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Physiciens quantiques
Max Born (1882-1970)
Physicien britannique d'origine allemande, connu pour ses travaux sur la théorie quantique.
Il étudie tout d'abord aux universités de Breslau, de Heidelberg, de Zurich, de Göttingen et de Cambridge. En 1921, après avoir enseigné successivement aux universités de Göttingen, de Berlin et de Francfort, il est nommé professeur de physique théorique à Göttingen. En 1933, il se réfugie en Angleterre pour fuir l'Allemagne nazie et acquiert la nationalité britannique en 1939. Au cours des trois années suivantes, il effectue des recherches à l'université de Cambridge. Il est nommé professeur de philosophie naturelle à l'université d'Édimbourg de 1936 à 1953. Physicien théoricien exceptionnel, il s'est fait connaître pour sa contribution fondamentale à la théorie quantique. Avec Pascual Jordan, il a développé la mécanique des matrices introduite par Werner Heisenberg. Il a aussi cherché à interpréter les résultats des travaux de Louis de Broglie et de C.T.Davisson qui montraient que les particules avaient un comportement ondulatoire. Il a notamment introduit la notion de probabilité de présence d'une particule en un point liée au carré du module de la fonction d'onde décrivant le comportement de cette particule.
Ses publications comprennent, entre autres, la Théorie d'Einstein sur la relativité (1922), la Physique nucléaire (1935), la Philosophie naturelle des causes et du hasard (1949), Physique et politique (1962), et Ma vie et mes idées (1968). Pour ses travaux sur la théorique quantique, Born partage, en 1954, le prix Nobel de physique avec le physicien allemand Walter Bothe.
Niels Bohr (1885 - 1962)
Physicien danois connu pour sa contribution à la physique nucléaire et à la compréhension de la structure de l'atome et à l'interprétation de la théorie quantique.
Né à Copenhague, Bohr entre en 1912 au laboratoire de Rutherford à Manchester. La théorie de Bohr sur la structure atomique, pour laquelle il recevra le prix Nobel de physique en 1922, est publiée entre 1913 et 1915. Son travail s'inspire du modèle de l'atome de Rutherford, dans lequel l'atome est considéré comme formé d'un noyau compact entouré d'un essaim d'électrons. Le modèle atomique de Bohr utilise la théorie quantique et la constante de Planck (le rapport entre la taille du quantum et la fréquence du rayonnement). Le modèle pose en principe que l'atome n'émet de rayonnement électromagnétique que lorsqu'un électron transite d'un niveau quantique à un autre. Ce modèle a contribué énormément aux développements ultérieurs de la physique atomique théorique.
En 1916, Bohr rejoint l'université de Copenhague pour y travailler comme professeur de physique et, en 1920, il devient directeur de l'Institut de physique théorique nouvellement créé à l'université. Cet institut deviendra, jusqu'à la Seconde Guerre mondiale, le centre d'une activité théorique remarquable et verra naître les développements les plus féconds de la théorie quantique. Pour lever un certain nombre de difficultés de cette théorie, Bohr élabore plusieurs principes. Le principe dit de correspondance permet d'établir un passage entre la physique classique et la physique quantique. Le principe dit de complémentarité vise à dépasser l'impossible description simultanée des objets quantiques comme étant des ondes et des particules. Les travaux de Bohr conduisent au développement du concept selon lequel les électrons sont répartis par couches et les propriétés chimiques d'un atome sont déterminées par les seuls électrons situés dans la couche périphérique. En 1939, il se rend compte de l'importance des expériences de fission menées par les savants allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann. Aux États-Unis, lors d'une conférence, il convainc les physiciens de l'importance de ces expériences. Il démontre plus tard que l'uranium-235 est l'isotope de l'uranium qui subit la fission nucléaire. Il retourne alors au Danemark, où il est forcé de rester après l'occupation allemande du pays en 1940. Il finit cependant par s'enfuir aux États-Unis, où il participe à la réalisation de la première bombe atomique (projet Manhattan), à Los Alamos (Nouveau-Mexique). Il s'opposera cependant au caractère secret de ce projet, redoutant les conséquences potentiellement négatives de ce développement inquiétant.
