Quantique 2013 Chimie Atkins 17/07/13 16:28 Page1

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Pérez Carles Pujol I I Pérez Carles Pujol

Pujol I I Quantique I

fondements et applications Carles I Quantique Cet ouvrage, découpé en 20 leçons quasi En outre, sont examinés les progrès considérables autonomes, rassemble les fondements et apparus au cours des dernières décennies, tant sur le plan les applications de la quantique. fondamental, avec la levée des divers paradoxes, que sur le développement de l’optique quantique et des multiples applications en métrologie. L’ouvrage se termine Pérez fondements et applications Qu’est-ce que la quantique ? par une ouverture relativiste rendue nécessaire par les Dans la première leçon, on présente la quantique, en progrès qu’ont permis, sur le plan de la pensée et des soulignant les aspects historiques et épistémologiques applications, la théorie de Dirac et l’électrodynamique de cette discipline, et en rappelant ses nombreuses quantique. avec 250 exercices et problèmes résolus implications, non seulement en physique atomique et moléculaire, mais aussi en physique nucléaire, en chimie, De nombreux exemples, plus de 250 exercices en physique de la matière condensée et dans le domaine et problèmes résolus émergent des nanosciences. L’ouvrage s’adresse d’abord aux étudiants de licence (L2, L3) et de la première année du master (M1), mais sa Aspects fondamentaux et applications présentation didactique, avec ses nombreux exemples et Le fil conducteur de l’ouvrage peut être résumé par ses 250 exercices et problèmes résolus, ainsi que l’accent le slogan « un maximum de physique avec un minimum mis sur le développement historique et épistémologique, de formalisme ». Ainsi, en appliquant l’équation de devraient aussi intéresser les candidats aux concours Schrödinger à des systèmes unidimensionnels, sont rapide- de l’enseignement (CAPES, agrégations, etc.), et plus ment abordés les effets de confinement, de quantification, largement toutes les personnes concernées par la de tunnel et de diffusion. Dans ce contexte, l’évolution, le physique et son impact dans toutes les autres disciplines déterminisme, l’indiscernabilité, la superposition d’états et scientifiques, voire même en philosophie. l’intrication, qui sont analysés en détail dans la seconde moitié de l’ouvrage, sont très tôt considérés. Les auteurs José-Philippe Pérez, Professeur émérite de a Ouvrage construit en 20 leçons, progressives et quasi l’Université de Toulouse, UPS-IRAP. autonomes Robert Carles, Professeur à l'Université de Toulouse, a Fondements, ordres de grandeurs et applications concrètes UPS-CEMES. fondements et applications a Développement historique et épistémologique Olivier Pujol, Maître de conférences à l’Université a Aspect plus actuel : introduction à la théorie quantique de Lille, LOA. des champs a De nombreux exemples, 250 exercices et problèmes résolus a Annexes mathématiques et simulations numériques

ISBN : 978-2-8041-0778-9 Quantique

www.deboeck.com 9 782804 107789 PHYQUANPER Conception graphique : Primo&Primo® Primo&Primo® : graphique Conception D.R. © illu :

Quantique fondements et applications

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PHYQUANPER-pgeTitre.indd 2 19/08/13 11:16 Pérez | Carles | Pujol

Quantique fondements et applications avec 250 exercices et problèmes résolus

PHYQUANPER-pgeTitre.indd 3 19/08/13 11:16 Illustration de couverture L’image utilisée pour illustrer la couverture de l’ouvrage est celle d’un nanoSQUID donnée par un microscope à force atomique. Dans un tel dispositif en forme d’anneau, constitué d’un supraconducteur, d’un nanotube de carbone et d’un plot, on réalise des interférences quantiques avec des paires d’électrons ; plusieurs effets quantiques interviennent alors : l’effet tunnel, l’indiscernabilité des objets, la quantification du flux magnétique, la conductance d’un fil quantique et la discrétisation des niveaux d’énergie dans une boîte quantique. En raison de sa grande sensibilité, le nanoSQUID permet de détecter des moments magnétiques élémentaires. Cette image est issue de travaux menés, dans le cadre du laboratoire CEMES (Centre d’Élaboration de matériaux et d’Études Structurales) de Toulouse et des laboratoires CRTBT (Centre de Recherche sur les Très Basses Températures) et LLN (Laboratoire Louis Néel) de Grenoble, par J.-P. Cleuziou, W. Wernsdorfer, V. Bouchiat, T. Ondarçuhu et M. Monthioux (Nature Nanotechnology, vol. 1, 53-59, 2006).

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Imprimé en Belgique

Dépôt légal: Bibliothèque nationale, Paris: septembre 2013 Bibliothèque royale de Belgique, Bruxelles: 2013/0074/215 ISBN 978-2-8041-0778-9

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Table des matières

Table des matières v

Avant-Propos xi

Notations et symboles xiv Constantes fondamentales ...... xiv Notations ...... xv Alphabet grec ...... xvii Multiples en notation scientiﬁque ...... xvii

Les grands noms de la physique xviii

La quantique en vingt questions xl

Leçons 1

1 Qu’est-ce que la quantique? 3 Les fondements de la physique classique ...... 4 La constante de Planck ...... 8 Les quatre interactions fondamentales ...... 16 Les concepts de la quantique ...... 19 Les fondements de la quantique ...... 22 Les applications de la quantique ...... 26 Les diﬀérentes synthèses en physique ...... 30

2 Le photon : première approche 37 Rappel sur les ondes électromagnétiques ...... 38 Rayonnement du corps noir ...... 44 Eﬀet photoélectrique ...... 46 Eﬀet Compton ...... 50 Autres interactions lumière-matière ...... 55 Détection et atténuation d’un rayonnement ...... 58

3 Quantiﬁcation de l’énergie des atomes 69 Spectre de raies de l’atome d’hydrogène ...... 70 Interprétation historique de Bohr ...... 71 Atomes hydrogénoïdes et muoniques ...... 74

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vi Table des matières

Excitation des atomes ...... 77 Limites du modèle de Bohr ...... 83

4 Relation de de Broglie. Inégalités d’Heisenberg 91 Hypothèse fondamentale de Louis de Broglie ...... 91 Conﬁrmations expérimentales ...... 96 Interprétation probabiliste ...... 103 Groupe d’ondes de probabilité ...... 107 Inégalités spatiales d’Heisenberg ...... 110 Eﬀets de phase ...... 115

5 Équation de Schrödinger. États libres 127 Équation de Schrödinger non relativiste ...... 128 Courant de probabilité ...... 133 États stationnaires d’un objet physique ...... 135 États libres à une dimension ...... 137 Flux d’objets physiques libres ...... 140 Réﬂexion et transmission sur une marche ...... 143 Applications ...... 155

6 Effet tunnel et diffusion à une dimension 165 Mise en évidence expérimentale ...... 166 Transmission par effet tunnel ...... 168 Facteur de transmission en intensité ...... 171 Interprétation de divers phénomènes ...... 174 Applications de l’effet tunnel ...... 178 Diffusion à une dimension ...... 183 Analyse matricielle ...... 187

7 Confinement quantique à une dimension 195 Approches classique et quantique ...... 195 Puits rectangulaire infiniment profond ...... 197 Approximation classique ...... 202 Puits quantique de profondeur finie ...... 204 Exemples physiques de puits ...... 209 Mesures des grandeurs dans un état confiné ...... 212 Représentation en quantité de mouvement ...... 214

8 Oscillateur harmonique et excitations élémentaires 225 Oscillateur harmonique en physique classique ...... 225 Oscillateur harmonique en quantique ...... 227 Exemples et ordres de grandeur ...... 232 Spectrométries de vibration ...... 237

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Table des matières vii

9 Systèmes à plusieurs dimensions 249 Systèmes à variables séparables ...... 250 Prise en compte des symétries ...... 251 Système 0 D et boîte quantique ...... 255 Système 1D et ﬁl quantique ...... 258 Système 2 D et puits quantique ...... 265 Systèmes 3 D ...... 271 Réﬂexion et transmission ...... 277

10 Couplage de puits quantiques : de l’atome au solide 291 Couplage de deux oscillateurs mécaniques ...... 291 Couplage par eﬀet tunnel de deux puits quantiques ...... 301 Comparaison des cas classique et quantique ...... 312 Autres exemples de couplage ...... 313 Chaîne périodique d’oscillateurs classiques ...... 316 Couplage tunnel d’une chaîne périodique de puits ...... 319

11 Systèmes à deux états 333 États de polarisation de la lumière ...... 334 Système de deux puits quantiques ...... 338 Système quelconque à deux états ...... 342 Application aux liaisons moléculaires ...... 347 Systèmes à N états. Applications au solide ...... 351 Échange et interférence quantiques ...... 357

12 Rotation et moment cinétique 369 Faits expérimentaux ...... 369 Rotateur plan ...... 371 Moment cinétique orbital ...... 376 Rotations moléculaires ...... 382 Fluides quantiques en rotation ...... 385 Eﬀets de phase ...... 392

13 Spin et magnétisme 405 Moments magnétiques et eﬀet Zeeman ...... 405 Moment cinétique intrinsèque ou spin ...... 411 États de spin des systèmes. Qubit ...... 413 Moment cinétique total d’un système ...... 419

14 Atomes, noyaux et agrégats 433 Système à champ central ...... 434 Atome d’hydrogène ...... 435 Atomes à plusieurs électrons ...... 447 Spectrométrie atomique ...... 454

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viii Table des matières

Structures nucléaires ...... 458 Nano-objets et agrégats ...... 463 États de diﬀusion ...... 466

15 Absorption et émission. Coeﬃcients d’Einstein 483 Processus d’interaction rayonnement-atome ...... 484 Émission induite et loi de Planck ...... 488 Ampliﬁcation d’une onde par un milieu ...... 494 Lasers et horloges atomiques ...... 501

16 Battements, transitions et résonance 515 Évolution de l’état quantique d’un système ...... 516 Évolution d’un système à deux états ...... 521 Oscillations de Rabi et interaction faible ...... 528 Eﬀets Josephson ...... 531 Transition entre deux états ...... 536 Transition par une perturbation sinusoïdale ...... 542 Résonance magnétique ...... 549

17 Équation d’Heisenberg. États quasi classiques. Relaxation 563 Évolution des grandeurs physiques ...... 563 Invariances et lois de conservation ...... 567 Théorème d’Ehrenfest ...... 570 États cohérents quasi classiques ...... 573 Relaxation ...... 577

18 Intrication, mesure et décohérence 597 Intrication et corrélations à distance ...... 598 Argument EPR et inégalités de Bell ...... 603 Tests expérimentaux de non-séparabilité ...... 607 Communication quantique ...... 613 Opérateur et matrice statistique ...... 618 Mesure, décohérence et information ...... 623 Tests de cohérence quantique ...... 630

19 Optique quantique 645 Interféromètre d’Hanbury Brown et Twiss ...... 645 Expériences à un photon ...... 648 Coalescence de deux photons ...... 657 Statistique de photons ...... 659 Interféromètre HBT en optique quantique ...... 667 Quantiﬁcation du champ électromagnétique ...... 673 États quasi classiques et états comprimés ...... 687

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Table des matières ix

20 Quantique relativiste 703 La relativité restreinte en quantique ...... 703 Équation de Schrödinger-Klein-Gordon ...... 707 Théorie de Dirac ...... 713 Théorie quantique des champs ...... 726

Annexes 745

1 Outils mathématiques de base 747 Nombres complexes ...... 747 Fonctions hyperboliques ...... 748 Développements limités au voisinage de zéro ...... 749 Matrices ...... 751

2 Lagrangien et hamiltonien 759 Lagrangien classique ...... 759 Hamiltonien classique ...... 762 Lagrangien et hamiltonien d’une charge ...... 766

