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."
photo E. Klein
signature E. Klein

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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Pauli aux côtés de…

…Werner Heisenberg (au centre) et Enrico Fermi (à droite) sur le Lac de Côme en 1927

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…Paul Ehrenfest (à droite), en 1929

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…au premier rang, de gauche à droite (entre autres) : Niels Bohr, Werner Heisenberg, lui-même, Otto Stern et Lise Meitner, lors d’une conférence dans son Institut à Copenhague en 1937

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A noter aussi, assis tout à gauche au deuxième rang, la présence de Victor Weisskopf qui fut professeur d’Etienne Klein au CERN : pour en savoir plus, lire le premier chapitre du livre En cherchant Majorana.

…Niels Bohr et Werner Heisenberg

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…Niels Bohr, en pleine contemplation d’une toupie, peut-être pour évoquer le spin d’une particule ?

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…Paul Dirac, en 1938

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…Paul Dirac et Rudolf Peierls, en 1953 à Birmingham

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…Albert Einstein

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Bohr aux côtés de…

Einstein, son grand rival dans le débat sur l’interprétation de la physique quantique

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Pour en savoir plus sur la relation entre les deux hommes et sur le débat sur l’interprétation de la physique quantique qui les opposait, voir : 40:32 Rencontre BohrEinstein, évolution de leur relation dans la dernière vidéo de la page Cours de physique quantique.

Einstein, lors du sixième Congrès Solvay en 1930

Albert Eintein in 1930, with Niels Bohr, at the Solvay convention, photo by Paul Ehrenfest.

…au premier rang, de gauche à droite (entre autres) : lui-même, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Otto Stern et Lise Meitner, lors d’une conférence dans son Institut à Copenhague en 1937

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A noter aussi, assis tout à gauche au deuxième rang, la présence de Victor Weisskopf qui fut professeur d’Etienne Klein au CERN : pour en savoir plus, lire le premier chapitre du livre En cherchant Majorana.

…Lise Meitner, qui a participé à la découverte de la fission nucléaire, à l’occasion d’un colloque qu’elle a organisé pour lui à Dahlem près de Berlin en 1920

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Pour en savoir plus sur Lise Meitner, voir chapitre 2 de Les Secrets de la matière.

…Werner Heisenberg

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…Werner Heisenberg et Wolfgang Pauli

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…Wolfgang Pauli, en pleine contemplation d’une toupie, peut-être pour évoquer le spin d’une particule ?

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…Max Planck, en 1930

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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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Peut-on voyager dans le temps ?

1:16 Que veut dire « voyager dans le temps » ?
5:37 Pourquoi la machine à remonter dans le temps n’existe-t-elle toujours pas ?
7:48 Les voyages dans le temps en science-fiction (Wells, Sprague de Camp, Kuttner et Moore, Grimwood, Benford, Anderson)
15:12 Le LHC peut-il remonter dans le temps ? Non ! L’invariance des lois physiques dans le temps et l’évolution des conditions physiques
21:01 Une remarque : deux temps distincts dans les histoires de voyages dans le temps (Alain)
24:14 Les théories physiques et notre façon de dire le temps
27:01 Découvertes philosophiques négatives dans le cas du temps ; la réversibilité des lois physiques
32:40 Le cours du temps et la flèche du temps
34:02 L’œuvre de Roman Opalka, ou la matérialisation du cours du temps en peinture
37:49 Le débat Newton (Clarke) – Leibniz : substantialisme vs relationnalisme ; son écho aujourd’hui
43:12 La métaphore du fleuve et ses « a priori clandestins »
45:29 La vitesse du temps, une absurdité ! Exemple du paradoxe des jumeaux de Langevin
53:55 L’ordre des phénomènes est-il lié au sujet qui les observe ou aux phénomènes eux-mêmes ? (Kant, Critique de la Raison pure)
57:00 Le principe de causalité et le choix d’un temps linéaire en physique
1:01:12 En relativité restreinte, la simultanéité n’est plus absolue
1:05:18 Le rayonnement cosmique, l’équation de Dirac et la prédiction de l’antimatière
1:11:53 Nous émettons en permanence des antiparticules, preuve que les voyages dans le temps sont impossibles !

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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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Comment la physique quantique est-elle née ? 4/6

Pourquoi les quanta sont-ils si troublants ? 4/6

0:00 Suite des erreurs d’interprétation du principe d’Heisenberg
2:59 Principe d’exclusion de Pauli (1925) pour les fermions (pas les bosons), analogie avec les comportements humains
7:04 L’effet tunnel (Gamow) : radioactivité alpha, métaphore du football
12:26 Validité de l’équation de Schrödinger
13:32 Equation de Dirac (1928), prédiction de l’antimatière (positron, observé par Anderson)
16:48 Le spin : description, image trompeuse, propriété naturelle des particules (Wigner)
20:25 Questions du public

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