Physique quantique, repères historiques

Tout commence à la fin du XIXe siècle, dans les années 1890. Certaines observations, en particulier concernant le rayonnement électromagnétique, contredisent systématiquement les lois de la physique. Comment les intégrer?

La première tentative d’explication radicalement différente est réalisée par un physicien déjà célèbre, Max Planck, en 1900. Il propose de considérer l'énergie non comme un phénomène continu mais comme des "paquets" distincts les uns des autres, les quanta.

C'est initialement une astuce de calcul pour résoudre certaines équations. Mais il s'aperçoit qu'elle correspond comme par enchantement aux observations qui contredisaient les lois de la physique de son époque.

Cinq ans plus tard, Albert Einstein utilise l'idée des quanta pour expliquer l'effet photoélectrique (qu'on observe dans notre vie quotidienne par exemple dans les cellules commandant l'ouverture automatique des portes). L'idée d'une physique basée sur les quanta, une physique quantique, fait son chemin.

Entre 1925 et 1927, plusieurs physiciens réussissent en quelques années à assembler les pièces de l’immense puzzle de la physique quantique. Tout d'abord, Louis de Broglie et Erwin Schrödinger raisonnent que si la lumière, qui est une onde, peut exister sous forme de paquets d'énergie, alors à l’inverse peut-être que des particules comme les électrons, qui sont de petits paquets d’énergie, peuvent se comporter comme une onde. Ils élaborent ainsi les fonctions d’onde.

Une particule peut donc exister dans plusieurs états superposés, onde ou particule. C'est le principe de superposition. Ensuite, Werner Heisenberg introduit le principe d’incertitude, selon lequel en physique quantique on ne peut pas mesurer de façon exacte deux valeurs d’une même particule (par exemple sa position et sa vitesse). Si l'on mesure correctement l'une des deux valeurs, l’autre sera forcément floue.

Wolfgang Pauli définit quant à lui le principe d’exclusion, selon lequel deux électrons ne peuvent jamais se trouver au même endroit dans le même état. Niels Bohr, dont Heisenberg et Pauli ont été les disciples, propose une théorie unifiée de la physique quantique.

Mais Albert Einstein reste très sceptique. Il considère que l'aléatoire ne peut pas être un principe fondamental de la physique. Si l'on ne peut pas mesurer précisément deux valeurs d'une particule, cela ne signifie pas qu'elles ne sont pas mesurables, mais simplement qu'on ne sait pas encore le faire.

La suite de cet article dans Histoire de la physique quantique.

RTS Découverte, avec la collaboration de Nicolas Gisin, physicien, professeur à l'Université de Genève