Structure ondulatoire de la matière
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Dans le contexte historique de la mécanique quantique, la Structure ondulatoire de la matière traduit l'idée défendue par Louis de Broglie et Erwin Schrödinger selon laquelle la réalité physique sous-jacente à la matière serait effectivement de nature ondulatoire.
Cette idée n'est pas celle qui fut majoritairement adoptée ensuite et qui veut qu'on associe à chaque particule physique une onde de probabilité. Il est intéressant que la loi qui traduit ce concept soit connue sous loi de de Broglie, ce qui illustre que l'interprétation physique des lois de la mécanique quantique n'est pas triviale.
Aujourd'hui, la mécanique quantique est unifiée dans d'autres théories mais le modèle standard qui unifierait toutes les lois de la physique n'a pas encore été découvert.
Sommaire |
[modifier] Concept
La différence d'interprétation physique entre les 2 points de vue est importante.
D'un côté, Schrödinger et de Broglie se placent dans le débat d'un choix à faire entre une réalité corpusculaire ou une réalisté ondulatoire de la matière. En ce sens qu'ils estiment, tout comme Newton et Maxwell avant eux que la réalité ne peut avoir qu'un des deux caractères exclusivement.
Aujourd'hui, l'inteprétation physique de la mécanique quantique a franchi un pas supplémentaire. On considère que la réalité sous-jacente n'est ni corpusulaire, ni ondulatoire mais au contraire est tantôt l'une et tantôt l'autre ou les deux simultanément.
La difficulté conceptuelle de ce principe est qu'au niveau macroscopique, c'est-à-dire au niveau des événements se produisant à notre échelle ou au niveau de notre vécu quotidien, les notions corpusculaires et ondulatoires sont totalement incompatibles. Une phénomène peut être ondulatoire tandis qu'un autre peut être corpusculaire mais l'association des deux n'a pas de sens commun.
Par exemple, une onde diffracte, c'est-à-dire que dans certaines conditions, elle ne se propage pas en ligne droite mais tourne autour des obstacles. Un objet corpusculaire lui obéit aux lois de Newton et si aucune force n'agit sur lui continue en ligne droite. Il ne peut donc contourner les obstacles. On ne conçoit pas à l'échelle macroscopique qu'un objet pourrait se comporter tantôt comme un onde et tantôt comme une particule.
Au niveau microscopique, les expériences de diffraction d'électrons ainsi que l'effet photo-électrique montrent que des phénomènes ondulatoires peuvent avoir des comportement typiquement corpusculaires et que des phénomènes corpusculaires peuvent avoir des comportements ondulatoires.
L'interprétation physique de Schrödinger et de de Broglie ne peut néanmoins pas être rejetée pour la cause. En effet, bien que conscients de ces principes, ils n'ont fait que postuler qu'il devait exister un principe plus profond qui devait selon eux avoir une comportement ou une essence ondulatoire et que ce n'était que sa perception qui était corpusculaire là où on postule aujourd'hui que la réalité sous-jacente est simplement inaccessible et que nous devons nous limiter à l'étude de la perception qu'on a de ce qu'on dénomme une réalité.
L'interprétation de la structure ondulatoire de la matière a donné naissance à des théories farfelues et communément rejettées par le monde scientifique mais a refait parler d'elle au niveau de la théorie des cordes qui est une théorie rejoignant l'approche philosophique de de Broglie et de Schrödinger d'une structure ondulatoire sous-jacente à la matière.
[modifier] Histoire de la structure ondulatoire de la matière
[modifier] Les hypothèses de Clifford
Voici plus 150 ans William Kingdon Clifford, le futur père de l'algèbre géométrique, formulait l'idée de la structure ondulatoire de la matière de la façon suivante: «J'affirme que:
- De petites extensions de l'espace sont analogues à de petites collines sur une surface habituellement plate, en ce sens que les lois ordinaires de la géométrie ne s'y applique plus.
- Cette propriété d'être courbe ou distordu est continûment transmise d'un point de l'espace à un autre à la façon d'une onde.
