La dualité onde-corpuscule

Intéressons-nous aujourd’hui à une bizarrerie de la physique: la dualité onde-corpuscule (ou onde-particule). Ce terme légèrement ésotérique  désigne le fait que tous les objets (électrons, atomes, molécules, …) ont une double nature. Selon les circonstances, ils peuvent se comporter comme une onde ou comme une particule. Or la physique classique et notre intuition nous disent que ces deux concepts sont mutuellement exclusifs, c’est-à-dire qu’un objet qui a un caractère ondulatoire ne peut pas être un corpuscule.

Qu’est-ce qu’une onde ? Et un corpuscule ?

Ce sont deux concepts de la physique classique permettant de décrire des objets qui nous sont familiers. Un exemple typique d’un corpuscule est la balle de tennis.  On peut énumérer ses caractéristiques:

  1. Il a une position bien localisée et une extension finie dans l’espace
  2. Il se déplace selon une trajectoire continue
  3. C’est un objet dénombrable, séparable, autrement dit: « 1 corpuscule + 1 corpuscule= 2 corpuscules »

Par opposition, une bonne image d’une onde est celle des vagues que l’on peut créer à la surface de l’eau en tapotant son doigt à la surface. Voici ses caractéristiques:

  1. Elle n’a pas de position précise dans l’espace (elle est délocalisée)
  2. Elle ne se propage pas selon une trajectoire (regarder les anneaux qui s’agrandissent dans toutes les directions simultanément à la surface de l’eau.
  3. Ce n’est pas un objet dénombrable au sens où deux ondes qui se rencontrent se superposent pour former une seule onde. Autrement dit: « 1 onde +1 onde= 1 onde »

C’est au sujet de la description de la lumière que l’opposition entre ces deux concepts a été la plus forte. Pour voir cette différence de plus près, considérons la même expérience en utilisant tour à tour nos deux objets: les balles de tennis(corpuscules) et les vagues(ondes).

Prenons les balles de tennis. Regardez le schéma ci-dessous.

La source est une machine à lancer les balles de tennis. En face, on a disposé un mur percé d’une fente. Derrière ce mur, un écran. Les balles sont enduites de peinture de telle sorte que, si elles passent par la fente, elles viennent laisser une marque sur l’écran. Refaisons le même expérience avec deux fentes:

En regardant ce qu’on observe sur l’écran lors de ceux deux expériences, on retrouve les trois caractéristiques des corpuscules  énumérées plus haut:

  1. Chaque balle laisse une marque sur l’écran (position localisée)
  2. En regardant attentivement, on peut voir par quelle fente passe la balle avant de frapper l’écran (trajectoire)
  3. La figure obtenue sur l’écran avec deux fentes est la somme des figures que l’on obtiendrait en ouvrant chacune des fentes séparément ( « 1 corpuscule + 1 corpuscule= 2 corpuscules »)

Supposons que notre source envoie désormais des ondes:

Si on garde en tête l’analogie avec les vagues dur l’eau, une onde est une alternance de « creux » et de « bosses » qui se propage à partir de la source. On voit que la fente agit comme une source secondaire, comme un nouveau point de départ pour l’onde: c’est le phénomène de diffraction. Supposons que l’écran mesure l’intensité de l’onde lorsqu’elle le touche, alors on obtient une intensité maximale en vis-à-vis de la fente, qui décroît progressivement sur les côtés.

Maintenant, prenons deux fentes:

La figure que l’on obtient sur l’écran est une alternance de bandes noires et de bandes blanches. Lorsque l’onde traverse les deux fentes, chacune se comporte comme le point de départ d’une nouvelle onde. Ces deux ondes se rencontrent, se superposent. Lorsque deux « bosses » se superposent, l’intensité est maximale (bande noire). Lorsque ce sont deux « creux », l’intensité est minimale (bande blanche). C’est le phénomène d’interférence.

On retrouve les trois caractéristiques des ondes énumérées plus haut:

  1. elle laisse une marque sur tout l’écran et non en un point précis (délocalisée)
  2. Il n’y a pas de trajectoire: l’onde passe par les deux fentes en même temps
  3. La figure d’interférence que l’on observe avec deux fentes n’est pas la somme des figures observées avec chacune des fentes prise séparément. ( « 1 onde +1 onde= 1 onde »)

Bref, ce sont deux concepts bien distincts.

La lumière: onde ou corpuscule ?

Ce fut un grand débat à partir du XVIIème. Newton proposait une théorie corpusculaire de la lumière tandis que Huygens proposait une hypothèse ondulatoire. La notoriété de Newton fit que son point de vue fut dans un premier temps privilégié. Cependant, au début du XIXème siècle, un britannique du nom de Thomas Young fit l’expérience que nous avons décrite ci-dessus avec deux fentes et une source de lumière. Il constata que ses résultats plaidaient en faveur de l’hypothèse ondulatoire. Le savant français Augustin Fresnel développa le formalisme mathématique ondulatoire qui permit de décrire et de prédire beaucoup de phénomènes observés. Puis, à la fin du XIXème, Maxwell unifia la théorie ondulatoire de la lumière avec la théorie électromagnétique. L’histoire semblait alors terminée.

Imaginez alors la stupeur des physiciens en 1905 lorsqu’ Einstein proposa une sorte de retour à la théorie corpusculaire avec ses quanta de lumière. Cette théorie ne permettait pas de décrire les phénomènes d’interférences, si bien décrits par les ondes.  Ainsi lors de la conférence qu’il donna à la réception de son prix Nobel en 1922, Niels Bohr déclara: « En dépit de sa valeur heuristique, l’hypothèse des quanta de lumière, qui est absolument irréconciliable avec ce qu’on appelle les phénomènes d’interférence, ne peut nous éclairer sur la nature du rayonnement ».  Main en 1923, le physicien américain Compton découvre l’effet qui porte aujourd’hui son nom et qui apporte une sérieuse confirmation à la théorie corpusculaire. Comment réconcilier ces deux visions ?