3 Analyse de Fourier 771 Séries de Fourier de fonctions périodiques ...... 771 Transformation de Fourier ...... 773 Extension aux distributions ...... 779 Notations particulières en quantique ...... 780

4 Espaces de Hilbert 783 Espaces hermitiens ...... 783 Bases orthonormées ...... 785 Opérateurs linéaires hermitiens ...... 786 Inégalités ...... 789 Représentations dans des bases continues ...... 791

5 Lois de probabilité 795 Langage des probabilités ...... 795 Probabilités ...... 796 Variables aléatoires ...... 798 Lois de probabilité ...... 801

6 Simulation en quantique 807 Diﬀraction et interférence ...... 808 Marche ou saut d’énergie potentielle ...... 814 Barrière rectangulaire ...... 818 Transmission tunnel résonnante ...... 822 États conﬁnés ...... 830

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x Table des matières

Énergie potentielle continue ...... 835 Rampe d’énergie potentielle ...... 848 Atomes hydrogénoïdes ...... 849

Correction des exercices et problèmes 858

Bibliographie 1067

Index 1069

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« [...] Il apparaît en eﬀet que la physique, à mesure qu’elle poursuit son évolution, n’en tient pas tout simplement pour nulles et non avenues les phases antérieures, mais qu’elle se borne à délimiter le domaine de leurs applications, en les intégrant comme des cas particuliers aux systèmes plus vastes qu’elle est en train d’édiﬁer. » « Wolfgang Pauli, Physique moderne et philosophie, 1961, Albin Michel 1999, page 108 »

Avant-propos

Cet ouvrage, découpé en 20 leçons, rassemble, dans un seul volume « Quantique », les fondements et les applications de la physique quantique. Dans la leçon introductive, intitulée « Qu’est-ce que la quantique ? », on rappelle la nature des constantes physiques fondamentales, les ordres de grandeur décisifs et les caractéristiques essentielles des quatre interactions fondamentales. On présente ensuite brièvement les autres leçons, sans omettre les aspects historiques et épistémologiques qui ont préoccupé les physiciens depuis la naissance de cette théorie, en 1900, jusqu’à aujourd’hui où elle est omniprésente. On souligne les nombreuses implications de la quantique, non seulement en physique atomique et moléculaire, mais aussi en physique nucléaire, en astrophysique, en physique du solide et dans le domaine émergent des nanosciences. Dans toutes les leçons, les aspects fondamentaux et les applications concrètes sont privilégiés par rapport au formalisme mathématique, lequel n’est introduit que progressivement, en évitant soigneusement toute présentation axiomatique ou dogmatique. Ainsi, à partir de la leçon 5, l’équation de Schrödinger est présentée comme l’a fait Schrödinger lui-même, ce qui permet de traiter rapidement, dans le cas simple d’un seul objet physique se déplaçant selon une direction, des phénomènes aussi importants que la diffusion, la quantification de l’énergie par confinement, les franges d’interférence que cet objet peut faire apparaître, l’effet tunnel présent désormais dans la plupart des nouveaux composants électroniques, l’effet Ramsauer-Townsend, ou le couplage de deux puits quantiques dont on sait l’importance dans la formation des liaisons chimiques. Pour traiter efficacement ces problèmes unidimensionnels, dans des cas concrets où le milieu est constitué de couches successives, on adopte une méthode matricielle, fondée sur une matrice de transfert, analogue à celle bien connue que l’on introduit en optique (des rayons lumineux et des lasers) ou en électronique. Une attention particulière est apportée, dès les premières pages, à l’exposé des principales avancées théoriques et expérimentales, notamment toutes celles qui ont justifié l’attribution d’un prix Nobel de physique (PNP) ou de chimie (PNC). Cependant, nous avons tenu à accompagner toutes ces avancées d’une réflexion épistémologique actualisée. Dans ce contexte, on a écarté les expressions « dualité onde- corpuscule » ou « réduction d’un paquet d’ondes » et considéré les électrons, les protons, les neutrons, les atomes, les molécules, ··· comme des « objets physiques » dont la réalité complexe laisse apparaître, selon les conditions de détection, un aspect corpusculaire ou un aspect ondulatoire, voire une combinaison de ces

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xii Avant-propos

deux aspects. Concernant les inégalités d’Heisenberg, on a évité soigneusement le terme d’« incertitude » qui pourrait signiﬁer une imprécision expérimentale, et ainsi souligné les limites d’une description partielle d’une réalité plus complexe que ne le laisse supposer la description classique par des objets ponctuels.

Après une première approche simple des quanta d’énergie, de leur création ou de leur annihilation dans un oscillateur harmonique unidimensionnel, on aborde les propriétés physiques des systèmes à plusieurs dimensions et constitués de plusieurs objets (boîtes, ﬁls et puits quantiques ou systèmes macro- scopiques). On présente alors aussi bien des eﬀets quantiques fondamentaux, comme l’indiscernabilité et l’interférence d’échange des objets, que les retombées spectaculaires en nanosciences ou en métrologie.

Le formalisme faisant appel à la célèbre notation de Dirac ne débute qu’avec la leçon 11 dans le cas simple des systèmes à deux états, en s’appuyant sur l’exemple des états de deux puits quantiques couplés, et des états de polarisation de la lumière. Les applications sont nombreuses dans un large éventail de domaines, de l’inversion d’une molécule comme celle d’ammoniac aux oscillations de neutrinos ou de paires d’électrons dans un supraconducteur, ainsi qu’au transfert de l’information par bit quantique.

L’étude des objets en rotation se démarque des approches traditionnelles, car ces dernières réduisent souvent l’histoire de la quantique à celle de la physique atomique. Ainsi examine-t-on soigneusement la spectrométrie rotationnelle des molécules ou la rotation des ﬂuides quantiques à l’échelle macroscopique. Le lien entre rotation et magnétisme pour des objets physiques chargés est ensuite analysé, ce qui permet une première approche phénoménologique du spin. Le lecteur peut alors étudier les états liés de systèmes à symétrie sphérique, mais aussi les atomes, les noyaux ou les agrégats, avec la panoplie des spectrométries qui leur sont dédiées.

Les interactions entre le rayonnement électromagnétique et la matière font l’objet des leçons suivantes. Plutôt qu’un exposé formel de calculs de perturbations, nous avons privilégié une fois de plus l’approche concrète sur des exemples physiques, généralement tirés de développements récents de l’optique atomique, neutronique, ou de physique des solides. Souvent les modèles choisis sont les plus simples, systèmes à deux états, systèmes à une dimension, ce qui permet d’appréhender l’essence des concepts subtils d’intrication, de décohérence ou de quantiﬁcation du champ électromagnétique. On discute alors des divers « paradoxes » ou « expériences de pensée » (eﬀondrement de la fonction d’onde, chat de Schrödinger, argument EPR, etc.) qui ont jalonné l’histoire de la quantique et suscité des débats épistémologiques célèbres entre ses fondateurs. On montre comment, au cours des dernières décennies, la réalisation d’anciennes expériences de pensée a permis de lever ces paradoxes, ouvrant en même temps des champs nouveaux de recherche et d’applications en communication quantique.

La dernière leçon est un prolongement relativiste de la quantique, ce qui permet d’expliquer, par exemple, l’émission lumineuse de certains corps ou la valeur de la masse stellaire de Chandrasekhar en astrophysique. La synthèse proposée par Dirac fait émerger naturellement le spin par l’introduction d’un nouvel hamiltonien et d’en souligner sa véritable nature liée, non à la relativité, mais à la dépendance linéaire de cet hamiltonien avec l’espace. Ajoutons que l’équation de Dirac a trouvé un débouché inattendu dans l’étude des propriétés électroniques du graphène. Enﬁn, quelques considérations sur les théories quantiques des champs, notamment l’électrodynamique quantique, et sur l’approche diagrammatique de Feynman, concluent l’ouvrage.

Comme les six autres livres de la même collection « Physique, fondements et applications », ce septième et dernier ouvrage s’adresse d’abord aux étudiants des niveaux L2 et L3 de la licence de physique, même si les dernières leçons sont plutôt destinées aux étudiants M1 du master ou de l’agrégation. Aussi la typographie est- elle volontairement aérée et rendue agréable par l’usage de la couleur, le renvoi à des formules éloignées inexistant et les outils mathématiques réduits au strict nécessaire. En outre, l’ouvrage a été découpé, non en chapitres, mais en leçons structurées, progressives, quasi autonomes, illustrées par de multiples exemples et prolongées par plus de 250 exercices et problèmes, dont les solutions détaillées ont été réunies à la ﬁn de l’ouvrage.

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Avant-propos xiii

Enfin, dans le contexte d’un contrôle personnel des acquis, on a rassemblé tous les compléments mathématiques nécessaires. Le dernier de ces compléments est centré sur la simulation numérique dont on sait qu’elle joue un rôle de plus en plus grand dans l’activité scientifique et pédagogique ; on y présente notamment la méthode matricielle, avec laquelle le lecteur pourra étudier, de façon efficace et fructueuse, les états de diffusion et les états confinés à une dimension d’un objet physique en interaction avec le milieu extérieur selon une énergie potentielle d’expression quelconque.

En raison de sa présentation et de l’accent mis sur le développement historique et épistémologique, l’ouvrage intéressera certainement les candidats aux concours de l’enseignement (CAPES et agrégations), et plus largement toutes les personnes pour lesquelles l’expression « culture scientiﬁque » en physique a une signiﬁcation.

Les auteurs, avril 2013

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Notations et symboles

Les symboles utilisés sont généralement ceux recommandés par l’AFNOR

I CONSTANTES FONDAMENTALES

On présente dans le tableau ci-dessous les constantes fondamentales les plus courantes. Leurs valeurs sont celles actualisées en 2010 (http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html)

G = 6,673 84(80) × 10−11 m3.kg−1.s−2 Constante de Newton (gravitation) ce qui se lit G = (6,673 84 ± 0,00067) × 10−11 m3.kg−1.s−2 c = 2,997 924 58 × 108 m.s−1 ≈ 3 × 108 m.s−1 Constante d’Einstein (valeur exacte) h = 6,626 069 57(29) × 10−34 J.s Constante de Planck ~ = h/(2π) = 1,054 571 726(47) × 10−34 J.s Constante de Planck divisée par 2π 3 1/2 −35 lP = (~G/c ) = 1,616 199(97) × 10 m Longueur de Planck 5 1/2 −44 τP = (~G/c ) = 5,391 06(32) × 10 s Durée de Planck 1/2 −8 mP = (~c/G) = 2,176 51(13) × 10 kg Masse de Planck R = 8,314 462 1(75) J.mol−1.K−1 Constante des gaz parfaits 23 −1 NA = 6,022 141 29(27) × 10 mol Nombre d’Avogadro −23 −1 kB = R/NA = 1,380 650 4(24) × 10 J.K Constante de Boltzmann −1 F = NAe = 96 485,339 9(24) C.mol Constante de Faraday e = 1,602 176 565(35) × 10−19 C Charge élémentaire (charge du proton) eV = 1,602 176 565(35) × 10−19 J Électronvolt −e Charge de l’électron −30 me = 0,910 938 291(40) × 10 kg Masse de l’électron 2 mec = 0,510 998 928(11) MeV ≈ 0,511 MeV −27 mp = 1,672 621 777(74) × 10 kg Masse du proton 2 mpc = 938,272 046(21) MeV

mp/me = 1 836,152 672 45(75) Rapport de la masse du proton et de la masse de l’électron −27 mn = 1,674 927 351(74) × 10 kg Masse du neutron 2 mnc = 939,565 379(21) MeV

