Un peu de physique...

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La physique quantique est une science jeue : on a coutume de dire qu’elle est née avec le XXème siècle, plus précisément un jour d’octobre 1900 lorsque Max Planck, "dans un acte de désespoir" comme il se plut lui-même à le raconter, a fait l’hypothèse de l’existence d’un quantum d’énergie pour expliquer la nature du rayonnement des corps noirs.

En 1900, l’existence des atomes n’était pas encore établie. L'hypothèse atomiste avait était introduite dès 1805 par le chimiste anglais John Dalton sur la base des travaux qu'il avait menés sur certains composants élémentaires. Elle avait peu convaincu. La polémique restait vive entre ceux, comme Ludwig Boltzmann qui défendait l’hypothèse atomiste et les tenants de l’école énergétiste qui la repoussait catégoriquement. La charge la plus virulente fut menée par le chimiste d’origine lettone Wilhelm Ostwald (1853, 1932). Boltzmann en resta profondément marqué. Dépressif, il se suicida en 1906. Tragique ironie de l'histoire, c’est en 1906 que Jean Perrin mit en évidence expérimentalement la structure atomique de la matière.

Il serait pourtant injuste de ne pas rendre hommage à l’esprit visionnaire de quelques précurseurs géniaux ! Deux mille cinq cents ans avant Boltzmann et Perrin, quelques philosophes grecs avaient formulé l’hypothèse d’un Univers constitué d’atomes et de vide. On attribue à Démocrite d’Abdère, un philosophe grec né en Thrace au 5ème siècle avant notre ère, la paternité de cette hypothèse. Il semblerait qu’il ait emprunté une partie de ses idées à son maître Leucippe, un philosophe présocratique. Les idées de Démocrite ont été fermement combattues par Platon. Aristote reprend à son compte les critiques de Platon et rejette en bloc le matérialisme et l’atomisme de Démocrite

L’œuvre de Démocrite nous serait d’ailleurs totalement inconnue si le philosophe Epicure (-342, -270) puis le poète romain Lucrèce (1er siècle avant notre ère) ne l’avaient pas reprise et commentée. C’est la découverte d’un manuscrit du poème De Rerum Natura de Lucrèce qui a fait connaître les idées de Démocrite à l’époque de la Renaissance. Il faudra cependant attendre encore plusieurs siècles avant que l'on admette qu'elles avaient un fondement scientifique. C'est au milieu du XIXème siècle que l'hypothèse atomiste ressurgit. L'histoire des sciences va connaître alors une prodigieuse accélération.

Physique quantique, pièce en quatre actes

Le premier acte est celui des découvertes expérimentales qui lèvent le voile sur le monde étrange des particules élémentaires. Dans un milieu scientifique convaincu de disposer des bases permettant d’expliquer à peu près tous les phénomènes physiques, une série de découvertes fortuites va remettre en cause toutes les certitudes. On peut dater le début de cette phase à l’année 1896, lorsqu’Antoine Becquerel découvre la radioactivité. Un an plus tard, Joseph Thomson démontre que les rayons cathodiques découverts par William Crookes en 1878 sont constitués de minuscules particules chargées qu’il baptisera du nom d’électrons. Il faudra ensuite attendre l’année 1906 pour que Jean Perrin mette clairement en évidence la nature atomique de la matière, et trois ans de plus pour qu’Ernest Rutherford montre que les atomes sont composés d’un noyau entouré d’électrons. En 1913, Niels Bohr proposera le premier modèle atomique. C’est un modèle semi-classique qu'il a aménagé pour accommoder la notion de quantification de l’énergie des photons introduite par Albert Einstein en 1905. Dans ce modèle, les électrons sont supposés orbiter autour du noyau. Seules certaines orbites sont possibles… mais les explications sur les raisons de cette limitation restent confuses. Prisonnière de schémas de pensée obsolètes, la communauté scientifique peine à trouver des explications cohérentes mais les expérimentations continuent de dévoiler des aspects cachés de la physique atomique. En 1919 Rutherford met en évidence l’existence du proton et en 1922 Otto Stern et Walther Gerlach découvrent le spin de l’électron.

Le deuxième acte débute en 1924. Les années 1924-1928 vont révolutionner la physique.

L’action se déroule dans une zone géographique que l’on peut qualifier de triangle d’or de la physique quantique, entre Göttingen, Berlin et Copenhague. La révolution quantique va naître de la convergence de propositions totalement iconoclastes formulées par des physiciens jeunes et brillantissimes. Le coup d’envoi est donné en 1924 par un jeune doctorant, Louis de Broglie, qui propose d’associer une onde à toute particule. Cette dualité onde-particule est une propriété connue de la lumière. De Broglie fait l’hypothèse qu’elle s’applique aussi aux particules massives, et en premier lieu à l’électron. C’est une remise en cause radicale des fondements de la physique… elle sera suivie par bien d’autres. Werner Heisenberg porte le deuxième coup. Il est convaincu que l’on doit abandonner le concept classique de trajectoire. Pour lui, les transitions entre deux positions successives ne peuvent pas être connues de manière certaine : seule leur probabilité peut être calculée. Il propose en 1925 de remplacer les équations dynamiques du mouvement par des matrices donnant la probabilité de transition entre états. Deux ans plus tard, en 1927, il ira encore plus loin en formulant le principe d’indétermination : on ne peut pas connaître simultanément de manière infiniment précise la position et la quantité de mouvement d’une particule.

