Histoire d'une grande découverte La révolution quantique R. Bouzerar / UPJV - LPMC

A la rencontre de la Physique Classique

Cette vision date du XVIIème siècle, initiée par Galilée et Newton…. Introduction La Physique c’est quoi déjà? …en deux mots… C’est avant tout une façon de voir le monde Cette représentation s’articule autour de deux éléments essentiels: - L’ Observation (Expérience: Un mode d’interrogation de la Nature) qui fournit des données factuelles (Ex: données sensorielles)condensées en principes - La Théorie: c’est une explication formalisée construite sur la base des principes induits de l’expérience. Cette vision date du XVIIème siècle, initiée par Galilée et Newton….

...Au crépuscule du XIXème siècle... Idéal newtonien de représentation des phénomènes Un cadre: l’espace et le temps absolus de Newton Particules et … Objets localisés …champs médiateurs des forces Objets étendus dans l’espace Ex: Champ de gravitation, électrique, magnétique, … ...A l'aube du XXème siècle...

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

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

L'acte de Naissance: Les quanta de Planck Acte I L'acte de Naissance: Les quanta de Planck

Premiers nuages... Désaccord!!! 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 l’interprétation. Désaccord!!! Quantité d’énergie lumineuse à une longueur d’onde (fréquence) donnée En accord avec la physique classique

Une lueur d'espoir : la solution de Planck (Décembre 1900) Max Planck propose une solution semi-classique au problème Rayonnement (lumière émise traitée classiquement) Hypothèse non classique: Discontinuité des échanges d’énergie entre matière et rayonnement « La matière ne peut absorber ou émettre d’énergie lumineuse que par paquets finis » C’est l’hypothèse des quanta Étrangère à la physique classique Introduction d’une 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)

1905: Les grains de lumière En 1905: Réinterprétation par Einstein – Le rayonnement a une structure corpusculaire: Il est composé de photons (Dualité onde/particule) Selon A. Einstein la discontinuité de Planck provient de cette structure granulaire de la lumière C’est la première fois dans l’histoire de la Physique qu’un objet est décrit de manière duale: La lumière est onde et particules (photons)! Confirmation expérimentale éclatante: Effet photoélectrique et effet Compton

Effet Photoélectrique

Effet Compton

Modèle planétaire de l’atome ...Les nuages s'amassent... En 1911: Rutherford étudie les particules a Diffusion par la matière Découverte du noyau atomique Modèle planétaire de l’atome

L'orage éclate... L’atome de Rutherford est instable…. …doivent s’écraser sur le noyau en émettant de la lumière d’après la théorie EM… Les électrons: régis par la dynamique classique… La théorie classique ne fixe pas la taille des atomes L’atome de Rutherford est instable….

La Physique quantique en marche: Le modèle 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 l’électron: les trajets permis (en vert) sont dénombrables- pas de rayonnement (stationnarité) Hypothèse discontinuiste: La sélection se fait selon la condition de Bohr Masse electron XvitesseXperimètre du cercle numéroté « n » = n X constante de Planck 3 Grand succès explique les spectres de raie des éléments (hydrogène surtout) Fixe la taille des atomes: 1 dix milliardième de mètre Mécanisme d’émission de lumière par transition entre deux états permis 1 2

Le saut de Bohr d’une orbite permise à une autre s’accompagne de l’émission ou de l’absorption de photons: Emission et absorption sont font par paquets (quanta) Mais ce saut est très singulier: il n’obéit pas à un mécanisme classique. Au cours du saut l’éléctron devrait passer par les positions intermédiaires qui lui sont interdites!! Sinon l’émission serait progressive! Pas de représentation du saut dans l’espace-temps: La théorie de Bohr rompt avec le déterminisme classique Comment renouer avec une description classique – trajet dans l’espace-temps- déterministe de l’atome?

De Broglie ou les ondes de matière Acte II De Broglie ou les ondes de matière

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

= La mécanique ondulatoire de Schrödinger En 1925, Erwin Schrödinger découvre la loi – l’équation éponyme – régissant la propagation de l’onde de De Broglie associée à une particule dans l’espace et retrouve les résultats de Bohr Emergence d’une physique du continu où l’onde est la réalité ultime Combinaison d’ondes = Le corpuscule est reconstruit comme superposition d’ondes de Schrödinger Paquet d’ondes Centre du paquet d’ondes = Zône de forte amplitude= se comporte comme le Corpuscule classique Ananlogie avec la lumière Ondes élémentaires = couleurs

Mais de nouveaux problèmes surgissent... La propagation de l’onde de Schrödinger dans l’espace-temps usuel n’est 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… Elles donnent bien lieu à des interférences observables dans notre espace et les particules se comportent bien comme des objets discrets !!! L’onde n’est pas séparable en deux ondes individuelles Elle ne se propage pas dans l’espace usuel Rupture avec le mode de pensée classique de représentation des phénomènes dans l’espace-temps Quelle est la vraie nature de l’onde de Schrödinger?

Ruine de l'idéal classique Acte III

L'onde de matière existe-t-elle? 1924: Hypothèse des ondes de matière par De Broglie 1925: Découverte de la loi régissant la propagation de ces ondes par Schrödinger – Espoir d’une physique du continu 1925/26: L’onde 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 d’une mécanique abstraite –la mécanique matricielle – par Heisenberg. Basée sur la notion de grandeur physique uniquement (pas d’onde). Rupture avec l’idéal classique. Grands succès. 1926: Equivalence avec la mécanique ondulatoire démontrée par Schrödinger. 1926: Notion de particule objective. Born propose l’interprétation probabiliste de l’onde de Scrödinger- De Broglie …Rupture définitive avec la physique classique!!

L'interprétation statistique de Born Pour concilier les notions de particule et d’onde: L’onde est un outil de prévision probabiliste du comportement de la particule (son mouvement par ex.) Onde = Champ Y – Objet associant à tout point de l’espace un nombre d’autant plus grand que l’onde y est plus marquée (amplitude plus grande) Calcul de la probabilité (intensité) « Probabilité » de trouver la particule en un point : L’onde est déterminée de façon rigoureuse et donc aussi les probabilités. On ne peut prédire que les probabilités d’occurrence des événements (réalisations des phénomènes):Les phénomènes sont soumis à un déterminisme statistique. Seules sont mesurables ces probabilités: les interférences sont un révélateur des probabilités quantiques…

Superpositions quantiques L’onde de probabilité est un champ d’informations 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: l’issue est gouvernée par le hasard. Une propriété étonnante du monde quantique: On peut superposer les états possibles (ex: les états « chat de Schrödinger »)!!

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

2 2 Etat quelconque (Chat mort-vivant) Etat rouge (0% vert) Etat 50% vert et 50% rouge Etat vert (0% rouge) Evolution de l’état 2 = pourcentage de vert 2 = pourcentage de rouge

Dispositif de Young: Illustration expérimentale Pas de trajet défini !!!

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

That's all folks!