Site de vulgarisation scientifique d'Etienne Klein
"Il me plaît de penser que la physique est une sorte d’alpinisme intellectuel consistant à grimper jusqu’à des hauteurs himalayennes où le logos est rare et la vérité mutique."
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Erwin Schrödinger (1887 – 1961)


Schrodinger

L’homme d’une équation…


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…et de plusieurs femmes

« Aimez une fille de tout votre cœur, et embrassez-la sur la bouche : alors le temps s’arrêtera, et l’espace cessera d’exister. »

Erwin Schrödinger

Schrödinger, le grand amoureux des femmes

S’il n’était pas bel homme, c’était plutôt un grand romantique, qui idéalisait les femmes, mais aussi la jeunesse, et aimait le caractère tumultueux et fougueux du sentiment amoureux… Il tenait un journal intime, baptisé Les Ephémérides, dans lequel il notait les prénoms de ses conquêtes, le dénouement de chaque aventure, quelques vers pour chacune et analysait scrupuleusement ce qu’il venait de saisir de l’essence de la féminité.

Formation

Erwin Schrödinger naît le 12 août 1887 à Vienne, ville animée fréquentée à la fois par les artistes et des intellectuels de l’époque. Fils unique, il reçoit la visite d’un professeur chez lui et est également instruit pas sa famille : il apprend l’anglais et devient bilingue, et a également accès à l’immense bibliothèque de ses parents. A onze ans, il étudie dans un prestigieux lycée de Vienne, où il est brillant. Il se passionne à la fois pour les matières scientifiques (mathématiques et physique) et les lettres (langues anciennes et littérature). Ce deuxième intérêt explique sans doute pourquoi il adresse déjà des sonnets aux jeunes filles dont il s’éprend…

Dix ans plus tard, il entre à l’université de Vienne où il suit assidûment les cours de physique et de philosophie. Après ses études, il y est recruté en tant qu’assistant de physique expérimentale.

L’équation de Schrödinger

Lorsque la première Guerre éclate, il est envoyé au front, où, trouvant le temps long, il publie des articles sur le mouvement brownien et continue à écrire des cahiers de philosophie. Il se procure également l’article sur la théorie de la relativité générale d’Einstein et se passionne pour cette lecture.

Schrödinger, très courageux pendant la guerre de 14-18, découvre Einstein et Schopenhauer sur le front italien…

Démobilisé, il se tourne vers la philosophie. Assistant en physique à l’université, il se marie mais c’est un mariage qui va rapidement battre de l’aile, d’autant plus que Schrödinger passe son temps à voyager pour son travail. Parallèlement, il étudie la thèse de de Broglie qui affirme que les électrons peuvent se comporter comme des ondes et non seulement comme des corpuscules.

En décembre 1927, une escapade dans les Grisons avec une maîtresse lui permet d’inventer une équation qui décrit les ondes associées aux électrons dont parlait de Broglie. En la résolvant pour l’atome d’hydrogène, il obtient des résultats cohérents avec les niveaux d’énergie de l’atome proposés par Bohr ! Cette équation est la fameuse « équation de Schrödinger ».

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Schrödinger pointe du doigt le paradoxe de la physique quantique : d’après les lois de la physique, les objets qui nos entourent semblent avoir un comportement « classique », alors que leurs composantes ot un comportement quantique qui est parfois difficile à conceptualiser…

Et qu’en est-il du chat de Schrödinger ?

Un paradoxe qui va occuper les physiciens de son époque est celui d »’états superposés » : autrement dit, les équations de la physique quantique donnent des résultats qui permettent aux objets physique d’être dans plusieurs états à la fois ! Convaincu qu’i s’agit d’une erreur d’interprétation, Schrödinger écrit à Einstein cet exemple du chat. L’expérience consiste à imagier une boîte contenant un chat, un marteau prêt à s’abattre sur une fiole contenant un gaz mortel. On suppose qu’un « détecteur de particules émises par la désintégration d’un atome » hypothétique est relié au marteau et l’actionne si la désintégration a lieu.

Pour décrire un système, la physique de l’époque le décrivait comme la somme des états des systèmes correspondant au cas où l’atome est désintégré et au cas où il n’est pas désintégré. Conceptuellement « acceptable », Schrödinger trouve ceci absurde car si l’on rapporte ce fonctionnement au système du chat, l’état « atome non désintégré » correspond au chat mort, auquel il faut ajouter l’état « atome désintégré » correspondant au chat vivant ! Cette description du système revient à penser que le chat se trouve dans un état intermédiaire entre mort et vivant, impossible à concevoir pour Schrödinger…

Pour approfondir, voir chapitre « Erwin Schrödinger, l’homme des superpositions », dans Il était sept fois la Révolution

…de gauche à droite : Sheila Power, Pádraig de Brún, Paul Dirac, Eamon de Valera, Arthur Conway, Arthur Eddington, lui-même, et Albert J. McConnell, en 1942 lors d’un colloque à Dublin

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Les secrets de la matière

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Des particules élémentaires à l’Univers, du big bang aux accélérateurs de particules, en passant par la radioactivité ou l’énergie atomique, Etienne Klein nous guide dans un fascinant voyage au coeur de la matière. Comment expliquer que des matériaux aussi différents que le fer, l’eau ou l’oxygène soient composés de particules identiques ? Qu’est-ce que la radioactivité ? Quels processus ont généré l’Univers tel que nous le connaissons aujourd’hui ? En répondant à ces questions, l’auteur nous fait comprendre les lois qui s’exercent au sein de l’atome aussi bien que celles qui régissent le mouvement des galaxies.

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Il était sept fois la révolution

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Certaines révolutions sont lentes et ne font pas couler de sang. Entre 1925 et 1935, la physique a connu un tel bouleversement : les atomes, ces petits grains de matière découverts quelques années plus tôt, n’obéissaient plus aux lois de la physique classique. Il fallait en inventer de nouvelles, penser autrement la matière. Une décennie d’effervescence créatrice, d’audace, de tourments, une décennie miraculeuse suffit à un petit nombre de physiciens, tous jeunes, pour fonder l’une des plus belles constructions intellectuelles de tous les temps : la physique quantique, celle de l’infiniment petit, sur laquelle s’appuie toujours la physique actuelle. Originaux, déterminés, attachants, pathétiques parfois, ces hommes ont en commun d’avoir été, chacun à sa façon, des génies. Dispersés aux quatre coins de l’Europe, à Cambridge, Copenhague, Vienne, Göttingen, Zurich ou Rome, ils se rencontraient régulièrement et s’écrivaient souvent. Leurs travaux se faisaient écho, suscitant l’admiration des uns, la critique des autres, jusqu’à ce qu’ils constituent un édifice formel cohérent. Ce livre rend hommage à quelques-uns de ces hommes remarquables : George Gamow, Albert Einstein, Paul Dirac, Ettore Majorana, Wolfgang Pauli, Paul Ehrenfest et Erwin Schrödinger.