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Notations xv

−12 −1 ε0 = 8,854 187 817... × 10 F.m Permittivité du vide (valeur exacte) 2 = 2/ πε ≈ , × −30 qe e (4 0) 230 707 10 SI = 2/ 2 re qe (mec ) Rayon classique de l’électron = 2,817 940 326 7(27) × 10−15 m

α = 2/ ~ ≈ , × −3 e qe ( c) 7 297 352 569 8(24) 10 Constante de structure ﬁne α−1 = , ≈ e 137 035 999 074(44) 137 Inverse de la constante de structure ﬁne = ~2/ 2 = ~/ α aB (meqe ) (me c) Rayon de Bohr = 0,529 177 210 92(17) × 10−10 m ≈ 52,9 pm = α2 2/ = , Ry e mec 2 13 605 692 53(30) eV Constante de Rydberg −12 λC = h/(mec) = 2,426 310 238 9(16) × 10 m Longueur d’onde de Compton (de l’électron) −15 λC = ~/(mec) = 386,159 268 00(25) × 10 m Longueur d’onde de Compton (de l’électron) divisée par 2π −7 −2 µ0 = 4π × 10 N.A Perméabilité du vide (valeur exacte)

µB = e~/(2me) Magnéton de Bohr = 927,400 968(20) × 10−26 J.T−1

µN = e~/(2mp) Magnéton nucléaire = 5,050 783 53(11) × 10−27 J.T−1 9 −1 KJ = 2e/h = 483 597,870(11) × 10 Hz.V Constante de Josephson 2 −5 G0 = 2e /h = 7,748 091 734 6(25) × 10 S Quantum de conductance 2 RK = 2/G0 = h/e = 25 812,807 443 4(84) Ω Constante de von Klitzing −15 Φ0 = h/(2e) = 2,067 833 758(46) × 10 Wb Quantum de ﬂux magnétique

Γ0 = h/(2me) Quantum de circulation de l’électron = 3,636 947 552 0(24) × 10−4 m2.s−1 (e) = , 1s 2 002 319 304 361 53(53) Facteur de Landé de l’électron (p) = , 1s 5 585 694 713(46) Facteur de Landé du proton (n) = − , 1s 3 826 085 45(90) Facteur de Landé du neutron

II NOTATIONS

PNP Prix Nobel de physique PNC Prix Nobel de chimie PNM Prix Nobel de médecine MF Médaille Field R Référentiel (repère d’espace et de temps) ex,ey,ez Base orthonormée directe de R r Vecteur position d’un point de l’espace x, y, z Coordonnées cartésiennes de r ρ, φ, z Coordonnées cylindriques de r r, θ, φ Coordonnées sphériques de r

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xvi Notations et symboles

x˙ Dérivée de x par rapport au temps x¨ Dérivée seconde de x par rapport au temps ∂ f /∂x Dérivée partielle de la fonction f par rapport à la variable x ln , lg , lb Logarithmes népérien, décimal, binaire exp Exponentielle ≈ Sensiblement égal à ∼ De l’ordre de grad , div , rot Opérateurs diﬀérentiels gradient, divergence et rotationnel ∆, Opérateurs Laplacien et d’Alembertien v, v Vecteur vitesse par rapport au référentiel du laboratoire et sa norme p, p, Quantité de mouvement et sa norme pˆ Opérateur quantité de mouvement P, P Moment linéaire ou impulsion et sa norme Pˆ = −i~ grad Opérateur moment linéaire ou impulsion L Lagrangien S Action E Énergie totale H, Hˆ = −i~ ∂/∂t Hamiltonien, opérateur hamiltonien E , E k ˆ k Énergie cinétique, opérateur énergie cinétique Ep, Eˆ p Énergie potentielle, opérateur énergie potentielle 1, 1 Champ de pesanteur et sa norme q Charge électrique Z, A Nombre de charges (de protons) et nombre de masse d’un atome E,B Champs électrique et magnétique Ve,A Potentiel électrique, potentiel vecteur 4 - A = (Ve/c,A) Quadrivecteur potentiel électromagnétique s(t) = sm cos(ωt + ϕs) Signal sinusoïdal sm Amplitude du signal sinusoïdal ω, ν = ω/(2π), T = 1/ν Pulsation, fréquence, période du signal sinusoïdal ϕ Phase ou diﬀérence de phase k, k Vecteur d’onde et sa valeur λDB Longueur d’onde de de Broglie γe, γ Facteur relativiste entre deux référentiels galiléens, facteur relativiste s, s⋆ Valeur complexe de s, conjugué complexe de s |s| Module de s Re{s}, Im{s} Parties réelle et imaginaire de s Ψ Fonction d’onde ψ Amplitude complexe de la fonction d’onde sinusoïdale

ρp Densité de probabilité P Probabilité S,Sˆ Spin, opérateur spin L,Lˆ Moment cinétique orbital, opérateur moment cinétique orbital J, Jˆ Moment cinétique total, opérateur moment cinétique total n Nombre quantique principal ℓ, s, j Nombres quantiques orbital, de spin, total mℓ, ms, mj Nombres quantiques magnétiques orbital, de spin, total m,mˆ Moment magnétique, opérateur moment magnétique

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Alphabet grec xvii

σi (i = 1, 2, 3) Facteurs de Pauli γµ (µ = 0, 1, 2, 3) Facteurs de Cliﬀord αµ (µ = 0, 1, 2, 3) Facteurs de Dirac aˆ, cˆ Opérateurs annihilation et création |v⟩ Vecteur d’état quantique (ket) ⟨v| Vecteur d’état (bra) ⟨u|v⟩ Produit scalaire de |u⟩ et |v⟩ K(B, A) Amplitude complexe de transition d’un état |A⟩ à un état |B⟩ ou propa- gateur

III ALPHABET GREC

alpha A α eta H η nu N ν tau T τ beta B β theta Θ θ xi Ξ ξ upsilon Υ υ gamma Γ γ iota I ι omicron O o phi Φ ϕ delta ∆ δ kappa K κ pi Π π chi X χ epsilon E ϵ lambda Λ λ rho P ρ psi Ψ ψ zeta Z ζ mu M µ sigma Σ σ omega Ω ω

IV MULTIPLES EN NOTATION SCIENTIFIQUE

Nom Facteur Origine Signiﬁcation Année d’adoption Symbole yotta 1024 grec (októ) huit 1991 Y zetta 1021 latin (septem) sept 1991 Z exa 1018 grec (hex) six 1991 E péta 1015 grec (pente) cinq 1975 P téra 1012 grec (teras) monstre 1960 T giga 109 grec (gigas) géant 1960 G méga 106 grec (megas) grand 1960 M kilo 103 grec (chiloi) mille 1795 k milli 10−3 latin (mille) mille 1960 m micro 10−6 grec (mikros) petit 1960 µ nano 10−9 latin (nanus) nain 1960 n pico 10−12 italien (piccolo) petit 1960 p femto 10−15 danois (femtem) quinze 1964 f atto 10−18 danois (atten) dix-huit 1964 a zepto 10−21 latin (septem) sept 1991 z yocto 10−24 grec (októ) huit 1991 y

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Les grands noms de la quantique

Alexei Abrikosov Physicien américain d’origine russe, né à Moscou en 1928 et naturalisé en 1999. Après un doctorat de physique obtenu à Moscou en 1951, il est admis à l’Institut Landau de physique théorique. Il s’intéresse ensuite aux matériaux, domaine dans lequel ses contributions sont décisives, notamment sur les supraconducteurs et les superﬂuides, ce qui lui vaut, en 2003, le prix Nobel qu’il partage avec Vitaly Ginzburg et Antony Leggett.

Carl Anderson Physicien américain, né à New-York en 1905 et mort à San Marino en Californie en 1991. Après des études d’ingénieur et de physicien au California Institute of Technology (Caltech), il commence des recherches sous la direction de son professeur Robert Millikan, tout en y enseignant la physique de 1939 à 1975. Il interprète des traces nouvelles sur des clichés de chambre à brouillard par l’existence d’un nouvel objet physique, le positron ou anti-électron, prédit par Dirac, ce qui lui vaut en 1936 le prix Nobel de physique qu’il partage avec l’autrichien Victor Hess réfugié aux États-Unis. En étudiant le rayonnement cosmique, il conclut en 1937 à l’existence du muon, 207 fois plus massif que l’électron.

Philip Anderson Physicien américain, né à Indianapolis en 1923. Il étudie d’abord les mathématiques à l’Université Harvard (dans la banlieue de Boston) avant de devenir professeur de physique théorique aux laboratoires Bell où il côtoie Charles Kittel. Ses recherches portent essentiellement sur les propriétés magnétiques des métaux. Il y décrit notamment le confinement spatial des porteurs de charge dans les systèmes désor- donnés, en raison de l’absence par effet d’interférence de la diffusion d’ondes, notamment électroniques ; ce confinement est connu désormais sous le nom de « localisation d’Anderson ». En 1977, il est récom- pensé, pour l’ensemble de ses travaux originaux sur la superfluidité, la supraconductivité et les propriétés électroniques des solides amorphes, par le prix Nobel de physique, qu’il partage avec John van Fleck et Nevill Mott. Il est aussi connu pour ses prises de position sur l’émergentisme, doctrine selon laquelle il n’existerait pas de hiérarchie dans les lois de la physique et donc aucun réductionnisme possible.

Alain Aspect Physicien français, né à Agen en 1947. Après des études brillantes à l’École Normale Supérieure de Cachan, il devient enseignant dans cette même école, puis chercheur à l’Institut d’Optique de Paris. Il est principalement connu pour avoir conduit, avec succès, entre 1974 et 1984, une expérience décisive, fondée sur l’inégalité de Bell, qui conforta les fondements de la physique quantique. Il travaille actuellement sur le refroidissement des atomes par des faisceaux laser et sur la réalisation de sources cohérentes d’atomes à partir de condensats d’Einstein. Depuis 1991, il est professeur à l’École Polytechnique de Palaiseau.

Pierre Auger Physicien français, né à Paris en 1899 et mort à Paris en 1993. Après l’École Normale Supérieure et l’agrégation en 1922, Pierre Auger entre au laboratoire de chimie-physique de l’Université de Paris dirigé par Jean Perrin. En préparant sa thèse, il découvre, en 1923, l’émission d’électrons par des atomes, sous l’action d’un rayonnement X, selon un processus particulier qui peut être interprété comme un effet photoélectrique interne. Cette émission électronique particulière, découverte un peu plus tôt par Lise Meitner, est désormais connue sous le nom d’effet Auger ; cet effet est de nos jours utilisé à des fins de caractérisation des surfaces. Auger obtient son doctorat en 1926, puis est nommé à la faculté des sciences

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Les grands noms de la quantique xix

de Paris. De 1941 à 1943, il travaille en relation avec l’Université de Chicago sur les rayons cosmiques. Après la libération, il devient professeur de quantique et relativité à Paris.

John Bardeen Physicien américain, né à Madison en 1908 et mort à Boston en 1991. Il contribue de façon décisive à l’essor de deux grands domaines qui apparaissent au milieu du XX e siècle : les semi-conducteurs et la supraconductivité, ce qui lui valut un premier prix Nobel de physique, en 1956, pour la mise au point du transistor à germanium, avec W. Brattain et W. Shockley, puis un second, en 1972, qu’il partage avec Leon Cooper et John Schrieﬀer pour la théorie de la supraconductivité, dite désormais B.C.S en hommage aux auteurs.