Louis de Broglie et la dualité onde-corpuscule

En 1924, le français Louis de Broglie, issue d’une famille aristocratique, décide de prendre le problème à contrepied dans sa thèse de doctorat: si la lumière, que l’on croyait être une onde, se comporte aussi comme un corpuscule, pourquoi un électron, que l’on croyait être un corpuscule, ne se comporterait pas comme une onde ? Il établit des relations entre la vitesse d’un électron (caractéristique corpusculaire) et sa longueur d’onde (caractéristique ondulatoire) grâce à l’intermédiaire de la constante de Planck (le fameux h). Dubitatifs, les membres du jury de thèse de Louis de Broglie, dont Perrin et Langevin, demandent l’avis d’ Einstein. Celui-ci leur répond: « Il a soulevé un coin du grand voile ». Les expériences de Davisson et Germer, qui montrèrent la diffraction des électrons par un cristal en 1927, vinrent confirmer cette théorie. Si on reprend notre expérience avec deux fentes, mais en utilisant des électrons (ou des photons, ça marche aussi) voici ce qu’on observe:

Nous pouvons remarquer que les électrons laissent des marques individuelles sur l’écran, comme tout corpuscule, mais la figure produite est un motif d’interférence, comme le ferait une onde.

Là où plus personne ne comprend…

Cette expérience de physique quantique nous réserve encore d’autres surprises si on essaie de répondre à la question: Par quelle fente passe un électron individuel avant de frapper l’écran ? Mais je garde cela pour un prochain billet.

il faut être humble avec contradiction devant laquelle nous nous trouvons -à savoir que les concepts d’onde et de corpuscule, qui étaient mutuellement exclusifs en physique classique, semblent désormais inséparable-. Je vois trois points de vue que l’on peut adopter:

  • Soit on admet que nos concepts classiques ne sont pas adaptés pour décrire la réalité du monde microscopique. Alors la dualité onde-corpuscule est un problème de vocabulaire, de sémantique, où on utilise des mots en dehors des limites de leur signification. On pourrait trouver un nouveau mot prêtant moins à confusion pour ce concept « onde-particule ». Le mot « particule » devrait d’ailleurs être compris dans ce sens, mais beaucoup le confonde avec « corpuscule ». Ainsi Jean-Marc Levy-Leblond et Françoise Balibard ont proposé le mot « quanton ».
  • Soit on admet que les concepts d’onde et de corpuscule sont complémentaire et que leur utilisation ne dépend pas seulement de l’objet étudié mais aussi du contexte, du dispositif expérimental employé. On peut voir ceci par l’analogie avec l’image ci-dessous:

A la manière des concepts « onde » et « corpuscule », les concepts « disque » et « rectangle » sont opposés. Pourtant ils sont complémentaires pour décrire l’objet cylindre, et leur utilisation dépend du dispositif expérimental, à savoir la direction de l’éclairage utilisée. Selon ce point de vue, nous n’avons pas accès à la réalité de l’objet (ici le cylindre) mais seulement à certaines de ses caractéristique en fonction du contexte.

  • Soit on reste perplexe et agnostique devant ce phénomène.

Si vous avez d’autres solutions, n’hésitez pas !

Le principe d’indétermination de Heisenberg

Heisenberg

Heisenberg (Photo credit: proctoracademy)

Nous sommes début mars 1927 à l’institut de physique théorique de Copenhague, un des hauts-lieux de la physique quantique naissante avec Göttingen et Münich. La théorie quantique est en plein développement, mais n’est pas encore bien établie. Au cours des années 1924-1926, deux formulations, également efficace à reproduire les résultats expérimentaux, mais fondées sur deux approches a priori radicalement différentes ont été publiées. D’un côté la « mécanique ondulatoire » de l’autrichien Erwin Schrödinger, de l’autre la « mécanique matricielle » développée, entre autres, par un des jeunes prodiges de l’époque, Werner Heisenberg (26 ans en 1927). D’ailleurs retrouvons sans tarder notre envoyé spécial en direct du passé. Nous entendez-vous ?

-Oui tout à fait. Je me trouve actuellement devant le bâtiment de l’institut de physique théorique de Copenhague où Werner Heisenberg nous fait l’amabilité de bien vouloir répondre à nos questions.

-Werner Heisenberg: Mais à qui parlez-vous donc ?

-Euh, peu importe. Monsieur Heisenberg, merci pour cet instant, je sais que vous êtes un petit peu surmené en ce moment, à cause de l’article que vous comptez publier bientôt n’est-ce pas ?

-Werner Heisenberg: C’est exact. J’ai refusé récemment un poste de professeur à l’université de Leipzig pour travailler ici avec Niels Bohr. J’espère que cet article me confortera dans cette décision.

-Je vois. Il y a aussi cette rivalité avec Schrödinger et sa mécanique ondulatoire, sur le compte de laquelle vous ne mâchez pas vos mots.

-Werner Heisenberg: Peut-être, mais parlons plutôt du fond du problème.

-Bien entendu! Pour nos lecteurs, on pourrait reformuler la question qui vous préoccupe comme: « comment la physique quantique décrit-elle la trajectoire d’un électron ? ». Vous confirmez ?

-Werner Heisenberg: Oui, jusqu’à un certain point. Et puis vous avez dit « électron » mais cela concerne aussi les autres particules microscopiques, l’électron n’est qu’un cas particulier. Connaissez-vous les chambres de Wilson ? C’est une boîte aux parois transparentes, remplie d’une vapeur d’alcool en sursaturation, c’est-à-dire que la pression est telle que l’alcool devrait normalement être liquide, sauf que l’absence d’impureté dans la boîte fait que l’alcool reste à l’état de gaz. Cet état est instable et la moindre perturbation peut entraîner la transition vers l’état liquide. Par exemple, le passage d’un électron se matérialise par l’apparition de gouttes qui dessine ainsi une sorte de trajectoire. Or les équations de la mécanique quantique telle que nous la connaissons actuellement ne permettent pas d’expliquer suffisamment ce phénomène.

-Si je ne me trompe pas, en physique classique, on définit une « trajectoire « comme étant l’ensemble des points qu’occuper successivement un objet au cours du temps. Alors qu’en est-il du point de vue quantique ?

-Werner Heisenberg: Eh bien justement ! J’ai repensé à une discussion que j’ai eu récemment avec Albert Einstein et qui m’a beaucoup marqué…

– Ah oui! C’était le 28 avril 1926, vous en parlerez plus tard dans un de vos livre. Vous avez donné une conférence à Berlin ce jour là et Albert Einstein vous avez ensuite invité chez lui…

-Werner Heisenberg: Comment ? Je préfère ne pas savoir d’où vous sortez ça. Toujours est-il qu’au cours de cette conversation, Einstein a eu cette phrase:

C’est la théorie qui décide ce qu’on peut observer.

-Hum…en effet, c’est le genre de phrase qui donne à réfléchir. Qu’en avez-vous tiré ?

-Werner Heisenberg:Qu’il fallait reformuler la question. Au lieu de se demander « comment la physique quantique décrit-elle la trajectoire d’un électron ? » comme vous l’avez dit précédemment, et comme je le faisais moi-même auparavant, je me suis demandé: « La physique quantique permet-elle de déterminer la trajectoire de l’électron ? »

-Et ?