- Cette variation dans la courbure de l'espace est ce qui se passe réellement dans ce phénomène que nous appelons le mouvement de la matière, qu'il s'agisse de mouvement de masse ou d'éther.
- Dans ce monde physique, rien d'autre ne se passe que cette variation, sujette à la loi de la continuité»
Outre les théories sur la structure ondulatoire de la matière, cette affirmation a également nourri la construction mathématique de la courbure de l'espace, par Albert Einstein.
[modifier] Schrödinger et Louis de Broglie
En 1924, Louis de Broglie reprend à son compte les hypothèse de Clifford, en ayant l'idée d'associer une équation d'onde aux électrons, fondant ainsi une mécanique ondulatoire dont les prédictions seront régulièrement confirmées par l'expérience. Dans la foulée, Erwin Schrödinger publie sa fameuse équation, jetant les bases de la mécanique quantique.
Dans le cadre de la mécanique quantique habituelle, les électrons sont des particules discrètes dont la position n'est connue que par une distribution. C'est là l'interprétation habituelle de l'équation de Schrödinger, qui peut pourtant donner lieu à deux interprétations tout aussi valables l'une que l'autre:
- Ou bien les particules discrètes existent, et les ondes sont réduites au rang de «probabilités».
- Ou bien les ondes existent, et les particules discrète n'en sont qu'un vague reflet.
Schrödinger lui-même penche pour la seconde hypothèse, ce qui le conduisit à la structure ondulatoire de la matière:
«Ce que nous observons comme des corps matériels et des forces ne sont rien d'autre que des formes et des variations dans la structure de l'espace. Les particles ne sont que Schaumkommen (apparences). ... Le monde ne m'est donné qu'une fois, pas une fois en tant qu'existant et une fois en tant que perçu. Sujet et objet sont un. On ne peut pas dire que la barrière entre eux a été brisée à la suite des récentes expériences dans les sciences physiques, puisque cette barrière n'existe pas. ... Il faut que je dise dès le début, que dans ce discours, je ne m'oppose pas simplement à quelques affirmations particulières de la mécanique quantique d'aujourd'hui (les années 1950), je m'oppose à l'intégralité de la théorie, je m'oppose à ses fondements tels qu'ils ont été construits il y a 25 ans, quand Max Born avança son interprétation probabiliste, acceptée par presque tout le monde. ... Je ne l'aime pas, et je regrette d'avoir jamais été mêlé à ça.» (Erwin Schrödinger, Life and Thought, Cambridge U. Press, 1989).
[modifier] Le problème du potentiel infini au centre d'une particule
En 1945, John Archibald Wheeler et Richard Feynman, en étudiant les mécanismes de transfert énergétique de l'électron - émission ou absorption de lumière - tombèrent également sur des structures ondulatoires. Ils en vinrent même à calculer une «réponse de l'univers» aux transferts énergétiques de l'électron, sous la forme d'ondes sphériques centripètes. Mais ils travaillaient avec des ondes électromagnétiques sphériques dans un espace vectoriel et en restèrent au concept de 'particule' générant ces ondes qui agissent sur d'autres 'particules'. Utiliser des ondes électromagnétiques dans un champ vectoriel continu pose des problèmes et oblige à procéder à la renormalisation d'un champ d'intensité infinie (quand le rayon tend vers zero). Comme Paul Dirac et Richard l'écrivent:
«Je dois dire que je ne suis absolument pas satisfait de la situation, parce que cette soi-disant bonne théorie implique de négliger les infinis qui apparaissent dans ses équations, et de les négliger de façon arbitraire. Ce ne sont pas des mathématiques raisonnables. Des mathématiques raisonnables, c'est négliger une quantité qui devient infiniment petite - pas en négliger une parce qu'elle devient infiniment grande et qu'on n'en veut pas!» (Paul Dirac)
«Qu'importe si le mot convient, c'est ce que j'appelle un processus de cinglé! Devoir recourir à un tel hocus pocus nous a empêché de démontrer que la théorie électrodynamique quantique était mathématiquement consistante. ... Je suspecte que la renormalisation n'a pas de justification mathématique.» (Richard Feynman, The Strange Theory of Light and Matter, 1985)
Albert Einstein était conscient également de ce problème et explique dans sa critique de la théorie électromagnétique des champs de Lorenz appliquée aux électrons (c'est toujours la même problème de la dualité particule / champ électromagnétique).