John Bell Physicien irlandais, né à Belfast en 1928 et mort à Belfast en 1990. Très tôt intéressé par la physique, John Bell fréquente l’Université de Belfast et en sort diplômé à la fois en physique expérimentale et en mathématiques. Il prépare ensuite un doctorat à Birmingham en 1956, dans le domaine de la physique nucléaire et de la quantique. C’est en Europe au CERN et aux États-Unis à l’Université Stanford (près de San Francisco) qu’il s’intéresse aux fondements de la quantique, précisément à l’argument EPR, en relation avec les travaux de John Neumann. Il propose alors à la communauté internationale de tester la célèbre inégalité éponyme. Il meurt brutalement d’une hémorragie cérébrale, sans savoir qu’il est nominé pour l’obtention du prix Nobel.

Nicolai Basov Physicien russe, né à Ousman (Union soviétique) en 1922 et mort à Moscou en 2001. Après des études de mécanique, puis de médecine, il passe une thèse en physique en 1956, sur les oscillations de la molécule d’ammoniac, par eﬀet tunnel, ce qui le conduit à la construction d’oscillateurs et d’ampliﬁcateurs fondés sur le fonctionnement du maser-laser. Pour ces travaux, il partage le prix Nobel de physique en 1964 avec son directeur de thèse Alexandre Prokhorov et l’américain Charles Townes.

Johannes Bednorz Physico-chimiste allemand, né Neuenkirchen en 1950. Après des études de chimie, Bednorz s’oriente vers la cristallographie, sous la direction de Karl Müller à Zurich, aﬁn d’étudier les propriétés électriques des céramiques. Il découvre que certains de ces matériaux ont des propriétés supraconductrices à une température de 35 K , supérieure à celles des supraconducteurs connus, et ouvre ainsi la voie vers les supraconducteurs « haute température ». En 1987, il est récompensé par le prix Nobel de physique qu’il partage avec Müller.

Hans Bethe Physicien américain, d’origine allemande, né à Strasbourg (ville allemande à cette époque) en 1906, et mort à Ithaca (état de New-York) en mars 2005. Après des études à Munich, Bethe prépare une thèse sous la direction de Sommerfeld, puis devient professeur à l’Université de Munich puis à celle de Tübingen. En 1933, après l’arrivée d’Hitler au pouvoir, il est démis de ses fonctions, en raison de ses origines juives. Il s’installe aux États-Unis en 1935, précisément à Ithaca, à l’Université Cornell où il enseigne la physique. Il devient célèbre en 1938 en décrivant le cycle du carbone dans les étoiles et en détaillant les réactions nucléaires de fusion qui sont à l’origine du rayonnement intense qu’elles émettent. En 1943, il dirige le groupe de physique théorique dans le projet Manhattan chargé de développer les premières bombes par ﬁssion nucléaire. Il reste cependant un adversaire du développement des armes nucléaires en s’opposant notamment au projet américain de guerre des étoiles. Il reçoit en 1967 le prix Nobel de physique pour l’ensemble de ses travaux. À partir de 1975, il s’intéresse à l’astrophysique et publie quelques contributions remarquables sur les supernovae.

Gerd Binnig Physicien allemand, né à Frankfurt en 1947. Après des études à Frankfurt, il commence une carrière de chercheur au laboratoire IBM de Zurich, sous la direction de Heinrich Röhrer. Tous deux construisent le

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xx Les grands noms de la quantique

premier microscope à eﬀet tunnel, ainsi que le premier microscope à force atomique, dont les performances, en termes de résolution, sont de l’ordre du dixième de nanomètre. In 1986, ils sont récompensés par le prix Nobel de physique qu’il partage avec Ruska.

Félix Bloch Physicien suisse, né à Zurich en 1905 et mort en 1983. En 1928, il passe sa thèse de doctorat sur l’état solide, précisément le ferromagnétisme, sous la direction d’Heisenberg. Il quitte ensuite l’Allemagne pour les États-Unis en 1933, et contribue à fonder la théorie quantique de la conduction électrique dans les métaux, ainsi que la théorie des bandes. Son apport principal concerne le magnétisme nucléaire puisqu’il invente, avec Edward Purcell, la spectrométrie par résonance magnétique nucléaire, grâce à laquelle il mesure le moment magnétique du neutron. En 1952, il est récompensé par le prix Nobel de physique qu’il partage avec Purcell.

Nicolaas Bloembergen Physicien américain d’origine néerlandaise, né à Dordrecht (Pays-Bas) en 1920. Après des études à Utrecht, Leyde et l’Université Harvard, il présente sa thèse à Leyde en 1948 sur la résonance magnétique dans les solides. Nommé professeur associé à Harvard en 1951, il entame des travaux sur le maser, en proposant de passer du mode pulsé au mode continu. Dans ce contexte, il développe l’optique non linéaire. En 1981, il est récompensé en recevant le prix Nobel de physique, qu’il partage avec Arthur Schawlow et Kai Siegbhan (ﬁls de Karl).

David Bohm Physicien américain, né à Wilkes-Barre (Pennsylvanie) en 1917, et mort en 1992. Après des études au State collège de Pennsylvanie, il passe un an au Caltech, puis rejoint le groupe de Physique théorique dirigé par Oppenheimer à Berkeley (près de San Francisco) et passe son doctorat. Pendant la Seconde Guerre mondiale, il est sollicité par Oppenheimer pour travailler au projet Manhattan, mais le responsable militaire du projet rejette cette proposition en raison de ses convictions politiques. Après la guerre, il enseigne à l’Université de Princeton (dans le New-Jersey) en même temps qu’Einstein. Victime du maccarthysme, il est contraint de quitter les États-Unis pour le Brésil, puis Israël et Londres. Son nom est associé à un eﬀet interférentiel qu’il redécouvre en 1959, mais il est surtout connu pour son opposition à l’interprétation bohrienne de la physique quantique et pour l’introduction d’une onde pilote accompagnant toute particule en mouvement ; ce point de vue fut aussi celui de de Broglie. En outre, profondément mystique et adepte d’un ordre caché, il s’oppose à toute fragmentation de la physique et toute séparation entre science et conscience. Dans ce contexte, il fait jouer un rôle décisif à la conscience humaine dans le processus de mesure en quantique.

Aage Bohr Fils de Niels Bohr, né à Copenhague en 1922 et mort en 2009. Longtemps proche collaborateur de son père, il lui succèdera à la direction de l’Institut de Physique Nordita, en 1962, après son retour des États- Unis. Sa thèse, qu’il soutient à Copenhague en 1948, porte sur le mouvement des noyaux atomiques. Les travaux qu’il poursuit concernent essentiellement le modèle uniﬁé des noyaux, lequel réunit les modèles en couche et en goutte liquide. En 1975, il est récompensé par le le prix Nobel de physique qu’il partage avec ses collègues de travail Ben Mottelson et James Rainwater.

Niels Bohr Physicien danois, né à Copenhague en 1885 et mort à Copenhague en 1962. Il entre à l’Université de Copenhague en 1903, et trois ans après, il obtient une récompense de l’Académie royale danoise pour un travail sur les vibrations d’un jet de liquide. En 1911, il passe un doctorat sur la théorie électronique des métaux, et exprime ses premières idées sur la structure atomique. Il obtient alors une bourse pour travailler à l’Université de Cambridge et y rencontre Ernest Rutherford qu’il rejoint à Manchester. C’est en 1913 qu’il publie une contribution importante sur la structure planétaire de l’atome d’hydrogène : un noyau central autour duquel l’électron décrit des orbites circulaires ; ces derniers ont la possibilité de passer d’une couche à une autre en émettant un photon. Cette théorie est à la base de la mécanique quantique.

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Les grands noms de la quantique xxi

De retour à Copenhague, il dirige de 1920 à 1945 l’Institut de Physique qui sera le fleuron de la recherche européenne en quantique ; il y reçoit des physiciens renommés (Heisenberg, Pauli, Dirac) et devient chef de file d’un courant de pensée, l’École de Copenhague. Pour ses recherches sur la structure des atomes et du rayonnement que ces derniers émettent, il reçoit le prix Nobel de physique en 1922. En 1943, le Danemark est occupé par les nazis ; aussi Bohr, dont l’épouse est juive, s’échappe-t-il vers les États-Unis. Après avoir participé au projet Manhattan, pendant la guerre, il rentre à Copenhague et milite pour une utilisation pacifique de l’énergie nucléaire.

Max Born Physicien allemand, puis britannique, né à Breslau en 1882 et mort à Göttingen en 1970. Après des études éclectiques (physique, chimie, zoologie, philosophie, mathématiques) dans diverses universités, il soutint sa thèse en 1907, puis rejoint Michelson à Chicago. Nommé professeur à Berlin, puis à Frankfurt-on- the-Main et Göttingen, il est finalement chassé d’Allemagne par les nazis. Il séjourne alors à Cambridge, en Inde, puis à Édimbourg, avant de retourner en Allemagne en 1953. Sa contribution majeure en quantique est l’interprétation probabiliste du carré du module de la fonction d’onde, ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1954. Il est à l’origine de deux méthodes d’approximation : l’une, avec Oppenheimer, pour calculer les états d’énergie d’une molécule et d’un cristal, l’autre pour déterminer les sections efficaces de diffusion des objets physiques.

William Lawurence Bragg Physicien australien, né à Adelaïde en 1890 et mort à Ipswitch (ville du sud-est de l’Angleterre) en 1971. Ses études à Cambridge achevées, il est rapidement associé aux travaux scientifiques de son père Williams Henry Bragg. Il interprète les clichés de diffraction des rayons X par les cristaux, comme une réflexion de ce rayonnement par certains plans réticulaires du cristal, selon la « relation de Bragg ». Il détermine alors, avec son père, les caractéristiques des cristaux, par diffraction de rayons X ; ces travaux furent récompensés par le prix Nobel de physique en 1915, attribué aux Bragg, père et fils. En 1937, après la mort de Rutherford, il succède à ce dernier à la direction du Laboratoire Cavendish de Cambridge.

Walter Brattain Physicien américain, né à Amoy, en Chine, en 1902 et mort à Seattle en 1985. Après des études universitaires, il est recruté par la compagnie Bell Telephon, principalement pour eﬀectuer un travail expérimental. C’est là qu’il rejoint l’équipe de William Shockley, où se trouve le théorien John Bardeen, et qu’il montre des qualités exceptionnelles d’expérimentateur. Cette collaboration à trois aboutit, en 1948, à l’invention du transistor, ce qui leur vaut le prix Nobel en 1956.

Mario Bunge Physicien et épistémologue argentin, né à Buenos Aires en 1919. Après des études universitaires en physique et mathématiques, il obtient en 1952 un doctorat sur la cinématique des électrons relativistes à l’Université Nationale de La Plata (UNLP), à Bueno-Aires. Il devient alors professeur de physique théorique et de philosophie en 1956 à l’Université de Buenos Aires (UBA). En 1963, il émigre au Mexique, aux États- Unis, en Allemagne, puis à Montréal où il s’installe déﬁnitivement en 1966 et occupe la chaire de logique et métaphysique. Son œuvre majeure est un traité de philosophie en huit volumes, dans lequel il développe une pensée essentiellement scientiﬁque, de nature à la fois réaliste et matérialiste. En quantique, il propose de sortir de la pensée de l’École de Copenhague (dualisme onde-particule, principe de complémentarité), en considérant que la quantique traite d’une réalité supérieure ; dans ce contexte, il introduit le concept de « quanton » pour désigner les objets physiques (électron, photon, etc.) dont la réalité dépasse les concepts classiques d’onde et de corpuscule. Selon lui, la quantique illustre parfaitement la thèse selon laquelle la science ne peut éviter d’être imbibée de philosophie.