-Werner Heisenberg: En triturant les équations, j’ai trouvé qu’elle l’interdit ! On ne peut pas déterminer précisément à la fois la position et la vitesse d’un électron à un instant donné. Si vous mesurez l’une avec une très bonne précision, autrement dit avec une marge d’erreur ε très faible, alors la marge d’erreur sur l’autre grandeur sera supérieure à l’inverse de ε (ie un très grand nombre) multiplié par une constante. Et cette constante, je pense que vous la connaissez: c’est la constante de Planck !

-Le fameux quantum d’action ! Encore lui !

-Werner Heisenberg: Eh oui!

-Mais précisons tout de suite une chose pour nos lecteurs: cette imprécision, ces marges d’erreur dont nous parlons, ne sont pas dues à l’imprécision des appareils de mesures n’est-ce pas ?

-Werner Heisenberg: Non ! C’est intrinsèque au formalisme mathématiques de la mécanique quantique. Et j’insiste sur le fait qu’on puisse mesurer avec une précision aussi grande que l’on veut la vitesse d’un électron, au prix d’avoir une très grande incertitude sur sa position au même moment. Et vice-versa.

-Mais alors le nom que vous avez donné à cette propriété, le principe d’incertitude, est plutôt mal choisi, non ?

-Werner Heisenberg: Mais je n’y suis pour rien ! Il se peut que principe d’indétermination soit en effet plus approprié.

-Plus tard, on dira aussi « inégalités d’Heisenberg ».

-Werner Heisenberg: Personne ne peut lire dans l’avenir monsieur.

-Passons ce détail. On a quand même beaucoup de mal à se représenter votre principe. C’est très contre-intuitif.

-Werner Heisenberg: J’ai imaginé une expérience de pensée pour nous aider. Imaginez un microscope qu’on utiliserait pour observer un électron. Vous savez qu’on ne voit un objet que parce que nos yeux détectent de la lumière émise ou réfléchie par celui-ci. Il faut donc éclairer notre électron pour espérer le voir avec notre microscope. Pas avec de la lumière visible, parce que sa longueur d’onde est trop grande par rapport à la taille de l’électron, mais on pourrait utiliser du rayonnement gamma, dont la longueur d’onde est plus courte. La précision avec la quelle on peut mesure la position de l’électron dépend de cette longueur d’onde. Et aussi de la résolution du microscope.

-D’accord.

-Werner Heisenberg: Sauf que quand j’envoie de la lumière sur un électron, c’est comme si je le bombardais de photons. Et ça le perturbe !

-Et c’est typiquement quantique ?

-Werner Heisenberg: Disons que dans notre vie quotidienne, lorsque nous allumons la lumière de notre salle à manger et que nous voyons la table, nous la bombardons effectivement de photons. Mais la table est un objet macroscopique et à cette échelle, cette perturbation est indétectable. Mais c’est très différent pour un électron, qui est un objet minuscule.

-Comment donc va réagir l’électron ?

-Werner Heisenberg: Le photon va lui communiquer de l’énergie! Et donc sa vitesse va changer, et de façon imprévisible ! Commencez-vous à voir comment un compromis doit être trouvé si on veut mesurer à la fois la position et la vitesse de l’électron dans cette expérience ?

-Je crois: pour voir l’électron, il faut l’éclairer. Mais ce faisant, on lui communique de la vitesse, donc on a davantage d’incertitude sur la valeur de celle-ci. Mais on pourrait diminuer la quantité de lumière utilisée pour l’éclairage, non ?

-Werner Heisenberg: Absolument. Il y a deux façons de diminuer l’énergie de l’éclairage. On peut diminuer son intensité, mais il faut au minimum un photon pour voir l’électron. Et un photon peut suffire pour changer la vitesse d’un électron (c’est l’effet Compton). On peut aussi changer la longueur d’onde de cette lumière: un photon de grande longueur d’onde a moins d’énergie qu’un photon de courte longueur d’onde. Il perturbe donc moins la vitesse d’un électron. Sauf que plus la longueur d’onde est grande, plus la précision sur la mesure de la position de l’électron est faible. Ce que vous avez gagné sur la détermination de la vitesse, vous l’avez perdu sur la détermination de la position ! C’est un peu comme des vases communicants…

-Je vois. Tout est donc causé par ces perturbations qui interviennent dès qu’on observateur veut effectuer une mesure ?

-Werner Heisenberg: Non, ne croyez pas cela. L’expérience que je viens de décrire n’était qu’un exemple pour montrer la cohérence du principe d’indétermination, c’est comme si la Nature s’arrangeait pour nous le rappeler dès qu’on essaie de le contourner. Mais la raison de ce principe est plus profonde. Imaginez maintenant que nous prenions un grand nombre d’électrons et que nous les préparions tous dans un état identique. Faisons deux paquets. Sur le premier paquet, nous mesurons la position des électrons. Sur le deuxième, nous mesurons la vitesse. Chaque mesure de position aura une valeur bien déterminée, mais cette valeur sera différente selon les électrons: les valeurs de position sont statistiquement « dispersées » autour d’une position moyenne. En maths, on appelle « écart type » la grandeur qui mesure cette dispersion.

-Oui, la mécanique quantique est intrinsèquement probabiliste, mais je crois que cela pourrait être l’objet d’une discussion entière.

-Werner Heisenberg: Assurément. Mais je reviens à mon deuxième paquet d’électron. Effectuons une mesure de vitesse. Là aussi, les résultats varieront d’un électron à un autre autour d’une valeur moyenne. Notez bien que dans ce cas les particules dont la vitesse a été mesurée ne sont pas les mêmes que celles dont la position a été mesurée, néanmoins toutes les particules avaient été prises dans un état identique. Et bien mon principe d’indétermination s’applique toujours: si vous multipliez l’écart type des mesures de position par l’écart type des mesures de vitesse, vous obtiendrez toujours un résultat supérieur à la constante de Planck (multipliée par un facteur numérique, mais là on s’en fiche un peu).

-Très bien. Quand même pas sûr d’avoir tout compris.

-Werner Heisenberg: Ce n’est pas évident. Mais laissez-moi rajouter que la raison profonde de ce principe est la non-commutativité des opérateurs position et vitesse dans le formalisme mathématiques ! C’est un truc de fou !

-Euh,  et si vous le disiez en clair ?

-Werner Heisenberg: Et bien non-commutativité veut dire que l’ordre dans lequel on effectue les opérations est important. Ainsi mesurer la position puis la vitesse n’est pas la même chose que mesurer d’abord la vitesse puis la position.