Paul Adrien Maurice Dirac (1902 - 1984)
Physicien britannique, célèbre pour avoir prévu l'existence du positron et pour sa recherche en théorie quantique.
Né à Bristol, Dirac fait ses études aux universités de Bristol et de Cambridge. En 1926, il introduit un formalisme général pour la mécanique quantique. En 1928, il élabore une théorie relativiste pour décrire les propriétés de l'électron. Celle-ci le conduit à postuler l'existence d'une particule identique à l'électron dans tous ses aspects mais de charge opposée, c'est-à-dire positive et devant s'annihiler en même temps que l'électron négatif lors d'une collision avec celui-ci. La théorie de Dirac est confirmée en 1932 quand le physicien américain Carl Anderson découvre le positron. Dirac contribue aussi, avec Fermi, au développement de la statistique dite de Fermi-Dirac, décrivant le comportement collectif des particules de spin demi-entier. En 1933, Dirac partage le prix Nobel de physique avec le physicien autrichien Erwin Schrödinger. En 1939, il devient membre de la Société royale. Il est professeur de mathématiques à Cambridge de 1932 à 1968, professeur de physique à l'université d'État de Floride de 1971 jusqu'à sa mort, et membre de l'Institute of Advanced Studies périodiquement entre 1934 et 1959. Parmi les ouvrages de Dirac, il faut citer les Principes de la mécanique quantique (1930).
Duc Louis De Broglie (1892 - 1987)
Physicien français qui a apporté une contribution essentielle à la théorie quantique avec ses études de la radiation électromagnétique.
Né à Dieppe, Louis de Broglie commence des études d'histoire à la Sorbonne. Pendant la Première Guerre mondiale, il est membre de l'équipe chargée des émissions radiotélégraphiques depuis la tour Eiffel. Son intérêt naissant pour la physique en sort renforcé. En 1924, il obtient le titre de docteur d'État avec une thèse relative à des Recherches sur la théorie des quanta. Influencé par les travaux d'Einstein, il y affirme que, de la même façon que les ondes peuvent se comporter comme des particules, les particules peuvent se comporter comme des ondes. Il propose, par exemple, qu'un électron peut se comporter comme une onde de longueur d'onde h / p, où p est la quantité de mouvement de l'électron et h la constante de Planck. Cette hypothèse est confirmée par les expériences de C. J. Davisson mettant en évidence la diffraction des électrons. E. Schrödinger se servira des idées de De Broglie pour formuler sa théorie : la mécanique ondulatoire. Insatisfait par l'interprétation probabiliste de la physique quantique, de Broglie reprend ses travaux en 1955 et cherche à redonner à celle-ci une formulation strictement déterministe dans un cadre ondulatoire classique. Mais ses idées resteront isolées dans la communauté des physiciens.
De Broglie a été élu à l'Académie des sciences en 1933 et à l'Académie française en 1943. Il a été nommé professeur de physique théorique à l'université de Paris (1928), secrétaire perpétuel de l'Académie des sciences (1942), et conseiller au Commissariat à l'énergie atomique (1945). Parmi ses ouvrages, citons Matière et Lumière (1939), Révolution en physique (1953), Interprétation courante de la mécanique des ondes (1964) et Quantum, espace et temps (1984). Il a reçu le prix Nobel de physique en 1929 pour sa découverte de la nature ondulatoire des électrons (1924).
Albert Einstein (1879 - 1955)
Physicien américain d'origine allemande, surtout connu comme le créateur des théories de la relativité restreinte et générale.