Subrahmanyan Chandrasekhar Astrophysicien pakistano-indien, né à Lahore (Pakistan actuel) en 1910 et mort à Chicago en 1995. Étudiant surdoué, il interprète, dès l’âge de 19 ans, la stabilité des étoiles naines massives, en analysant le rôle des électrons dans un cadre à la fois quantique et relativiste. Il poursuit ses études universitaires à

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xxii Les grands noms de la quantique

Cambridge, en Angleterre, et se rend à Copenhague pour préparer une thèse qu’il passe à 23 ans. Il s’établit alors déﬁnitivement à Chicago en 1936 où il contribue, de façon exceptionnelle, à la compréhension de la structure interne des étoiles ; de nos jours, on appelle masse de Chandrasekhar une masse caractéristique, égale à 1,4 la masse du Soleil, dont le rôle dans l’évolution des étoiles s’avère décisif. Il reçoit le prix Nobel de physique en 1983, en même temps que Fowler, son professeur à Cambridge, pour l’ensemble de leurs travaux dans le domaine de l’astrophysique stellaire.

Steven Chu Physicien américain né à Saint-Louis (Missouri) en 1948. Né de parents chinois émigrés aux États-Unis, il passe un doctorat de physique à Berkeley en 1976. C’est dans les laboratoires Bell qu’il entreprend un travail sur le refroidissement des atomes par laser. Les résultats qu’il obtient sont récompensés en 1997 par le prix Nobel qu’il partage avec Cohen-Tannoudji et Philipps. Depuis janvier 2009, il est Secrétaire d’État à l’énergie de l’administration du Président Barack Obama.

Claude Cohen-Tannoudji Physicien français né à Constantine (Algérie) en 1933. Après des études brillantes (École Normale de Paris, Agrégation), il passe un doctorat, sous la direction d’Alfred Kastler et Jean Brossel, sur les interactions entre les atomes et la lumière. Il devient professeur au Collège de France en 1973. On lui doit le concept d’atome habillé de lumière ainsi que les méthodes de refroidissement des atomes avec la lumière. Ses travaux théoriques et expérimentaux sur les très basses températures jusqu’au nanokelvin lui valent le prix Nobel de physique en 1997, qu’il partage avec Chu et Philipps. L’obtention des basses températures a une portée considérable puisqu’elle permet de réaliser les horloges atomiques à la fois précises et stables, indispendables dans la localisation spatiale des objets. Il est très connu, en France et ailleurs, pour avoir co- rédigé, avec Bernard Diu et Franck Laloë, en 1973, un livre très apprécié d’enseignement de la quantique.

Arthur Compton Physicien américain, né à Wooster (Ohio) en 1892 et mort à Berkeley en 1962. Il commence sa carrière de chercheur en travaillant sur les rayons X : la thèse, qu’il soutient en 1916, porte sur la diffraction et la réflexion totale de ce rayonnement. En 1922, il découvre l’effet éponyme, c’est-à-dire le changement de fréquence d’un rayonnement X qui interagit avec un électron libre. En interprétant cet effet comme une collision entre un photon, doté d’une quantité de mouvement et d’une énergie, et un électron libre du matériau cible, il conforte les hypothèses d’Einstein sur la nature corpusculaire du rayonnement. Cette contribution, publiée en 1923, lui vaut le prix Nobel en 1927.

Leon Cooper Physicien américain, né à New-York en 1930. Après des études à l’Université de Columbia à New- York, où il présente sa thèse, il mène ses travaux de recherche dans diverses universités. En 1958, il est nommé professeur à l’Université Providence de Rhode Island. Il est surtout connu pour sa contribution à la supraconductivité qu’il interprète en imaginant l’association d’électrons formant des paires, appelées depuis paires de Cooper, ce qui lui vaut de recevoir en 1972 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Bardeen et Schieﬀer. En 1973, il s’intéresse aux sciences neurologiques, précisément à la compréhension du fonctionnement du cerveau, en créant un centre d’études neurologiques.

Eric Cornell Physicien américain, né à Palo Alto (Californie) en 1961. Élève très vite remarqué dans sa scolarité, il entre à l’Université Stanford pour étudier la physique et passe son doctorat au MIT(Massachusetts Institute of Technology dans la banlieue de Boston) en 1990. Avec Carl Wieman, il réussit à créer un condensat d’Einstein dans des gaz dilués d’atomes alcalins, et à mener les premières études fondamentales sur de tels systèmes, ce qui leur vaut en 2001 le prix Nobel de physique, qu’ils partagent avec Ketterle. En octobre 2004, on doit l’amputer de son bras et de son épaule gauches, aﬁn d’enrayer l’extension d’une maladie nécrosante, mais il recommence à travailler à temps partiel dès 2005. Depuis 2010, il enseigne à l’Université du Colorado.

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Les grands noms de la quantique xxiii

Clinton Davisson Physicien américain, né à Bloomington (Illinois) en 1881 et mort en 1958 à Charlottesville (Virginie). Étudiant de Millikan à l’Université de Chicago, il prépare en 1911 un doctorat sur l’émission thermique d’ions alcalins, sous la direction de Robert Richardson, ce qui lui permet d’être nommé professeur à l’Institut de Technologie près de Pittsburg. Il est recruté dans le mileu industriel pour poursuivre ses recherches dans le domaine de l’émission secondaire d’électrons par des grilles métalliques. Il met alors en évidence la diffusion élastique d’électrons à grand angle, ce qui lui donne l’idée d’utiliser cette technique pour étudier les édifices atomiques. C’est en reprenant le travail de Lester Germer qu’il trouve par hasard la diffusion des électrons, par les cristaux, dans certaines directions privilégiées. Aussi teste-t-il rapidement la validité de l’hypothèse de Louis de Broglie sur le comportement ondulatoire des électrons. Ces travaux lui valent en 1937 le prix Nobel de physique, qu’il partage avec George Thomson. Actuellement, l’étude des cristaux par diffraction des électrons est devenue une technique courante en microscopie électronique.

Louis de Broglie Physicien français, né à Dieppe en 1892 et mort à Louveciennes en 1987. C’est au contact de son frère Maurice que Louis de Broglie, d’abord historien, s’intéresse à la physique. Sa thèse, intitulée « Recherches sur la théorie des quanta », contient déjà l’hypothèse d’une onde associée à toute particule en mouvement. Sa contribution décisive paraît en 1923. Son hypothèse n’est confirmée qu’en 1927 par Davisson et Germer à l’aide d’une expérience sur la diffraction des électrons. Louis de Broglie reçoit le prix Nobel en 1929. Il poursuit ses recherches sur la signification de la fonction d’onde et n’accepta pas l’interprétation de l’École de Copenhague. Petrus Josephus Wilhelmus Debye Physicien américain d’origine néerlandaise, né à Maastricht en 1884 et mort à Ithaca, États-Unis) en 1966. Ses principales contributions sont l’introduction des facteurs de forme et de structure, avec Paul Scherrer, la théorie de la conduction des électrolytes avec Erich Hückel, la prise en compte de l’effet d’écran des électrons, la détermination des masses molaires des polymères à partir de la diffusion de la lumière, l’utilisation de la désaimantation adiabatique pour produire des basses températures, la théorie des capacités thermiques des solides, précisément l’effondrement de ces grandeurs avec la température, et la mesure de la distance entre les atomes dans les molécules à l’aide de leur moment dipolaire. Pour tous ces travaux, il reçoit le prix Nobel de chimie en 1936. Fait remarquable, professeur à Berlin, il refuse en 1939 la nationalité allemande, ce qui provoque son expulsion par les nazis. Il émigre alors aux États Unis et intègre l’Université Cornell. Hans Dehmelt Physicien germano-américain, né à Görlitz en 1922. Après sa scolarité, ce passionné de montages d’électronique s’engage dans l’armée allemande en 1940. Fait prisonnier puis libéré en 1946, il revient à Göttingen pour achever ses études universitaires. Il prépare ensuite une thèse sur la résonance nucléaire quadrupolaire, puis effectue un post-doctorat aux États-Unis où il s’installe définitivement en 1952. Devenu professeur à l’Université de Washington, il réalise en 1973 les conditions d’une mesure très précise du moment magnétique de l’électron isolé, confirmant ainsi les prévisions de l’électrodynamique quantique. Il participe ensuite au développement de la technique de capture d’ions, ce qui lui vaut, en 1989, le prix Nobel de physique, qu’il partage avec Norman Ramsey et Wolfgang Paul. Bernard d’Espagnat Physicien français, né en 1921 à Fourmagnac (Lot). Diplômé de l’École Polytechnique, il passe son doctorat à l’Institut Henri Poincaré. Il débute alors une carrière de chercheur au CNRS (Centre national de la recherche scientifique), ce qui lui permet de se rendre à Chicago pour travailler avec Enrico Fermi en 1952-1953, puis à l’Institut de Copenhague, dans le laboratoire dirigé par Niels Bohr, en 1953-1954. Il poursuit sa carrière scientifique en rejoignant le Centre d’Études et de Recherches Nucléaires (CERN) à Genève, entre 1954 et 1959. Il devient alors professeur de physique théorique à la faculté des sciences de la Sorbonne, puis directeur du Laboratoire de physique théorique et des particules élémentaires à

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xxiv Les grands noms de la quantique

l’Université d’Orsay. Il contribue à éclaircir les fondements épistémologiques de la quantique, notamment en encourageant Alain Aspect à mettre en œuvre des expériences décisives testant les inégalités de Bell. Il est à l’origine d’une mise en cause du réalisme strict ou naïf et à son remplacement par un réalisme non local voilé. Professeur émérite depuis 1987, il reçoit en 2009 le prix Templeton, pour son travail de physicien en relation avec son engagement religieux catholique, teinté de spinozisme (Dieu est la Nature).

Paul Dirac Physicien anglais, né à Bristol en 1902 et mort à Tallahassee en 1984. Muni d’un diplôme d’ingénieur électricien, il se tourne vers les mathématiques puis la quantique. Grâce à des qualités exceptionnelles en mathématiques, il imagine un formalisme permettant de concilier l’approche ondulatoire de Schrödinger et la démarche matricielle d’Heisenberg, ce qui lui vaut d’obtenir en 1932 la célèbre chaire qu’occupa Newton à Cambridge. Sa contribution la plus importante, intitulée « L’équation d’onde relativiste de l’électron », dans laquelle il y fait émerger naturellement le spin de l’électron, est publiée en 1928. Certaines des solutions de l’équation précédente, d’énergie négative, l’amènent à introduire le concept d’antiparticule. Cette hypothèse est confortée en 1932 par la découverte du positron par Carl Anderson. Il reçoit le prix Nobel de physique en 1933, la même année que Schrödinger.

Paul Ehrenfest Physicien autrichien, né à Vienne en 1880 et mort en 1933 à Amsterdam en 1933. Dès 1899, il entre dans la Grande École Technique de Vienne, où il suit le cours de Boltzmann sur la théorie cinétique des gaz. En 1901, il suit à Göttingen les cours de Klein et Hilbert en mathématiques, ainsi que ceux de Stark et Schwarzschild en physique. Il soutient sa thèse, à Vienne en 1904, sur le mouvement des corps rigides dans les fluides, sous la direction de Boltzmann. Il succède à Lorentz à la chaire de physique théorique de l’Université de Leyde. En 1911, il écrit, avec sa femme, la mathématicienne russe Tatiana Afanassieva, un article remarqué sur les fondements de la mécanique statistique. Souffrant d’une forte dépression, il tue son fils Wassik atteint du syndrome de Down, avant que ce dernier ne soit victime de l’eugénisme nazi, et se suicide en 1933.