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Wolfgang Pauli (1900 – 1958)


Schrodinger

Dans la discussion
Tout son corps se balance.
Quand il défend une thèse
Jamais la vibration ne s’arrête.
Il développe des théories éblouissantes
Tout en se rongeant les ongles.

Poème écrit par George Gamow à propos de Pauli


Formation

Wolfgang Pauli est né à Vienne en 1900. A cette époque, c’est une ville fourmillante d’intellectuels, ce qui est accentué par le milieu très intellectuel que forme et fréquente sa famille.

A l’école, c’est un très bon élève, qui est (déjà) farceur et donne des surnoms à ses professeurs pour amuser ses camarades. Il commence très tôt à lire de manière autonome des livres de physique, ce qui l’amène à publier des articles originaux sur la relativité générale d’Einstein dès 18 ans. Ces articles seront suivis d’une interprétation physique de la relativité générale et du formalisme mathématique associé : ce texte est salué par Einstein lui-même.

Il échappe à la mobilisation de la première Guerre Mondiale « grâce » à une faiblesse cardiaque. Il part donc faire ses études à Munich en 1918, avec pour professeur Sommerfeld. Toujours élève brillant, il préfère potasser ses livres de physique toute la nuit et ne vient guère au cours du matin. Parallèlement à ses cours, il fait de la recherche, où il se montre très productif et utile.


Intérêt pour la physique et premières découvertes

Il rencontre Bohr et s’allie très rapidement avec lui pour interpréter les spectres des atomes. En effet, lorsqu’un atome est excité (si on le chauffe par exemple), il émet une lumière composée de différentes fréquences bien définies, ce qui constitue des « raies » lumineuses nettement séparées les unes des autres. Le problème que les physiciens de l’époque n’arrivent pas à expliquer avc la physique classique est que le nombre de raies théoriques et constatées par l’expérience ne coïncident pas pour tous les atomes !

Pauli résout ce problème d’une manière originale : en effet, les particules sont, à son époque, décrites par trois nombres quantique. Il se rend compte qu’un nouveau nombre quantique est nécessaire pour rendre compte de tous les états. Ce nombre (baptisé plus tard « spin ») prend les valeurs ½ ou -½ et rend compte du sens de rotation de la particule. Il énonce du même coup le principe d’exclusion, qui affirme que deux électrons d’un même atome ne peuvent être dans le même état quantique. Ces avancées fondamentales permettent du même coup de comprendre le remplissage progressif du tableau périodique !

Un physicien au sacré caractère

Après ses découvertes, Pauli acquiert une certaine notoriété. Extrêmement sûr de lui, il devient un personnage majeur dans la validation ou non de nouvelles théories physiques. Il critique et méprise tout ce qui ne semble pas rigoureux, et son ton cassant lui vaut le surnom « le fouet de Dieu » de son ami Ehrenfest

Une anecdote relatant son fameux caractère est que son assistant voulait publier un article avec une erreur de calcul, qui a été remarquée et critiquée sévèrement par Pauli. L’assistant dit alors vouloir « arrêter la physique car [il ne se remettrait] jamais de cette bévue ». Sur quoi Pauli lui répond qu’une seule personne n’a jamais mis d’erreur dans ses articles : lui-même !

Pauli devient professeur, mais est un très mauvais pédagogue. Très fêtard, boit beaucoup. Se marie, qui se révèle très rapidement être un échec. Dans une tentative de remettre de l’ordre dans sa vie, il suit une psychanalyse et analyse ses rêves chez Jung.

Dernières recherches et liens avec la philosophie

Pauli mène des recherches sur la radioactivité. Le grand problème qui agite le monde de la science est d’expliquer la désintégration bêta. Pauli, qui a cette fois encore trouvé une solution originale au problème, rend à Rome en 1931 pour expliquer à Pauli sa théorie. Selon lui, une nouvelle particule neutre (qu’il baptise neutrino) est émise à chaque fois qu’un atome se désintègre par radioactivité bêta. Ces fameux neutrinos, qui seront effectivement observé 25 ans plus tard, sont la source de nombreux mystères aujourd’hui.

En 1934, il se remarie, et part avec sa femme aux Etats-Unis à cause de la seconde Guerre Mondiale. Il obtient (enfin) le Prix Nobel en 1945, puis il revient à Zurich où il continue à enseigner.

Il reste bon ami d’Einstein, malgré leur divergence de plus en plus importante sur le rôle et l’utilisation de la physique quantique. Déjà adepte de l’interprétation des rêves, il s’intéresse à la philosophie d’une façon presque mystique. Par exemple, il recherche les liens entre la psychologie et l’inconscient, et la science. Il publie même un livre intitulé « L’influence des notions archétypales sur la formation des théories scientifiques ».

Pour approfondir, voir chapitre « Les variations cachées de Wolfgang Pauli », dans Il était sept fois la Révolution

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Niels Bohr (1885 – 1962)


Bohr


“La prédiction est un exercice très compliqué, spécialement quand elle concerne le futur.”

Débat entre Niels Bohr et Albert Einstein à propos de la réalité de la physique quantique :
« Dieu ne joue pas aux dés ! »
« Qui êtes-vous, Einstein, pour dire à Dieu ce qu’il doit faire ? ».

Niels Bohr


Formation, découvertes et prix Nobel

Niels Bohr naît le 7 octobre 1885 à Copenhague. C’est un enfant assez sportif : il joue au football, mais néanmoins moins bien que son frère cadet, mathématicien et également très sportif puisqu’il représente le Danemark aux Jeux Olympiques de 1908.
Il entre à l’université de Copenhague en 1903 où, seulement 3 ans plus tard, il obtient une récompense de l’académie royale danoise des sciences et des lettres. Il rencontre ensuite les fondateurs des premiers modèles de l’atome, Thomson et Rutherford, et part travailler avec ce dernier en Angleterre. Il publie assez rapidement un modèle de l’atome sous la forme d’un noyau autour duquel gravitent des électrons sur plusieurs couches, en ayant la possibilité de changer de couche en émettant un quantum d’énergie (le photon). Quelques années plus tard, il obtient une équation qui permet de calculer les niveaux d’énergie possibles pour l’électron au sein de l’atome d’hydrogène.

Il obtient le prix Nobel de physique en 1922 pour ses recherches concernant la structure des atomes et les radiations qu’ils peuvent émettre. Bohr, scientifique très apprécié de ses compatriotes danois, reçoit en cette occasion un cadeau de la brasserie Carlsberg. Il s’agit d’une maison située près de la brasserie, qui a un robinet de bière qui s’y approvisionnait directement!

