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Philosophie et science - Glossaire
VI/ GLOSSAIRELes expressions de la nouvelle physique
Est rassemblé ici l’essentiel de l’arsenal théorique de la « nouvelle physique » dont les différentes notions figurent dans les textes la concernant et sont marqués par un astérisque ; ils sont redéfinis, d’une manière aussi concise que possible. Les astérisques qui apparaissent de nouveau dans ce glossaire se rapportent à des termes qui eux-mêmes y figurent.
Arc de cycloïde
Assimilation du corpusculaire à l’ondulatoire. C’est en 1923, que Louis de Broglie s’est posé la bonne question : puisque dans le cas des photons les ondes peuvent être considérés comme des corpuscules, pourquoi la réciproque serait-elle impossible ? D’où sa proposition d’assimiler le corpusculaire à l’ondulatoire en quantité de mouvement du corpuscule – produit de sa masse par sa vitesse). Précision importante apportée par DE BROGLIE, cette onde associée n’est pas une onde monochromatique – qui aurait une étendue illimitée dans l’espace –, mais un « paquet d’ondes* » dont le maximum d’amplitude se déplace avec la vitesse du corpuscule. Or, il se trouve que, lorsque les ondes superposées, en grand nombre, se déplacent à des vitesse légèrement différentes, presque partout le creux de l’une compense la crête de l’autre et les ondes s’annulent – sauf à un endroit où les crêtes s’ajoutent les unes aux autres, formant un énorme renflement. C’est précisément ce renflement qui, d’après les calculs de DE BROGLIE se déplace à la vitesse du corpuscule. Axiome. C’était autrefois, en mathématiques, une proposition élémentaire qui apparaissait comme évidente. À l’époque contemporaine, c’est une proposition appartenant à un langage formel* qui est posée comme vraie par hypothèse. Béance. Un terme introduit dans les textes concernant la physique pour désigner l’impossibilité de décrire tous les aspects de la réalité physique par la théorie, leur écart irréductible provenant d'un conflit entre l’unicité des faits et le probabilisme profond de la théorie quantique. Il a trait à des faits parfaitement visibles, et non, comme le voudrait le Réel voilé de D’ESPAGNAT, à des propriétés qui ne sont que concevables, auxquelles on ne parvient pas à assigner une valeur de vérité*.
Bosons. Les bosons , contrairement aux fermions ne servent pas à constituer la matière, mais sont les médiateurs des forces. Cela signifie que quand une force s’exerce entre deux particules de matière, cela se fait par l’intermédiaire des bosons. Pour comprendre ce principe, on peut avoir recours à une analogie mécanique. Calcul de propositions. En logique, c’est le maniement des propositions d’un langage formel*, à l’aide principalement des opérations logiques « non, et, ou », et l’établissement entre elles de relations d’équivalence ou d’implication. Champ de propositions. En logique, l'ensemble des propositions sur lesquelles on se propose de raisonner. Il peut être défini à l’aide d'ensembles à la manière de Boole (point de vue exhaustif) ou construit au moyen d'un langage plus ou moins formel. Commutation. En mathématiques et en mécanique quantique, le produit AB de deux opérateurs* A et B s’obtient en faisant d’abord agir l’opérateur B sur une fonction quelconque u pour former la fonction Bu sur laquelle on fait alors agir l’opérateur A, ce qui donne ABu et qui définit l’opérateur AB agissant sur u. Les opérations A et B commutent quand AB = BA. En général, on appelle commutateur de A et B la différence des deux produits AB - BA.
Constante de Planck. En décembre 1900, une voix avisée se fait entendre, c’est celle de PLANCK qui tire les conclusions du rayonnement du corps noir. h= εν
La constante h fut alors proposée comme nouvelle constante universelle. Sa dimension, bien que considérablement faible, est cependant celle d'une action (une énergie multipliée par un temps). Les déterminations expérimentales ultérieures de h conduiront à la valeur : Crédible. En mécanique quantique, une proposition crédible résulte d’un fait observé, mais elle n’a de sens que dans certains des cadres logiques autorisés par l’existence de la complémentarité*, et non dans tous, au contraire des propositions vraies (voir Vérité). Elle ne peut conduire à une contradiction logique, à condition que l’on ne sorte pas du cadre qui lui convient, lequel reste arbitraire et non objectif. Décohérence. En mécanique quantique, la décohérence est un effet physique grâce auquel les effets d’interférence* quantique entre des états macroscopiquement distincts disparaissent très rapidement. Denkbereich. Voir Champ de propositions. Diffraction. En optique, les phénomènes de diffraction sont ceux qui se manifestent par un écart à la propagation rectiligne de la lumière montrant son caractère ondulatoire. Ainsi, le bord d'une ombre produite par une source ponctuelle n’est pas parfaitement net quand on l’observe avec soin.
Diptyque de la physique quantique.
