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lundi 17 mars 2014

Physique quantique

L’avènement de la physique quantique au début du vingtième siècle, suite à l’incapacité de la physique classique de rendre compte de la stabilité de l’atome, a fait voler en éclat les notions de déterminisme via l’introduction de la dualité onde-corpuscule. Il semble acquis que le terme "mécanique quantique" ait été utilisé pour la première fois par le physicien allemand Max Born (1882-1970) dans un papier de 1924 intitulé "Über Quantenmechanik" [1]. Jusqu'en 1924, il n'est donc pas correct de parler de "mécanique quantique" mais plutôt de "théorie des quanta" qui était en fait une restriction des lois de la dynamique classique à l'aide de conditions dites "quantiques" non justifiables sur un plan fondamental. Cette théorie des quantas était ainsi pleine de suppositions arbitraires et de confusions qui atteignirent leur point culminant lors de la découverte du spin. Les traces du traumatisme subi par les physiciens lors du développement de la théorie des quanta sont encore bien visibles aujourd'hui dans le fait que beaucoup de personnes pensent que le spin est une propriété quantique qui ne possède aucun équivalent classique. Si ceci était vrai dans la vieille théorie des quanta, ce n'est plus vrai en mécanique quantique relativiste où l'on peut démontrer que le spin correspond bien à un degré de liberté quantique associé à la rotation d'une particule sur elle-même. L'année 1924 a donc été une année charnière où les physiciens ont enfin abandonné le modèle atomique des orbites utilisé par la théorie des quanta pour adopter la notion d'état quantique indexé par un jeu de nombres entiers ou demi-entiers. Ce qui différencie donc la mécanique quantique de la théorie des quantas c'est que la première est un formalisme mathématique cohérent et auto-suffisant qui décrit parfaitement les propriétés de la matière à une échelle microscopique; alors que la seconde est une collection de règles arbitraires plaquées sur un raisonnement de type classique. Il est donc utile pour la clarté du sujet de bien comprendre ce que l'on entend exactement par les termes: "théorie des quanta", "mécanique quantique", "théorie quantique", "physique quantique", "mécanique ondulatoire", "mécanique des matrices" qui ne peuvent pas être utilisés de manière interchangeable comme on le voir hélas trop souvent. Nous recommandons ici les définitions introduites par Max Jammer [2]:

- La "théorie des quanta" ou "mécanique des quanta" désigne la collection de recettes empiriques employée entre 1899 et 1924 pour comprendre le comportement de la matière et du rayonnement à une échelle microscopique dans un cadre classique.

- La "physique quantique" est la branche expérimentale et théorique de la physique qui étudie les phénomènes quantiques, c'est à dire ceux qui impliquent le quantum d'action h = 6,63·10-34 J·s, aussi appelé "constante de Planck-Einstein".

- La "théorie quantique" est la partie uniquement théorique de la physique quantique qui comprend d'une part la mécanique quantique corpusculaire et la théorie quantique des champs.

- La "mécanique quantique corpusculaire" est une théorie quantique où l'on quantifie le mouvement de la matière tout en la soumettant à des champs classiques obéissant aux équations de Maxwell dans le cas du champ électromagnétique ou aux équations d'Einstein pour le champ de gravitation.



- La "mécanique ondulatoire", dite de Schrödinger-de Broglie, est une formulation spéciale de la mécanique quantique corpusculaire qui utilise pour décrire l'évolution du système quantique des opérateurs différentiels agissant sur des fonctions d'onde continues variant dans l'espace et dans le temps.

- La "mécanique des matrices", développée par Werner Heisenberg, est une autre formulation de la mécanique quantique corpusculaire qui utilise pour décrire l'évolution du système quantique des opérateurs matriciels évoluant dans le temps agissant sur des vecteurs d'états ne dépendant pas du temps.

- La "physique quantique des champs" est une théorie quantique où l'on quantifie le mouvement de la matière ainsi que celui de de tous les champs, à l'exception du champ de gravitation qui obéit toujours aux équations d'Einstein.



- La "gravitation quantique" est une théorie quantique des champs où l'on essaye de quantifier également le champ de gravitation. Ce problème n'est toujours pas résolu à l'heure actuelle et fait l'objet d'intenses spéculations théoriques.



Références

[1] Max Born, "Über Quantenmechanik", Z. Phys., 26 (1924) 379-395.
[2] Max Jammer, "The conceptual development of quantum mechanics", McGraw-Hill, New-York (1966).

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