-Hum. Donc si j’essaie de résumer, votre principe signifie qu’un compromis est imposé par la mécanique quantique lorsqu’on veut déterminer à la fois la position et la vitesse d’un électron, la détermination précise de l’un se faisant au détriment de celle de l’autre. Ceci a une origine dans le formalisme même de la mécanique quantique avec cette propriété de non-commutativité.

-Werner Heisenberg: Je suis d’accord.

-Mais M. Heisenberg, permettez-moi de vous posez une dernière question, qui est en fait identique à celle de départ: comment la physique quantique décrit-elle la trajectoire d’un électron ?

-Werner Heisenberg: Et bien qui dit décrire la trajectoire dit connaître la position et la vitesse à chaque instant. Je viens de vous expliquer que cela était interdit par le formalisme. D’après moi, cela remet en cause la pertinence même des notions de position et de vitesse au niveau quantique: elles n’ont, en elles-mêmes, aucune signification. Le concept de trajectoire est importé de la physique classique qu’il convient d’abandonner en physique quantique, sauf à vouloir continuer indéfiniment cette conversation. C’est un problème sémantique et , si vous me permettez une citation :

C’est le langage qui doit s’adapter aux faits et non l’inverse. Tenter d’accommoder l’interprétation d’un phénomène avec un langage déjà formé et rempli d’a priori ne peut mener qu’à des conclusions fausses sur la nature des choses.

Ludwig Wittgenstein

-J’en reste coi.

-Werner Heisenberg: Maintenant, je pense que je vais rentrer chez moi. J’ai un vrai mal de tête. En plus Niels Bohr rentre de ses vacances au ski demain, et je sens qu’il va avoir des remarques à faire sur mon article.

-Merci beaucoup M. Heisenberg pour votre patience. Pour ma part, j’ai aussi une sacrée migraine. Je vais aller me taper la tête contre un mur pour voir si ça passe. Quant à vous, chers lecteurs, vous pouvez vous découvrir si vous avez compris quelque chose à cette discussion en allant passer le test du geek.

Niels Bohr et l’atome

Niels Bohr. In 1922 the Nobel Prize in Physics...

Niels Bohr (Wikipedia)

Nous sommes à la fin du mois de septembre 1911. Une jeune physicien danois, Niels Bohr, part pour l’université de Cambridge avec en poche son doctorat de physique et… une bourse d’un an offerte par la brasserie Carlsberg ! Il compte travailler sous la direction de J.J. Thomson (« J.J. » pour les intimes), qui a découvert l’électron en 1897. Malheureusement,en partie à cause de ses lacunes en anglais, Niels Bohr ne réussit pas établir le rapport intellectuel souhaité avec le célèbre savant. C’est pourquoi il décide d’aller à Manchester en mars 1912 dans le laboratoire du physicien néo-zélandais Ernest Rutherford. Ce dernier a gagné le prix Nobel de chimie 1908 pour avoir découvert que la radioactivité est la transformation d’un élément en un autre. Sa personnalité forte et inspirée a largement contribué au succès de son laboratoire (11 de ses collaborateurs reçurent par la suite le prix Nobel). Séduit par ce personnage, Bohr s’attèle à la tâche avec comme sujet d’étude le modèle de l’atome. Si ce dernier concept est désormais accepté par la majorité des physiciens de l’époque, il  faut souligner qu’il n’en a pas toujours été ainsi…

Petite histoire de l’atome

Chez les Hellènes

Les quatre éléments et leurs caractéristiques selon Aristote

Au Ve siècle avant J.C., Leucippe de Milet et son disciple Démocrite formulent l’idée que la matière est constituée de petits grains indivisibles-atomes pour « insécable » en grec- qui sont en mouvement dans le vide et qui forment les corps en se heurtant. La masse d’un corps est selon eux d’autant plus grande que les atomes qui le constituent sont proches les uns des autres. Bien que cette pensée soit reprise par d’autres philosophes dont Epicure, elle ne fut pas la pensée dominante de la Grèce antique. Pour Aristote, qui reprend des idées d’Empédocle, la matière est continue et uniforme. Elle est constituée de 4 éléments (Terre, Air, Eau, Feu) et possède 4 caractéristiques fondamentales (froid, sec, chaud humide). En plus de pouvoir expliquer quelques phénomènes, cette théorie a l’avantage d’éliminer le problème du vide soulevé par les idées atomistes. Celles-ci furent donc laissées de côté et ne refirent surface que 2000 ans plus tard.

Dans la famille Dalton, voici John

John Dalton

John Dalton(1766-1844) (Wikipedia)

Après avoir étudié la déficience de la vision des couleurs, dont il souffrait lui-même et à laquelle il a donné le nom, John Dalton se consacre à la météorologie et à l’analyse des gaz.  En faisant des mesures en différents lieux, il remarque que la proportion d’oxygène, découvert quelques années plus tôt par Priestley et Lavoisier, reste constante. Pour l’expliquer, il forge une théorie atomique, dans laquelle tous les atomes d’un même élément sont identiques, mais où les atomes d’éléments différents diffèrent par leur poids. Ceci ouvre la voie aux futures classifications des éléments, comme celle que publiera Mendeleiev en 1869. Il postule aussi que des nombres entiers d’atomes de différents éléments doivent s’associer pour former de nouveaux composés. Malgré quelques ratés (comme la formule de l’eau qu’il écrit HO), ainsi qu’une grande controverse (l’hypothèse atomique aura beaucoup de mal à s’imposer), il est aujourd’hui considéré comme le fondateur de la théorie atomique moderne.

J.J. Thomson et le pudding aux électrons

Le pudding aux électrons de Thomson

A la fin du XIXème siècle, beaucoup de savants s’intéressaient aux rayons cathodiques. Prenez un tube en verre dans lequel vous insérez deux plaques métalliques  (des électrodes, que l’on appelle anode et cathode). Fermez le tube, faites le vide à l’intérieur et appliquez une différence de potentiel entre les électrodes. Les physiciens constataient que dans ces conditions, la cathode émettaient un rayonnement: les rayons cathodiques. Deux hypothèses s’affrontaient sur sa nature: ondulatoire ou corpusculaire. En mettant en valeur la déviation de ces rayons par un champ électrique, J.J. Thomson donne l’avantage à l’hypothèse de particules ayant une charge électrique négative. Il vient de découvrir l’électron (pour le dire vite). De plus il propose un nouvau modèle pour la matière: une sorte de pudding où les électrons sont confits dans une pâte positive, l’ensemble étant neutre.

