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L"UNIVERS

QUANTIQUE

L"UNIVERS

QUANTIQUE

TOUT CE QUI PEUT ARRIVER

ARRIVE...

TRADUIT DE L"ANGLAIS PAR GUY CHOURAQUI

Brian Cox et Je? Forshaw

L"édition originale de cet ouvrage a été publiée en anglais en 2011 par Penguin, sous le titre : The Quantum

Universe: Everything That Can Happen Does Happen.

The original edition of this work has been published in English in 2011 by Penguin, under the title: The Quantum

Universe: Everything That Can Happen Does Happen.

Copyright © Apollo"s Children Limited

and Jeff Forshaw, 2011

Conception de la couverture : Raphaël Tardif

Illustration de couverture : © pict rider - Fotolia.com © Dunod, Paris, 2013, pour la traduction française

ISBN 978-2-10-058925-8

SOMMAIRE

Chapitre7.L"Univers surunetêted"épingle!(Oupourquoine 1 T

ROISPASDANSL"ÉTRANGE

symbolisentleslimitesdel"intuitionhumainelorsqu"elle estconfrontée àl"indéniable étrangetédudomainedel"atome.Pourlephysicien,la mécaniquequantique estl"undestroisgrandspiliers surlesquelsrepose notreconnaissancedumonde.Lesdeuxautres sontdusàEinstein: relativitérestreinte etrelativitégénérale,quitraitentdelanaturede l"espace etdutemps,etdelagravitation. Quantàlathéoriequantique, n"yontpaslamoindreimportance:elle estsimplementlàpourdécrire

etcellesobservées-sesontrévéléesparfaitementconcordantes.?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.

L"universquantique

quelquepeuésotérique.Sicartographierlemondeminiature est toutce ayantprofondémentmarquénos sociétésetchangénosviesquisont néesderecherchesfondamentales.Elles sontduesàdesexplorateurs desdisciplines scientifiquesdesbénéficesaussidiversquel"allongement nesontlàquedesretombées secondairesd"unesoifdesavoirprimordiale, nouveausurnotremonde. Lamécaniquequantique estsansdoutelemeilleurexempled"une théorie extrêmementésotériquedevenueprofondémentutile.Ésotérique, qu"enexplorant toutl"Univers simultanément.Utile,carcomprendre lecomportementdesélémentslespluspetitsdel"Univers sous-tendla sembledéraisonnable,vuladiversité etlacomplexitédesphénomènes naturels.Etpourtant,nousavonsdécouvertqu"absolument toutestbâti théoriequantique;etceslois sontsisimplesqu"onpourraitlesrésumer audosd"une enveloppe.Celamême estensoil"undesplusgrands expliquerlanature essentielledeschoses? Ilsetrouvequemieuxnouscomprenonsles structuresélémentairesdu 2

Troispasdansl"étrange

inévitableici,pouréviterd"être éblouiàl"excèsparlasimplicitésous- plantesoudeshumains.Cetterestriction neréduitpourtantpasla radicalitéduconstat:touslesphénomènes sontréellementsous-tendus

1.Ceux-ci

centatomesdecarbone,d"hydrogène etd"oxygène,imbriquésdans permetdeconstruiredesmoléculesàpartirdegazcarbonique etd"eau, pouvezlirecelivre etencomprendreletextecarvosyeuxconvertissentla égalementdécouvertquelesprotonsetlesneutrons sonteux-mêmes

auquelcasilvousfaudraitfaireunpetiteffortd"imagination...?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.

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detoutcela,ilyalathéoriedesquanta. compris,aucomportementd"unepoignéedeparticules subatomiques,et desquatreforcesquiagissententre elles.Lesmeilleuresdescriptions forte etfaible,quiagissentaucoeurdunoyauatomique,etlaforce morts,lesparticules sontpartoutàlafois,etselonHeisenberg,toutest 4

Troispasdansl"étrange

Notreobjectifenécrivantcelivre estdedémystifierlathéoriequan- à adopteruneperspectivemoderne,bénéficiantd"unsiècledeprogrèsdes ontconduitlesphysiciensàuneruptureradicaleavec cequiprévalait. deladécouvertedephénomènesnaturelsnepouvantêtre expliqués danslecadredesparadigmes scientifiquesdel"époque.Pourlathéorie unepérioded"innovationexpérimentale et théorique exceptionnelle,qui nomsdesprotagonistes sontgravésdanslamémoiredetouslesétudiants enphysique etilsdominentmêmeaujourd"huilescoursdespremières théoriedesatomesetdesforcesdominantlemonde physique.En1924, Physique.Jamaisauparavantdansl"histoiredelaphysique,on n"apu êtretémoind"unepérioded"activitéaussi intense,oùlesdécouvertes fondamentales sesontsuccédéavecunerapiditévertigineuse.» lathéoriedesquanta,interrogeons-nous surl"originedumot"quantum» lui-même.En1900,c"estMaxPlanckqui introduitcetermeenphysique.

commandequeluiavaitfaiteunesociétéd"éclairage électrique:ilarrive?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.