Positionnement face au nucléaire

A la fin des années 30, il continue à concentrer ses recherches sur le noyau atomique. Cependant, le climat hostile en Europe et l’occupation du Danemark le contraignent à s’échapper en Suède, en raison des origines juives de sa mère. Il arrive clandestinement en Angleterre, puis aux Etats-Unis, où il travaille pour le projet Manhattan. Après la guerre, il revient dans son pays où il œuvre pour une utilisation pacifique de l’énergie nucléaire. Il participe notamment à la création du CERN.
Il meurt à Copenhague en 1962.

Anecdote

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En cherchant Majorana

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«Ettore Majorana m’est «tombé dessus» lorsque je commençais mes études de physique. Ce théoricien fulgurant a surgi dans l’Italie des années vingt, au moment où la physique venait d’accomplir sa révolution quantique et de découvrir l’atome. En 1937, il publia même un article prophétique dans lequel il envisage l’existence de particules d’un genre nouveau, qui pourraient résoudre la grande énigme de la matière noire. Ce jeune homme maigre, aux yeux sombres et incandescents, était considéré comme un génie de la trempe de Galilée. Mais de tels dons ont leur contrepoids : Majorana ne savait pas vivre parmi les hommes, et c’est la pente pessimiste et tourmentée de son âme qui finit par l’emporter. A l’âge de trente et un ans, il décida de disparaître et le fit savoir. Une nuit de mars 1938, il embarqua sur un navire qui effectuait la liaison Naples-Palerme et se volatilisa.» Etienne Klein est parti sur les traces de cette comète, à Catane, Rome, Naples et Palerme. Il a rencontré des membres de la famille Majorana, fouillé les archives, analysé l’ouvre, avec le secret espoir que ce scientifique romanesque cesserait enfin de se dérober.

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Petit voyage dans le monde des quanta

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En 1905 apparaissait une nouvelle physique qui allait révolutionner la façon de décrire la matière et ses interactions : la physique quantique. Avec elle s’ouvraient les portes d’un monde qui n’obéit pas aux lois de la physique classique : l’infi niment petit, avec ses atomes et ses particules. Elle obligea ses pères fondateurs, Einstein, Bohr, Heisenberg et Schrödinger notamment, à rediscuter le déterminisme et les critères de réalité de la physique classique, ainsi que la traditionnelle séparation entre observateur et objet observé. Pour la première fois dans l’histoire des sciences, une discipline exigeait même que soit mis en œuvre un travail d’interprétation afi n d’être comprise et appliquée : quelle sorte de réalité représente le formalisme quantique ? Aujourd’hui, quel crédit convient-il d’accorder aux diverses interprétations proposées depuis les années 1920 ? La physique quantique ne laisse pas d’intriguer, de fasciner, d’exaspérer parfois. Elle demeure pourtant méconnue, victime de stéréotypes : on l’invoque pour cautionner tel phénomène étrange, mais on néglige d’en décrire les principes fondamentaux. Quels sont ces principes qui trouvent des applications toujours plus fascinantes, du laser à la cryptographie quantique, en passant par la téléportation ? D’où provient cette incroyable efficacité de la physique quantique ?

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Le facteur temps ne sonne jamais deux fois

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Chose déroutante, décidément, que le temps. Nous en parlons comme d’une notion familière, évidente, voire domestique, “gérable”. Nous parlons même d’un “temps réel” pour évoquer l’instantanéité, c’est-à-dire le temps sur lequel nous n’avons aucune prise. Les physiciens, eux, l’ont couplé à l’espace, en ont fait une variable mathématique, abstraite, qu’ils intègrent dans des théories audacieuses, spectaculaires, mais si complexes qu’elles sont difficiles à traduire en langage courant. Certains disent même avoir identifié le moteur du temps. Quant aux philosophes, ils ne cessent depuis plus de deux millénaires de soumettre le temps au questionnement : est-il une sorte d’entité primitive, originaire, qui ne dériverait que d’elle-même ? Ou procéderait-il au contraire d’une ou plusieurs autres entités, plus fondamentales : la relation (de cause à effet, par exemple) ? Le temps s’écoule-t-il de lui-même ou a-t-il besoin des événements qui s’y déroulent pour passer ? S’apparente-t-il au devenir, au changement, au mouvement ? Et au fait, le temps a-t-il eu un commencement ? Aucune discipline ne parvient à épuiser, à elle seule, la question du temps. C’est pourquoi nous avons croisé les regards des philosophes avec ceux des physiciens. Et que se passe-t-il ? Sans aucun doute de belles et troublantes choses…

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Comment la physique quantique est-elle née ? 3/6

Pourquoi les quanta sont-ils si troublants ? 3/6

2:03 Article d’Einstein (1905) : quantification de l’énergie, nature corpusculaire de la lumière
3:37 L’effet photoélectrique : description et interprétation
5:57 Interférences lumineuses, expérience de Young, nature ondulatoire de la lumière
8:33 Expérience de Young avec des électrons
12:29 Critère quantique, action (grandeur physique)
16:12 Quand doit-on faire appel à la physique quantique ? Exemples : montre, antenne de radio, atome d’hydrogène, noyau de l’atome ; systèmes macroscopiques quantiques
22:11 Percée théorique des années 20 : nature ni corpusculaire, ni ondulatoire des objets quantiques
26:03 Le principe de superposition : notion d’état physique et problème de sa représentation, remarque mathématique sur les espaces vectoriels et les vecteurs d’état 
34:32 Le principe de superposition comme principe fondamental de la physique quantique ; citation de Dirac
36:00 De l’espace physique à l’espace abstrait hilbertien : la question de l’interprétation de la physique quantique
38:08 Fonctions d’onde complexes, obtention de l’équation de Schrödinger à partir du principe de superposition (Feynman)
42:32 Application de l’équation de Schrödinger : le spectre de l’atome d’hydrogène, l’oscillateur harmonique
44:33 Principe d’indétermination d’Heisenberg (1927) : erreurs d’interprétation

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Le pays qu’habitait Albert Einstein

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Albert Einstein, c’est l’audace intellectuelle alliée à une fraîcheur déconcertante, c’est l’imagination ardente soutenue par une obstination imperturbable. Mais comment approcher une façon de penser et de créer à nulle autre pareille ?
Étienne Klein est parti sur ses traces, il s’est attaché aux époques et aux villes où le destin d’Einstein a basculé : Aarau où, à seize ans, Einstein se demande ce qu’il se passerait s’il chevauchait un rayon de lumière ; Zurich, où il devient ingénieur en 1901 et se passionne pour la physique expérimentale ; Berne où, entre mars et septembre 1905, il publie cinq articles, dont celui sur la relativité restreinte qui révolutionnera les relations de l’espace et du temps, tout en travaillant à l’Office fédéral de la propriété intellectuelle ; Prague où, en 1912, il a l’idée que la lumière est déviée par la gravitation, esquissant ainsi la future théorie de la relativité générale. Puis Bruxelles, Anvers et, enfin, Le Coq-sur-Mer où, en 1933, Einstein se réfugie quelques mois avant de quitter l’Europe pour les États-Unis. Définitivement.
Albert Einstein (1879-1955), c’est une vie d’exils successifs, arrimée à la physique. C’est un art du questionnement fidèle à l’esprit d’enfance. C’est un mystère qu’Étienne Klein côtoie avec autant d’affection que d’admiration.

