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Quantum Confidential: L'histoire perdue de la mécanique quantique


Par le Dr Scott Bembenek

De nos jours, il semble que la mécanique quantique soit un mot courant (et pas seulement chez moi). Néanmoins, avant que nous ayons l'intrication quantique, les multivers, le chat de Schrödinger et la dénonciation par Einstein de la mécanique quantique («Je suis en tout cas convaincu que [Dieu] ne joue pas aux dés.»), Nous avions juste des «morceaux» d'énergie, ou quanta d'énergie. En effet, ce sont les quanta d'énergie et le travail de Max Planck qui ont commencé théorie des quanta, ce qui nous donnera plus tard la mécanique quantique.

En 1879, Max Planck, 21 ans (1858–1947) obtient son doctorat pour ses travaux sur l'entropie, un concept qui lui sera très utile par la suite. Cependant, la carrière de Planck a démarré lentement. Concentrant à l'origine son attention sur les problèmes de chimie physique, il s'est rendu compte qu'il était moins compétitif que Josiah Willard Gibbs (1839–1903) et Jacobus Henricus van 't Hoff (1852–1911), qui étaient mieux à même de sonder ces problèmes avec un aperçu chimique plus profond.

Cependant, en 1894, maintenant professeur ordinaire à l'Université de Berlin, Planck était prêt à s'attaquer à l'un des plus grands problèmes de la physique à l'époque: l'étrange interaction entre la matière et la lumière incarnée dans le spectre du corps noir. Fort des succès expérimentaux du début des années 1890, Wilhelm Wien (1864-1928) proposa en 1893 une solution mathématique très générale au problème connu sous le nom de WienLoi sur le déplacement, et en 1896, il a fourni une version améliorée connue sous le nom de Loi sur les radiations de Vienne. Cependant, Wien a fondé ce dernier sur une faible analogie (avec une autre loi fondamentale), ne fournissant jamais une dérivation rigoureuse réelle. Néanmoins, il a montré un excellent accord avec les résultats expérimentaux, et il semblait donc que la solution longtemps recherchée au problème du rayonnement du corps noir était enfin arrivée. Planck a décidé de regarder de plus près.

Vers 1898, après de nombreuses approches ratées, Planck parvient à obtenir ce qui sera son «équation fondamentale», qui n'est rien de moins que l'équation de la matière en équilibre avec la lumière. En utilisant cela, la loi de déplacement de Wien et l'entropie d'un seul résonateur (ce que nous assimilons aujourd'hui à un atome ou une molécule), il a pu fournir - contrairement à Vienne - une dérivation réelle de la loi de déplacement de Wien, connue sous le nom de Loi de Wien-Planck. Ainsi, au début de 1899, Planck était convaincu qu'il avait réussi à trouver la forme universelle du spectre du corps noir que les physiciens désiraient depuis près de quarante ans. Mais alors les choses ont commencé à se désagréger.

A peine Planck avait-il raconté ses efforts (dans la cinquième d'une série de publications depuis qu'il avait commencé) que de nouvelles expériences avaient commencé à creuser des trous dans la loi de Wien-Planck - Planck avait commis une erreur quelque part. Réévaluant rapidement sa dérivation originale, il a trouvé son erreur (c'était dans l'entropie du calcul du résonateur) et a pu arriver à la forme correcte du spectre du corps noir (c'est-à-dire, Loi sur les radiations de Planck), qui était désormais en parfait accord avec l'expérience. À ce stade, Planck aurait pu s'arrêter et passer à un autre problème, assuré qu'il gagnerait le prix Nobel. Cependant, Planck n’était pas encore satisfait.

Bien qu'il ait pu obtenir les bonnes réponses (par rapport à l'expérience) avec sa nouvelle loi, la signification physique réelle n'était toujours pas claire. De plus, Planck a dû utiliser un peu de «devinettes inspirées» intelligentes pour obtenir la forme finale, ce qui l'a également laissé un peu instable. Planck avait toujours abordé des solutions aux problèmes physiques avec une «faim de l'âme» (comme Einstein l'a décrit), et cette fois ne serait pas différente - autre que de lui coûter un peu de son âme dans le processus.

Ludwig Boltzmann (1844–1906) et Planck se sont affrontés à plus d'une occasion. Au cœur de leurs conflits se trouvait la nature fondamentale de l'entropie. Alors que Boltzmann voyait l'entropie comme une propriété enracinée dans l'interprétation statistique, Planck la voyait en termes plus «absolus» dénués de telles absurdités statistiques. Planck n’était pas le seul à se tromper. En effet, Boltzmann lui-même a fait la même erreur plus tôt, comme Einstein plus tard (qui, comme Boltzmann, l'a réalisée et corrigée), et Rudolf Clausius (1822-1888) n'a jamais concédé (il n'a jamais vu le besoin de décrire l'entropie en termes autres que sa définition thermodynamique).

Quels que soient les doutes que Planck avait à l’égard du travail de Boltzmann, il lui avait déjà fait des concessions depuis qu’il avait commencé, et il le ferait donc, une fois de plus (il «devait obtenir un résultat positif, en toutes circonstances et à tout prix»). Il avait besoin, une fois de plus, de revoir son expression pour l'entropie de son résonateur, et il a donc fait appel à l'entropie de Boltzmann (version statistique):

Les mathématiques réelles (du calcul de l'entropie) exigeaient que Planck découpât les énergies disponibles pour son résonateur en «morceaux» discrets. Boltzmann avait également fait cela en considérant l'énergie disponible pour un atome de gaz (plutôt qu'un résonateur). Cependant, Boltzmann ne considérait cela comme rien de plus qu'une astuce mathématique, et il a donc éliminé ces blocs d'énergie pourtant pratiques - ce qu'il considérait être - non physiques à la fin de son calcul. Mais pour Planck, ce n’était pas une option; il avait besoin des morceaux pour arriver à sa loi sur les radiations. De cette manière, l'astuce mathématique de Boltzmann est devenue la réalité physique de Planck: l'énergie vient en morceaux, ou énergiequanta.

Planck, aujourd'hui âgé de quarante-deux ans, était bien conscient que les quanta d'énergie changeraient radicalement la physique pour toujours. En tant que tel, il (et à peu près tout le monde) a choisi d'ignorer ces morceaux ennuyeux et de se concentrer sur la précision remarquable de la loi sur les radiations de Planck. En fait, ce n'est que huit ans plus tard que Planck est arrivé à l'idée que les quanta d'énergie étaient une réalité physique, et même alors, peut-être seulement à demi-cœur. Néanmoins, en 1905, un Einstein de vingt-six ans a non seulement embrassé le concept d'énergie venant en morceaux, il a également étendu le concept à la lumière, pour introduire quanta de lumière, que nous appelons maintenant photons.

Aujourd'hui, les conséquences physiques «folles» qu'implique le succès de la mécanique quantique sont bien connues de beaucoup. Cependant, l'histoire fascinante et les luttes scientifiques entourant sa création sont beaucoup moins connues. Néanmoins, ces histoires étonnantes de science sont vraiment inspirantes, et elles sont aussi importantes que les découvertes elles-mêmes.

Dr.Scott Bembenek est chercheur principal au sein du groupe Computer-Aided Drug Discovery de Johnson & Johnson Pharmaceutical Research & Development à San Diego. Il est également l'auteur deLa machine cosmique: la science qui dirige notre univers et l'histoire derrière ellePour en savoir plus sur le Dr Bembenek et son travail, visitezhttp://scottbembenek.com et connectez-vous avec lui surTwitter


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