Pr

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Histoire d'une grande découverte
La révolution quantique
R. Bouzerar / UPJV - LPMC
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A la rencontre de la Physique Classique
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Introduction
La Physique cest quoi déjà? en deux mots

• Cest avant tout une façon de voir le monde
• Cette représentation sarticule autour de deux
  éléments essentiels
• - L Observation (Expérience Un mode
  dinterrogation de la Nature) qui fournit des
  données factuelles (Ex données
  sensorielles)condensées en principes
• - La Théorie cest une explication formalisée
  construite sur la base des principes induits de
  lexpérience.
• Cette vision date du XVIIème siècle, initiée par
  Galilée et Newton.

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...Au crépuscule du XIXème siècle...
Idéal newtonien de représentation des phénomènes
Un cadre lespace et le temps absolus de Newton
Particules et
Objets localisés
champs médiateurs des forces
Objets étendus dans lespace
Ex Champ de gravitation, électrique, magnétique,

...A l'aube du XXème siècle...
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Concepts et domaines fondamentaux de la physique
classique
Lois de la dynamique de Newton
Mouvement des particules
Gaz, liquides, solides,
Systèmes de particules en interaction
Une propriété fondamentale de la description
classique Le déterminisme Tout est donné (ses
états futurs comme son histoire) si lon connaît
la configuration du système à un instant donné
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...Et les champs!
Champs Milieux dotés dune dynamique propre
Ex Le champ électromagnétique de Maxwell
Lois dynamiques Equations de Maxwell
Théorie classique des champs
Le Champ  Matelas à ressorts  3 D
Perturbation du champ déplacement dun
ressort - Perturbations du Champ se propagent à
vitesse finieOndes Ex Champ EM Onde EM
Lumière
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Acte I
L'acte de Naissance Les quanta de Planck
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Premiers nuages...
Le Problème du corps noir Répartition spectrale
du rayonnement thermique des corps Connue
expérimentalement Seule la partie basses énergies
(IR) est en accord avec la physique classique- La
partie hautes énergies ( tronçon de gauche UV)
résiste à linterprétation.
Désaccord!!!
Quantité dénergie lumineuse à une longueur
donde (fréquence) donnée
En accord avec la physique classique
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Une lueur d'espoir la solution de Planck
(Décembre 1900)

• Max Planck propose une solution semi-classique au
  problème
• Rayonnement (lumière émise traitée classiquement)
• Hypothèse non classique Discontinuité des
  échanges dénergie entre matière et rayonnement
•  La matière ne peut absorber ou émettre
  dénergie lumineuse que par paquets finis

Cest lhypothèse des quanta Étrangère à la
physique classique
Introduction dune nouvelle constante
fondamentale la constante de Planck h
En 1905 Réinterprétation par Einstein Le
rayonnement a une structure corpusculaire Il est
composé de photons (Dualité onde/particule)
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1905 Les grains de lumière
En 1905 Réinterprétation par Einstein Le
rayonnement a une structure corpusculaire Il est
composé de photons (Dualité onde/particule) Selon
A. Einstein la discontinuité de Planck provient
de cette structure granulaire de la lumière
Cest la première fois dans lhistoire de la
Physique quun objet est décrit de manière duale
La lumière est onde et particules (photons)!
Confirmation expérimentale éclatante Effet
photoélectrique et effet Compton
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Effet Photoélectrique
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Effet Compton
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...Les nuages s'amassent...

• En 1911 Rutherford étudie les particules a
  Diffusion par la matière

Découverte du noyau atomique
Modèle planétaire de latome
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L'orage éclate...
doivent sécraser sur le noyau en émettant de
la lumière daprès la théorie EM
Les électrons régis par la dynamique classique
La théorie classique ne fixe pas la taille des
atomes
Latome de Rutherford est instable.
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La Physique quantique en marche Le modèle de Bohr

• En 1913, N. Bohr va proposer une solution hybride
• Les lois classiques du mouvement restent valables
  
• Tous les trajets classiques ne sont pas permis
  (en rouge) à lélectron les trajets permis (en
  vert) sont dénombrables- pas de rayonnement
  (stationnarité)

Hypothèse discontinuiste La sélection se fait
selon la condition de Bohr
Masse electron XvitesseXperimètre du cercle
numéroté  n  n X constante de Planck
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• Grand succès
• explique les spectres de raie des éléments
  (hydrogène surtout)
• Fixe la taille des atomes 1 dix milliardième de
  mètre
• Mécanisme démission de lumière par transition
  entre deux états permis

