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Construite pour expliquer les lois du rayonnement, la théorie quantique a débouché sur Enfin sur le plan épistémologique, la physique quantique a provoqué un un maximum pour une longueur d'onde λM dépendant simplement de la
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la physique quantique nécessaire à la compréhension du fonctionnement des horloges atomiques Les auteurs de ce livre ont trouvé la bonne façon d' expliquer comment ces concepts Tout à fait remarquable, enfin, est le point de vue pris plus simplement possible un phénomène, et de composition des vitesses lors-
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quelques notions fondamentales de physique quantique, explique les écueils Enfin, la partie IV regroupe les différents laboratoires virtuels proposés aux C' était donc tout simplement l'incapacité de la physique classique à garantir
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8 Le rayonnement du corps noir et la naissance de la physique quantique 49 8 1 Équilibre entre tout simplement égale `a la somme des probabilités obtenues en fermant l'une ou l'autre des deux fentes : et en fin les écarts type : ∆x = √ Varx (62) expliquer les raies spectroscopiques observées expérimentalement
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pilotes pour les systèmes ouverts et enfin mécanique quantique relativiste sur la théorie de Bohr, qui permet d'expliquer de façon simple, sinon convain- cante Simplement, il existe des problèmes que par nature la physique classique ne
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est l'enfant de la mécanique quantique NOTRE qui se jouait avec la physique quantique, et à quelle profondeur menée avec des électrons, sont simplement invraisemblables qui pourraient s'expliquer dans le point de vue d'Einstein,
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1 1 Physique classique et physique quantique : comparai- la mécanique quantique est une théorie très ambitieuse : prédire (ou au moins expliquer) Enfin, l'équation (3 21) étant vraie pour tout ψ〉, on a bien la relation de confondre le ket noté 0〉, qui est de norme 1 et non nul, avec le ket nul noté simplement 0 48
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de la physique quantique, une “onde” électromagnétique de fréquence ν est un effet Ceci explique simplement l'existence d'une fréquence de seuil Enfin, il n'est pas difficile d'imaginer des situations pour lesquelles P3 > P1 + P2 ou P3
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1 4 Aperçu des postulats de la mécanique quantique 2 3 1 Moyennes des grandeurs physiques été complétés ou simplement ajoutés Paris plus loin et explique les données expérimentales `a l'aide de son mod`ele théorique de Enfin, la théorie quantique des champs (le formalisme de ≪ seconde quantifica-
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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 QuantumUniverse: 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 QuantumUniverse: Everything That Can Happen Does Happen.
Copyright © Apollo"s Children Limited
and Jeff Forshaw, 2011Conception de la couverture : Raphaël Tardif
Illustration de couverture : © pict rider - Fotolia.com © Dunod, Paris, 2013, pour la traduction françaiseISBN 978-2-10-058925-8
SOMMAIRE
Chapitre7.L"Univers surunetêted"épingle!(Oupourquoine 1 TROISPASDANSL"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 estsimplementlàpourdécrireetcellesobservées-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 2Troispasdansl"étrange
inévitableici,pouréviterd"être éblouiàl"excèsparlasimplicitésous- plantesoudeshumains.Cetterestriction neréduitpourtantpasla radicalitéduconstat:touslesphénomènes sontréellementsous-tendus1.Ceux-ci
centatomesdecarbone,d"hydrogène etd"oxygène,imbriquésdans permetdeconstruiredesmoléculesàpartirdegazcarbonique etd"eau, pouvezlirecelivre etencomprendreletextecarvosyeuxconvertissentla égalementdécouvertquelesprotonsetlesneutrons sonteux-mêmesauquelcasilvousfaudraitfaireunpetiteffortd"imagination...?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.
3L"universquantique
detoutcela,ilyalathéoriedesquanta. compris,aucomportementd"unepoignéedeparticules subatomiques,et desquatreforcesquiagissententre elles.Lesmeilleuresdescriptions forte etfaible,quiagissentaucoeurdunoyauatomique,etlaforce morts,lesparticules sontpartoutàlafois,etselonHeisenberg,toutest 4Troispasdansl"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.
5L"universquantique
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 LEDOND"UBIQUITÉ
quantiquecarc"estl"annéeoùHenriBecquerel,travaillantdans son trèsbizarre,maisqui indiquaitenmêmetempslapistedelanaturedu phénomène:rien nesemblaitendéclencherl"émission;les substances cesfaits[rayonscathodiques,Roentgen,Becquerel]serontsansdouteunjour reliésentre euxetcompléteruntableaudontnouscommençonsàentrevoirl"esquisse».?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.
L"universquantique
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"untrèspetitnoyauenson1.Environ40centimètres.
8Ledond"ubiquité
lesrenvoyerversl"arrière.L"atomed"hydrogène,l"élémentleplus simple, comporteun noyauconstituéd"unproton,dontlerayonestenviron1,75×10-15m(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,leémisparune étincelleprovoquéedansuntube emplid"hydrogène.On?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.
9L"universquantique
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 10Ledond"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. 11L"universquantique
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 12Ledond"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"unmaniementlaphysiquequantique:Textesfondateurs(EDPSciences)?Dunod-Toutereproduction nonautorisée estundélit.
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