiques…

24 Londe de probabilité est un champ dinformations sur le système (Etat du système)Londe de probabilité est un champ dinformations sur le système (Etat du système) En dehors de toute mesure, toutes les possibilités sont virtuellement présentes. La mesure va sélectionner une possibilité et une seule: lissue est gouvernée par le hasard. En dehors de toute mesure, toutes les possibilités sont virtuellement présentes. La mesure va sélectionner une possibilité et une seule: lissue est gouvernée par le hasard. Une propriété étonnante du monde quantique: On peut superposer les états possibles (ex: les états « chat de Schrödinger »)!!

25 Quelle que soit la distance!! Objet quantique 2 états possibles (résultats possibles des mesures) Etats superposés Intrication: Objets jumeaux (forment un tout indivisible) Mesure sur le 1er objet Etat du 2nd connu sans mesure!!!

26 Etat vert (0% rouge) Etat rouge (0% vert) Etat 50% vert et 50% rouge Etat quelconque (Chat mort-vivant) Evolution de létat 2 = pourcentage de vert 2 = pourcentage de rouge

27 Pas de trajet défini !!!

28 Effets spécifiquement quantiques Effet Tunnel (passe-murailles) Radioactivité alpha (Gamow) Diodes Tunnel Microscopes à effet tunnel Cosmologie quantique de lunivers très primordial Stabilité des naines blanches Etoiles à Neutrons Physique du solide (supraconductivité) Liaison chimique Electronique: Transistors (1948) Lasers (Optique quantique) Intrication quantique: Manipulation des superpositions détats quantiques (Etats Chat de Schrödinger) Applications à la téléportation quantique de photons

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