Né à Ulm, Albert Einstein passe sa jeunesse à Munich, où sa famille possède un petit atelier de fabrication de machines électriques. Dès le plus jeune âge, il fait preuve d'une intense curiosité, montrant une aptitude remarquable à comprendre les concepts mathématiques les plus ardus. À douze ans, il apprend seul les fondements de la géométrie euclidienne. Quand une faillite commerciale oblige sa famille à quitter l'Allemagne pour s'installer à Milan, Einstein suit ses parents en Italie durant un an, avant de partir à Munich pour y terminer ses études secondaires. Il entre ensuite, en 1896, à l'École polytechnique fédérale de Zurich, où il ne brille ni par ses résultats, ni par son assiduité aux cours. Il réussit néanmoins ses examens et obtient sa licence en 1900. Plutôt mal considéré par ses professeurs, Einstein n'est pas recommandé pour une place d'enseignant à l'université. Naturalisé suisse, il décroche en 1902 un poste à l'Office fédéral des brevets suisses de Berne. Il se marie l'année suivante avec Mileva Mariç, une ancienne camarade de classe de l'Institut polytechnique. En 1905, Einstein obtient son doctorat à l'université de Zurich pour une thèse théorique sur les dimensions des molécules. Il publie également cette année-là quatre articles théoriques qui se révéleront d'une importance capitale pour le développement de la physique du XXème siècle. Publiés dans la revue scientifique allemande Annalen der Physik, ses mémoires étaient ainsi titrés : Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière ; Sur le mouvement brownien ; Sur l'électrodynamique des corps en mouvement ; L'inertie d'un corps dépend-elle de son contenu en énergie ?
Dans le premier article, Einstein donne une explication à l'effet photoélectrique en émettant l'hypothèse que la lumière est constituée de grains d'énergie, appelés par la suite photons. Il postule également que ces quanta doivent posséder une énergie proportionnelle à la fréquence du rayonnement, proposant la formule E = hu, où E représente l'énergie rayonnée, h la constante de Planck, et u la fréquence du photon. L'existence de ces photons ne sera confirmée que dix-huit ans plus tard par le physicien américain Arthur Compton, lors d'une expérience sur les rayons X. Einstein, dont l'intérêt premier est de comprendre la nature du rayonnement électromagnétique, contribue par la suite au développement de la théorie, élaborée par Louis de Broglie en 1923, qui reprend en les unifiant les modèles ondulatoire et corpusculaire de la lumière.
Le deuxième article publié concerne l'étude du mouvement brownien, c'est-à-dire le mouvement aléatoire de particules en suspension dans un fluide. Faisant appel aux probabilités, Einstein y formule une description mathématique du phénomène.
Dans le troisième article, de loin le plus célèbre, Einstein expose la théorie fondamentale de la relativité restreinte. Depuis l'époque de Newton, les scientifiques tentaient sans succès de relier les lois du mouvement aux lois de Maxwell dans le cadre d'une description unifiée du monde. Selon la conception mécaniste, les lois du mouvement devaient pouvoir expliquer la totalité des phénomènes, alors que, d'après les partisans de Maxwell, les lois de l'électricité devaient constituer le fondement de la physique. Mais ces deux grands ensembles théoriques demeuraient l'un et l'autre incapables de donner une explication cohérente de l'aspect que prend l'interaction de la lumière avec la matière dans différents repères inertiels, c'est-à-dire à une vitesse constante les uns par rapport aux autres. Au printemps 1905, Einstein se rend compte que le cœur du problème ne réside pas dans la théorie de la matière, mais dans la théorie de la mesure. Il est donc amené à réviser les notions de mesure d'espace et de temps, cela le conduit à développer une théorie fondée sur deux postulats: le principe de la relativité, stipulant que toutes les lois de la physique sont similaires dans tous les repères inertiels, et le principe de l'invariance de la vitesse de la lumière, énonçant que cette vitesse dans le vide est une constante universelle. Grâce à cette théorie, il est alors capable de donner une description logique et correcte des événements physiques dans des repères inertiels différents, sans devoir émettre pour autant des hypothèses particulières sur la nature de la matière ou du rayonnement, ou sur la façon dont ils interagissent.
Le quatrième article qu' Einstein publie en 1905 correspond en fait à un corollaire du précédent : il y expose la notion nouvelle d'équivalence entre masse et énergie, introduisant la célèbre formule E = mc2.