La confirmation de l’hypothèse atomique

Exemple de trajectoire erratique caractéristique du mouvement brownien

Au début du XXième siècle, l’existence des atomes et des molécules est encore controversée. Certains physiciens ne les considèrent que comme une fiction commode pour expliquer certains phénomènes. Un élément va changer la donne. Plus de 70 ans auparavant, en 1827, le botaniste écossais Robert Brown examinait au microscope des particules contenu dans des grains de pollen en suspension dans l’eau et remarquait qu’elles étaient animées d’un mouvement erratique, incessant et spontané. La compréhension et la formalisation de ce « mouvement brownien » par Einstein en 1905 comme résultant d’un grand nombre de collisions entre molécules d’eau et particules de pollen et leur vérification expérimentale par Jean Perrin en  1908 achèvent de convaincre la communauté scientifique de la pertinence de l’hypothèse atomique.

Le mini système solaire de Rutherford

Déviation des particules alpha envoyées sur une feuille d’or

« C’est presque aussi incroyable que si vous aviez tiré un obus sur un morceau de papier de soie et qu’il était revenu vous frapper ! ». C’est ainsi que réagit Rutherford aux résultats des expériences menées dans son laboratoire par Geiger et Mardsen.  Ceux-ci envoyaient des particules alpha (qu’on appelle aujourd’hui noyaux d’ hélium) sur une mince feuille d’or puis les détectaient après la traversée. Ils s’attendaient à observer une légère déviation de ces particules après la feuille d’or. En effet d’après le modèle « pudding »de Thomson, les atomes de la feuille d’or ont des électrons chargés négativement qui sont intégrés dans une « pâte » chargées positivement. Ces atomes ont donc un champ électrique qui doit interagir avec la charge positive des particules alpha et expliquer ces légères déviations de trajectoire. Sauf que des déviations importantes sont aussi observées, une petite fraction des particules alpha rebroussent même chemin ! Le modèle de Thomson ne suffit plus à expliquer une telle répulsion. Rutherford suppose donc que l’existence d’un noyau atomique, d’un volume 100 000 fois plus petit que le volume total de l’atome, qui serait chargé positivement et concentrerait quasiment toute la masse de l’atome.  Les électrons tourneraient autour du noyau sur des orbites elliptiques à la manière des planètes autour du soleil. Sauf que, pour comparaison, si le noyau avait la taille du soleil, alors les électrons se situeraient environ 10 fois plus loin que l’orbite de Pluton et l’espace intermédiaire étant complètement vide. Ce modèle planétaire reproduit très bien les résultats des expériences de déviation des particules alpha. Cependant, plusieurs points restent obscurs.

Le spectre de raie et la stabilité des atomes

Spectres de raie de différents éléments

La lumière, quelle qu’elle soit, est émise par la matière. La lumière émise  par un élément chimique donné, en physique on dit « le spectre d’émission », est une caractéristique qui permet d’identifier cet élément.  Ainsi si on vaporise du sodium, on obtient une flamme jaune, une flamme rouge s’il s’agit de lithium, violette pour le potassium, etc…Mais le problème est un peu plus subtil que ça: un atome n’émet pas une seule lumière mais un ensemble de différentes couleurs, espacées en fréquences. Ce sont les raies. Mais la répartition de ces raies, la complexité de leur distribution, le fait qu’elles diffèrent pour chaque élément sont des faits inexplicables par la physique. En 1884, le suisse Johann Balmer a bien trouvé une formule mathématique qui décrit bien les relations entre les raies de l’hydrogène et prédit l’existence de nouvelles qui seront découvertes après lui, sauf que son origine demeure incomprise. De plus, le modèle de Rutherford, s’il est exact, prédit bien qu’un atome doit émettre de la lumière: l’électron tournant autour du noyau subit une accélération, or la théorie de l’électromagnétisme classique de Maxwell affirme qu’une particule chargée accélérée doit rayonner. Mais le spectre devrait être continu et non discret ! Et ce n’est pas fini: il y a en deuxième problème encore plus préoccupant. Si l’électron qui tourne autour du noyau émet de la lumière, c’est qu’il perd de l’énergie et donc qu’il doit se rapprocher du noyau pour finir par s’écraser sur lui. Autrement dit  ce modèle n’explique par pourquoi les atomes ne se sont pas encore désintégrés !

L’atome de Bohr

Représentation du modèle atomique de Bohr

Niels Bohr est conscient  ces problèmes montrent que la physique « classique » a atteint ses limites. Elle ne fixait aucune restriction à l’orbite des électrons autour du noyau, Bohr en donne une: les électrons ne peuvent se situer que sur certaines orbites où ils ne rayonnent pas d’énergie, les autres orbites étant interdites. Comment justifie-t-il cela ? Par les quanta ! Puisque Planck a introduit les quanta d’échange d’énergie, puisqu’ Einstein a introduit les quanta de lumière, Bohr décide quant à lui de quantifier (c’est à dire de discrétiser) une quantité que l’on appelle le moment cinétique de l’électron autour du noyau. Il explique ensuite le spectre de raies de l’atome d’hydrogène en affirmant que l’atome n’émet de la lumière que lorsqu’un électron « saute » d’une orbite autorisée sur une autre orbite plus basse. Apprenant que le modèle de Bohr venait de recevoir une confirmation par l’expérience, Einstein affirmera:  » Alors c’est l’une des plus grandes découvertes ». En effet, Niels Bohr obtiendra le prix Nobel de physique 1922, un an après Einstein.

Et le modèle de l’atome aujourd’hui ?

Bien qu’il représente une grande avancée, le modèle de Bohr ne tardera pas à montrer lui aussi ses limites, notamment dès qu’on étudie des atomes possédant plusieurs électrons. Une de ses insuffisances est qu’il est le résultat d’un mélange entre des concepts classiques (comme la trajectoire orbitale d’un électron) et quantiques (les fameux quanta). Au fur et à mesure du développement delà théorie quantique, les concepts classiques se révèleront inadaptés (la notion de « trajectoire d’un électron » deviendra …floue) et il sera de plus en plus difficile de schématiser un atome comme j’ai essayé de le faire avec les illustrations de ce billet. C’est un des aspects étranges de la physique quantique: d’un côté elle nous donne des équations dont l’efficacité n’a de cesse d’être prouvée, de l’autre elle nous empêche de fournir une visualisation juste de ce qu’est réellement un atome. Finalement, comme nous continuerons à le voir dans les prochains posts, la physique quantique est une entreprise iconoclaste vis-à-vis de nos intuitions et de nos représentations.

 

Peut-on rire de la physique quantique ?