Discontinuité (domaine du rayonnement). À la fin du XIXe siècle plusieurs physiciens se sont consacrés à l’étude du « spectre » du morceau de fer chauffé en fonction de la température à laquelle il a été chauffé. Deux bornes à l’observation ont été constatées :
Discontinuité (domaine de la lumière). Du XVIIe au XIXe siècle, la lumière a fini par s’imposer par son caractère ondulatoire plutôt que corpusculaire. HUYGENS fut le premier à le reconnaître. Il découvrit en 1677, grâce aux propriétés des cristaux et de leur coupe géométrique, en particulier grâce au spath d'Islande, que les lois de réflexion et de réfraction de SNELL-DESCARTES étaient conservées si l'on supposait une propagation de la lumière sous la forme d'ondes. En outre, la double réfraction du spath d'Islande peut être expliquée, ce qui n'est pas le cas avec une théorie corpusculaire.
Discontinuité (domaine de l’atome). BOHR postule que dans le modèle solaire de l’atome de RUTHERFORD – électrons de charge négative [planètes] gravitant autour du noyau [soleil] – le rayon de l’orbite circulaire ne peut varier de façon continue, mais qu’il faut au contraire lui assigner des valeurs déterminées dans lesquelles intervient la constante de PLANCK. En clair, cela signifie que les électrons gravitant autour du noyau ne peuvent le faire que selon des orbites bien précises, et que, en particulier il leur est impossible de descendre au-dessous d’une orbite dite « fondamentale ». Ils ne risquent donc pas de s’écraser sur le noyau. SVEN ORTOLI et JEAN-PIERRE PHARABOD dans « Le cantique des quantiques » proposent d’imaginer un escalier. L’électron peut ou bien se tenir sur une marche, ou bien grimper sur la marche supérieure si on lui fournit l’énergie nécessaire (sous la forme d’une particule électromagnétique appelée photon), ou bien descendre sur la marche inférieure en rendant de l’énergie (sous la forme d’un photon) ; mais en aucun cas il ne peut rester entre deux marches. Dans ce modèle chaque marche est « étiquetée » par un nombre caractéristique du rapport entre le rayon orbital et la vitesse de l’électron. Dualité onde-corpuscule. L’aspect corpusculaire et l’aspect ondulatoire sont deux représentations « complémentaires » d’une seule et même réalité. Un être physique unique peut nous apparaître tantôt sous forme de corpuscule (quand, par exemple, il provoque un scintillement sur un écran fluorescent), tantôt sous forme d’onde (quand, par exemple, nous observons les tranches d’interférence ptoduite par un flot d’électrons).
Ainsi aux alentours de 1927, on peut dire que l’arsenal théorique de la nouvelle physique est, pour l’essentiel achevé. De l’introduction par PLANCK de la notion de quantum à la synthèse de DIRAC, il aura fallu un bon quart de siècle pour le réaliser. Mais il est maintenant solide et performant du fait qu’il rend compte d’un très grand nombre de phénomènes restés jusqu’alors mystérieux. Effet tunnel. C’est un phénomène qui se produit couramment au niveau des particules et jamais au niveau macroscopique (système comprenant un grand nombre de corpuscules atomiques ou moléculaires dont les dimensions dépassent le micron). Il est inexplicable en physique classique et très bien compris en physique quantique. On peut imager la situation de manière simple : un objet usuel (à notre échelle) qui se trouve dans un creux ne pourra pas remonter la pente spontanément pour parvenir à un autre creux. S’il est au fond d’un puits, il y restera à moins qu’on mette de l’énergie pour en sortir. En physique, cette situation s’appelle un puits de potentiel, qu’il s’agisse d’un potentiel lié au champ de gravitation ou à un autre champ.
Eh bien, les particules parviennent sans cesse à sortir des puits de potentiel ! C’est complètement en contradiction avec les lois de la physique classique.
Normalement, on ne peut pas passer d’une vallée à une autre vallée voisine sans passer par un sommet ou un col de la montagne qui les sépare, à moins de creuser un tunnel dans la montagne. C’est pourtant ce que parviennent à faire les particules de matière et tout objet quantique. C’est pour cela qu’on appelle cela un effet tunnel, comme si la particule avait creusé un tunnel pour sortir du puits de potentiel.
Électron. L’électron de la nouvelle physique n’est plus une sorte de planète qui tourne autour d’un astre, le noyau de l’atome. Il ne parcourt pas un chemin précis, mais des trajectoires possibles. Invisible et insaisissable, ce n’est plus un objet : c’est un nuage.
