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Physique quantique : origine, histoire et évolution !

Par Yann le 05/02/2018 Ressources > Physique-Chimie > Tout Niveau -PC > Histoire Sciences > Chronologie de la Physique Quantique

Introduction à la physique quantique

Jusqu’au XXème siècle, les scientifiques étaient persuadés que les lois de la physique classique s’appliquaient à tous les domaines : macroscopique ou microscopique.

Mais les objets microscopiques ne suivent absolument pas les règles de la physique : ils suivent les règles de la physique quantique. Les particules suivent donc des règles particulières.

En physique quantique, des phénomènes qui paraissent impossibles à l’échelle macroscopique sont tout à fait réalisables !

Un chat peut par exemple être à la fois mort ou vivant ou une particule peut utiliser tous les chemins possibles pour aller d’un point à un autre…

Définition de la physique quantique

La physique quantique regroupe donc les lois et les théories relatives à l’infiniment petit. La physique quantique est donc différente de la physique classique comme la mécanique classique (ou mécanique newtonienne).

Avant la physique quantique…

Avant l’avènement de la physique quantique, les scientifiques étudiaient tous les objets grâces aux lois générales.

Les lois de physique les plus célèbres sont les lois de la mécanique de Newton.

Mais à l’approche du XXème siècle, des scientifiques découvrent d’autres lois qui, elles, s’appliquent à l’infiniment petit, à mesure qu’ils comprennent que la lumière possède un caractère double d’onde et de corpuscule…

La physique quantique est née au début du XXème siècle lorsqu’on découvrit que l’énergie associée à une onde électromagnétique ne pouvait prendre que des valeurs discontinues. Ainsi, tout se passe comme si cette énergie était répartie en « paquets » séparés. Ces paquets furent baptisés « quanta ».

Rapidement la physique quantique fut utilisée pour décrire les particules subatomiques et leur énergie.

Très mathématisée et faisant appel à des concepts souvent abstraits elle s’éloigne de la mécanique classique et de l’expérience quotidienne mais permet de nombreuses avancées technologiques et théorique. Cette chronologie présente les principale dates clés de l’histoire de la physique quantique.

Quelques particularités de la physique quantique

La physique quantique est très différente de la physique classique, voici quelques définitions et points clés :

Quantification : l’énergie émise par un atome ne peut prendre que des valeurs particulières

Dualité onde corpuscule : la lumière par exemple se comporte à la fois comme un onde et comme un corpuscule

Principe d’incertitude d’Heisenberg : en physique quantique, on ne peut pas mesurer simultanément et précisément deux valeurs d’une même particule (vitesse et position)

L’intrication : une interaction en un endroit du système a une répercussion immédiate en d’autres endroits

Note : un des problèmes actuel reste l’unification des lois de physique classique et de la physique quantique.

Pour aller plus loin : la physique quantique et la biologie.

Il y a un domaine ou la physique quantique semble pouvoir expliquer certaines particularités c’est la biologie. L’étude de l’olfaction pose problème.

Les molécules chimiques peuvent provoquer des réponses adaptées de la part des cellules olfactives sur la base d’une interaction clé/serrure.

Dans cette hypothèse, il n’existerait que quelques centaines de combinaisons possibles alors que l’être humain serait capable de détecter près de 100 000 odeurs. En 1996, le biophysicien Luca Turin suggéra que l’effet tunnel (quand un électron est confiné dans un atome, il possède une grande étendue énergétique) pouvait expliquer les performances de l’odorat.

Le tableau ci-après liste les différences de domaine d’application entre la physique classique et la physique quantique.

 

Physique classiquePhysique quantique
Mécanique classiqueThéories de la relativité (restreinte et générale)
Thermodynamique et électromagnétismeMécanique quantique

Chronologie de la physique quantique

Avant 1900, la physique ne peut pas expliquer le comportement du rayonnement électromagnétique.

1900 Max Planck et l’hypothèse des quantas

C’est cette découverte qui va scinder le monde de la physique en deux parties : la physique classique et la physique quantique.

Max Planck est un physicien allemande qui fut récompensé par un prix Nobel en 1918 pour ses travaux sur la théorie des quanta.

Max Planck travaille depuis plusieurs années sur le rayonnement magnétique du corps noir et introduit les notions de quanta qui introduit elle-même la plus petite mesure indivisible et qui explique le comportement de l’énergie par des quantités discontinues.

Il introduit également la constante qui porte son nom : la constante de Planck. La théorie des quanta sera ensuite plus développée par un certain Albert Einstein.

1905 Albert Einstein et l’effet photoélectrique

Albert Einstein reprend l’hypothèse des quanta pour étudier et expliquer le phénomène photoélectrique (C’est une émission d’électrons par un matériau soumis à la lumière).

Ce phénomène est, en effet, provoqué par l’absorption de quanta de lumière ou photon.

La physique quantique est née, sont nom est d’ailleurs basé sur l’étude des quanta.