Comme disait l’autre: « Oui, mais pas avec n’importe qui ». Mais faut-il vraiment être un(e) expert(e) pour en rire ?

Je vous propose de passer un test. Lisez l’histoire suivante:

Werner Heisenberg est en train de conduire sur l’autoroute. Soudain, une voiture de police arrive à sa hauteur. Les policiers lui ordonnent de s’arrêter et, ni une ni deux, l’embarquent pour l’interroger.

-Monsieur Heisenberg, lui dit alors un des policiers, vous savez vraiment à quelle vitesse vous roulez ?

-Pas du tout monsieur l’agent, répond Heisenberg, par contre je sais exactement où je suis !

Si vous avez ri, c’est que vous êtes un(e) geek. Bien sûr j’espère qu’en parcourant ce blog (cette page en particulier), tous le monde pourra comprendre la subtilité de cette histoire.

Sur le site xkcd, on peut trouver plusieurs comics:

-Dans le même style que la blague précédente:

-Au sujet de la téléportation quantique:

-Sur la transformée de fourier, très utilisée en physique quantique mais pas que:

Mais, pour répondre à ma première question, bien sûr qu’on a pas besoin d’être un geek pour rire de la physique quantique, la preuve avec Alexandre Astier et Muriel Bonnet:

Einstein et l’effet photoéléctrique

English: German-born theoretical physicist Alb...

Einstein vers 1905 (Wikipedia)

Au début des années 2000, Albert Einstein a été élu personnalité la plus marquante du XXième par le Times. Il faut dire qu’Einstein fut plus qu’une icône scientifique, il devint une véritable pop star avec sa cohorte d’admiratrices après 1919, lorsque fut confirmée par l’expérience d’Eddington que la lumière était bien déviée par les objets massifs comme le prédisait sa théorie de la relativité générale. Lors d’une projection d’un film de Charlie Chaplin aux Etats-Unis en 1931, le cinéaste confia à Einstein: « On m’acclame parce que tout le monde me comprend. On vous acclame parce que personne ne vous comprend ».

Mais il n’en était pas encore ainsi lorsque Albert Einstein n’était qu’ingénieur au bureau des brevets à Berne. Pour en savoir plus, retrouvons notre reporter en direct du passé. La liaison est-elle établie ?

-Oui, tout à fait. Nous sommes donc le 14 avril 1905 et je me trouve à Berne au coin de la Speichergasse et de la Gengergasse devant le siège administratif des Postes et Téléphones fédéraux, où se trouve l’office fédéral de la propriété intellectuelle. Il est 18 heure et Albert Einstein ne devrait pas tarder à sortir. Vous devez penser qu’il est étrange qu’un scientifique d’une telle envergure occupe un tel emploi. Il faut dire que son parcours fut un peu chaotique dès lors que réfractaire à la discipline et au militarisme du Reich, il choisit, avec l’accord de ses parents, de renoncer à la nationalité allemande à 16 ans. Attendez! le voilà qui arrive…Monsieur Einstein !

On aperçoit un homme vêtu d’un étrange costume écossais et d’une paire de vieille pantoufle verte qui approche

-Albert Einstein: Oui ?

-Bonjour, et tout d’abord bon anniversaire, car je sais que vous avez aujourd’hui 26 ans.

-A.E: En effet, merci. Mais qui êtes-vous ?

-Peut importe, Monsieur Einstein, puis-je vous poser quelques questions ? Pourquoi travaillez-vous ici ?

-A.E.: Et bien je ne sais pas pourquoi, mais il me semble que je peux vous parler franchement. Je suis rentré ici grâce au père de mon ami Marcel Grossmann, ce qui m’a permis de mettre fin à cette occupation agaçante qui consiste à crever de faim. J’avais pourtant envoyer mon CV à presque tous les physiciens que compte cette partie de l’Europe ! Mais ne vous méprenez-pas, j’aime beaucoup ce travail, qui demande un sens aigu de l’observation, un esprit critique toujours en éveil et une  grande polyvalence de pensée. D’ailleurs mon chef vient de me nommer expert technique de seconde classe !

-Je crois aussi savoir que c’est une métier qui vous laisse suffisamment de temps pour réfléchir à des problèmes qui vous passionnent.

-A.E: C’est exact. Vous êtes vraiment bien informé.

-C’est parce que je vois la sacoche que vous tenez à la main. La valeur de son contenu est inestimable car j’imagine qu’il s’agit des ébauches de votre thèse de doctorat et des quatre articles que vous allez publier cette année dans la revue Annalen der Physik, à savoir l’article sur les quanta de lumière, l’article sur le mouvement brownien, celui qui énonce le principe de relativité restreinte et enfin celui qui contient l’ultra-célèbre équivalence masse-énergie, E =mc².

-A.E. (serrant sa sacoche contre sa poitrine): Comment le savez-vous ? Et d’abord que me voulez-vous ?

-Rassurez-vous M. Einstein ! Je voudrais simplement parler avec vous de ce premier article sur les quanta de lumière, dans lequel vous donnez une explication de l’effet photoélectrique. Pourriez-vous d’abord dire à nos lecteurs du futur en quoi consiste cet effet ?

-A.E.:Vous êtes un peu excentrique, mais j’accepte. Souvenez-vous que dans les années 1880, Heinrich Hertz menait des expériences visant à confirmer la théorie électromagnétique de Maxwell qui stipulait notamment que la lumière était une onde électromagnétique et qui venait couronner la suprématie du caractère ondulatoire et non corpusculaire de la lumière. En découvrant les ondes radio, Hertz apporte une preuve expérimentale solide. Mais, au cours de ses expériences, il est lui même témoin d’un phénomène qu’il qualifie de « totalement nouveau et très énigmatique »: en envoyant de la lumière sur la surface d’un métal, on peut arracher des électrons à ce dernier. Après la mort précoce et tragique de Hertz, c’est son élève Lenard qui reprend ses travaux. Il s’attend à trouver des résultats en accord avec la théorie ondulatoire.

-Je vois. Si la lumière est une onde qui vient heurter la surface métallique, comme une vague qui vient heurter une digue, alors en augmentant l’intensité de la lumière (la hauteur de la vague), alors les électrons devraient être expulsés avec plus de force et avoir une vitesse plus grande, comme des fragments d’une digue sont éjectés plus vite si la vague fait dix mètres au lieu de un mètre.