Entre deux électrons, la force d'attraction gravitationnelle est 1040 fois plus faible que la force de répulsion électrostatique. Alors que l'interaction gravitationnelle est uniquement attractive, l'interaction électromagnétique peut être soit attractive soit répulsive. Il existe deux types de charges électriques, les positives et les négatives. Deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signe opposé s'attirent. Cette propriété est très importante : une charge positive a tendance à attirer, dans sa proximité, une charge négative de même valeur et inversement. La matière reste alors globalement neutre : la force de répulsion que la première charge exercerait sur une tierce charge positive est pratiquement compensée par la force d'attraction de la deuxième charge. C'est pourquoi à l'échelle des distances astronomiques, l'interaction électromagnétique, malgré son intensité 1040 fois plus forte que l'intensité de l'interaction gravitationnelle, est négligeable par rapport à cette dernière. Énergie. En physique classique, l'énergie est une quantité physique qui se conserve pour un système isolé. Elle se décompose souvent en une partie qui dépend des seules vitesses (énergie cinétique) et une autre qui dépend des seules positions (énergie potentielle). En mécanique quantique, l’énergie est une observable* qu’on appelle aussi l’hamiltonien. Équation de Schrödinger. En mécanique quantique, l’équation de SCHRÖDINGER exprime la variation de la fonction d’onde* au cours du temps et joue ainsi le rôle de la dynamique. Elle fait intervenir de manière essentielle une observable* particulière qui est l’hamiltonien ou énergie*. Équations de Maxwell En physique (électrodynamique), il s'agit d’un ensemble d'équations qui régissent les propriétés des champs électrique et magnétique ainsi que leur évolution au cours du temps. Avant le travail dû à J. C. Maxwell au XIXème siècle, nous avions le champ électrique et le champ magnétique, qui semblaient deux phénomènes indépendants. Puis Maxwell a compris qu’ils n’étaient que deux manifestations différentes d’un même objet : le champ électromagnétique, lequel est également responsable de la lumière. Unifier l’électricité, le magnétisme et la lumière, à juste titre a été considéré comme un véritable tour de force. Espace-temps. Ce terme de physique désigne la conjonction de l’espace et du temps en un seul système, conçu comme une entité première et représenté par un espace mathématique abstrait à quatre dimensions. Il y a de multiples manières d’introduire des coordonnées dans cet espace abstrait, dont chacune est interprétable comme une structuration en espace et en temps, tels qu’ils peuvent être constatés empiriquement par un observateur particulier dans son propre voisinage. Éther. Milieu hypothétique emplissant l'espace, longtemps supposé par la physique classique. Il était censé permettre la propagation de la lumière puis, lorsque cette dernière fut identifiée à un champ électromagnétique vibrant, celle de ce champ. Il a disparu des concepts actuels après l’expérience de MICHELSON. Fentes de Young. Les fentes de Young (ou interférences de Young) désignent en physique une expérience qui consiste à faire interférer deux faisceaux de lumière issus d'une même source, en les faisant passer par deux petits trous percés dans un plan opaque. Cette expérience fut réalisée pour la première fois par Thomas Young en 1801 et permit de comprendre le comportement et la nature de la lumière. Sur un écran disposé en face des fentes de Young, on observe un motif de diffraction qui est une zone où s'alternent des franges sombres et illuminées. Cette expérience permet alors de mettre en évidence la nature ondulatoire de la lumière. Elle a été également réalisée avec de la matière, comme les électrons, neutrons, atomes, molécules, avec lesquels on observe aussi des interférences. Cela illustre la dualité onde-particule : les interférences montrent que la matière présente un comportement ondulatoire, mais la façon dont ils sont détectés (impact sur un écran) montre leur comportement particulaire.
Schéma de principe des fentes de Young
Illustration de l’apparition des franges d’interférence
Quand la particule interfère avec elle-même comme dans l’expérience des fentes de Young, la seule interprétation possible est qu’elle a à la fois traversé les deux fentes, ce n’est pas le corpuscule mais le nuage qui traverse les deux et qui interfère avec lui-même en modifiant ainsi les probabilités de présence.
et
où E0 est l'amplitude, ω la pulsation des ondes, Δφ leur déphasage et t le temps.Δφ caractérise le fait qu'une onde a un certain retard par rapport à l'autre. En effet, pour arriver au point M, le chemin à parcourir n'est pas de la même longueur pour la lumière qui provient d'une source ou de l'autre. Fission nucléaire. La fission nucléaire[1] est le phénomène par lequel le noyau d'un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d'uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus légers, généralement deux nucléides. Cette réaction nucléaire se traduit aussi par l'émission de neutrons (en général deux ou trois) et un dégagement d'énergie très important (≈ 200 MeV par atome fissionné, à comparer aux énergies des réactions chimiques qui sont de l'ordre de l'eV par atome ou molécule réagissant). Fonction d’onde. En mécanique quantique, l’état d'un système est défini comme une donnée qui permet de calculer la probabilité de toute propriété*. Cette donnée est souvent exprimée de manière mathématique par une fonction (fonction d’onde) ayant pour arguments les coordonnées des particules qui constituent le système. Ainsi, la fonction d'onde est une quantité formelle contenant et permettant d'exprimer tout ce qui peut être affirmé à propos d'un système physique à un instant donné.
La fonction d'onde d'une particule initialement très localisée L'équation trouvée par le physicien SCHRÖDINGER en 1925, est une fonction d'onde qui généralise l'approche de de Broglie aux particules massives non relativistes soumises à une force dérivant d'une énergie potentielle, dont l'énergie mécanique totale est classiquement : E = p2/2m + V (r)
Le succès de l'équation, déduite de cette extension par utilisation du principe de correspondance – applicable seulement lorsque le nombre de particules-quantons atteint un certain seuil –, fut immédiat quant à l'évaluation des niveaux quantifiés d'énergie de l'électron dans l'atome d'hydrogène, car elle permit d'expliquer les raies d'émission de l'hydrogène*. Dans la physique bohmienne, il n’y a a priori qu’une seule fonction d’onde : celle de l’univers. Si la théorie est déterministe, comment compose-t-elle avec le caractère probabiliste des équations de la mécanique quantique ? DÜRR, GOLDSTEIN et ZANGHI (1993) expliquent que ce qui paraît aléatoire dans chaque contexte expérimental ne l'est pas dans un univers bohmien. Les lois statistiques de Born seraient des manifestations locales d'un état d'équilibre quantique universel.