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Comment la physique quantique est-elle née ? 2/6

Comment la physique quantique est-elle née ? 2/6

2:00 Modèle de l’atome de Rutherford (1911), analogie avec le système planétaire, rayonnement synchrotron
7:15 Modèle de Bohr (1913), saut quantique, injection de h dans la matière
12:13 Influence de la relativité générale à l’époque (1916)
16:04 Pères fondateurs de la Physique quantique, intérêt pour l’atome, génie européen
20:02 Anecdote sur la découverte de l’équation de Schrödinger (1925), contributions d’Ehrenfest, de Pauli, de Gamow, de Dirac
23:48 Ettore Majorana, son génie, sa disparition
26:54 Questions du public

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De quoi la matière est-elle le nom ?

0:00 L’atome des grecs (Démocrite) et l’atome des physiciens
3:11 Peut-on définir la matière ?
5:14 L’autorité de l’image (Roland Barthes)
6:21 Les chambres à bulles (Glaser)
10:20 Les propriétés spontanées de la matière sont-elles fiables ? Y a-t-il une loi de conservation de la matière ?
14:28 Contre-exemple en physique des particules : une collision au LHC ; la conservation de l’énergie et ses implications
16:52 Le vide n’est pas vide ! Les petites particules Belles au bois dormant
19:03 Masse et matière, deux concepts distincts

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Paul Dirac (1902 – 1984)


Dirac

Qu’est-ce que la beauté des équations ?

« Si vous ne connaissez pas vous-même les mathématiques, je ne pourrai pas vous l’expliquer, car vous ne me comprendriez pas ; et si vous connaissez les mathématiques, alors vous savez déjà ce que j’entends pas là…»

“Toute loi physique doit être empreinte de beauté mathématique.”

Paul Adrien Maurice Dirac

Dirac le taciturne

Paul Adrien Maurice Dirac est, à son époque, particulièrement réputé pour son laconisme, son économie de mots presque déplacée. De nombreuses anecdotes ont été rapportées à ce sujet.

Il aurait redouté les interviews avec les journalistes. En 1931, en séjour à l’université du Wisconsin, Dirac répondit ainsi à un journaliste lors d’un entretien :

– Professeur Dirac, j’ai remarqué que vous aviez beaucoup d’initiales devant votre nom de famille : P, A, et M. Ont-elles une signification particulière ?
– Non.
– Vous voulez dire que je peux les interpréter à ma guise ?
– Oui.
– Par exemple, si je disais que les lettres P, A et M signifient Poincaré, Aloysius et Mussolini, cela vous irait ?
– Oui.
– Pouvez-vous me donner des nouvelles de vos recherches ?
– Non.
– Qu’est-ce que vous aimez le plus en Amérique ?
– Les pommes de terre.
– Allez-vous au cinéma ?
– Oui.
– Quand ?
– En 1920.
– ?
Après un long silence :
– Peut-être aussi en 1930.

Nul n’a jamais entendu Dirac faire une tirade, une remarque triviale, ce qui, d’un autre côté, donnait du poids à ses paroles. Indifférent au froid, à la pluie, à l’inconfort, à la mauvaise qualité de la nourriture, Dirac aurait pu travailler sur une île déserte. Malgré son comportement à la limite de l’autisme, il fut un chercheur prolifique.

Petit florilège des anecdotes liées à Paul Dirac dans cette chronique du Monde selon Etienne Klein :

Une formation d’ingénieur

Paul Dirac est né à Bristol le 8 août 1902. A 16 ans, il part étudier le génie électrique à l’université de Bristol. Mais une fois son diplôme en poche, n’arrivant pas à obtenir de poste, il se passionne pour la relativité générale d’Einstein. Ainsi, il demande, puis obtient une bourse pour étudier pendant deux ans les mathématiques à l’université de Bristol dans le but de mieux comprendre les aspects de cette théorie qui le fascine tant.

Ceci lui permet d’obtenir en 1923 un poste au Département de recherche scientifique et industrielle à Cambridge. Il se passionne pour le modèle de l’atome successivement perfectionné par Rutherford, Bohr, Sommerfeld, dont il refait les calculs. Il s’intéresse au modèle de l’électron proposé par Bohr et par Heisenberg.

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La beauté mathématique

Fasciné par la beauté des équations et du raisonnement mathématique, il pense qu’on peut parvenir à déterminer l’exactitude d’une théorie par son élégance mathématique. Son premier article, en 1925, met en évidence les différences entre formalisme de la physique quantique et de la physique classique, et lui assure une certaine notoriété. Il suit les grands débats scientifiques de l’époque sur les formalismes de la physique quantique mais ne s’y engage pas. En 1927, il commence la rédaction des Principes de la mécanique quantique, qui sera édité en 1930.

Complément : ce qui est mathématiquement beau est-il physiquement vrai ?

Anecdotes et efficacité des invariances en physique

L’équation de Dirac

Le grand problème de l’époque consistait en l’utilisation de l’équation de Schrödinger, dont les physiciens disposent depuis 1925. Le problème de cette équation, c’est qu’elle est adaptée aux particules les plus lentes seulement… Pendant une année entière, Dirac va travailler d’arrache-pied pour trouver une formulation adaptée aux particules les plus rapides et obtenir, en 1928, une équation d’onde relativiste pour l’électron, qui satisfait à la fois les principes de la physique quantique et les principes de la relativité. Il résout cette équation pour une particule libre, c’est-à-dire sans interaction avec d’autres particules : et obtient la probabilité de trouver l’électron dans un endroit dans un certain état.

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A l’époque où monde scientifique est en pleine révolution, où les théories s’additionnent en ayant l’air de se contredire, Dirac a une confiance absolue en son équation. C’est grâce à lui que l’existence d’une antiparticule de l’électron, puis de l’antimatière comme écho à la matière, ont été acceptés par les autres physiciens. Il reçoit le prix Nobel en 1933 (qu’il voulait d’abord refuser).

De retour à Cambridge, à la chaire occupée par Isaac Newton, il se consacre aux problèmes fondamentaux de la physique. A sa retraite en 1970, il prend un poste de professeur en Floride et continue parallèlement à rédiger des articles. Il en publie soixante, et même un petit livre sur la relativité générale, jusqu’à sa mort en 1982.