Albert Einstein Physicien allemand, naturalisé suisse puis américain, né à Ulm (Allemagne) en 1879 et mort à Princeton en 1955. Il est considéré, avec Newton, comme le plus grand physicien de tous les temps. Cependant, ses qualités exceptionnelles ne sont remarquées ni au collège ni à l’université. En physique, ses contributions sont notamment l’interprétation de l’effet photoélectrique en 1905, pour laquelle il reçoit le prix Nobel en 1921, celle de l’expérience de Michelson et Morley par extension du principe de relativité en 1905 aussi, celle de l’émission stimulée en 1917 et celle de la condensation d’un gaz de bosons en 1925. Il est surtout connu pour la théorie de la relativité restreinte (RR), qu’il généralise en 1916, en prenant en compte la gravitation sous la forme de la courbure de la l’espace-temps plat de la RR. Son influence en cosmologie est considérable. Soucieux des fondements épistémologiques de la quantique, il adopte une attitude réaliste stricte en refusant l’interprétation donnée par l’École de Copenhague. Afin de montrer l’incomplétude de cette dernière, il élabore en 1935, avec ses collègues Podolski et Rosen, un raisonnement connu depuis sous le nom d’argument EPR (initiales des trois auteurs). Les faits lui donneront tort, comme le montrera Alain Aspect notamment.

Leo Esaki Physicien japonais, né à Osaka en 1922. Recruté par Sony à Tokyo, dès la fin de ses études universitaires, il réalise en 1958 un transfert de charge électrique entre deux semi-conducteurs par effet tunnel. Il développe alors la nouvelle diode à effet tunnel ou diode Esaki ; cette dernière présente une résistance négative sur une partie de sa caractéristique tension-courant, ce qui est précieux dans l’entretien des oscillations électriques. Ses travaux expérimentaux sur l’effet tunnel, prévu depuis 1930 par la quantique, lui valent d’être récompensé par le prix Nobel de physique en 1973.

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Les grands noms de la quantique xxv

Enrico Fermi Physicien italien, né en 1901 à Rome et mort en 1954 à Chicago. Passionné par la physique dès le collège, Fermi entre à l’Ecole Normale de Pise en 1918. Cependant, il préfère travailler seul sur des livres plutôt que suivre les cours de ses professeurs. En 1922, il soutient sa thèse sur la réfraction des rayons X. Après une période post-doctorale en Allemagne et aux Pays-Bas, il obtient un poste de professeur à Florence puis à Rome en 1926. Un an plus tard, il élabore la statistique à laquelle satisfait une première famille d’objets physiques, les fermions. En 1932, il propose la première théorie de l’interaction faible, laquelle fait apparaître une constante analogue à la constante de structure fine en électromagnétisme. Ses travaux portent aussi sur la physique nucléaire : désintégrations β , radioactivité artificielle, réacteur nucléaire à neutrons, Projet Manhattan. Aussi est-il considéré comme l’initiateur du développement de l’énergie nucléaire. Il fut un physicien efficace à la fois sur les plans théorique et expérimental, notamment dans l’estimation des ordres de grandeur. Enfin, ses cours étaient très appréciés par ses étudiants en raison de leur grande clarté. Albert Fert Physicien français, né à Carcassonne en 1938. Il est le fils de Charles Fert, professeur à l’Université Paul Sabatier de Toulouse et l’un des fondateurs de la microscopie électronique à très haute tension. Albert Fert effectue des études secondaires brillantes en Midi-Pyrénées, puis intègre l’École Normale Supérieure de Paris. À sa sortie, il est recruté comme assistant à l’Université de Grenoble, puis prépare une thèse sur les propriétés électriques du nickel et du fer qu’il soutient à l’Université d’Orsay. Devenu professeur de physique, spécialiste de la matière condensée, il découvre l’effet de magnétorésistance géante qui le conduit à développer une nouvelle branche de la physique, la spintronique. Les nombreuses applications de la spintronique lui valent, en 2007, le prix Nobel de physique qu’il partage avec l’allemand Peter Grünberg. Richard Feynman Physicien américain, né à New York en 1918 et mort en 1988 à Los Angeles. Étudiant brillant dès le lycée, il se fait remarquer à l’Université de Princeton tant par ses capacités exceptionnelles en physique que par son charisme. Après sa thèse sur le rayonnement électromagnétique, il est recruté pour diriger le groupe de calcul, ce qui le conduit à côtoyer les grands physiciens réunis à Los Alamos dans le projet Manhattan en 1944. Il est ensuite nommé professeur à l’Université Cornell (Ithaca), puis à Pasadena en Californie, où il travaille sur l’électrodynamique quantique, combinant quantique et relativité resteinte. Dans ce contexte, il développe une formulation variationnelle de la quantique, fondée sur le lagrangien d’un système et le principe de moindre action. Il propose alors une méthode diagrammatique permettant de traiter efficacement la propagation et les interactions des objets physiques entre eux dans l’espace-temps. Ses travaux fondamentaux sont récompensés en 1965 par le prix Nobel qu’il partage avec Julian Schwinger et Sin-Itiro Tomonaga. À sa grande réputation scientifique, il faut ajouter une activité pédagogique elle- aussi exceptionnelle par la générosité de son discours et l’étendue de sa culture scientifique. On retrouve ces deux qualités, rarement réunies, dans ses célèbres cours de physique destinés aux étudiants et ses ouvrages de vulgarisation. Val Fitch Physicien américain, né à Merriman (Nebraska) en 1923. Après des études scientifiques écourtées par sa mobilisation militaire, Fitch accomplit un stage à Los Alamos dans le contexte du projet Manhattan. Après la guerre, il termine son cursus universitaire à Montréal, puis soutient une thèse sur les atomes muoniques. Nommé professeur à l’Université de Princeton, il s’intéresse aux mésons neutres qui ne respectent pas les propriétés de symétrie habituelles des particules. Ce travail lui vaut en 1980 le prix Nobel de physique qu’il partage avec James Cronin. James Franck Physicien allemand, né à Hamburg en 1882 et mort à Göttingen en 1964. Après des études de physique à Heidelberg et à Berlin, il travaille sur les collisions entre les électrons et les ions. Il est surtout connu par la célèbre expérience, qu’il réalise en 1914 avec son collaborateur Gustav Hertz, dans laquelle il met en évidence les niveaux d’énergie des atomes de mercure, conformément aux prévisions de Bohr. Son travail

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xxvi Les grands noms de la quantique

est récompensé en 1925 par le prix Nobel qu’il partage avec G. Hertz. Professeur à Göttingen, il se sent visé par la loi de 1933 excluant les juifs de la fonction publique, bien qu’il soit considéré par le régime nazi comme une exception juive. Il décide alors de quitter l’Allemagne et de poursuivre ses recherches aux États-Unis.

George Gamow Physicien et astrophysicien américain d’origine russe, né à Odessa en 1904 et mort à Boulder dans le Colorado en 1968. Après des études à Leningrad, à Copenhague avec Bohr et à Cambridge avec Ernest Rutherford, il obtient une charge d’enseignement en URSS. En 1928, il interprète, par la physique quantique, précisément l’effet tunnel, la radioactivité α . Il montre notamment qu’il est possible qu’un proton-projectile puisse pénétrer dans un noyau et en modifie la constitution, ce qui est à la base de la transmutation nucléaire, réalisée pour la première fois par John Cockroft et Ernest Walton.En récompensant ces derniers en 1951, le jury Nobel oublie de l’inclure dans le prix. En 1939, il s’installe aux États-Unis et prend la nationalité américaine. Il est le premier en 1948 à prévoir, avec deux collaborateurs, Alpher et Hermann, le rayonnement radio fossile, lequel est découvert par hasard en 1965 par Penzias et Wilson. Gamow est aussi connu pour ses travaux de vulgarisateur scientifique dans lesquels se sont exprimés, outre ses grandes compétences, son style alerte et son humour.

Murray Gell-Mann Physicien américain, né à New York en 1929. Après des études supérieures à l’Université de Columbia puis à celle de Yale, il présente son travail de thèse au MIT. Il enseigne alors à Chicago puis à Pasadena en Californie. En 1954, il introduit une nouvelle caractéristique des particules, l’étrangeté, laquelle est respec- tée par l’interaction forte, mais pas par l’interaction faible. Cette même idée est défendue indépendamment par le théoricien japonais Kazuhiko Nishijima. En 1961, Gell-Mann propose une nouvelle classification des particules fondée sur l’existence de quarks, constituants élémentaires des nucléons. Cette classification prévoit une nouvelle particule Ω− qui est finalement découverte en 1963. Ce succès lui vaut le prix Nobel de physique en 1969.

Andre Geim Physicien néerlandais d’origine russe, né à Sochi (Russie) en 1958. D’origine juive allemande, il intègre diﬃcilement l’Institut de physique de Moscou. Il passe sa thèse en 1987 dans le domaine de la physique des solides. Après un post-doctorat à l’étranger, il est nommé professeur à l’Université de Nimègue aux Pays-Bas, pays dont il obtient la nationalité. En 2001, il devient Directeur du Centre de Nanotechnologie de Manchester, puis découvre en 2004 les propriétés exceptionnelles du graphène, monocouche atomique de carbone, ce qui lui vaut le prix Nobel de physique en 2010 qu’il partage avec son élève Konstantin Novoselov.

Ivar Giaever Physicien norvégien né à Bergen (Norvège) en 1929. Après des études d’ingénieur, il est employé par la compagnie américaine General Electric, d’abord au Canada en 1954, puis aux États-Unis où il passe une thèse de doctorat en 1964. Travaillant sur l’eﬀet tunnel, il étudie précisément cet eﬀet dans la jonction métal-supraconducteur. Les propriétés qu’il découvre lui valent en 1973 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Léo Esaki et Brian Josephson.

Vitaly Ginzburg Physicien russe, né à Moscou en 1916 et mort à Moscou en 2009. Après un doctorat en physique passé en 1942 à l’Université de Moscou, Ginzburg travaille à l’Institut de physique de Moscou, où il développe en 1958, avec Landau, une théorie phénoménologique de la supraconductivité. Après des études sur la propagation des ondes électromagnétiques dans les plasmas, il travaille dans les années 1950 sur la bombe à hydrogène soviétique, en y jouant un rôle majeur, au point d’être considéré comme l’un des pères de cette arme. Il est récompensé par le prix Nobel de physique en 2003, en même temps que l’anglais Antonny Leggett, pour ses contributions à la théorie des supraconducteurs et des superﬂuides.

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Les grands noms de la quantique xxvii

Sheldon Glashow Physicien américain, né à New-York en 1932. Fils d’immigrés juifs de Russie, il s’intéresse à la physique dès les années de lycée, dans le Bronx (quartier de New-York), qu’il fréquente avec Weinberg. Diplomé de l’Université Cornell, il passe sa thèse à l’Université Harvard, en 1957, sous la direction de Schwinger. Sa contribution essentielle concerne l’interaction électrofaible, théorie uniﬁée de l’interaction faible et de l’interaction électromagnétique. Elle lui vaut en 1979 le prix Nobel qu’il partage avec Abdus Salam et Steven Weinberg.

Roy Glauber Physicien américain, né à New York en 1925. Après ses études à l’Université Harvard, il est recruté à Los Alamos, pour le projet Manhattan, alors qu’il n’a que 18 ans ; son travail consiste à déterminer la masse critique de la bombe nucléaire. De retour à Harvard, il reprend ses études et passe sa thèse en 1949. Ses travaux originaux concernent essentiellement l’optique quantique, précisément l’électrodynamique quantique, la cohérence des atomes dans l’état de condensation d’Einstein, la réalisation de sources qui émettent des photons séparés. C’est lui qui développe le concept d’état cohérent, appelé depuis état de Glauber, et analyse du point de vue quantique les caractéristiques des diﬀérents types de lumière. En 2005, il est récompensé par le prix Nobel, qu’il partage avec John Hall et Theodor Hänsch. Ajoutons qu’il laisse à ses étudiants de Harvard le souvenir d’un extraordinaire professeur de physique.

