Physique quantique

Le mystère de la structure de l'atome

Au IVe siècle av JC, les philosophes grecs Leucippe et Démocrite émettent l'hypothèse que toute la matière est composée de particules minuscules, en mouvement perpétuel, très solides et éternelles, appelées 'atomos' (indivisible). En 1803, John Dalton (1766-1844), chimiste et physicien britannique, développe sa théorie atomique selon laquelle la matière est composée de particules indivisibles qu'il nomme atomes. En 1811, Amedeo Avogadro (1776-1856), physicien et chimiste italien, estime la taille des atomes, à 10^-10 mètre.
En 1911, Ernest Rutherford (1871-1937), physicien et chimiste britannique et père de la physique nucléaire, précise la structure de l'atome et donne une taille au noyau atomique de l'ordre de 10^-14 mètre. En physique classique les atomes sont constitués d'un certain nombre d'électrons ponctuels chargés négativement, et d'un noyau quasi-ponctuel, chargé positivement, mais cela soulève un paradoxe. En physique classique, la matière devrait disparaitre, s'annihiler car un électron qui rayonne autour d'un noyau, perd de l'énergie (théorie de Maxwell) et donc devrait tomber sur le noyau. Ce qui veut dire que la stabilité d'un atome est incompréhensible dans le cadre de la théorie classique. Par contre, la physique quantique explique ce mystère de l'atome et la stabilité de la matière. La physique quantique est apparue entre 1925 et 1927, elle dérive de la mécanique quantique initiée par Max Planck en 1900, puis développée par Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld, Hendrik Anthony Kramers, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli et Louis de Broglie entre 1905 et 1924.

Cette révolution scientifique et conceptuelle qui explique l'existence de la matière, est à la base de notre compréhension physique du monde. La théorie quantique est une théorie non déterministe par définition, c'est-à-dire que même si l'on connait tous les paramètres au départ, il y a des phénomènes que l'on ne peut pas prédire. Cette incertitude et cet indéterminisme sont intrinsèques à la théorie. En plus de l'incertitude sur la localité, la mécanique quantique tolère l'existence d'états intriqués, c'est-à-dire qu'à l'échelle quantique plusieurs objets séparés spatialement peuvent former un seul objet quantique, qui réagira globalement. En résumé, dans le monde quantique les objets peuvent être à la fois, ici et là, dans un état ou plusieurs. Maintenant que l'on a accès directement au monde des atomes, il est possible de vérifier ces propriétés paradoxales du monde quantique. On ne peut déterminer l'état d'un système quantique qu'en l'observant, ce qui a pour effet de détruire l'état en question.
La mécanique quantique explique l'existence de la matière, c'est pour les scientifiques, la plus grande aventure intellectuelle du 20ème siècle.

nota: La théorie de Maxwell affirme que toute charge accélérée rayonne de l'énergie sous forme d'onde électromagnétique. Les électrons accélérés sur leurs orbites au sein de l'atome, devraient perdre de l'énergie et tomber sur le noyau en une durée caractéristique de de l'ordre de 10 ns.

La lumière et le photon

Pour le français René Descartes (1596-1650), la lumière était composée de particules. La lumière ondulatoire a été introduite en 1690 par le néerlandais Christian Huygens (1629-1695), qui a eu l'intuition que la lumière se propageait comme des vagues dans un milieu qu'il a appelé l'éther. L'anglais Isaac Newton (1643-1727) croyait que la lumière était constituée de particules et au début du 19è siècle, le français Augustin Fresnel (1788-1827), à l'origine de l'optique moderne, propose une explication à tous les phénomènes optiques dans le cadre de la théorie ondulatoire de la lumière. Au cours du 19è siècle on accepte que la lumière est bien un phénomène ondulatoire à la suite d'expériences probantes. A la fin du 19è, l'écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) en un seul ensemble d'équations, les équations de Maxwell, unifie les phénomènes lumineux, l'électricité, le magnétisme et l'induction. C'est à l'époque le modèle le plus unifié de l'électromagnétisme. Les équations de maxwell décrivent parfaitement la lumière ondulatoire mais elles se propagent toujours dans un milieu appelé l'éther.

Max Planck explique que la lumière et la matière échangent l'énergie sous forme de quanta discrets d'énergie (E=hv). A la fin du 19è siècle, deux physiciens, Albert Abraham Michelson (1852-1931) et Edward Williams Morley (1838-1923) ont cherché à déterminer ce flux de l'éther, en mesurant la vitesse de la lumière entre deux directions perpendiculaires à deux périodes distinctes de l'année. Ils s'attendaient à mesurer des variations de cette vitesse mais le résultat fut surprenant, tous les rayons de lumière avaient la même vitesse. En 1905, Albert Einstein trouve qu'il y a une incompatibilité entre les équations de maxwell et les hypothèses de Planck. Il fallait des petits grains (particules) de lumière pour que les hypothèses de Planck soient correctes. Le concept de grains de photon fut difficilement admis par l'ensemble des physiciens jusqu'à ce que l'américain Robert Andrews Millikan (1868-1953) apporte des preuves expérimentales irréfutables en 1915, en accord parfait avec la description corpusculaire proposée par Einstein.
Ces ondes ressemblant à des corpuscules, vont trouver une explication dans la physique quantique à venir.

Image : Les grains de lumière de notre soleil. Ces grains sont appelés photons. La lumière présente une dualité onde-particule, Louis de Broglie proposa de généraliser cette dualité à toutes les particules connues de l'atome.

Nature ondulatoire de l'électron

En 1925, le mathématicien et physicien français Louis de Broglie (1892-1987), se demande si on ne peut pas, à partir d'un corpuscule obtenir un phénomène ondulatoire. Il est lauréat du prix Nobel de physique de 1929 « pour sa théorie sur la nature ondulatoire des électrons ». Cette thèse théorique fut confirmée en 1927 par deux expérimentateurs américains Clinton Davisson et Lester Germer.
En 1925 tout était onde et particule à la fois et cela troublait les physiciens qui deux ans plus tard expliqueront ces phénomènes à travers la physique quantique. Le photon qui n'a pas de masse est donc un objet quantique comme toutes les autres particules massives qui constituent la matière.

Image : Illustration de l'électron.
L'électron n'a pas de localisation précise. Il apparait et disparait en permanence dans le vide, dans une espèce de vague intemporelle, à la fois un peu ici et un peu là.