Dans l'interprétation de Copenhague, la métaphore du cylindre est couramment employée pour décrire la situation de l'expérimentateur. Les particules ont à la fois les propriétés d'une onde et d'une particule, tout comme ce cylindre a à la fois les propriétés d'un cercle et d'un rectangle. Dans la théorie de BOHM, le potentiel quantique *(l’onde-pilote) [2] remplit ce rôle explicatif : la particule est guidée par le potentiel quantique comme le sous-marin par son sonar. Forces fondamentales. L’ensemble des phénomènes physiques connus peuvent s’expliquer à partir de seulement quatre forces dites « fondamentales ». Deux de ces forces nous sont assez familières : la force électromagnétique et la force de gravité; les deux autres agissent seulement au niveau subatomique : la force nucléaire « forte », responsable de la cohésion des noyaux atomiques, et la force nucléaire « faible », qui intervient dans les processus de fission nucléaire*. Formel. Une expression utilisée dans les textes concernant la physique comme adjectif et parfois comme nom. Le formel s’oppose principalement à l’intuitif, au représentable, au visuel, à ce que peuvent exprimer les mots appartenant au langage du sens commun. Plus précisément, un concept relatif à la réalité (en physique, par exemple) est considéré comme formel s'il n’est expressible, saisissable et pleinement utilisable que lorsqu'on fait appel aux mathématiques. Les mathématiques et la logique sont quant à elles formelles à un premier niveau quand elles ne traitent que de relations, et non d’objets signifiants parfaitement et uniquement définis (ainsi, une proposition sur des relations entre des droites, objets signifiants, est strictement équivalente, grâce à la théorie des polaires réciproques, à une proposition sur des points comme objets signifiants). Mathématiques et logique peuvent être considérées comme purement formelles quand leurs fondements se réduisent totalement à un système d'axiomes* appartenant à un langage formel*.
Hamiltonien. La notion d'hamiltonien, ou encore de fonction de Hamilton provient d'une formulation très puissante des équations de la mécanique analytique, les équations de Hamilton. Ces dernières sont fondamentales de par leur rôle général en physique et sont à la base de la découverte et de la formulation de la mécanique quantique. Histoire. En mécanique quantique, une histoire est une suite de diverses propriétés ayant lieu à des instants successifs. Impulsion. En physique classique, l’impulsion est le produit de la masse par la vitesse. En mécanique quantique, chacune des composantes de ce vecteur est une observable*, c’est-à- dire un opérateur* mettant en jeu l’opération de prendre une dérivée. C’est donc, en ce cas, une notion très formelle. Interférences. En optique et en mécanique quantique, lorsqu’une onde peut suivre deux chemins différents (au travers de deux fentes de Young, par exemple), son intensité (ou la probabilité de présence dans le cas quantique) varie de place en place en montrant des maxima et des minima (des franges lumineuses et obscures dans le cas de la lumière) dont l’existence constitue le phénomène d’interférence. Fondamentalement, il est dû à l’existence d’un principe de superposition selon lequel les ondes qui ont suivi des chemins différents ajoutent leurs amplitudes.
Interprétation. En physique, sous la forme décrite ici, l’interprétation est la dérivation à
Lagrangien. La formulation Lagrangienne est invariante par changement de systèmes de coordonnées qi et c'est ce qui fait sa puissance, car elle permet de ramener de larges classes d'équations différentielles exprimées en coordonnées cartésiennes, sphériques etc... à quelques cas fondamentaux que l'on sait résoudre. Langage formel. En logique et en mathématiques, un langage formel se sert de signes convenus, assemblés selon des règles prescrites pour former des propositions. Ces propositions existent ainsi par elles-mêmes sans qu’on ait à supposer qu'elles se réfèrent à la réalité ni qu’elles aient une signification unique. Loi. En science, une conséquence logique des principes* qui est justifiée par l’expérience.
Matrices. Leur utilisation en physique est due à HEISENBERG à qui il semblait inutile de représenter l’atome par un système planétaire de noyaux et d’orbites ou tout autre image que ce soit, de sorte qu’étant seules connues les fréquences et les intensités de lumière, il était plus expédient d’utiliser des tableaux de nombres (matrices) propres à chaque atome tels qu’utilisés par les mathématiciens. Ces matrices permettent, par exemple, de calculer les sauts d’électrons d’une orbite sur n’importe quelle autre. En résumé, les hypothèses concernant les éléments physiques de l’atome de BOHR sont traduites par la théorie des matrices représentant la seule chose que l’on connaisse, à savoir le rayonnement provenant de la région où l’atome est censé se trouver. À l’usage, si abstraite qu’elle paraisse, cette « mécanique des matrices » 1a l’immense mérite de coller avec les résultats expérimentaux et cela, en dépit de son étrangeté par rapport au calcul.