Les articles d'Einstein retiennent bien vite l'attention des grands scientifiques de l'époque, même si la plupart d'entre eux restèrent fort sceptiques. Le rejet global de ses théories n'est dû ni à leur complexité mathématique, ni à quelque obscurité technique, mais plutôt à l'approche même du sujet par Einstein. Adoptant, en effet, un point de vue très personnel sur la manière d'appréhender l'expérience et la théorie, celui-ci considère ainsi que l'expérience constitue la seule source de connaissance réelle, les théories scientifiques n'étant que des créations libres, produites par une intuition physique profonde. Il croit en outre que les prémisses sur lesquelles sont fondées les théories ne peuvent être reliées à l'expérimentation par la logique. Par conséquent, une théorie se montre valable à ses yeux si elle contient le strict minimum de postulats nécessaires à la justification d'une preuve physique. Cette rareté des postulats, caractéristique de toute l'œuvre d'Einstein, peut expliquer pourquoi ses collègues sont si réticents à admettre ses théories. Toutefois, Einstein est quand même soutenu par d'éminents physiciens, à commencer par l'Allemand Max Planck. Acquérant rapidement une certaine reconnaissance au sein de la communauté scientifique, il participe à de nombreux congrès où il essaie de faire accepter la théorie de la relativité restreinte. Il se fait ainsi une place dans le monde universitaire germanophone, et obtient sa première affectation universitaire, en 1909, à l'université de Zurich. En 1911, il occupe un poste à l'université de Prague, avant de retourner l'année suivante à Zurich. En 1913, il accepte un poste de professeur de l'institut Kaiser-Wilhelm de physique à Berlin.
Avant son départ de l'Office des brevets, Einstein a déjà commencé à travailler à l'extension et à la généralisation de sa théorie de la relativité au-delà des seuls repères inertiels. Dans ce cadre, il énonce le principe d'équivalence, postulant que le champ de gravitation est équivalent à l'accélération, suivant le repère de référence dans lequel se situe l'observateur. Par ailleurs, il introduit le concept d'espace-temps, espace à quatre dimensions comprenant les trois dimensions de l'espace classique et le temps. Cette abstraction mathématique lui permet d'étudier les interactions entre les corps dans un nouveau contexte, interactions attribuées jusque-là au champ gravitationnel. Publiée en 1916, la théorie de la relativité générale apparaît à bon nombre de physiciens comme une théorie plus philosophique que scientifique, voire quasi mystique. Pourtant, cette théorie permet à Einstein d'expliquer les variations du mouvement orbital de certaines planètes, mais également de prédire la courbure de la lumière des étoiles à proximité d'un corps massif comme le Soleil. La confirmation de ce dernier phénomène lors d'une éclipse solaire en 1919 accrédite les thèses d'Einstein, qui occupe dès lors le devant de la scène scientifique. Pendant le reste de sa vie, il tente de généraliser encore davantage sa théorie, travaillant à l'unification de l'électromagnétisme et de la gravitation, mais ses travaux ne sont pas couronnés de succès.
Entre 1915 et 1930, la physique est dominée par une nouvelle conception du caractère fondamental de la matière, la théorie quantique. Cette théorie utilise la notion de dualité onde-particule, déjà avancée par Einstein dans un article de 1917, exposant que la lumière présente les propriétés d'une particule mais aussi celles d'une onde. Elle se fonde en outre sur le principe d'incertitude, élaboré par le physicien allemand Heisenberg, stipulant qu'il est impossible de connaître en même temps certaines quantités physiques, par exemple la position et la vitesse d'une particule. La théorie quantique, qui remet en cause la notion de causalité en physique, ne sera jamais totalement acceptée par Einstein, qui refuse d'abandonner tout déterminisme: "Dieu ne joue pas aux dés avec le monde", affirme-t-il. Toutefois, il apporte sa contribution à cette théorie en étudiant le comportement des photons, faisant publier en 1924 un article du physicien indien Bose sur ce sujet. Collaborant avec ce dernier, il élabore la théorie statistique de Bose-Einstein, qui s'applique aux particules appelées bosons.