1911 : Rutherford découvre le noyau atomique

Ernest Rutherford découvre le noyau atomique qui contient presque toute la masse (et la charge positive) de l’atome.

Il travailla également sur la radioactivité.

Qui a découvert le noyau de l'atome ? Ernest Rutherford, prix Nobel de chimie en 1908.

1913 : Niels Bohr décrit les orbites électroniques

Niels Bohr modélise les observations ayant pu être faites quant aux spectres de l’hydrogène : les électrons tournent autour du noyau sur des trajectoires identifiées appelées orbites.

Ces orbites sont sphériques et les mouvements entre orbites nécessitent une émission ou une absorption d’énergie.

Qui sont les pères de la physique quantique ? Niels Bohr et Albert Einstein confrontent leurs points de vue.

1914 : Confirmation du modèle des orbites par James Frank et Gustave Hertz

James Frank et Gustave Hertz sont à l’origine d’une expérience fondamentale utilisant des faisceaux électroniques dans un tube à vide contenant du mercure gazeux.

Ce travail a permis de prouver la quantification des niveaux d’énergie des électrons au niveau des atomes.

1923 : Louis De Broglie annonce un modèle onde particule

Louis De Broglie met en lumière la fonction d’onde : les électrons en mouvement peuvent se comporter comme des ondes.

1925 : Principe d’exclusion de Wolfgang Pauli

Wolfgang Pauli énonce son principe d’exclusion : deux électrons ne peuvent jamais se trouver avec le même état quantique.

1925 : Georges Eugen Ulhenbeck et Samuel Abraham Goudsmit et le nombre de spins

Les deux scientifiques découvrent un quatrième nombre quantique permettant de décrire les mouvements de l’électrons : il s’agit d’une sorte de degré de liberté supplémentaire appelé spin.

1926 : Modèle de l’atome d’Ernest Schrödinger

Ernest Schrödinger établit un modèle de l’atome dans lequel les électrons sont décrits sous forme d’onde. Ce modèle inclus l’équation d’onde de Schrödinger.

Le saviez-vous ?

L’expérience du chat de Schrödinger est sans doute une des expériences les plus connues en physique quantique et celle qui plait souvent aux étudiants. En 1953, Ernest Schrödinger imagine l’expérience suivante : un chat est enfermé dans une boite avec un dispositif qui tue l’animal (avec par exemple de l’acide cyanhydrique vaporisé lié à une fiole cassable) dès qu’il détecte la désintégration d’un corps radioactif. Les probabilités indiquent qu’une désintégration a une chance sur deux de se réaliser en une minute.

Au bout d’une minute que se passe-t-il ?

Si on raisonne avec de la physique classique, le chat à un risque sur deux de mourir. Mais si on raisonne au niveau de la physique quantique, c’est plus compliqué et cela pose un problème : en effet, en physique quantique, l’atome se trouve être simultanément dans les deux états : intact et désintégré : le chat est donc mort et vivant à la fois.

L’expérience de Schrödinger montre que les lois de la physique quantique ne s’appliquent qu’a l’échelle de l’atome.

Comment prouver que la physique quantique s'applique au microscopique ? La chat de Schrödinger, une expérience historique sur la physique quantique.

1927 : Principe d’incertitude de Werner Heisenberg

Werner Heisenberg énonce le principe d’incertitude ou théorème d’indétermination selon lequel il n’est pas possible de connaître à la fois la position d’une particule et sa vitesse.

1927 : Interprétation quantique des liaisons hydrogène par Fritz Wolfang London Walter Heitler

Fritz Wolfang London Walter Heitler utilisent la mécanique quantique pour expliquer la possibilité de liaisons hydrogène entre les molécules.

1930 : Prévision de l’existence d’anti-particules par Paul Dirac

Paul Dirac postule l’existence d’anti-particules identiques au particules que nous connaissons mais possédant une charge électrique de signe opposé. 

1934 : Découverte de l’effet Cherenkov par Pavel Cherenkov

Pavel Cherenkov met en évidence le flash lumineux produit par des particules se déplaçant à une vitesse plus rapide que celle de la lumière dans un milieu (mais la vitesse de la lumière dans le vide reste toujours supérieure).

Cet effet est visible notamment au sein des piscines nucléaires qui possèdent une teinte bleutée.

Cette lumière est aussi appelée lumière Cherenkov.

1948 : Théorie de l’électrodynamique quantique de Richard Feynman

Richard Feynman développe la théorie de l’électrodynamique quantique en appliquant les lois de la mécanique quantique aux ondes électromagnétiques et à leurs interaction avec la matière. 

1951 : Interprétation quantique de la supraconductivité par John Bardeen

En s’appuyant sur la mécanique quantique John Bardeen propose une explication à la supraconductivité.

1951 : Les orbitales molécules de Roothaans et Hall

Clemens Roothaans et Georges Hall découvrent conjointement comment modifier de façon plus juste la théorie des orbitales moléculaires. 

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