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Publié par Paris 8 philo

Il y a deux manières d’entrer dans la physique quantique. L’une au travers du « phénomène » de la lumière, l’autre au travers de la « structure de l’atome ». Ce sont respectivement les manières dont Einstein puis Bohr avancèrent dans la théorie quantique, l’une transcendantale l’autre positiviste.


En 1892 Lord Kelvin, dans son célèbre discours inaugural du xxe siècle à la société anglaise de physique, annonce fièrement « la physique est définitivement constituée avec ses concepts fondamentaux. […] Il y a bien deux petits problèmes : celui du résultat négatif de l’expérience de Michelson et celui du corps noir, mais ils seront rapidement résolus ». Ces deux petites exceptions (1° et 2°) vont devenir des problèmes insolubles pour les physiciens dix ans plus tard et tournent autour du phénomène lumineux. Lumière qui pose un dernier problème apparemment sans conséquence (3).

1°) L’expérience de Michelson consiste à mettre en évidence le mouvement de la Terre par rapport à l’éther immobile en montrant qu’elle influe sur la vitesse de la lumière. Celle-ci ne devrait donc pas être la même suivant qu’elle se propage dans le sens de ce mouvement ou à contre-sens. Cette expérience prouva qu’il n’en est rien et que la lumière va toujours à une vitesse finie et constante. Ce sera la base de la théorie de la relativité.

2°) L’expérience dite du rayonnement du corps noir essaye de comprendre ce qu se passe lorsqu’on chauffe un morceau de métal et qu’il émet un rayonnement lumineux, par exemple pour le fer, il passe du rouge (à 700°C), à l’orange, au jaune et enfin au blanc (à 2000°C). Cette expérience vise donc à expliquer l’émission du rayonnement par un corps en fonction de la température. Les physiciens parlent simplement de corps noir, parce qu’ils placent cette matière qui rayonne dans un four dont les parois sont noires. A partir de cette expérience, en 1900, Max Planck apportera une solution au problème à condition de quantifier l’émission du rayonnement à travers des seuils de lumière : la lumière est délivrée par paquets d’énergie et on de façon continue. A ces seuils, il donnera une valeur infiniment petite de l’ordre de 6.10-24 joules secondes appelé constante de Planck qui calibre et découpe la lumière en « quantum ».

 


Figure 1

3°) Dans une autre direction que Planck, Einstein mettra en évidence les fameux quanta de lumière ne sont que le résultat d’une composante granulaire de la lumière : les photons. Dire que la lumière est composée de photons ne veut pas dire qu’elle ne soit pas une onde, un peu comme l’eau qui s’échappe par goutte d’un robinet et dont on ne peut dire qu’elle soit composée de parties indivisibles : les gouttes. La lumière se comporte aussi bien suivant les situations comme une onde que comme un ensemble de particules. Einstein transgresse par cette dualité onde-particule, le principe de non-contradiction : les physiciens posaient auparavant l’opposition du continu et du discontinu comme un absolu. Einstein résoudra par là même, le troisième problème de la physique au début du siècle l’effet photoélectrique voir fig. 1. En 1887 Hertz (bien connu pour ses travaux sur les ondes électromagnétiques) et von Lenard avaient découvert l’effet photoélectrique. En mettant en place un système électrique constitué de deux plaques disposées l’une face à l’autre dans le « vide » et reliées à un générateur, ils remarquent que ce système qui ne conduit pas d’électricité, laisse passer un courant électrique si on l’illumine d’une lumière bleue (c’est-à-dire à forte fréquence) alors même qu’une intensité colossale de lumière ne provoquait aucune réaction. L’effet n’apparaît donc que pour des ondes lumineuses de fréquence élevée et on constate donc que l’émission d’électrons entre les deux plaques dépend de la fréquence de l’onde incidente. Einstein résout le problème en reliant la fréquence ν et l’énergie E par la constante h de Planck (c’est la formule E=hν) voir figure 2. Einstein fera des diagrammes d’énergie pour expliquer qu’il y a une barrière de potentiel voir fig. 3 en dessous de laquelle l’électron reste lié au métal et prisonnier d’une bande de valence (atomes liés en cristaux) et au-dessus de laquelle les électrons ne partent pas dans le vide. La valence est la faculté qu’a un atome d’entrer en liaison avec d’autre atome et de créer ainsi des structures cristallines propres à ce qu’on nomme la « matière ». 
 

Figure 2 

 

 

 

Figure 3

Sans développer plus ce fil de découvertes, nous avons l’une des bases de la physique quantique qui aboutira à l’usage des semi-conducteurs comme le silicium ou l’arséniure de Gallium et de la distinction dont nous avons déjà parlé entre bande de valence, bande d’énergies interdites (« gap » ou intervalle vide d’énergie qui permet l’échappée des électrons) et bandes de conductivité. Chez les semi-conducteurs, en excitant un électron par un photon on peut faire opérer à ce premier le fameux saut quantique. En jouant sur les différentes barrières on peut produire ce qu’on appelle des puits quantiques voir fig. 4. Ce ne sont nullement des puits sans fond où l’on basculerait dans un autre réalité. Les puits quantiques viennent de ce que l’on met en sandwich des matériaux semi-conducteurs dont celui du milieu à une barrière de potentiel pour la bande de conductivité plus basse que les matériaux semi-conducteurs qui l’entourent. L’électron se retrouve prisonnier.