En énumérant le nombre de lignes avant celui des colonnes, on considère que la matrice C est le produit de la matrice A de type (4, 2), et de la matrice B de type (2, 3).
Pour Heisenberg, puisqu’il s’agissait de mettre en doute les conceptions classiques de position et de vitesse, quels objets pourraient-ils remplacer les notions habituelles. L’objet « accélération » n’étant certainement pas un nombre mais dépendant de l’état initial et de l’état final entre lesquels l’atome transite, et qui n’a vraiment de sens qu’à l’instant précis où le saut a lieu[3]. Si donc on numérote les états possibles de l’atome comme le faisait Bohr avec ses « nombres quantiques » étiquetant les niveaux d’énergie, l’accélération pouvait donc être remplacée par une quantité qui dépend du numéro de l’état initial et de l’état final. Ainsi Heisenberg, à l’instar du travail de Bohr, avait-il remplacé l’accélération par des tableaux de nombres à double entrée indiquant l’état initial et l’état final, grâce à auxquels il était parvenu à reformuler l’essentiel des lois de la mécanique. En 1924, Max Born à qui Heisenberg s’était ouvert de ses trouvailles et de ses perplexités, l’encouragea à publier ses résultats après lui avoir révélé que ses tafleaux sont appelés « matrices » par les mathématiciens. Avec l’aide de Pascual Jordan qui connaissait l’usage des « matrices » il met rapidement une version qasiment complète de cette nouvelle théorie comme de la mécanique matricielle.
Mécanique quantique. Ses fondateurs la considéraient comme le cadre théorique permettant de d´écrire le comportement de la matière et de la lumière aux échelles atomiques et subatomiques. Plus tard, avec la découverte de phénomènes quantiques macroscopiques, cette définition est néanmoins apparue trop restrictive. Cependant la définition du domaine quantique est déjà une question très délicate, aussi nous en resterons à ce premier point de vue, qui permet de toucher du doigt assez aisément la nécessité d’un abandon des concepts de la physique dite classique (nous entendons par là, la mécanique newtonienne et l’´electromagnétisme) lorsque l’on s’intéresse aux échelles atomiques et subatomiques. Les notions qui constituent le socle de la physique classique ont été forgées à partir de notre expérience immédiate, or, si nous pouvons espérer deviner les lois fondamentales qui régissent le mouvement des corps matériels en analysant le mouvement d’une boule de billard, ou celui des planètes à l’aide d’un télescope, il n’y a a priori pas de raison évidente pour que ces lois s’appliquent encore dans le monde atomique et subatomique.[4] Il n’est donc pas surprenant, rétrospectivement, que la description du comportement des atomes requière d’autres concepts que ceux utilisées pour analyser la dynamique des corps macroscopiques. Métalangage. Un métalangage est un langage formel qui donne une signification plus large à un autre langage formel, dont les propositions deviennent alors des mots (signes) du métalangage. Modus ponens. En logique, la possibilité de prendre pour nouveau point de départ un théorème* déjà démontré sans reprendre en compte la preuve qui l’a établi. Naines blanches. La structure interne d'une naine blanche est déterminée par l'équilibre entre la gravité et les forces de pression, ici produite par un phénomène de mécanique quantique appelé pression de dégénérescence*. Une naine blanche isolée est un objet d'une très grande stabilité, qui va simplement se refroidir au cours du temps pour, à très long terme, devenir une naine noire. Si par contre une naine blanche possède un compagnon stellaire, elle pourra éventuellement interagir avec ce compagnon, formant ainsi une variable cataclysmique. Non-localité. Avant même la démonstration de la violation des inégalités de BELL qui interdisent les théories locales à variables cachées*, cette interprétation non seulement supposait la non-localité (BELL a en fait montré que la mécanique quantique était par nature non locale), mais la rendait explicite : « C'est un mérite de la version de DE BROGLIE-BOHM qu'elle amène si explicitement la non-localité qu'on ne puisse en faire abstraction. »
Nouvelle physique. La quai-totalité des phénomènes physiques, depuis plus d’un siècle, ressortent de deux types d’explication : Objectivité. Un phénomène, un concept, une connaissance sont déclarés, à divers degrés, objectifs en ce qu’ils ne dépendent pas pour leur existence de l’esprit humain. La notion a été introduite par Kant ; elle a été l’objet de la préoccupation des sciences humaines et est apparue en tant que problème en physique avec la mécanique quantique. On s’est parfois demandé si certains concepts, celui de fonction d’onde* en particulier, ont ou non un caractère objectif, associé directement à la réalité physique ou seulement à la conscience que nous en avons. La réponse de BOHR et celle qu’apportent les travaux modernes concluent effectivement à l'objectivité de la théorie. Observable. En physique classique, les quantités physiques de base sont les coordonnées de position et d'impulsion et une quantité physique générale (par exemple l’énergie) est une fonction de ces coordonnées. Le rôle des quantités physiques est joué en mécanique quantique par des opérateurs* possédant certaines propriétés mathématiques (hermiticité), auxquels on donne le nom d’observables. C’est un des aspects les plus formels de cette théorie.