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idéedePlanck,maisencettebrèveintroduction,qu"ilnous suffisede l"hypothèsequelalumière estémiseparpetitesquantitésd"énergie,qu"il d"unegrandeportée,carils suggéraientquecespetitspaquetsd"énergie physiquemoderne etàIsaacNewton.Maisen1864,lephysicienécossais profonde etlaplusfécondequelaphysiqueaitconnuedepuisl"époque estuneonde électromagnétiquetraversantl"espace,sanatureondulatoire étaitdonc certaine et,semblait-il,inattaquable.Pourtant,lorsd"une comportetoutàlafoiscommeuneonde etcommeuneparticule:cela 6 2 L

EDOND"UBIQUITÉ

quantiquecarc"estl"annéeoùHenriBecquerel,travaillantdans son trèsbizarre,maisqui indiquaitenmêmetempslapistedelanaturedu phénomène:rien nesemblaitendéclencherl"émission;les substances cesfaits[rayonscathodiques,Roentgen,Becquerel]serontsansdouteunjour reliésentre euxet

compléteruntableaudontnouscommençonsàentrevoirl"esquisse».?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.

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VoicicommentRutherfordposaitleproblème en1900:"Tousles rupture,carjusque-là,laphysique étaitfondamentalementdéterministe: siàuninstantdonnéonconnaissait touslesélémentsd"unesituation,on rencontredelaphysique etduhasard danslesphénomènesnaturels,et L"intérieurdesatomes suscitaitdoncbeaucoupd"intérêt,mêmesisa structuredemeurait totalementinconnue.Unedécouvertefondamentale pourbombarderunetrèsmincefeuilled"oravec cequel"on nommaità HansGeigeretErnestMarsden,ilconstata avecuneimmensesurprise Rutherford décrivitplustardcemoment,dans sonlangagecolorési depapierdesoie,etqu"ilrevienne enarrièrenousfrapper.»D"aprèstous unegrandeurnulle.» s"expliquerquesil"atome étaitconstituéd"untrèspetitnoyauenson

1.Environ40centimètres.

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Ledond"ubiquité

lesrenvoyerversl"arrière.L"atomed"hydrogène,l"élémentleplus simple, comporteun noyauconstituéd"unproton,dontlerayonestenviron

1,75×10-15m(soit0,000 000 000 000 001 75mètre,autrementditun

Quantàl"unique électron,autantquenouspuissionsledireaujour- environ100 000foisplusgrandquelediamètrenucléaire.Lenoyau aunecharge électriquepositive etl"électronaunecharge électrique négative,cequisignifiequ"uneforced"attractions"exerce entre eux, analogueàlaforcedegravitéquimaintientlaTerre enorbiteautour lenoyauavaitlatailled"uneballedetennis,l"électron neseraitqu"un graindepoussière enorbiteàunedistanced"unkilomètre.Ceschiffres sont toutàfaitsurprenants,carl"aspectdelamatièresolidenesuggère nullementqu"elle estessentiellementvide. unrayonnementélectromagnétique,commetoutecharge électriquese radio,danslequel lemouvementdesélectrons s"accompagned"émission d"ondes.HeinrichHertzinventacettetechnique en1887,etaumoment oùRutherford découvraitlenoyauatomique,ilexistaitunestationde del"Irlandejusqu"auCanada.Lathéorie électromagnétique étaitdonc parfaitementétablie,d"oùladifficultéà admettrel"hypothèsed"un lumièrerayonnéeparlesatomeslorsqu"ils sontchauffés.Dès1853,le

émisparune étincelleprovoquéedansuntube emplid"hydrogène.On?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.

