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

Remarque préliminaire

Ce cours est également disponible sur le site de la Cité des Sciences, où les transparents ont été intégrés aux vidéos.

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Comment la physique quantique est-elle née ? 1/6

Comment la physique quantique est-elle née ? 1/6

2:26 Anecdote (Laurent Schwartz)
3:38 Le problème du corps noir
5:53 Max Planck : sa constante, son refus de l’interprétation de l’entropie par Boltzmann
8:21 Problème de la flèche du temps : irréversibilité des phénomènes
10:40 Qu’est-ce qu’un corps noir ? Interaction lumière – matière
12:12 Analogie : équipartition de l’énergie dans un gaz, remarque sur le rôle des collisions
17:26 Dépendance en température du spectre du corps noir
19:41 Historique du corps noir (Kirchhoff, Stefan, Wien, Rayleigh, Jeans)
23:02 Catastrophe ultraviolette ; origine de l’expression
25:17 Position de Planck dans le débat énergétistes – atomistes
26:59 Acte de désespoir de Planck : introduction d’une nouvelle constante, quantification de l’énergie E=h*nu (1900)
30:56 Exemple de corps noir : le Soleil
33:02 Efficacité de la formule de Planck, rayonnement cosmologique
35:10 Explication de la formule de Planck, modes dans une cavité, analogie avec un piano ; quanta d’énergie
40:48 Conséquences de l’hypothèse des quanta, résolution de la catastrophe ultraviolette
44:26 Einstein, l’inventeur des quanta

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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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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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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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Comment la physique quantique est-elle née ? 5/6

Comment “interpréter” la physique quantique ? 5/6

0:00 Pourquoi y a-t-il nécessité d’interpréter la physique quantique ? Le problème de la mesure
1:39 Problème de la correspondance entre la représentation des états physiques et le monde lui-même
2:38 Statut de l’interprétation : dépendante ou indépendante du formalisme ?
4:03 Principe de superposition, source d’efficacité… et de problèmes
5:54 Expérience de pensée ; que signifie la superposition quantique ?
17:08 Rôle de la mesure : réduction du paquet d’onde (Heisenberg)
19:48 Argument des déterministes (Einstein, Schrödinger) : la mécanique quantique serait-elle incomplète ? Les variables cachées
21:53 Expérience de pensée avec une variable cachée : les probabilités sont-elles intrinsèques au formalisme ou au monde ?
24:08 Le chat de Schrödinger (1935)
28:55 Extension du problème à deux particules (Einstein) : non-séparabilité quantique
30:47 L’effet Rolling Stones
31:38 Expérience de pensée d’intrication quantique : le tout n’est pas les parties
34:40 Attitudes possibles : l’interprétation de Copenhague, le malaise constructiviste, théories alternatives (Wigner et la conscience, Everett et les mondes multiples)
38:47 Théorie de la décohérence
40:32 Rencontre BohrEinstein, évolution de leur relation
44:00 La physique quantique décrit-elle les « structures intimes du réel » ? Les objections d’Einstein
48:06 La réponse de Bohr au congrès Solvay de 1927
49:33 L’article EPR de 1935 (Einstein, Podolsky, Rosen) ; expérience de pensée : corrélations, états intriqués

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

Comment “interpréter” la physique quantique ? 6/6

0:23 Intuition de Bohr de la non-séparabilité quantique ; portée limitée du débat à l’époque
3:06 Article de Bell (1964)
4:09 Hypothèses dans l’article EPR : prédictions de la physique quantique justes, principe de localité, éléments de réalité physique
12:22 Conséquence de ces hypothèses : le paradoxe EPR
13:58 Réponse de Bohr au paradoxe EPR
15:33 Théories à variables supplémentaires (De Broglie, Bohm)
16:18 Violation de l’hypothèse de localité ; inégalités de Bell, analogie avec des jumeaux
22:30 Expérience d’Aspect (1981) : violation des inégalités de Bell
24:07 Conclusion : renoncer à interpréter la physique quantique comme Einstein
24:47 Conclusion générale 
28:08 Questions du public

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Complément : la téléportation quantique

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Polycopiés de mécanique quantique

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.

Pour compléter notre présentation de la mécanique quantique, Franck Laloë vous propose :

  • 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.

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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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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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