Onde pilote. Dans la théorie de BOHM-DE BROGLIE, les particules sont accompagnées d'une onde qui guide leur chemin, d'où le terme d'onde pilote. Mathématiquement, l'onde pilote est définie de la même façon que la fonction d'onde de la mécanique quantique. L'influence de l'onde pilote se caractérise sous la forme d'un potentiel quantique, dérivé de la fonction d'onde, agissant sur la particule de la même façon qu'un champ électrique. Par conséquent, l'onde pilote gouverne le mouvement de la particule en suivant l'équation de Schrödinger. Opérateur. En mathématiques et en mécanique quantique, un opérateur A est une opération mathématique qui, agissant sur une fonction u (souvent une fonction d’onde*), engendre une autre fonction, notée Au. Les opérateurs linéaires, de loin les plus importants, sont ceux qui .préservent la somme de deux fonctions et le produit d’une fonction par une constante. Paquet d’ondes. Il s’agit de l’onde associée au corpuscule qui n’est pas une onde monochromatique – qui aurait une étendue illimitée dans l’espace –, mais un « paquet d’ondes » dont le maximum d’amplitude se déplace avec la vitesse du corpuscule. Une similitude existe dans le son qui résulte, en effet, de la superposition d’un ensemble d’ondes (l’onde fondamentale et les harmoniques), de sorte que le « paquet d’ondes » de DE BROGLIE doit être considéré comme un ensemble de longueurs d’ondes encadrant λ = h/p et allant d’un minimum λmin à un maximum λmax. Paradigme. En épistémologie, une notion introduite par Thomas Kuhn. Un paradigme est un cas de réussite scientifique remarquable et prenant valeur exemplaire, que les chercheurs imiteraient. La structuration de la démarche de la recherche en termes de paradigmes s’oppose à celle de la science en termes de principes. Le mot lui-même, assez mal défini dès son apparition, tend à être employé de nos jours dans de multiples jargons.
Photon. Particule élémentaire, de masse et de charge nulle, le photon est l’aspect corpusculaire de la lumière. La vitesse de la lumière, dans le vide, quel que soit le référentiel d’étude, notée c, est environ égale à 300 000 km.s. © CNRS Photothèque
En 1900, MAX PLANCK émet l'hypothèse que les échanges d'énergie entre un rayonnement lumineux et la matière ne peuvent se faire que par "paquets", appelés quanta, contenant d'autant plus d'énergie que la fréquence du rayonnement est élevée. Le quantum est la quantité finie minimale d'échange d'énergie. Positivisme. En philosophie, la doctrine d’Auguste Comte et de son émule John Stuart Mill. En épistémologie, désigne surtout le point de vue selon lequel le critère d’une connaissance vraie est un consensus entre humains (de bonne foi, compétents, etc., avec toutes les difficultés que ces conditions supposent). En mécanique quantique, c’est principalement la doctrine selon laquelle la fonction d’onde n’a pas une réalité objective et ne représente que l’information dont un observateur dispose.
Potentiel quantique. C’est un principe central de la formulation de « de Broglie-Bohm » d'une interprétation ontologique, non standard, de la théorie quantique introduite par David Bohm en 1952. Pragmatisme. Au sens fort, c’est la doctrine philosophique de Hume, selon laquelle les faits sont premiers, à l’origine de la pensée et du langage, l’origine de l’ordre qui les régit eux- mêmes étant en principe inaccessible. Pression de dégénérescence. Pression d'origine purement quantique à laquelle est soumis un gaz de fermions (en particulier les électrons et les neutrons). A cause du principe d'exclusion de Pauli*, il faut fournir une énergie assez élevée pour ajouter un fermion à une assemblée de ses congénères si ceux-ci occupent déjà les états de basse énergie. Ceci se traduit par une force de pression qu'on appelle « pression de dégénérescence* ». Principe. En science, une proposition de caractère universel régissant la réalité physique.
Principe de complémentarité.
Principe de correspondance. Ce principe, énoncé par BOHR et corrigé par EHRENFEST en 1927, avec sa condition d’application[7], indique que la physique quantique et la physique classique donne des résultats équivalents. Mais qu’on ne s’y trompe pas : il s’agit en fait d’un cas limite de la première pour la dernière. Qui plus est, on sait maintenant que certains ensembles de quantons, même en très grand nombre persistent à suivre des lois quantiques parfaitement incongrues : ce sont les supra-conducteurs et les superfluides. Principe de moindre action. En physique, un principe d’où se déduisent les équations du mouvement d’un système classique. Introduit par LAGRANGE au XVIIIe siècle et étendu par HAMILTON, il énonce que le mouvement minimise (dans le cas le plus simple) une certaine intégrale, l’action, qui peut être construite à partir de la connaissance de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle. Principe d’exclusion de Pauli. Principe fondamental de la mécanique quantique, selon lequel certaines particules (les fermions) ne peuvent occuper à plusieurs le même état quantique. Ce principe permet de comprendre la structure en couche de la répartition électronique dans les atomes, ainsi que la structure en bandes des niveaux d'énergie dans les solides. De façon plus surprenante, il intervient aussi dans la structure des certaines étoiles (les naines blanches*), conduisant au phénomène de pression de dégénérescence* – s'effondrer sous l'effet de la gravitation. Cependant, lorsque l'étoile est trop massive, le principe d'exclusion ne tient plus et alors l'étoile s'effondre en un trou noir*.