-A.E.:  Tout à fait ! Or ce n’est pas du tout ce que Lenard observe ! Lorsqu’il augmente l’intensité de la lumière, la vitesse des électrons éjectés ne changent pas, mais leur nombre augmente ! De plus il constate qu’il peut faire varier cette vitesse non pas en changeant l’intensité mais la fréquence (la couleur) de la lumière. Ainsi les électrons expulsés par une lumière bleue iront plus vite que ceux expulsés par une lumière rouge.

– Aïe ! Et vous avez une explication ?

-A.E.: Je crois: imaginez que la lumière soit constituée de petits grains, de particules, alors augmenter l’intensité revient à augmenter le nombre de ces petits grains, ils pourront donc « cogner » plus d’électrons, mais ces derniers n’iront pas plus vite. De plus, si, comme je le pense, l’énergie de ces petits grains dépend de la couleur de la lumière (plus grande pour le bleu que pour le rouge), alors il est normal que la vitesse des électrons éjectés dépende de la couleur.

– Je comprend, vous venez d’inventer le concept de « quanta de lumière », comme Planck avait introduit les quanta d’échange d’énergie.

-A.E.: Oui.

-Mais on peut aussi dire que vous ne faites « que » reformuler l’hypothèse corpusculaire de la matière, qui a été abandonnée au XIXéme siècle après tout les succès obtenus par la théorie ondulatoire pour décrire les phénomènes d’interférence ! Aucun physicien ne va accepter votre hypothèse sérieusement !

-A.E.: Il y a un peu de ça, mais pas seulement. C’est pourquoi j’ai appelé mon article « Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière« . Par heuristique, je veux dire « qui aide à la découverte ». Autrement dit je pense que mon travail est un pas en avant, mais qu’une théorie unifiant l’aspect ondulatoire et l’aspect corpusculaire doit être trouvée.

-Certes, mais vos collègues auront beaucoup de mal avec votre hypothèse. Prenez Planck par exemple, il écrira pour vous une lettre de recommandation pour l’Académie des sciences prussienne en 1913. Vous pourrez y lire :

En somme, on peut dire que parmi les problèmes importants, et qui sont si abondants dans la physique moderne, il n’y en a pratiquement aucun sur lequel Einstein n’ait pas pris position d’une manière remarquable. Le fait qu’il ait pu parfois viser trop haut dans ses spéculations, comme, par exemple, dans son hypothèse des quanta de lumière, ne devrait pas trop être retenu contre lui. Parce que, sans prendre de risque de temps à autre, il est impossible, même dans la plus exacte des sciences de la nature, d’introduire de véritables innovations

-A.E.: Ah tiens, vous lisez dans l’avenir, vous ?

-Regardez encore Millikan. Dès qu’il aura lu votre article, il va passer 10 ans de sa vie à faire des expériences pour tenter de montrer que vous avez tort ! Et alors même qu’il sera parvenu à la conclusion que vous avez raison et qu’il recevra le prix Nobel 1923 pour ses expériences, il continuera de dire : »la théorie quantique sur laquelle se fonde cette équation est totalement intenable ».

-A.E.: Mais bien sûr…

-Mais rassurez-vous, on vous décernera le prix Nobel en 1921 pour l’explication de l’effet photoélectrique !

-A.E.: Et la marmotte, elle met le chocolat…

-Mais cette hypothèse vous hantera toute votre vie, lorsque vous verrez toutes les conséquences qu’elle aura dans la théorie quantique. Dans une lettre adressée à De Broglie en 1954, vous écrirez:

Je dois ressembler à une autruche qui sans cesse cache la tête dans le sable pour ne pas faire face aux méchants quanta.

-A.E.: Écoutez, je n’ai plus de temps à perdre avec vos sornettes, ma femme Mileva et mon petit Hans-Albert m’attendent.

Et le quantum fut…

Au post précédent, nous avons vu qu’un des problèmes qui se posait aux physiciens à la fin du XIXème siècle était celui du corps noir. J’aimerai donner ici plus d’explications.

Qu’est ce qu’un corps noir ?

Pour un physicien un corps noir est un objet idéal qui absorbe, sans réfléchir ni diffuser, toute l’énergie électromagnétique qu’il reçoit. Cette énergie est entièrement réémise, c’est ce qu’on appelle le rayonnement du corps noir. Les propriétés de ce rayonnement ne dépendent que de la température à laquelle se trouve le corps noir.  Prenons d’abord un exemple qui n’est pas vraiment un corps noir: une tige de fer en train d’être forgée. La tige absorbe bien de l’énergie électromagnétique (la « chaleur »qui provient du brasier du forgeron) et la restitue en rayonnant à son tour: ce rayonnement est visible (on le voit à la couleur que prend la tige de fer) et dépend de la température (à faible température, la tige à sa couleur normale, si on la chauffe, elle devient rouge, si on la chauffe encore plus, elle devient blanche). Mais ce n’est pas un corps noir car la tige n’absorbe pas tout ce qu’elle reçoit (elle en réfléchit une partie) et les propriétés de son rayonnement ne dépendent pas que de sa température, mais aussi de sa composition: si elle était en cuivre, la « couleur » (c’est-à-dire la fréquence de l’onde électromagnétique rayonnée, pour être précis) observée  à une température donnée ne serait pas tout à fait la même. Un meilleur exemple de corps noir est le four du boulanger: une enceinte fermée simplement percée d’une petite ouverture.

Spectre du corps noir

Pour en savoir un peu plus, cliquer ici. En tous cas pour simplifier, ce qu’il faut retenir  de ce paragraphe est que l’objet du problème du corps noir est tout bête: c’est l’étude des propriétés de la lumière émise par des objets lorsqu’on les chauffe. On attend quand même de la physique qu’elle puisse comprendre et expliquer ce phénomène, non ?

La catastrophe ultraviolette

Voilà un titre qui en met plein les yeux.  Des physiciens s’intéressent au corps noir dans la seconde moitié du XIXème, notamment Kirchhoff. D’une part en faisant des mesures des propriétés de son rayonnement, en le décomposant en ces différentes composantes fréquentielles (ie en ses différentes « couleurs », comme on fait lorsqu’on obtient les couleurs de l’arc en ciel avec de la lumière blanche et un  prisme) et en mesurant leur énergie. Et d’autre part en cherchant une formule théorique qui modélise correctement ces résultats. Des savants comme Wien proposent des formules empiriques qui ne décrivent pas tous les résultats.  Ce manque perturbe un peu les physiciens, et il constitue pour Kelvin un petit nuage dans le ciel de la physique. En juin 1900, quelques mois après cette déclaration de Kelvin, Rayleigh dérive théoriquement, à partir une analogie entre un corps noir et un gaz, un nouveau modèle. Si celui-ci s’accorde aux données expérimentales pour les basses fréquences, il prédit que, aux hautes fréquences (plus grandes que celles du bleu, d’où le terme ultraviolet),  la quantité d’énergie rayonnée tend vers l’infini. Or  c’est en contradiction d’un côté avec les expériences, et en plus avec le principe de conservation de l’énergie ( on ne peut pas produire infiniment d’énergie à partir d’une quantité finie d’énergie). Cela signifierait qu’a n’importe quelle température, un four deviendrait une bombe. Bref, c’est la catastrophe.