Après 1919, Einstein jouit d'une renommée internationale. Il accumule les honneurs et les récompenses, recevant en particulier en 1921 le prix Nobel de physique pour son étude de l'effet photoélectrique, et non pour la théorie de la relativité qui demeure encore très controversée. Sa visite dans n'importe quelle partie du monde devient alors un événement, photographes et journalistes le suivant partout dans ses déplacements. Il tire profit de sa renommée pour défendre ses conceptions sociales et politiques, s'illustrant notamment par l'appui qu'il apporta au pacifisme et au sionisme. Pendant la Première Guerre mondiale, il a déjà fait partie du petit nombre d'universitaires allemands qui se sont opposés publiquement au bellicisme de l'Allemagne. Après la guerre, son engagement en faveur des thèses pacifistes et sionistes en fait la cible privilégiée d'éléments antisémites et de l'extrême droite allemande. Même ses théories scientifiques font l'objet d'attaques publiques, et notamment la théorie de la relativité. Lorsque Hitler arrive au pouvoir en 1933, Einstein doit quitter l'Allemagne, émigrant tout d'abord à Paris, puis en Belgique, avant de s'installer à Princeton (États-Unis), où il occupe un poste à l'Institute for Advanced Study. Poursuivant ses efforts en faveur du sionisme, Einstein rompt avec le pacifisme devant la menace terrifiante que représente pour l'humanité le régime nazi. En 1939, à la demande d'autres physiciens, Einstein accepte d'écrire une lettre au président américain Franklin Roosevelt, le prévenant du danger auquel le monde serait exposé si le gouvernement allemand s'engageait dans la voie de l'énergie nucléaire. Cette fameuse lettre est à l'origine du projet Manhattan, programme américain de recherches visant à la construction d'une bombe atomique. Einstein ne joue cependant aucun rôle dans ce projet, à la différence de certains de ses confrères comme Enrico Fermi ou Niels Bohr. En 1945, lorsqu'il comprend que ce programme va aboutir, il prend même l'initiative d'écrire une nouvelle fois à Roosevelt pour le prier de renoncer à l'arme atomique. Après la guerre, Einstein plaide en faveur du désarmement international mondial, tout en continuant à soutenir activement la cause d'Israël. Son engagement en faveur de causes sociales et politiques est parfois qualifié d'irréaliste. En fait, ses propositions sont toujours soigneusement élaborées. À l'instar de ses théories scientifiques, elles sont motivées par une puissante intuition, fondée sur une évaluation perspicace et profonde de la preuve et de l'observation. Même si Einstein consacre une grande partie de son temps à la défense de causes politiques et sociales, la science occupe toujours la première place dans ses travaux. En effet, il affirme constamment que seule la découverte de la nature de l'Univers aurait une signification durable.
Parmi ses ouvrages de vulgarisation, il faut citer Fondements de la théorie de la relativité restreinte et généralisée (1916) ; À propos du sionisme (1931) ; Constructeurs d'univers (1932) ; Pourquoi la guerre ? (1933), en collaboration avec Sigmund Freud ; Comment je vois le monde (1934) ; l'Évolution des idées en physique (1938), coécrit avec le physicien polonais Leopold Infeld ; Conceptions scientifiques, morales et sociales (1950).
Richard Phillips Feynman (1918-1988)
Physicien américain et lauréat du prix Nobel en 1965 pour ses travaux sur le photon.
Il fit ses études à l'Institut de Technologie du Massachusetts et à l'université de Princeton. À Princeton, en 1942, Feynman travailla sur les premières étapes du projet Manhattan, le programme américain dont le but était de mettre au point la bombe atomique. De 1945 à 1950, il enseigna la physique à l'université Cornell. En 1950 il fut nommé professeur à l'Institut de Technologie de Californie. En 1965, Feynman partagea le prix Nobel de physique avec deux autres physiciens, l'Américain Julian S.Schwinger et le Japonais Shin'ichiro Tomonaga. Feynman fut récompensé pour ses recherches sur la transformation d'un photon en un électron et un positron, et pour la découverte d'une méthode de mesure des changements qui en résultent dans la charge et dans la masse. Il joua un rôle prépondérant dans la commission présidentielle qui enquêta sur l'explosion de la navette spatiale Challenger en 1986. Ses ouvrages destinés au grand public sont C'est sûrement une plaisanterie, MrFeynman!! Aventures d'un curieux personnage (1985) et l'étrange théorie de la lumière et de la matière (1985).