Dirac et la prédiction de l’antimatière

Pour approfondir, voir chapitre « Paul Dirac ou la beauté silencieuse du monde », dans Il était sept fois la Révolution

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La gravitation quantique à boucles

Carlo Rovelli

Rovelli

Physicien et historien des sciences, Carlo Rovelli est l’un des pères fondateurs de la théorie de la gravitation quantique à boucles, qui vise à établir un cadre formel permettant de décrire la force gravitationnelle à très petite échelle, et qui opère une refonte complète des concepts d’espace et de temps. Il dirige le groupe de recherche en gravité quantique au Centre de physique théorique de Marseille-Luminy.

Un extrait de son ouvrage Sept brèves leçons de physique, paru aux éditions Odile Jacob, extrait qui présente les grandes idées de la théorie de la gravitation quantique à boucles et qui explique en particulier comment cette théorie décrit le temps.

La gravitation quantique à boucles


Rovelli

Un axe de recherche majeur centré sur la tentative de résoudre le problème […] est la gravité quantique « à boucles », développée par une patrouille de chercheurs disséminés dans plusieurs pays du monde, dont la France est un des premiers. La gravité quantique à boucles cherche à combiner la relativité générale et la mécanique quantique directement, sans rien y ajouter. C’est une tentative prudente car elle n’utilise pas d’autres hypothèses que ces deux théories mêmes, opportunément réécrites jusqu’à les rendre compatibles. Mais ses conséquences sont radicales : une modification profonde de la structure de la réalité.
L’idée est simple. La relativité générale nous a appris que l’espace n’est pas une boîte inerte, mais quelque chose de dynamique : un champ, une espèce d’immense mollusque mouvant dans lequel nous sommes plongés, qui peut se comprimer et se tordre. La mécanique quantique, d’autre part, nous apprend que chaque champ est fait de quanta : il a une structure fine granulaire. Il s’ensuit que l’espace physique est lui aussi « fait de quanta ».
La prédiction centrale de la théorie des boucles est donc que l’espace physique n’est pas continu, il n’est pas divisible à l’infini, il est formé de grains, d’ « atomes d’espace ». Ces grains sont très petits : un milliard de milliards de fois plus petits que le plus petit des noyaux atomiques. Des millions de milliards de fois plus petits que la plus petite distance qu’arrivent à sonder nos instruments les plus puissants, comme le grand accélérateur de particules de Genève.
La théorie décrit ces atomes d’espace de façon mathématique et fixe les équations qui déterminent leur évolution. On les appelle boucles, ou anneaux, parce que chaque atome d’espace n’est pas isolé, mais relié à d’autres, formant un réseau de relations qui tisse la trame de l’espace physique comme des anneaux de fer tissent une cotte de mailles.
Où se trouvent ces quanta d’espace ? Nulle part. Ils ne sont pas dans l’espace, puisqu’ils constituent eux-mêmes l’espace. L’espace est créé par l’interaction mutuelle des quanta de gravité individuels. Encore une fois, le monde semble être relation avant d’être un ensemble d’objets.
Mais c’est la deuxième conséquence de la théorie qui est la plus extrême. De même que disparaît l’idée de l’espace continu qui contient les choses, de même disparaît l’idée d’un « temps » continu élémentaire et primitif qui s’écoule indépendamment des choses. Les équations qui décrivent des grains d’espace et de matière ne comportent plus la variable temps.
Cela ne signifie pas que tout est immobile et qu’il n’existe pas de changement. Au contraire, cela signifie que le changement est partout, mais que les processus élémentaires ne peuvent pas être ordonnés dans une succession d’instants commune. A la très petite échelle des quanta d’espace, la danse de la nature ne s'effectue pas au rythme de la baguette d'un seul chef d'orchestre, d'un seul temps : chaque processus danse indépendamment de ses voisins, à son propre rythme. L’écoulement du temps est interne au monde, il naît dans le monde même, à partir des relations entre des événements quantiques qui sont le monde et qui sont eux-mêmes la source du temps.
Le monde que décrit cette théorie s’éloigne encore plus du monde qui nous est familier. Il n’y a plus d’espace « contenant » le monde, et il n’y a plus de temps « au cours duquel » ont lieu les événements. Il n’y a que des processus élémentaires où des quanta de matière interagissent continuellement.

Extrait de Sept brèves leçons de physique

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Qu’est-ce que la relativité restreinte ?

0:00 Ambitions d’Einstein en 1902 ; office des brevets à Berne
2:37 La synchronisation des horloges, une priorité nationale
4:10 1905, l’année miraculeuse de la physique
6:16 L’effet photoélectrique ; postulat des quanta de lumière
9:06 Le mouvement brownien ; postulat puis vérification (Perrin, 1906) de l’existence de l’atome
11:20 Peut-on synchroniser des horloges à distance ?
12:25 Théories dominantes au XIXe siècle : la mécanique et l’électromagnétisme ; incompatibilité de ces deux théories : l’éther luminifère
16:59 Principe de relativité : le mouvement (rectiligne uniforme) est comme rien
20:37 Mise à mort de l’éther par Einstein
21:55 Questions posées par Einstein dans l’article de juin 1905
25:10 La relativité restreinte, une théorie universelle de l’espace-temps
26:46 Un observateur en chute libre ne sent pas son poids : le principe d’équivalence
29:23 La fin du temps universel newtonien, exemple des deux lampes
35:28 Tautologie : « vitesse d’écoulement du temps » 
39:39 Autant de temps propres que d’observateurs ; le problème du vocabulaire
42:12 Paradoxe des jumeaux de Langevin
43:50 Lien entre l’inertie et l’énergie d’un corps : E = mc2, la vitesse de la lumière devient une constante universelle de la physique
49:00 Applications de E = mc2
51:05 Implication de l’existence d’une vitesse limite ; l’inertie n’est pas la masse
53:24 Exemple de collision au LHC ; collision particule – antiparticule
56:28 Vraie formule E2 = m2c4 + p2c2 : existence possible de particules sans masse, se déplaçant à la vitesse de la lumière

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Le Congrès Solvay de 1927

Physicien théoricien (allemand, puis anglais), il est principalement connu pour son importante contribution à la physique quantique. Il a été le premier à donner au carré du module de la fonction d’onde la signification d’une densité de probabilité de présence.
Figure monumentale de la physique, monolithe écrasant, mythologie gelée à lui tout seul : que faudrait-il dire de plus ?

Qui était Albert Einstein ?
Qu’est-ce que la relativité restreinte ?
Qu’est-ce que la relativité générale ?
Ce physicien néérlandais s’est consacré à l’étude de la constitution de la matière et la nature de la lumière. Il est co- lauréat du prix Nobel de Physique de 1902.
Physicienne et chimiste franco-polonaise, elle découvrit avec son époux Pierre Curie deux nouveaux éléments radioactifs, le radium et le polonium. Cette découverte leur valut l’attribution du prix Nobel de 1903, en même temps qu’Henri Becquerel. En 1911, elle obtint le prix Nobel de chimie et fut la seule femme présente au congrès Solvay cette année-là.

