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Colloque de rentrée 2015

Espace, temps et quanta : comment les interrogations sur la lumière ont révolutionné notre vision du monde

Serge Haroche
p. 23

Texte intégral

1Les origines de la physique quantique remontent à Einstein et à ses réflexions sur la lumière. Au-delà de la question du repère des équations de Maxwell, deux autres phénomènes troublaient les physiciens. Il s’agissait de l’effet photoélectrique, la propriété que les métaux éclairés ont d’éjecter des électrons d’une part, et du spectre du rayonnement des corps chauffés d’autre part. L’énergie des photoélectrons était indépendante de l’intensité lumineuse et ne dépendait que de la longueur d’onde de la lumière, ce qui était étrange. Quant au spectre du rayonnement des corps chauffés, les mesures montraient qu’il avait une forme de courbe en cloche avec un maximum de rayonnement à une longueur d’onde ne dépendant que de la température. Planck avait en 1900 trouvé la formule mathématique qui rendait compte de cette courbe, en introduisant l’idée d’un échange d’énergie entre la matière et la lumière s’effectuant sous forme de quanta discrets. La formule collait avec les observations, mais la nature des quanta, introduits ad hoc, restait mystérieuse. La physique classique, combinant les équations de Maxwell et la théorie thermodynamique de la chaleur, était incapable d’expliquer ce qui était observé et prévoyait un spectre absurde, divergeant aux courtes longueurs d’onde, ce qu’on appelait la catastrophe ultraviolette.

2La solution d’Einstein, publiée en 1905, la même année que ses articles sur la relativité restreinte, fut d’admettre que ce n’étaient pas seulement les échanges d’énergie entre matière et lumière qui étaient quantifiés, mais la lumière elle-même. Celle-ci devait être constituée de particules, grains d’énergie ou quanta lumineux que l’on appellera plus tard photons. Cette hypothèse lui permit d’expliquer les propriétés des deux effets que la physique classique avait été impuissante à comprendre. Cela ne voulait pas dire pour autant que l’on devait renoncer à la description ondulatoire de la lumière, nécessaire à la compréhension des phénomènes d’interférences. Ni que l’on devait rejeter les équations de Maxwell dont il fallut seulement réviser l’interprétation.

3L’hypothèse d’Einstein introduisait en fait la notion de dualisme onde-particule, qui fut étendue à la matière en 1923 par Louis de Broglie. Les électrons, atomes et molécules sont, eux aussi, des ondes et des particules. Et l’évolution de l’onde de matière associée aux particules fut décrite par l’équation que le physicien autrichien Erwin Schrödinger établit en 1926, l’équivalent en quelque sorte pour la matière de ce qu’étaient les équations de Maxwell pour le champ électromagnétique. Ce dualisme, étrange pour un esprit classique, fut exprimé dans les années 1920 sous la forme du principe de complémentarité par Niels Bohr. En physique quantique, le dispositif expérimental utilisé pour observer un système le perturbe de façon telle que c’est soit l’aspect ondulatoire, soit l’aspect corpusculaire qui se manifeste. Ces deux images ne sont pas contradictoires, mais complémentaires.

4Ce mélange des concepts d’ondes et de particules conduit à ce qu’on appelle le principe de superposition. Il exprime le fait qu’une particule, un photon, un électron ou un atome sont, avant d’être mesurés, dans plusieurs états à la fois, comme suspendus entre différentes réalités classiques. Cette superposition disparaît, s’effondre comme on dit, lorsqu’une mesure est effectuée, le système se retrouvant aléatoirement dans l’un des états de la superposition. L’intensité en chaque point de l’onde de Maxwell pour les photons ou de l’onde de de Broglie pour les particules matérielles est proportionnelle à la probabilité de trouver les particules en ce point. Le fait que les ondes puissent interférer, s’ajouter ou se contrecarrer s’applique également aux probabilités quantiques. L’étude de la lumière conduisit ainsi au début du XXe siècle au monde contre-intuitif de la physique quantique qui met la notion de probabilité et de hasard au centre de la théorie. Finalement, Huyghens, l’avocat des ondes lumineuses, et Newton, celui des particules de lumière, ont été en quelque sorte réconciliés par Einstein, même s’ils auraient été, je pense, très étonnés, comme l’a d’ailleurs été ce dernier, de voir où ce compromis entre ondes et particules conduisait la physique et notre vision du monde !

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Pour citer cet article

Référence papier

Serge Haroche, « Espace, temps et quanta : comment les interrogations sur la lumière ont révolutionné notre vision du monde »La lettre du Collège de France, 41 | 2016, 23.

Référence électronique

Serge Haroche, « Espace, temps et quanta : comment les interrogations sur la lumière ont révolutionné notre vision du monde »La lettre du Collège de France [En ligne], 41 | 2015-2016, mis en ligne le 01 novembre 2016, consulté le 13 janvier 2026. URL : http://journals.openedition.org/lettre-cdf/3292 ; DOI : https://doi.org/10.4000/lettre-cdf.3292

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Auteur

Serge Haroche

Physique quantique (2001 - 2015)
Administrateur honoraire du Collège de France (2012 - 2015)

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