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réunissant touteslescouleursdel"arc-en-ciel:aprèstout,qu"est-cequele observaquel"hydrogène émettaitdelalumièredetroiscouleursbien desélémentschimiques secomportaitdecettemanière,émettantson JohannesKayseravaitrédigéunouvragederéférence ensix volumes regroupant5 000pages,intituléHandbuchderSpectroscopie(Manuel despectroscopie),recensant touteslesraiesdecouleurémisesàpartir lignescolorées?»C"estqueplusdesoixanteansaprès sadécouverte,la etundésert théorique. occuperquecertainesorbites,l"orbitedeplusbasse énergiesetrouvantla plusprochedunoyau.Ils sontcapablesdesauterd"uneorbiteàl"autre: partird"une étincelledansuntubeparexemple),etretombantaubout lumière estdéterminéeprécisémentparladifférenced"énergie entreles 10

Ledond"ubiquité

deBohr,l"électron nepeutemprunterquedesorbitesparticulières,dites "quantifiées»;unedescentecontinue enspirale endirectiondunoyau est toutsimplementinterdite.Decettefaçon,lemodèledeBohrpermet qu"ildoitexisterdelalumière émiseàlasuited"unsautd"électrons lesrésultatsdeLyman. 3 2 1 suruneorbited"énergieplusbasse. Sionadmetenparticulierquelesatomesdechaque élémentsont ?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit. 11

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caractériséspardesorbites spécifiques,ilsnepourrontjamaisémettreque Lalumière émiseparlesatomesestunmoyendelesidentifier,un tardèrentpasàexploiterl"unicitédesraies spectrales,pourdéterminerla compositionchimiquedesétoiles. embarrassantes subsistaient:qu"est-cequi interditaujusteàl"électron d"évoluerenspirale enperdantdel"énergieparémissiond"ondes delaradio?Et toutd"abord,pourquoilesorbites sont-ellesquantifiées? Mêmeincomplète,cettethéoriemarquaune étapedécisive,etelle resteunbonexempledelamarchedes sciencesversleprogrèsdes questionsnonrésolues,souvent totalementdéconcertantes.Dansdetels cas,lastratégiedes scientifiquesestdeformuleruneconjecture,une supposition.Sicelafonctionne,ausensoùlathéorie estenaccordavec treizeannéesencore. Nousreviendrons surl"histoiredecespremièresidéesquantiquesau coursdulivre;pourl"instantattardons-nous surlamassederésultats alorsqueMaxwelladémontréquelalumière estuneonde,Planck,puis Einstein,réintroduisentl"idéequelalumière estcomposéede particules. structuredesatomes,maislafaçondontlesélectrons s"ycomportent collectivementdésignés souslenomderadioactivité,danslesquelsles atomes sedésintègrentspontanémentsansraisonrepérable,restentun 12

Ledond"ubiquité

hasard danslaphysique.Iln"yaplusdedoute:quelquechosed"étrange sepassedanslemondesubatomique. Lapremière étapeversunevuecohérente etunifiée estunanimement attribuéeauphysicienallemandWernerHeisenberg:onluidoit tout matière etdesforces.Enjuillet1925,ilpubliaunarticlebalayant observables1.»C"estune étapeimportante,carHeisenbergyaffirmeque lesmathématiques sous-jacentesàlathéoriequantiquenecorrespondent tellesquelacouleurdelalumière émisepardesatomesd"hydrogène.Il nefautpas s"attendreàobtenirquelqueimagementalesatisfaisantedu celapeutmême êtreimpossible.D"unseulcoup,Heisenbergélimine notre expériencequotidienne,concernantlemouvementdesobjetsde S"ilnefaitaucundoutequelathéoriequantique estd"unmaniement

laphysiquequantique:Textesfondateurs(EDPSciences)?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.

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"Si lelecteuroulalectriceresteperplexedevantletravaildeHeisenberg, qu"ilouellesachequed"autres sontdanslemêmecas.J"aitentéplusieurs saisi lesraisonsd"Heisenbergpourenchaînerlesétapesmathématiquesde profondsont tendanceàjouerl"undesdeuxrôles suivants:ils sontsoitdes lesarticlesdesphysiciens-sages,maisceuxdesphysiciens-magiciens sont

étaitpuremagie.»

Elle estsimple,etelle estaucoeurdenotreapprochedanscelivre:le proposd"unethéoriedelaNature estdeprévoirlesvaleursdequantités pasdetrouverunethéorie enadéquationavecnotreperceptiongénérale deHeisenberg,nousauronslachanced"aborderplustard danscelivre l"approche plustransparentedeRichardFeynmandumondequantique. fairedesprévisions susceptiblesd"êtreconfrontéesàl"observation.Sielles serévèlentfausses,lathéorie estmauvaise etdoitêtreremplacée.Sielles cetest;caraucunethéorien"est"vraie»,danslesensoùildoit toujours l"aécrit:"Lascience estdubonsensorganisé,oùmaintebellethéoriea réfutation n"estpasunethéoriescientifique-enfaitmême,onpeutaller jusqu"à affirmerqu"elle estdépourvuedetouteinformation.C"estlàce 14quotesdbs_dbs31.pdfusesText_37

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