Qui était Marie Curie ?
Physicien allemand qui fut le père du quantum. En 1900, il découvrit, à sa plus grande surprise et sans y croire vraiment, la quantification des échanges d’énergie entre la matière et la lumière. Le formalisme de la physique quantique, construit au cours des années 1920, en découlera.

Qui était Max Planck ?
Ingénieur des mines, il fut pendant toute sa carrière directeur associé du laboratoire de recherches General Electrics. Ses travaux sur la physique des nuages ont permis de mettre au point le déclenchement artificiel de la pluie ou “ensemencement des nuages”. Il est lauréat du prix Nobel de Chimie de 1932 pour ses travaux sur la chimie des surfaces.
Physicien français, auteur d’une célèbre théorie du magnétisme et connu pour avoir introduit en France la théorie de la relativité d’Einstein.
Professeur Suisse, spécialisé en relativité restreinte. A l’époque, il fournit la meilleurs vérification expérimentale de la variation de la masse d’un objet en fonction de sa vitesse.
Ce physicien fut le premier et le seul écossais à recevoir le prix Nobel de Physique. C’est lors d’une randonnée que, frappé par la beauté des nuages, il décida de reproduire ce phénomène en laboratoire. C’est ses recherches sur la physique des nuages qui lui valurent le prix Nobel en 1927.
Il fut lauréat du prix Nobel de physique de 1928. Cependant, la Fondation Nobel ne décerna pas de prix en Physique cette année-là, car les travaux des nominés ne satisfaisaient pas tous leurs critères… Son prix ne lui fut donc délivré qu’une année plus tard, en 1929.
Physicien danois, qui joua un rôle déterminant dans l’édification de la mécanique quantique, notamment en proposant en 1913 un modèle de l’atome qui n’était pas compatible avec les lois classiques. Il obtint le prix Nobel en 1922.

Qui était Niels Bohr ?
Physicien français qui obtint le prix Nobel en 1929 pour sa découverte de la nature ondulatoire des électrons.
Physicien américain, lauréat du prix Nobel en 1927 « pour la découverte de l’effet nommé en son nom qui a apporté en 1922 la preuve de l’aspect corpusculaire du rayonnement électromagnétique.
Physicien britannique, réputé pour son laconisme, il écrivit en 1928 l’équation qui lui permit de prédire deux ans plus tard l’existence de l’antimatière.

Qui était Paul Dirac ?
Physicien néerlandais, collaborateur de Niels Bohr, qui a participé au développement de la mécanique quantique et à ses applications aux propriétés optiques et magnétiques de la matière.
Physicien australien, il se forma à Cambridge et s’intéressa beaucoup aux structures des cristaux. Il reçut avec son père le prix Nobel de Physique en 1915 pour leurs travaux d’analyses cristallines aux rayons X.
Physicien danois, notamment connu pour ses travaux sur les écoulements moléculaires de gaz.
Formé à l’Université de Munich, il enseigna la physique en Allemagne avant d’émigrer aux Etats-Unis au moment de la seconde Guerre Mondiale. Ses travaux sur les moments dipolaires, les rayons X et les électrons dans les gaz lui valurent le prix Nobel de Chimie en 1936.
Héritier d’une grande lignée de scientifiques puisque son père et son grand-père occupèrent une chaire au Collège de France. Mobilisé pendant la première guerre mondiale dans le service de radiotélégraphie, c’est dans ce domaine qu’il se spécialisa et publia Science et théorie de l’information.
Physicien britannique, connu pour avoir expliqué le phénomène d’émission par effet de champs. Il collabora avec Paul Dirac sur la mécanique statistique appliquée aux naines blanches.
Physicien allemand qui fut l’un des fondateurs de la mécanique quantique. On lui doit notamment d’avoir énoncé en 1927 le principe d’indétermination qui demeure associé à son nom. Il fut lauréat du prix Nobel de physique en 1932.

Qui était Werner Heisenberg ?
Physicien théoricien autrichien qui réalisa des travaux prophétiques. Il envisagea notamment, en 1930, l’existence d’une nouvelle particule, le neutrino, qui fut avérée vingt-cinq ans plus tard.

Qui était Wolfgang Pauli ?
Physicien belge, qui a été professeur à l’Université de Gand.
Physicien autrichien, grand amoureux des femmes, qui conçut en 1925, lors d’une escapade dans les Grisons avec une jeune maîtresse, l’équation pilotant le comportement des électrons au sein des atomes.

Qui était Erwin Schrödinger ?
Commençant sa carrière en tant que simple instituteur, il fit des études supérieurs solitaires et laissa, malgré ses débuts tardifs, un nombre de travaux considérable ! Il était convaincu que l’univers est mathématisable. Homme très cultivé, ce fut également un excellent pianiste.
Ce chimiste Belge participa au sept premiers congrès Solvay. Il fut directeur de la section des sciences physiques et chimiques à l’Institut des Hautes Études scientifiques (créée pour offrir aux scientifiques une émulation intellectuelle « libre de toute contrainte pédagogique et administrative »). Il anima des conférences dont l’objet était de commenter un film sur la relativité d’Albert Einstein.

Physicien autrichien, ami proche d’Albert Einstein, il apporta des contributions majeures en thermodynamique et excella à créer des liens entre les plus grands physiciens, à provoquer des rencontres, mais son sens critique et son tempérament mélancolique le poussèrent au suicide.

Qui était Paul Ehrenfest ?
Correspondant de l’Académie des sciences dans le département de la physique générale, il mit en évidence la radioactivité du potassium et du rubidium dans leur état naturel. Il fut également pionnier dans l’étude du microscope éléctronique.
Inventeur génial, il accorda une énorme importance à l’expérimentation. Il acquit une renommée mondiale pour ses ascensions scientifiques dans la haute atmosphère et ses plongées dans les abysses sous-marines. C’est de lui dont s’est inspiré Hergé pour le personnage du professeur Tournesol, inventeur d’un prototype de sous-marin !

Cliquez sur un physicien pour obtenir une description et, pourquoi pas, un lien caché...

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Avec l’aimable contribution de…

Luc Blanchet

Blanchet

Luc Blanchet est un spécialiste reconnu de la théorie de la relativité générale. Il a été chargé de recherches au Département d’Astrophysique Relativiste et de Cosmologie (DARC) à l’Observatoire de Meudon, et est depuis 2008 Directeur de Recherche de 1ère classe au Groupe de Gravitation et Cosmologie (GReCO) à l’Institut d’Astrophysique de Paris

Contributions :

  • Un cours de relativité générale sous forme de polycopié : idéal pour ceux qui souhaitent découvrir plus en détail les concepts de la théorie, et pour ceux qui veulent se familiariser avec son formalisme mathématique.