 

 
Figure 4

 

L’autre approche de la physique quantique qui n’est pas indépendante de la constante de Planck, mais offre une autonomie supplémentaire par rapport à la pensée transcendantale d’Einstein. Remarquons qu’après 1925, Einstein cherchera désespérément à unifier astrophysique relativiste et théorie quantique qui ne correspondent pas à la même conception de la réalité comme nous le montrerons dans le post suivant (sur l'expéromentation), l’une étant représentation de possibilités, l’autre expérimentation de potentialités ou capacités. Au début du xxe siècle, par exemple, on pensait que tout pourrait être expliqué en termes de propriétés de la matière continue, comme l’élasticité ou la conduction calorifique. La découverte de la structure atomique et le principe d’incertitude mirent un point final à tout cela HawHT_200. L’étude la constitution atomique de la matière a révélé en notre siècle une limitation inattendue où sont applicable les idées de la physique classique BohPA_145. Les comportements quantiques avec leurs énergies et impulsions (ondes-particules) échappent aux états classiques de la matière, qui reposent eux sur le principe de permanence (existence de la substance  voir BohP1_435) : La découverte par Rutherford du noyau atomique (1911) révéla aussitôt combien les concepts de la mécanique et de l’électromagnétisme était impropres à exprimer la stabilité inhérente à l’atome BohPA_198. Afin d’expliquer la stabilité atomique et donc la soi-disant stabilité de la matière, il a fallu chercher en-deçà de l’échelle atomique. Le puits quantique que nous avons vu précédemment du bit de nos ordinateurs. Le bit pouvant être codé en 1 ou 0, système binaire, la théorie de l’information ayant reterritorialisé tout ça, puisqu’on l’on agir sur ce qui est plus ou moins le sens de « rotation » de l’électron : à savoir le spin HawHT_93-95. Notons qu’un électron ne possède par de véritable axe de rotation, c’est pour cela qu’on ne parle pas de rotation mais de spin. Les atomes comme les électrons sont dans un champ dynamique et présentent des états stationnaires mais des récurrences qui permettent de donner une vecteur d’état à toute particule. Toute réaction de l’atome conduisant à une variation de son énergie comporte une transition complète entre deux « états quantiques stationnaires » BohPA_199. Les particules dites quantiques obéissent à leurs propres lois ou plutôt à des lois qui ne répondent pas aux critères de la représentation classique. C’est pourquoi les théoriciens scientifiques (néo-kantiens dans leur approches de la science) parlent de perte d’intelligibilité face aux phénomènes quantiques. Ils cherchent à se représenter ce dont la nature est d’échapper à toute représentation. Ce n’est pas en terme de vitesses et positionnement qu’il faut interroger les particules quantiques, mais il faut s’intéresser à elles en tant qu’énergies et impulsions. Peut-être ne saisit-on pas ce qu’est une énergie ou une impulsion et c’est pourquoi on cherche tant à la mettre dans la case « ondes » ou dans la case « particules ». Mais on ne peut représenter le mouvement sans le dénaturer, c’est-à-dire qu’une autonomie (anomalie dynamique) ne peut se faire voir NzHH2b°320 d’une hétéronomie (loi statique) qu’en abandonnant sa nature autonome. L’apport de la physique quantique est d’avoir remis en cause le modèle atomique qu’elle avait d’abord initié avec les électrons gravitant en orbite circulaire autour du noyau. Répétons-le, ce qui rayonne selon les lois de Newton perd de l’énergie et donc la distance entre le noyau et l’électron se réduirait jusqu’à les faire fusionner. Il en serait alors fini de la stabilité atomique et donc de la structure cristalline de la « matière ». Cette voie fut celle empruntée par l’interprétation positiviste de la physique quantique que représentent Bohr, Feynman et Hawking.

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thomasson 03/05/2012 18:08


il y a deux aspects de la physique quantique sur lesquels je réfléchis beaucoup: la non localité et la complémentarité onde-particule. Leur aboutissement dans les nouvelles technologies est
spectaculaire, mais je suis persuadé que si ces aspects sont utilkisés et maintenant mieux maîtrisési le ne sont encore compris que par la manipulation des outils théoriques et mathématiques,
mais pas encore dans toutes leurs implications philosophiques, mentales ou spirituelles. Il n'est qu'à regarder les débats politiques (ou n'importe quel débat) pour voir la pauvreté de la
compréhension de la complémentarité onde-particule