Maria Goeppert-Mayer Physicienne américaine, d’origine polonaise, née à Kattowice (Pologne) en 1906 et morte à San Diego (Californie) en 1972. Née dans une famille de professeurs, elle s’intéresse très rapidement à la physique et à la philosophie. Admise à l’Université de Göttingen en 1924, elle compte parmi ses professeurs Max Born et James Franck. Elle épouse alors l’assistant de Frank, Joseph Mayer, recruté comme professeur à Baltimore. Malgré les diﬃcultés pour être recrutée dans la même université que son époux, elle mène à partir de 1946 une activité de chercheuse à Chicago au cours de laquelle elle développe un modèle mathématique de la structure en couche des noyaux atomiques, expliquant leur stabilité. Ce travail lui vaut, en 1963, le prix Nobel de physique qu’elle partage avec Hans Jensen et Eugène Wigner. En 2012, elle est, après Marie Curie, la deuxième femme titulaire d’un prix Nobel de physique.

Peter Grünberg Physicien allemand, né en 1939 à Pilsen en République Tchèque alors occupée par l’Allemagne nazie, d’un père ingénieur russe qui décède dans un camp en 1945. Après des études au sein de l’Université Johann Wolfgang Goethe de Francfort-sur-le-Main et à l’Université de technologie de Darmstadt, il obtient sa thèse de doctorat en 1969. Il passe ensuite trois ans à l’Université Carleton d’Ottawa, puis à partir de 1972, il est habilité à mener des recherches à Cologne ; il découvre en 1988 l’eﬀet de magnétorésistance géante. Il enseigne alors à l’Université et devient professeur en 1992. Pour la découverte de cet eﬀet, et le développement de la spintronique, il reçoit en 2007 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Albert Fert.

Edwin Herbert Hall Physicien américain, né à Gorham (Maine) en 1855 et mort à Cambridge (Massachusetts) en 1938. Spécialiste de la conduction thermique et électrique des matériaux, il découvre en 1880 l’effet qui porte son nom depuis. Cet effet, d’utilisation répandue dans les appareils de mesure actuels (sonde de Hall, etc.), s’est renouvelé grâce à la découverte, un siècle plus tard, par von Klitzing, de l’effet Hall quantique.

William Rowan Hamilton Mathématicien et physicien irlandais, né en 1806 à Dublin et mort en 1865 près de Dublin. Enfant prodige puis étudiant génial, il impressionne, à 22 ans, l’Académie Royale d’Irlande en présentant un exposé moderne sur la théorie des rayons lumineux. Ce travail est le point de départ d’une contribution capitale en dynamique qui s’achèvera en 1833 sur une remarquable analogie entre l’optique et la mécanique. Cette synthèse débouchera sur la relation de Louis de Broglie et sur l’équation de Schrödinger.

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xxviii Les grands noms de la quantique

Serge Haroche Physicien français, né à Casablanca au Maroc en 1944. Il eﬀectue des études universitaires brillantes à l’École Normale Supérieure de Paris, dont il sort en 1967 avec l’agrégation de physique et un doctorat de 3ème cycle, puis passe sa thèse d’État sous la direction de Cohen-Tannoudji. Au retour d’un séjour post-doctoral à Stanford supervisé par Schawlow, il est nommé professeur à l’Université Pierre et Marie Curie de Paris en 1975. Depuis 2001, il exerce des fonctions de professeur au Collège de France. Comme spécialiste des interactions matière-rayonnement à l’échelle ultime, avec un seul atome ou un seul photon en interaction forte dans une cavité radio-fréquence, il est surtout reconnu pour ses travaux sur l’observa- tion d’un seul photon et sur l’analyse des processus de décohérence par interaction d’un atome avec des états de photons simulant ceux d’un « chat de Schrödinger ». Ses contributions ont notamment ouvert des perspectives nouvelles pour le traitement quantique de l’information, et sont récompensées en 2012 par le prix Nobel qu’il partage avec Wineland.

Werner Heisenberg Physicien allemand né à Würsburg en 1901 et mort à Munich en 1976. Après des études secondaires et supérieures brillantes, il passe sa thèse rapidement sous la direction de Sommerfeld. Il devient alors assistant de Born et publie dès 1925 un article sur le formalisme matriciel de la physique quantique, formalisme qui s’avèrera équivalent à la mécanique ondulatoire de Schrödinger parue un an plus tard. En 1927, il propose des inégalités fondamentales entre deux grandeurs physiques conjuguées. Il est probablement l’un des meilleurs représentants du réalisme mathématique en physique. Sa contribution en quantique lui vaut le prix Nobel de physique en 1932. Durant la Seconde Guerre mondiale, Heisenberg reste en Alle- magne et travaille sous le régime nazi : entre 1942 et 1945, il dirige l’Institut de Physique Kaiser-Wilhelm à Dahlem et enseigne à l’Université Humboldt de Berlin, tout en étant impliqué dans le développement des armes secrètes allemandes. Il révèle l’existence du programme à Niels Bohr lors d’une conférence à Copenhague en septembre 1941. À cette occasion, il n’exprime aucun scrupule moral concernant le projet allemand de bombe nucléaire.

Gustav Hertz Physicien allemand né à Hambourg en 1887 et mort à Berlin en 1975. Il est le neveu de Heinrich Hertz, connu pour son travail sur les ondes électromagnétiques. Il obtient en 1911 son doctorat à Berlin sous la direction de Heinrich Rubens. Devenu assistant de Rubens, il réalise avec James Franck de célèbres expériences de collisions inélastiques d’électrons dans les gaz, ce qui lui vaut en 1925 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Franck. Il obtient alors la chaire de professeur titulaire et directeur de l’Institut de Physique de l’Université de Halle-Wittenberg. En 1928, nommé professeur titulaire de physique expérimentale de Berlin, il met au point un procédé de séparation isotopique fondé sur la diﬀusion gazeuse. En 1934, les lois raciales des nazis le contraignent à démissionner de l’Université. Recruté chez Siemens, il continue ses recherches en physique atomique et sur les ultrasons. En 1945, il fuit l’Allemagne avec Frank pour l’Union Soviétique où il poursuit des études dans le domaine de la séparation isotopique et de l’enrichissement de l’uranium. Il retourne en RDA en 1955, et devient professeur de physique de l’Université de Leipzig.

Hans Jensen Physicien allemand né à Hamburg en 1907 et mort à Heidelberg en 1973. Après des études de physique, mathématiques, chimie et philosophie à l’Université de Fribourg, puis de Hambourg, Jensen obtient son doctorat en 1932 sous la direction de Wilhem Lenz, puis son habilitation. Il est alors contacté par le directeur du département de chimie physique pour travailler sur les explosifs. Durand la Seconde Guerre mondiale, il intègre le cadre du projet allemand sur l’énergie nucléaire, précisément sur la séparation des isotopes de l’uranium et sur les applications des réactions nucléaires en chaîne. En 1941, il devient professeur de physique théorique à l’Université d’Hanovre, puis à Hambourg. Ses travaux sur la structure en couches des noyaux atomiques lui valent en 1963 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Maria Goeppert-Mayer et Wigner.

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Les grands noms de la quantique xxix

Pascual Jordan Physicien théoricien allemand, né à Hanovre en 1902 et mort à Hambourg en 1980. En 1921, il entre à l’Université technique d’Hanovre où il étudie à la fois les mathématiques, la physique et la zoologie. Il poursuit ensuite ses études à l’Université de Göttingen, notamment en mathématiques, puis devient l’assistant de Max Born. En 1925, avec Born et Heisenberg, il développe la première formulation de la mécanique matricielle, et introduit la relation de commutation canonique des composantes du moment cinétique. Il propose en outre de quantifier le champ électromagnétique, ouvrant ainsi la voie à la théorie quantique des champs. En 1939, il adhère au parti nazi et tente d’intéresser son parti à la réalisation d’armes perfectionnées. Il réintègre son poste de professeur à Göttingen en 1953. Brian Josephson Physicien britannique, né à Cardiff en 1940. C’est en simple étudiant de l’Université de Cambridge que Josephson s’intéresse au passage du courant électrique entre deux supraconducteurs séparés par une couche d’un matériau isolant ou métallique. Il prédit, à partir de la théorie BCS des paires de Cooper, les deux effets qui se produisent lorsque cette couche est suffisamment mince, l’effet Josephson stationnaire et l’effet Josephson alternatif. Ces travaux théoriques lui valent, en 1973, le prix Nobel de physique qu’il partage avec Esaki et Giaever. Depuis, Josephson s’intéresse essentiellement à la télépathie et aux effets paranormaux ; en 2011, il devient le directeur du « Mind-Matter Unification Project » (Projet d’unification de la matière et de l’esprit) dans le groupe de théorie de la matière condensée au Laboratoire Cavendish de Cambridge. Alfred Kastler Physicien français, né à Guebwiller (Haut-Rhin) en 1902 et mort à Bandol (Var) en 1984. Issue d’une famille modeste, Alfred Kastler fait des études secondaires brillantes et entre à l’École Normale Supérieure de Paris en 1921. Après l’agrégation, il enseigne dans plusieurs grands lycées, notamment en classes préparatoires. Recruté assistant à l’Université de Bordeaux, il effectue des travaux de recherche sur la polarisation de la lumière et passe sa thèse en 1936. Il devient alors maître de conférence à Bordeaux puis à Clermont-Ferrand. En 1941, il rejoint le laboratoire de l’Ecole Normale pour travailler sur l’effet Raman puis sur la spectroscopie optique atomique en interaction avec les ondes hertziennes. Avec Jean Brossel, il invente le pompage optique, ce qui permet de créer une inversion de population dans un milieu et ainsi réaliser un laser. Ses travaux en optique sont récompensés en 1966 par le prix Nobel de physique. Piotr Kapitza Physicien russe né à Kronstadt en 1894 et mort à Moscou en 1984. Après des études d’électronique à l’Université polytechnique de Saint-Pétersbourg, il se rend en Angleterre au Laboratoire Cavendish de 1923 à 1934 où il collabore avec Ernest Rutherford. Là, il s’intéresse à l’obtention des basses températures dans de forts champs magnétiques. De retour en Union soviétique, il est astreint à y demeurer, en étant nommé dès 1935 au poste de directeur de l’institut de physique de l’Académie des sciences de Russie. En 1939, il obtient la libération de Landau des prisons de Moscou, mais il est démis de ses fonctions en 1946 en raison de son refus de travailler sur l’arme nucléaire russe. Il reprend son poste en 1955, deux ans après la mort de Staline. Pour ses inventions et découvertes fondamentales dans le domaine de la physique à basse température, il reçoit en 1978 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Arno Penzias et Robert Wilson. Kapitza laisse le souvenir d’un scientifique courageux capable, au péril de sa vie, de défendre des scientifiques russes (Landau, Fock, etc.) et de prendre position sur divers sujets sensibles. Wolfgang Ketterle Physicien allemand né à Heidelberg en 1957. Diplômé en 1986 de l’Université Ludwig-Maximilian de Munich et de l’Institut Max Planck d’optique quantique à Garching. Après sa thèse, il rejoint le groupe de David Pritchard au MIT où il obtient un poste de professeur de physique. Ses activités de recherches sont centrées sur le refroidissement par laser et le piègeage des atomes froids. Il découvre la superfluidité dans les gaz à une température moins basse que celles qui permettent habituellement de mettre en évidence la superfluidité. Au début des années 2000, il parvient à rendre superfluide un gaz ultrafroid d’atomes de lithium, et donc à montrer que dans certaines situations, des atomes fermioniques peuvent acquérir,

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par appariement d’atomes et condensation à très basse température, un comportement bosonique, sans mettre en cause la règle d’exclusion de Pauli des fermions. Ces activités lui valent en 2001 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Cornell et Wieman. Depuis 2010, il enseigne au MIT.