    Cours de relativité générale
Thibault Damour

Damour

Thibault Damour est professeur de physique théorique à l’Institut des hautes études scientifiques (IHES) et membre de l’Académie des sciences. Il est reconnu pour ses travaux en cosmologie sur les trous noirs, les pulsars et les ondes gravitationnelles. Il a notamment reçu la prestigieuse médaille Einstein, en 1996.

Contribution :

  • Un extrait de la bande dessinée Le Mystère du monde quantique (2016) parue chez Dargaud, qu’il a co-écrite avec Mathieu Burniat. Aux côtés de Bob et de son fidèle chien Rick, partez à la découverte du monde quantique !

    Le Mystère du monde quantique
Jean Eisenstaedt

Eisenstaedt

Jean Eisenstaedt est directeur de recherche émérite à l’Observatoire de Paris. Historien de la physique, il est notamment célèbre pour ses travaux sur la relativité générale, dont il est un spécialiste reconnu.

Contributions :

Franck Laloë

Laloe

Spécialiste de la mécanique quantique, Franck Laloë est chercheur au CNRS et membre du prestigieux laboratoire Kastler-Brossel. Il est notamment à l’origine de HAL, plateforme d’archive ouverte en ligne.

Contributions :

  • Un polycopié de mécanique quantique (sans gros calculs) dont voici le sommaire :

    Sommaire


    Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique ?

    1. Introduction, historique
    1.1 Trois étapes
    1.1.1 La « préhistoire »
    1.1.2 La période ondulatoire
    1.1.3 L’école de Copenhague
    1.2 Le statut du vecteur d’état

    2. Des difficultés, des paradoxes
    2.1 La récurrence infinie de Von Neumann
    2.2 L’ami de Wigner, le chat de Schrödinger
    2.3 De mauvais arguments

    3. Einstein, Podolsky et Rosen
    3.1 Des haricots et des gènes
    3.2 Le théorème EPR

    4. Bell, GHZ, Hardy
    4.1 Inégalités de Bell
    4.1.1 Démonstration
    4.1.2 Généralité du théorème
    4.2 Egalités de GHZ
    4.3 Impossibilités de Hardy

    5. Où en sommes-nous ?
    5.1 Les failles
    5.2 La localité, la contrafactualité
    5.3 Téléportation et cryptographie quantiques
    5.4 Les états « par tout ou rien », la décohérence
    5.4.1 Les états par tout ou rien
    5.4.2 La décohérence
    5.5 Les alternatives
    5.5.1 Les variables supplémentaires
    5.5.2 Evacuation du postulat de réduction du paquet d’onde
    5.5.3 Histoires décohérentes

    Appendices
    I. Une tentative de construction d’une théorie quantique « séparable » (théorie non déterministe mais locale)
    II. Démonstrations de relations
    III. Calcul de la probabilité maximale pour un état de Hardy

  • Un autre polycopié de mécanique quantique (en anglais), plus complet que le précédent et qui présente notamment les différentes interprétations de la physique quantique

Ces deux documents PDF sont des versions préliminaires du livre Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique ?, idéal pour ceux qui souhaitent approfondir le sujet et comprendre le formalisme mathématique de la mécanique quantique.

Dominique Lecourt

Lecourt

Agrégé de philosophie, Dominique Lecourt est professeur de philosophie à l’université Paris Diderot et directeur général de l’Institut Diderot. Il est l’auteur de nombreux ouvrages de réflexion sur la science et son impact sur la société.

Contribution :

Jean-Marc Lévy-Leblond

Levy-Leblond

Jean-Marc Lévy-Leblond est professeur émérite à l’université de Nice. Il dirige la revue Alliage qu’il a lui-même fondée ainsi que la collection « Science ouverte » au Seuil. Spécialiste de physique et d’épistémologie, il aime surtout se définir comme « critique de science » et a écrit de nombreux essais dans ce sens.

Contribution :

  • un texte de réflexion sur les rapports entre science et langage intitulé :

    La science au défi de la langue

    où il réfute les idées de langage propre à la science et de langue parfaitement adaptée à la science (en particulier l’anglais), et où il souligne la nécessité actuelle d’une réflexion critique sur le langage scientifique.

Jean-Michel Raimond

raimond

Jean-Michel Raimond est professeur de physique à l’Université Pierre et Marie Curie et directeur du département de physique de l’ENS au LKB. Ses travaux portent essentiellement sur l’électrodynamique quantique en cavité et les puces à atomes supraconductrices.

Contribution :

Hubert Reeves

Reeves

Passionné d’astrophysique, Hubert Reeves s’est fait connaître du grand public dès les années 70 grâce à ses nombreux ouvrages de vulgarisation scientifique. Egalement militant écologiste, il est actuellement le président d’honneur de l’association « Humanité et Biodiversité ».

Contribution :

  • De l’histoire de l’univers à l’histoire de l’homme : l’homme va-t-il gâcher la belle histoire de l’apparition de la vie sur terre en courant à sa propre perte, maintenant qu’il domine et dégrade la nature ? Voici la vision du monde et de l’humanité d’Hubert Reeves dans ce texte intitulé :

    L’avenir de la vie sur terre
Carlo Rovelli

Rovelli

Physicien et historien des sciences, Carlo Rovelli est l’un des pères fondateurs de la théorie de la gravitation quantique à boucles, qui vise à établir un cadre formel permettant de décrire la force gravitationnelle à très petite échelle, et qui opère une refonte complète des concepts d’espace et de temps. Il dirige le groupe de recherche en gravité quantique au Centre de physique théorique de Marseille-Luminy.

Contribution :

  • Un extrait de son ouvrage Sept brèves leçons de physique, paru aux éditions Odile Jacob, extrait qui présente les grandes idées de la théorie de la gravitation quantique à boucles et qui explique en particulier comment cette théorie décrit le temps.