Werner Karl Heisenberg (1901 - 1976)
Physicien allemand, un des fondateurs de la théorie quantique et auteur du principe d'incertitude. Il a exercé une profonde influence sur la physique et sur la philosophie du XXème siècle.
Heisenberg naquit le 5décembre 1901 à Würzburg et fit ses études à l'université de Munich. En 1923, il devint l'assistant du physicien germano-britannique Max Born à l'université de Göttingen et, de 1924 à 1927, bénéficia d'une bourse de la fondation Rockefeller pour travailler avec le physicien danois Niels Bohr à l'université de Copenhague. En 1927, Heisenberg fut nommé professeur de physique théorique à l'université de Leipzig. Par la suite, il occupa des postes de professeur dans plusieurs universités : Berlin (1941-1945), Göttingen (1946-1958) et Munich (1958-1976). En 1941, il devint directeur de l'institut de physique Kaiser Wilhelm (rebaptisé en 1946 institut de physique Max Planck). Pendant la Seconde Guerre mondiale, Heisenberg fut placé à la tête de la recherche scientifique sur le projet de bombe atomique en Allemagne. Au cours de cette période furent menées des tentatives de construction d'une pile dans laquelle la réaction en chaîne serait si rapide qu'elle produirait une explosion, mais cela n'aboutit pas. Après la guerre, il fut interné quelque temps en Angleterre.
Heisenberg apporta surtout sa contribution à la théorie de la structure atomique. En 1925, il commença à développer une forme de mécanique quantique, appelée mécanique matricielle, dans laquelle la formulation mathématique est basée sur les fréquences et les amplitudes du rayonnement absorbé et émis par l'atome, ainsi que sur les niveaux en énergie du système atomique. Le principe d'incertitude d'Heisenberg joua un grand rôle dans l'évolution de la mécanique quantique et dans les nouveaux modes de pensée de la philosophie moderne. Heisenberg reçut en 1932 le prix Nobel de physique. Il mourut le 1er février 1976, à Munich. Parmi les nombreux ouvrages qu'il a laissés figurent les Principes physiques de la théorie quantique (1930), Rayonnement cosmique (1946), Physique et philosophie (1958) et Introduction à la théorie unifiée des particules élémentaires (1967).
Wolfgang Pauli (1900-1958)
Physicien américain d'origine autrichienne et lauréat du prix Nobel, connu pour sa définition du principe d'exclusion en mécanique quantique.
Né à Vienne, il fit ses études à l'université de Munich. Il enseigna la physique aux universités de Göttingen, de Copenhague et de Hambourg, et la physique théorique à l'Institut fédéral de technologie de Zurich, de 1928 à 1935. Il fut également professeur honoraire à l'institut de Princeton, dans le NewJersey, aux États-Unis. En 1925, Pauli définit le principe d'exclusion, appelé également le principe d'exclusion de Pauli, d'après lequel deux électrons, ou plus généralement deux fermions, ne peuvent se trouver dans le même état quantique. En 1931, son hypothèse de l'existence du neutrino, une particule subatomique, a contribué de manière fondamentale au développement de la dynamique mésonique. En 1945, il reçut le prix Nobel de physique.
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Erwin Shrödinger (1887-1961)
Physicien autrichien, l’un des pères de la physique quantique.
C’est lui qui est l’inventeur de la "fonction d’onde" qui permet de connaître la concentration de l’onde électronique dans l’atome à tel ou tel endroit. Avec lui, l’électron n’est plus un corpuscule localisé précisément, mais une portion de paquet d’onde (l’orbitale électronique) où l’énergie est très concentrée. Mais Schrödinger deviendra surtout célèbre pour avoir imaginé en 1935 le paradoxe du chat afin d’illustrer l’absurdité de la physique quantique lorsqu’on l’applique à des objets complexes dits macroscopiques (à notre échelle).
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