Principe d’incertitude. À proprement parler, comme l’a fait remarquer ROLAND OMNES, il s’agit plutôt d’une relation puisqu’il en est la conséquence.
Vues spatiale (position) et fréquentielle (impulsion ou quantité de mouvement) de (a) une onde, (b) un paquet d'onde et (c) un corpuscule. L'onde étant de fréquence pure, son impulsion est définie mais elle n'est pas localisée dans l'espace. Inversement, le corpuscule est localisé mais n'a pas de fréquence déterminée. Le cas général est celui du paquet d'onde qui est distribué en fréquence comme en espace. Du fait de la dualité entre les deux représentations l'étalement spatial est inversement proportionnel à l'étalement fréquentiel
Principe d’inertie. L’un des principes fondamentaux de la mécanique classique. Sous la forme donnée par Newton, il énonce que le centre de masses (on dit aussi centre de gravité) d’un corps qui n’est soumis à aucune force se déplace d’un mouvement rectiligne dans l’espace absolu, uniforme par rapport au temps absolu. La même propriété demeure dans tout système de référence (galiléen) lui-même en mouvement rectiligne uniforme sans rotation par rapport à l’espace absolu. En théorie de la relativité restreinte, le principe d’inertie s’applique dans les référentiels galiléens en mouvement uniforme sans rotation les uns par rapport aux autres, lesquels forment une classe qui ne fait aucune référence à un espace ni à un temps absolu.
Projecteur. En mathématiques et, plus spécialement, dans les applications à la mécanique quantique, un projecteur (P) est un opérateur d’un type particulier. Agissant sur une fonction u (par exemple une fonction d’onde*), il engendre une autre fonction v, qu’on désigne par Pu. La principale particularité de P est de rester le même quand on le réitère : P2u = Pu. Projet cartésien. En philosophie, nom donné par Heidegger et par Husserl à l’hypothèse fondatrice de la physique théorique poussée à l’extrême et supposant que la réalité physique peut être entièrement décrite par des règles mathématiques. Propriété. En mécanique quantique, une propriété signifie qu’une certaine quantité physique (observable*) se trouve dans un certain intervalle de valeurs à un instant donné. Les propriétés constituent l’élément de base de toute description de la physique.
Raies d’émission de l’hydrogène.
Lorsque la transition électronique aboutit sur le niveau fondamental
Lorsque la transition électronique aboutit sur le premier niveau excité
Lorsque la transition électronique aboutit sur le deuxième niveau excité
Réalisme. Les diverses formes de réalisme sont des doctrines appartenant à la philosophie de la connaissance. Le réalisme platonicien suppose l’existence d’un monde des Idées plus réel que le nôtre. Le réalisme mathématique, qui en est très proche, suppose l’existence propre d’une entité que les mathématiques ne font qu’explorer, et non inventer. Le réalisme physique a lui-même de nombreuses variantes, qui toutes admettent l’existence d’une réalité physique indépendante de l’esprit humain (ce qui s’oppose à l’idéalisme), et admet souvent, de plus, que cette réalité peut être connue telle quelle est (ce qui s’oppose à la fois au positivisme et au représentationnisme). Les difficultés rencontrées par le réalisme avec la mécanique quantique ont amené BERNARD D'ESPAGNAT à introduire l'idée du Réel voilé qui limite la cogniscibilité de la réalité. Réduction de la fonction d’onde. L’une des hypothèses principales de l'interprétation de la mécanique quantique selon BOHR. Au terme d'une mesure opérée sur un système physique quantique (par exemple un atome) à l’aide d'un appareil, la fonction d'onde* du système mesuré est supposée changer brusquement, sa nouvelle expression étant déterminée par le résultat de la mesure tel qu'il est indiqué par l'appareil. La réduction, en tant que règle pratique permettant de calculer simplement des probabilités, demeure applicable dans les versions plus modernes de l'interprétation sans qu'on doive la considérer comme due à un effet physique particulier. Règle empirique. Une règle constatée par la seule expérience à propos d'une catégorie de phénomènes, éventuellement quantitative, dont on ignore l’explication en termes de lois*.
Relativité. Par la formule révolutionnaire établie par EINSTEIN : Révolution scientifique. Une notion introduite en histoire des sciences par Thomas Kuhn. Elle désigne des changements discontinus dans l’histoire de la science, à l’occasion de découvertes majeures. Kuhn les associe à l’apparition d'un nouveau paradigme*, ce qui fait ressortir le caractère de rupture avec le passé de la « révolution » en question. Vue sous l’angle des principes* de la science, il s’agit la plupart du temps d’une révision et d’une extension de ces principes où les anciens réapparaissent comme des conséquences des nouveaux, dans un domaine d’application bien spécifié, c’est-à-dire passant du stade de principes à celui de lois*.