    La gravitation quantique à boucles

    Rovelli

    Un axe de recherche majeur centré sur la tentative de résoudre le problème […] est la gravité quantique « à boucles », développée par une patrouille de chercheurs disséminés dans plusieurs pays du monde, dont la France est un des premiers.La gravité quantique à boucles cherche à combiner la relativité générale et la mécanique quantique directement, sans rien y ajouter. C’est une tentative prudente car elle n’utilise pas d’autres hypothèses que ces deux théories mêmes, opportunément réécrites jusqu’à les rendre compatibles. Mais ses conséquences sont radicales : une modification profonde de la structure de la réalité.
    L’idée est simple. La relativité générale nous a appris que l’espace n’est pas une boîte inerte, mais quelque chose de dynamique : un champ, une espèce d’immense mollusque mouvant dans lequel nous sommes plongés, qui peut se comprimer et se tordre. La mécanique quantique, d’autre part, nous apprend que chaque champ est fait de quanta : il a une structure fine granulaire. Il s’ensuit que l’espace physique est lui aussi « fait de quanta ».
    La prédiction centrale de la théorie des boucles est donc que l’espace physique n’est pas continu, il n’est pas divisible à l’infini, il est formé de grains, d’ « atomes d’espace ». Ces grains sont très petits : un milliard de milliards de fois plus petits que le plus petit des noyaux atomiques. Des millions de milliards de fois plus petits que la plus petite distance qu’arrivent à sonder nos instruments les plus puissants, comme le grand accélérateur de particules de Genève.
    La théorie décrit ces atomes d’espace de façon mathématique et fixe les équations qui déterminent leur évolution. On les appelle boucles, ou anneaux, parce que chaque atome d’espace n’est pas isolé, mais relié à d’autres, formant un réseau de relations qui tisse la trame de l’espace physique comme des anneaux de fer tissent une cotte de mailles.
    Où se trouvent ces quanta d’espace ? Nulle part. Ils ne sont pas dans l’espace, puisqu’ils constituent eux-mêmes l’espace. L’espace est créé par l’interaction mutuelle des quanta de gravité individuels. Encore une fois, le monde semble être relation avant d’être un ensemble d’objets.
    Mais c’est la deuxième conséquence de la théorie qui est la plus extrême. De même que disparaît l’idée de l’espace continu qui contient les choses, de même disparaît l’idée d’un « temps » continu élémentaire et primitif qui s’écoule indépendamment des choses. Les équations qui décrivent des grains d’espace et de matière ne comportent plus la variable temps.
    Cela ne signifie pas que tout est immobile et qu’il n’existe pas de changement. Au contraire, cela signifie que le changement est partout, mais que les processus élémentaires ne peuvent pas être ordonnés dans une succession d’instants commune. A la très petite échelle des quanta d’espace, la danse de la nature ne s'effectue pas au rythme de la baguette d'un seul chef d'orchestre, d'un seul temps : chaque processus danse indépendamment de ses voisins, à son propre rythme. L’écoulement du temps est interne au monde, il naît dans le monde même, à partir des relations entre des événements quantiques qui sont le monde et qui sont eux-mêmes la source du temps.

    Extrait de Sept brèves leçons de physique

Cédric Villani

villani

Mathématicien lauréat de la prestigieuse médaille Fields en 2010, Cédric Villani est directeur de l'Institut Henri Poincaré (IHES) et professeur à l'Université de Lyon. Ses travaux portent essentiellement sur les équations d'évolution, la mécanique des fluides, la mécanique statistique et la théorie des probabilités. Il est également l'auteur d'ouvrages destinés au grand public, comme Théorème vivant paru en 2012.

Contribution :

  • Un extrait de la bande dessinée :
    Les Rêveurs lunaires

    qui raconte l'épisode de Farm Hall, cette maison mise sur écoute par les Alliés après la guerre afin de savoir où en étaient les Allemands dans leurs recherches sur la bombe atomique...
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Werner Heisenberg (1901 – 1976)

Dirac

“Ce que nous observons n’est pas la nature elle-même, mais la nature soumise à notre méthode de questionnement.”

“Les problèmes du langage sont ici très sérieux. Nous souhaitons parler de la structure des atomes. Mais nous ne pouvons pas parler des atomes dans notre langage ordinaire.”

Werner Heisenberg


Education

Werner Heisenberg est né le 5 décembre 1901 à Würzburg en Bavière, dans une famille d’enseignants. Il fréquente le lycée à Munich jusqu’en 1920. Il poursuivit son éducation en physique théorique et en mathématiques à l’Université de Munich, puis à Göttingen où il a des professeurs renommés comme Max Born, ou encore Sommerfeld.
Il travaille aux Universités de Copenhague, puis de Leipzig où il deviendra professeur à 26 ans seulement et fait de cette université un des plus hauts lieux de la physique théorique.

Ses avancées en mécanique quantique

A 23 ans seulement, il publie sa théorie de la mécanique quantique pour laquelle il reçoit le prix Nobel huit ans plus tard. Cette théorie est basée seulement sur des observations. Il affirme que le modèle de Bohr de l’atome, avec des électrons sur des orbites autour du noyau, n’est pas forcément pertinent, sachant que par expérience on ne peut pas déterminer à la fois la position dans l’espace à un instant donné et sa trajectoire. Cette théorie le pousse ensuite à formuler son fameux « principe d’indétermination », qui affirme que la position et la quantité de mouvement d’une particule contiennent nécessairement des imprécisions, dont le produit est inférieur à la constante h.


Formuleheisenberg

Heisenberg et la seconde Guerre Mondiale

Heisenberg décide de rester en Allemagne dès que le régime nazi commence. Malgré sa participation à plusieurs voyages de propagande nazie, il dit être resté en Allemagne non pas par sympathie avec le régime, mais pour préparer l’après-guerre. Il dirige ainsi le programme d’armement nucléaire allemand, mais a toujours une position ambiguë à comprendre vis-à-vis de ce projet. En effet, il est persuadé que l’Allemagne gagnera la guerre, mais sans utiliser la bombe atomique lors de la guerre. Il dit freiner le projet et participer au développement de l’énergie nucléaire pacifique. En discussion avec Bohr, ils ont un froid à ce sujet, ce qui pousse Bohr à rejoindre les Américains au projet Manhattan. Après la guerre, il écrit finalement, avec 18 autres physiciens, une lettre au chancelier Adenauer encourageant à abandonner le projet de bombe atomique.
Après la guerre, il poursuit ses recherches sur la théorie des particules élémentaires. Il meurt à Munich le 2 février 1976.

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Qu’est-ce que la relativité générale ?

0:00 La gravitation, une force mystérieuse
1:33 Qu’est-ce que le poids ? Différence entre masse et poids
2:41 La gravitation, une force extrêmement faible ; exemple de l’atome d’hydrogène
3:52 La gravitation vue par Newton, influence de Galilée
5:42 Contradiction entre la vision newtonienne et la relativité restreinte ; exemple de la théière
8:52 Rencontre d’Einstein avec Michele Besso
10:35 Mai 1907 : « l’idée la plus heureuse de ma vie » (Einstein) : la chute libre
14:34 Principe d’équivalence, géométrisation de la gravitation
18:25 Esquisse de la relativité générale : déformation de l’espace-temps, lien avec la matière ; exemple du système solaire
23:10 Anomalie d’Uranus et anomalie du périhélie de Mercure
29:30 Histoire officielle de la résolution du paradoxe du périhélie de Mercure
32:22 Nouvelle version de l’histoire : insuffisances de l’esquisse de 1913
36:50 Engouement pour la relativité générale : la pensée de la nouveauté et l’influence sur les futurs fondateurs de la mécanique quantique
42:19 L’univers vu comme un objet global doté d’une histoire ; métrique de Schwarzschild
45:23 Solutions statiques des équations d’Einstein ; introduction de la constante cosmologique
47:31 La constante cosmologique, une erreur ? Un candidat pour l’énergie noire ?
48:27 Observation des galaxies : dilatation de l’espace, expansion de l’univers et Big Bang

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