«L'indadéquation de ce point de vue s'est manifesté dans la nécessité d'assumer des dimensions finies pour les particules afin d'empêcher le champ magnétique à leur surface de devenir infiniment grand.» (Albert Einstein, 1936)
[modifier] Einstein et le règne des champs continus sur la physique
Pendant ce temps, Albert Einstein travaillait à une théorie générale de la gravitation visant à unifier les forces fondamentales de la nature. Dans sa théorie, il a représenté l'électron commme un champ continu dans l'espace-temps. Sa mort en 1955 laisse ses tentatives de théorie unifiée non résolues. Einstein:
«Ces cinquantes années de rumination ne m'ont pas conduit plus près de la réponse à la question: 'Que sont les quanta de lumière?' Aujourd'hui n'importe quel Pierre, Paul ou Jacques pense qu'il le sait mais il se trompe. ... Je considère qu'il est tout à fait possible que la physique ne soit pas basée sur le concept de champ, c'est-à-dire sur des structures continues. Dans ce cas, il ne reste rien de tout mon château dans les nuages, y compris la théorie de la gravitation, [ni du] reste de la physique moderne. »(Albert Einstein, Lettre à Michael Besso, 1954)
«Einstein pense qu'il a une théorie des champs continus qui évite toute 'fantomatique action à distance', mais les difficultés de calcul sont très grandes. Il est tout-à-fait convaincu qu'un jour une théorie ne reposant pas sur les probabilités sera trouvée.» (Albert Einstein to Max Born, p158 Mar 1947)
[modifier] Les doutes d'Einstein liés à la dualité onde/corpuscule
D'après Einstein:
«La pierre d'achoppement pour la théorie des champs est dans la conception de la structure atomique de la matière et de l'énergie. Ceci parce que la théorie est fondamentalement non-atomique en ce sens qu'elle opère exclusivement avec des fonctions continues de l'espace, en contraste avec la mécanique classique, dont l'élément fondamental, le point matériel rend justice à la structure atomique de la matière.» (Albert Einstein, 1954)
«Les théories de la relativité spéciale et générale, qui, bien que reposant entièrement sur des idées liées à la théorie des champs, ont jusqu'ici été incapables d'éviter une introdution indépendante de points matériels, ... les champs continus apparaissent ainsi côte-à-côte avec le point matériel, en tant que représentants de la réalité physique. Ce dualisme reste même aujourd'hui gênant pour tout esprit ordonné.» (Albert Einstein, 1954)
«Les équations de Maxwell dans leur formes originales ne permettent pas, cependant, la description de particules, car leur solutions correspondantes contiennent une singularité. Les théoriciens de la physique ont depuis longtemps essayé (1936), en conséquence, d'atteindre le but par une modification des équations de Maxwell. Mais ces essais n'ont pas été couronnés de succès. Ce qui me semble certain, pourtant, c'est que dans les fondements de n'importe quelle théorie des champs consistante, le concept de particule ne doit pas apparaître en plus du concept de champ. Toute la théorie doit être basée seulement sur les équations différentielles partielles et leur solutions sans singularités.» (Albert Einstein, 1954)
Ces problèmes soulevés par Einstein et d'autres voici plusieurs dizaines d'années ne sont toujours pas résolus dans le cadre du modèle standard de la physique.
[modifier] Voir aussi
[modifier] Bibliographie et Références
- E. Schrödinger. In Schrödinger - Life and Thought, Cambridge U. Press, p327 (1989).
- E. Mach, (1883 German). English: The Science of Mechanics, Open Court (1960).
- J. A. Wheeler, and R. Feynman, Rev. Mod. Phys. 17, 157 (1945).