Planck et les quanta

December 14, 1900: Max Planck presents the fir...

Max Planck, obsédé par le second principe de la thermodynamique depuis qu’il y a consacré sa thèse de doctorat, est absorbé par ce problème. Mais pour être historiquement exact, il ne prête pas beaucoup d’attention à la catastrophe ultraviolette d’une part parce que cette expression n’a été employée qu’a posteriori par Ehrenfest en 1911, d’autre part parce qu’il n’admettait pas l’hypothèse équipartition de l’énergie faite par Rayleigh. Cependant, le 14 octobre 1900, après avoir trituré ses équations dans tous les sens, il trouve une formule qui reproduit exactement toutes les données des expériences. Mais il a dû pour cela introduire de façon un peu ad hoc une constante h.  Que signifie-t-elle ?Pour le savoir, il travaille d’arrache pied jusqu’au 14 décembre 1900 et comprend que les échanges d’énergie entre le rayonnement électromagnétique et la matière sont quantifiés. C’est-à-dire que ces échanges se font par paquets, et non de manière continue ! Ce sont les quanta d’énergie. Pour une analogie,  supposons que nous voulions nous déplacer dans Paris. Si nous prenons le métro, nous ne pouvons nous déplacer que par des « sauts »correspondent aux distances entre deux stations.  Au contraire si nous choisissions de marcher à pied, nous pouvons le faire de manière continue et nous arrêter où nous voulons. Le trajet en métro est discontinu (il y a des « quanta de déplacement ») alors que le trajet à pied ne l’est pas. Une autre analogie serait la monnaie: il existe un « quantum élémentaire de monnaie » qui est le centime d’euro et nos échanges de monnaies se font par paquets de ses quanta élémentaires.

En 1900, Planck et ses collègues n’ont pas encore conscience du chamboulement que laisse entrevoir cette modification, ils ne voyaient là qu’un tour de passe-passe théorique. D’ailleurs il nomme sa constante h constante « auxiliaire », ce qui se dit « hilfe » en allemand. Mais vers la fin de sa vie, Planck écrira: « Aujourd’hui, je sais pertinemment que le quantum d’action h a joué en physique un rôle bien plus significatif que je n’avais tendance à le soupçonner à l’origine. »  En effet, la constante h porte désormais son nom, ce qui fait de Planck, malgré lui, le premier révolutionnaire de la physique quantique. Le premier qui citera ce travail de Planck est un certain Einstein en 1905.

Des petits nuages sur la physique classique

Panorama de la physique classique d’après Kelvin, 1900

Londres, Royal Institution, 27 avril 1900.

Chers lecteurs ! Introduisons nous dans la grande salle de conférence de cette noble institution, et faufilons-nous sans faire de bruit entre les sièges pour écouter le discours de William Thomson, alias Lord Kelvin devant un parterre dans lequel on reconnait d’éminents scientifiques, dont la présence à Londres en 1900 est …mais je me tais car Lord Kelvin a déjà commencé.

(On remarque en effet qu’un homme agé, d’une carrure imposante et à la barbe blanche, est en train de s’adresser à la tribune)

Lord Kelvin : Monsieur le Président de la Royal Institution, monsieur le directeur de la Royal Institution, monsieur le greffier de la Royal Institution, messieurs les membres de la Royal Institution, messieurs les sociétaires de la Roy…

Bon, je me permets, durant que Lord Kelvin termine cette énumération protocolaire de rappeler les succès de la Physique moderne, depuis son éclosion au XVIIème sous l’impulsion, entre autres, de savants tels que Galilée, Kepler, et bien sûr Newton. Ce dernier réalisa un pas de géant en formulant d’une part les lois des mouvements des corps, et d’autre part la loi de la gravitation universelle, qui permirent d’unifier et d’expliquer la quasi-totalité des phénomènes mécaniques. Cette théorie a surmonté avec brio des difficultés incroyables. Ainsi au milieu du XIXème siècle les physiciens étaient-ils perplexes devant la trajectoire de la planète Uranus, qui ne correspondait pas aux prédictions de la théorie Newtonienne. Les physiciens français et britannique Le Verrier et  Adams supposent que cette anomalie est due à une planète encore inconnue calculent, indépendamment et manuellement, la position que devrait occuper cette planète. L’astronome prussien Galle de l’observatoire de Berlin pointe son télescope vers cette région le 23 septembre 1846 et découvre Neptune. Mais il n’y a pas que la mécanique, l’optique est formalisée par Young et Fresnel, les phénomènes électriques et magnétiques sont étudiés notamment par Faraday, et le physicien écossais Maxwell fait sensation dans les années 1860 en unifiant ces domaines dans sa théorie électromagnétique. Celle-ci affirme que la lumière est une onde électromagnétique et prédit l’existence des ondes radio, qui sont découvertes expérimentalement par Hertz en 1887. Et il y a enfin la thermodynamique, comprenez la science de la chaleur, à laquelle Kelvin contribua beaucoup. D’ailleurs je vous propose de l’écouter à nouveau:

Lord Kelvin : …ainsi je ne suis personnellement satisfait que lorsque j’ai pu modéliser mécaniquement mon sujet d’étude. Si j’y réussi, alors je comprends, sinon je ne comprends pas. De ce point de vue, on peut qu’aujourd’hui les physiciens comprennent la quasi-totalité du monde qui nous entoure. Certes il reste bien quelques petits nuages qui flottent dans le grand ciel bleu de la physique : le problème de l’éther et celui du rayonnement du corps noir, mais à n’en pas douter, ils seront rapidement dispersés à l’orée de ce nouveau siècle et alors le travail du physicien ne consistera qu’à faire des mesures et des prédictions de plus en plus précises.

(Murmures de déceptions des quelques étudiants encore réveillés)

Je me dois de reprendre la parole pour vous rassurez. Lord Kelvin ne sait pas encore que ces petits nuages deviendront des ouragans, le premier (le problème de l’éther) ne sera dispersé qu’avec la théorie de la relativité et le second (le rayonnement du corps noir) qu’avec la physique quantique. Ce sera d’ailleurs l’occasion d’un prochain post !