1
2
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Le saut de Bohr dune orbite permise à une autre
saccompagne de lémission ou de labsorption de
photons Emission et absorption sont font par
paquets (quanta)
Mais ce saut est très singulier il nobéit pas à
un mécanisme classique. Au cours du saut
léléctron devrait passer par les positions
intermédiaires qui lui sont interdites!! Sinon
lémission serait progressive!
Pas de représentation du saut dans
lespace-temps La théorie de Bohr rompt avec le
déterminisme classique
Comment renouer avec une description classique
trajet dans lespace-temps- déterministe de
latome?
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Acte II
De Broglie ou les ondes de matière
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Des quanta à la mécanique ondulatoire
1924 Louis de Broglie réinterprète les
conditions de Bohr
Condition de Bohr Condition de résonance dune
onde stationnaire
Image de la corde fermée
Hypothèse des ondes de matière De Broglie associe
aux électrons une onde qu les guide le long de
leur trajet
1ère orbite de Bohr
2ème orbite de Bohr
1 fuseau
2 fuseaux
Longueur L
Longueur L
Confirmation expérimentale en 1927 par Davisson
et Germer (figure de diffraction électronique)
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La mécanique ondulatoire de Schrödinger
En 1925, Erwin Schrödinger découvre la loi
léquation éponyme régissant la propagation de
londe de De Broglie associée à une particule
dans lespace et retrouve les résultats de Bohr
Emergence dune physique du continu où londe est
la réalité ultime
Combinaison dondes

Le corpuscule est reconstruit comme superposition
dondes de Schrödinger Paquet dondes
Centre du paquet dondes Zône de forte
amplitude se comporte comme le Corpuscule
classique
Ananlogie avec la lumière Ondes élémentaires
couleurs
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Mais de nouveaux problèmes surgissent...
La propagation de londe de Schrödinger dans
lespace-temps usuel nest vraie que pour 1 seule
particule! 2 particules en interaction sont
décrites par une seule onde se propageant dans un
espaceabstrait à 6D!!! Plus le nombre de
particules est grand et plus cet espace est grand
Elles donnent bien lieu à des interférences
observables dans notre espace et les particules
se comportent bien comme des objets discrets !!!
Londe nest pas séparable en deux ondes
individuelles
Elle ne se propage pas dans lespace usuel
Rupture avec le mode de pensée classique de
représentation des phénomènes dans lespace-temps
Quelle est la vraie nature de londe de
Schrödinger?
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Ruine de l'idéal classique
Acte III
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L'onde de matière existe-t-elle?

• 1924 Hypothèse des ondes de matière par De
  Broglie
• 1925 Découverte de la loi régissant la
  propagation de ces ondes par Schrödinger Espoir
  dune physique du continu
• 1925/26 Londe se propage dans un espace
  abstrait ruine de cet espoir que sont les
  ondes? Que sont les particules?
• 1927 Mise en évidence expérimentale de ces ondes

• Pendant ce temps
• 1925 Invention dune mécanique abstraite la
  mécanique matricielle par Heisenberg. Basée sur
  la notion de grandeur physique uniquement (pas
  donde). Rupture avec lidéal classique. Grands
  succès.
• 1926 Equivalence avec la mécanique ondulatoire
  démontrée par Schrödinger.
• 1926 Notion de particule objective. Born propose
  linterprétation probabiliste de londe de
  Scrödinger- De Broglie
• Rupture définitive avec la physique classique!!

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L'interprétation statistique de Born
Pour concilier les notions de particule et
donde Londe est un outil de prévision
probabiliste du comportement de la particule (son
mouvement par ex.)
Onde Champ Y Objet associant à tout point de
lespace un nombre dautant plus grand que londe
y est plus marquée (amplitude plus grande)
Calcul de la probabilité (intensité)  Probabilité
  de trouver la particule en un point
Londe est déterminée de façon rigoureuse et donc
aussi les probabilités. On ne peut prédire que
les probabilités doccurrence des événements
(réalisations des phénomènes)Les phénomènes sont
soumis à un déterminisme statistique.
Seules sont mesurables ces probabilités les
interférences sont un révélateur des probabilités
quantiques
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Superpositions quantiques

• Londe de probabilité est un champ dinformations
  sur le système (Etat du système)
• En dehors de toute mesure, toutes les
  possibilités sont virtuellement présentes. La
  mesure va sélectionner une possibilité et une
  seule lissue est gouvernée par le hasard.
• Une propriété étonnante du monde quantique On
  peut superposer les états possibles (ex les
  états  chat de Schrödinger )!!

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Exemple
2 états possibles (résultats possibles des
mesures)
Objet quantique
Etats superposés
Intrication Objets jumeaux (forment un tout
indivisible)
Etat du 2nd connu sans mesure!!!
Mesure sur le 1er objet
Quelle que soit la distance!!
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Etat quelconque (Chat mort-vivant)
Etat rouge (0 vert)
Etat 50 vert et 50 rouge
Etat vert (0 rouge)
Evolution de létat
2
pourcentage de vert
2
pourcentage de rouge
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Dispositif de Young Illustration expérimentale
Pas de trajet défini !!!
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Conclusion Quelques applications
Electronique Transistors (1948)
Effets spécifiquement quantiques

• Cosmologie quantique de lunivers très primordial
• Stabilité des naines blanches
• Etoiles à Neutrons
• Physique du solide (supraconductivité)
• Liaison chimique

• Effet Tunnel (passe-murailles)
• Radioactivité alpha (Gamow)
• Diodes Tunnel
• Microscopes à effet tunnel

Lasers (Optique quantique)
Intrication quantique Manipulation des
superpositions détats quantiques (Etats Chat de
Schrödinger) Applications à la téléportation
quantique de photons
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That's all folks!