Spin. Toujours par référence au modèle planétaire, il était tentant de pousser l’analogie plus loin et de supposer que, puisque la Terre tourne non seulement autour du Soleil, mais également sur elle-même, l’électron devait sans doute faire de même. C’est ce que suggérèrent deux physiciens néerlandais en 1925, en le baptisant spin (de l’anglais to spin : tournoyer), sorte de caractérisation d'un mouvement de rotation sur lui-même. Oui, mais, rien d’un mouvement dans l'espace ! Il se comportait en fait comme un minuscule aimant. Pourquoi donc avoir tourné autour d'une interprétation intuitive impossible alors que le spin est une qualité propre à la particule quantique qui se manifeste lorsque l'atome est soumis à un champ magnétique. Moment cinétique (ou angulaire) intrinsèque des particules, on lui conféra alors une valeur mesurable au même titre que la masse ou la charge électrique (le spin est donc devenu un multiple entier ou demi-entier de la constante de Planck divisée par 2 π). Ainsi, répétons-le, l’électron possède un champ magnétique. Sa valeur est connue avec une grande précision qui vérifie la théorie quantique : Théorème. En mathématiques et en logique, une proposition établie comme vraie en tant que conséquence de la vérité imposée des axiomes* par une démonstration.
Transformée de Fourier. La raison profonde du principe d’incertitude est le fait analogue que la fonction d’onde en impulsion soit la transformée de Fourier de la fonction d’onde en position. On pourrait dire, si on en réfère à la procédure de quantification, que c’est parce que l’opérateur position X et l’opérateur impulsion P ne commutent pas, une propriété qui elle-même est le reflet du fait que la variable de position x et la variable d’impulsion p en mécanique classique ne commutent pas.
Trou noir. Univers de discours. Voir Champ de propositions.
Variables cachées et particules. Cette interprétation de la mécanique quantique est qualifiée de théorie à variables cachées, bien que ses tenants rejettent cette appellation. JOHN STEWART BELL, le principal bohmien jusqu'aux années 1990, s'exclamait :
Vérité. En logique, la vérité se caractérise par la possibilité d’attribuer une valeur 1 (vraie) ou 0 (fausse) à une proposition. En logique et en mathématiques, les axiomes* sont posés vrais par hypothèse et les théorèmes* sont des propositions établies comme vraies à l’aide d'une démonstration.
Vide quantique. Le fait de décrire la particule non comme un objet classique disposant à tout instant à la fois d’une position et d’une vitesse, décrivant une trajectoire continue mais comme un nuage de probabilité de présence signifie que la particule peut sauter d’un point du nuage à un autre. [1] Décomposition de l’énergie de fission (Cas de l’uranium 235)
L'énergie totale libérée lors de la fission ressort égale à 202,8 MeV dont 14,2 MeV sont différés . La partie non récupérable, puisque communiquée aux neutrinos émis, et 9,6 MeV.
correspond sensiblement à 193,0 MeV par noyau d'uranium 235 fissionné
[2] La théorie de DE BROGLIE sur l'onde pilote, et ses développements ultérieurs par BOHM, ont longtemps été ignorés lors de la formation des physiciens, étant qualifiée de « métaphysique », alors qu'elle remettait en question de manière directe l'interprétation dominante, celle de Copenhague. JOHN BELL, qui a révélé l'importance de la non-localité en physique quantique, l'a souligné : [3] L’accélération d’un électron qui va engendrer un rayonnement ne se manifeste qu’au moment d’un saut entre deux états quantiques d’un atome. [4] Aujourd’hui les progrès de la physique quantique nous permettent de voir les atomes `a l’aide des microscopes à force atomique ou à effet tunnel*. C’´etait loin d’être le cas à la fin du XIXe siècle et les propriétés du monde atomique ne pouvaient qu’être déduites indirectement d’observations aux échelles macroscopiques. La réalité des atomes était contestée par quelques grands noms de la physique (par exemple ERNST MACH), tenants d’une approche continue opposée à la description atomiste…On peut considérer que la question de l’existence des atomes fut tranchée définitivement par la validation expérimentale, en 1908, par JEAN PERRIN (1870-1942, prix Nobel 1926), de la description du mouvement brownien proposée par EINSTEIN en 1905. Le mouvement erratique d’une petite particule déposée à la surface de l’eau révèle les chocs incessants avec les molécules du liquide. [5] Essayiste français, auteur d'ouvrages de vulgarisation scientifique ; il a effectué ses études à l'université Columbia, New York puis ses recherches en physique théorique au Courant Institute of Mathematical Sciences, New York.
[6] Les quantons montrent du discontinu quant à leur quantité (on peut les compter) et du continu quant à leur spatialité (on ne peut pas les localiser en un point). Leurs hyponymes sont les suivants : [7] Il est seulement applicable lorsque le nombre de particules-quantons atteint un certain seuil.
Date de création : 09/04/2016 @ 15:27 |