Wolfgang Pauli travaille depuis plusieurs années sur le spin de l’électron lorsqu'il postule, en 1925, le principe d’exclusion. Deux électrons, et plus largement deux particules, ne peuvent pas se trouver dans le même état quantique. En 1926, Erwin Schrödinger, intrigué par la dualité onde-particule proposée par de Broglie, formule l’équation qui décrit le comportement dynamique de l’onde associée à un électron. Dans l’esprit de Schrödinger, cette onde est une onde de matière. Max Born réfute cette idée. Il suggère que l’onde décrite par l’équation de Schrödinger n’est pas une onde de matière mais une fonction d’onde décrivant la probabilité de la particule de se trouver à un endroit donné. Il fait ainsi la jonction entre la représentation matricielle d’Heisenberg et la représentation ondulatoire de Schrödinger. De son côté, Pauli, qui poursuit ses travaux sur le spin, rompt avec le concept traditionnel de champ vectoriel et propose une représentation mathématique originale à base de matrices complexes pour rendre compte de ses propriétés. En 1928, Paul Dirac parachève l’œuvre de Schrödinger et de Pauli en donnant une version relativiste de l’équation dynamique de la fonction d’onde de l’électron. Cette formulation l’amène à prédire l’existence de l’antimatière.

Dualité onde-particule, fonction d'onde, principe d'exclusion, principe d'indétermination... En 1930 on a compris la structure de l’atome. On va s’attaquer à celle du noyau. En parallèle, les physiciens vont chercher à comprendre l’origine de la désintégration béta que le modèle atomique n’explique pas. C'est le troisième acte. En 1930, Wolfgang Pauli fait l’hypothèse de l’existence du neutrino pour expliquer la non-conservation apparente de l’énergie dans la désintégration béta. En 1933 Enrico Fermi propose un premier modèle simplifié de ce que l’on appellera plus tard l’interaction nucléaire faible. En 1938, Otto Hahn et Fritz Strassmann découvrent la fission de l'uranium. Elle sera expliquée un an plus tard par Lise Meitner et otto Frisch. Du côté de la composition du noyau de l’atome, James Chadwik met en évidence l’existence du neutron en 1932. En 1934, Hideki Yukawa fait l’hypothèse de l’existence d’une quatrième force d’interaction, l’interaction forte, pour expliquer la cohésion du noyau.

On le voit, tout était en place pour que la décennie des années 30 soit aussi riche en découvertes et en avancées théoriques que la décennie précédente. Un événement politique capital va mettre un coup d’arrêt brutal à cette progression. En 1933, Adolf Hitler accède au pouvoir. La « physique juive » est mise au banc des universités. Elle a vocation à être remplacée par une « physique allemande ». La chasse aux sorcières est lancée. La plupart des acteurs de la révolution quantique émigrent. Seuls Heisenberg, Hahn et Strassmann vont rester en Allemagne et se mettre au service du régime nazi. Le centre de gravité des découvertes traverse l’atlantique et s’installe durablement aux Etats-Unis. Mais il faudra attendre une quinzaine d’années pour que la marche en avant reprenne. Pendant cet intervalle de temps, le projet Manhattan va monopoliser les énergies. La première bombe atomique explose sur Hiroshima le 6 août 1945.

Le quatrième acte débute en 1947. Le premier acte était celui des découvertes. Le second avait permis de jeter les bases théoriques de la physique quantique et de comprendre le comportement des atomes. Au cours du troisième on avait ébauché les théories permettant de comprendre la cohésion du noyau et la radioactivité. Le quatrième acte verra l’avènement des théories du champ quantique.

C’est en 1947 que Richard Feynmann, Julian Schwinger, Freeman Dyson et Sin-Itiro Tomonaga développent la théorie électrodynamique quantique pour expliquer l'interaction électromagnétique (QED : Quantum electrodynamics). En 1954 Chen Ning Yang et Robert Mills formulent la théorie des champs de Yang-Mills qui servira de base à la compréhension des interactions faibles et fortes. En 1962 Murray Gell-Mann fait l'hypothèse de l'existence des quarks pour expliquer la composition des protons et des neutrons. En 1964 Robert Brout, François Englert et Peter Higgs développent le modèle de la brisure de symétrie et prédisent l'existence du boson de Higgs. Le champ BEH permet de pallier à un défaut majeur des théories de Yang-Mills : l’absence de masse des particules. En 1967 Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam formulent la théorie de l’interaction faible. Enfin, en 1973 Hugh Politzer, Frank Wilczek et David Gross mettent la dernière main à la chromodynamique quantique (QCD : Quantum chromodynamics) qui permet de décrire la structure des noyaux. Ces deux théories mettent de l’ordre dans l’incroyable bestiaire de particules élémentaires découvertes depuis le début des années 50. Elles les ordonnent dans un modèle cohérent, le modèle standard des particules, dont le boson de Higgs est la clef de voûte. Il faudra cependant attendre 2012 pour que celui-ci soit mis en évidence expérimentalement.