Oskar Klein Physicien suédois, né à Stockholm en 1894 et mort à Danderyd près de Stockholm en 1977. Ce physicien théoricien est à l’origine de la découverte, en 1926, avec Walter Gordon et Schrödinger de l’équation connue aujourd’hui sous le nom d’équation de Klein-Gordon, laquelle est à la base d’une théorie quantique relativiste pour les objets sans spin. En outre, son nom est associé au franchissement d’une marche d’énergie potentielle par un objet physique relativiste, avec des facteurs de transmission et de réﬂexion supérieurs à l’unité sous certaines conditions énergétiques, par création de paires électron- positron. Il fut professeur à l’Université de Stockholm entre 1931 et 1962.

Klaus von Klitzing Physicien allemand, né à Sroda Wielkopolska en Pologne, durant l’occupation allemande, en 1943. Après une scolarité au lycée Artland de Quakenbrück jusqu’en février 1962, il étudie la physique à l’Université technique de Brunswick. Il travaille ensuite à l’Université de Wurtzbourg, où il passe en 1972 un doctorat, sur les propriétés magnétiques du tellure. Après son habilitation à diriger des recherches, obtenue en 1978, il eﬀectue des recherches à Oxford puis à Grenoble au laboratoire des champs magnétiques intenses. C’est là qu’il découvre en 1985 l’eﬀet Hall quantique entier, ce qui lui vaut le prix Nobel en 1985. Il est aussi connu comme un défenseur de la recherche fondamentale et comme professeur intéressé par les questions relevant de l’enseignement de la physique à tous les niveaux.

Herbert Kroemer Physicien allemand né à Weimar en 1928. Après son doctorat de physique théorique obtenu en 1952 à Göttingen, avec une thèse sur les eﬀets d’électrons chauds dans les transistors, il commence une carrière de chercheur dans le domaine de la physique des semi-conducteurs, en proposant d’incorporer des hétérojonctions, notamment dans la réalisation de lasers à semi-conducteurs. De 1968 à 1976, il enseigne le génie électrique aux États-Unis, à l’Université du Colorado, puis il rejoint l’Université de Californie de Santa Barbara (près de San Francisco), en concentrant son programme de recherche sur la réalisation de nouveaux matériaux grâce à l’épitaxie par jets moléculaires. En 2000, il reçoit, pour des travaux de base dans les technologies de l’information et des communications, pour le développement d’hétérostructures semi-conductrices pour l’électronique rapide et l’opto-électronique, le prix Nobel qu’il partage avec Jores Alferov et Jack Kilby. Ses livres d’enseignement, « Thermal physics » écrit avec Charles Kittel et « Quantum Mechanics », sont très appréciés.

Willis Lamb Physicien américain, né à Los Angeles en 1913 et mort à Tucson en 2008. Après ses études secondaires, puis supérieures à l’Université de Berkeley, Willis Lamb passe sa thèse sur les propriétés électromagné- tiques des noyaux, sous la direction de Robert Oppenheimer. Il travaille ensuite sur les interactions des neutrons avec la matière. Dans les années 1947, avec son étudiant Robert Retherford, il s’intéresse à la structure ﬁne du spectre de l’atome d’hydrogène; il met alors en évidence un déplacement des raies spectrales, appelé désormais le décalage de Lamb (Lamb shift) ; ce décalage, prévu par la théorie quantique des champs, est dû à l’interaction de l’électron avec les ﬂuctuations du champ électromagnétique du vide. En 1955, il est récompensé par le prix Nobel de physique qu’il partage avec Polycarp Kusch. Il poursuit alors son activité dans le domaine quantique, précisément les interactions quadripolaires dans les molécules.

Lev Landau Physicien soviétique, né à Bakou (Azerbaïdjan) en 1908 et mort à Moscou en 1968. Élève très doué dès son plus jeune âge, il termine ses études secondaires à 13 ans, et, sous la pression de son père ingénieur, il aborde une carrière d’ingénieur chimiste. Très rapidement, il se réoriente vers la physique, et obtient sa licence deux ans plus tard à l’Université de Leningrad. En 1927, il passe sa thèse sur la théorie quantique du rayonnement de freinage. Il obtient en 1929 une bourse pour aller à l’étranger et élabore une théorie du

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diamagnétisme des métaux, à Copenhague, dans le laboratoire de Bohr. Après deux années à Kharkov, il anime, en 1937, à la demande de Piotr Kapitza, un groupe de physique théorique à Moscou. Cependant, suspect aux yeux du régime stalinien, il est arrêté en 1938 et mis en prison. Grâce à Kaptiza, il en sort, retrouve ses fonctions hiérarchiques et obtient une chaire de professeur. Sa contribution est considérable dans des domaines divers de la physique moderne (supraconductivité, phonons, théorie quantique des champs, plasma, etc.). Il reçoit en 1962 le prix Nobel de physique pour ses théories pionnières à propos de l’état condensé de la matière, particulièrement l’hélium liquide. Malheureusement, il est victime la même année d’un tragique accident de voiture qui l’handicape jusqu’à sa mort en 1968. Il est célèbre pour être à l’origine du traité de physique théorique le plus complet et le plus moderne jamais écrit depuis les années 1960.

Robert Laughlin Physicien américain, né à Visalia (Californie) en 1950. Après des études mathématiques à Berkeley, puis au MIT où il passe sa thèse en 1979, il enseigne à l’Université de Stanford. Il interprète l’eﬀet Hall fractionnaire à partir de fonctions d’onde à N corps, ce qui lui vaut en 1998 le prix Nobel de physique qu’il partage avec deux autres physiciens américains Horst Störmer et Daniel Tsui. Il est connu aussi pour douter de l’existence des trous noirs, de notre capacité à modiﬁer notre futur climatique, et surtout pour promouvoir l’émergentisme, doctrine selon laquelle il n’existerait aucune hiérarchie dans les lois de la physique (cf. P. Anderson).

Anthony Leggett Physicien américano-britannique, né à Londres en 1938. Il commence ses études universitaires au Balliol College en 1955 puis au Merton College. Il effectue ses recherches post-doctorales à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign (UIUC). De retour en Angleterre, il enseigne à l’Université de Sussex de 1967 à 1982, puis accepte un poste de professeur à l’UIUC aux États-Unis où il s’installe. Il reçoit le prix Nobel de physique en 2003, avec Vitaly Ginzburg et Alekseï Abrikossov, pour ses travaux théoriques en physique des basses températures, précisément ses contributions pionnières à la théorie des supraconducteurs et des superfluides. Ses recherches récentes portent sur la supraconductivité d’oxydes de cuivre, la superfluidité des gaz atomiques dégénérés et des questions conceptuelles dans les fondements de la quantique.

Jean-Marc Lévy-Leblond Physicien théoricien français, né à Cannes en 1940. À la sortie de l’École Normale Supérieure de Paris, il prépare un doctorat d’État à l’Université d’Orsay qu’il obtient en 1965. Il montre à cette occasion que le spin n’a pas d’origine relativiste, en le faisant surgir d’un hamiltonien linéaire et de la transformation de Galilée, contrairement à ce que peut laisser supposer une lecture trop rapide de la célèbre publication de Dirac de 1928. Successivement chargé de recherche au CNRS, maître de conférences à l’Université de Nice, professeur à l’Université Diderot à Paris, il s’installe à Nice où il enseigne dans les départements de physique de l’Université, certes la physique et notamment la quantique, mais aussi la philosophie, préci- sément l’épistémologie. Son implication dans l’enseignement de la quantique et dans son interprétation est signiﬁcative.

Robert Millikan Physicien américain, né à Morrison (Illinois) en 1868 et mort à San Marino (Californie) en 1953. Après une carrière de professeur de physique dans un collège, ce ﬁls de pasteur, passionné de sciences, reprend des études supérieures à Berlin avec Planck, puis à l’Université Columbia de New-York où il passe sa thèse en 1885. L’année suivante, il est nommé professeur de physique à l’Université de Chicago. Ses travaux précis sur la détermination de la charge de l’électron par la technique de la goutte d’huile, et sur l’eﬀet photoélectrique (détermination de la constante de Planck) lui valent, en 1923, le prix Nobel de physique.

John Neumann Physicien et mathématicien américano-hongrois, né en 1903 et mort à Washington en 1957. Fils d’un avocat banquier qui achète un titre nobiliaire en 1913 pour se faire appeler von Neumann, John Neuman, d’origine juive, est un enfant prodige, puisqu’on raconte qu’à six ans, il pouvait converser avec son père

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xxxii Les grands noms de la quantique

en grec ancien et faire mentalement la division d’un nombre à huit chiﬀres. C’est âgé d’à peine 23 ans qu’il obtient son doctorat en mathématiques à l’Université de Budapest. En parallèle, il obtient un diplôme en génie chimique de l’École Polytechnique Fédérale de Zurich ; Neumann fut le major de promotion dans les deux universités, en n’y mettant les pieds que pour les examens. Entre 1926 et 1930, il côtoie Oppenheimer, Heisenberg et Kurt Gödel. De 1933 à sa mort en 1957, il est professeur de mathématiques à la faculté de l’Institute for Advanced Study, qui vient d’être créée à Princeton, et y rejoint Einstein et Gödel. Naturalisé américain en 1937, il s’oriente, à l’approche de la guerre, vers les mathématiques appliquées et la physique (statistiques, analyse numérique, balistique, hydrodynamique et quantique).

Konstantin Novoselov Physicien russe né à Nizhny Tagil en 1974. Il passe sa thèse en 2001 à l’Université Radboud de Nimègue aux Pays-Bas sous la direction d’Andre Geim, puis part travailler avec ce dernier à l’Université de Manchester. En 2010, à seulement 36 ans, il reçoit avec Geim le prix Nobel de physique pour ses expériences sur les matériaux bidimensionnels tels que le graphène.

Robert Oppenheimer Physicien américain, né à New-York en 1904 et mort à Princeton en 1967. Après des études de chimie à Harvard et un séjour au laboratoire Cavendish de Rutherford à Cambridge, il passe son doctorat à l’Université de Göttingen sous la direction de Born, alors qu’il n’a que 22 ans. Il retourne à Harvard puis devient professeur à Berkeley. Intéressé par l’astrophysique, il prévoit l’évolution d’une étoile massive en étoile à neutrons puis en trou noir, par effondrement gravitationnel. En quantique, il interprète l’émission de champ par effet tunnel et facilite la détermination des niveaux d’énergie grâce à l’approximation dite de Born-Oppenheimer. En 1943, il est choisi comme directeur scientifique du projet Manhattan, chargé de la réalisation de la bombe à fission américaine, malgré ses opinions politiques. Àprès la guerre, il considère que les armes nucléaires doivent être contrôlées à l’échelle internationale et s’oppose au développement de la bombe à hydrogène. En 1947, il succède à Albert Einstein comme directeur de l’Institute for Advanced Study à l’Université de Princeton. En raison de ses prises de position sur les risques d’une course à l’armement nucléaire, il est révoqué en 1953 par le président Eisenhower. Il a fallu attendre 1963 pour qu’il soit réhabilité par le président Johnson.

Wolfgang Pauli Physicien théoricien suisse, d’origine autrichienne, né à Vienne en 1900 et mort à Zurich en 1958. Au lycée à Vienne, Pauli (prononcer Paoli) était considéré comme un enfant prodige en mathématiques. À partir de 1919, il commence des études de physique à l’Université de Munich avec pour professeur Arnold Sommerfeld. Ce dernier fait appel à lui pour rédiger un article de synthèse sur la relativité destiné à une encyclopédie. En 1921, il obtient son doctorat dans lequel il montre les limites du modèle de Bohr. Pendant les années 1922 et 1923, il travaille aux côtés de Niels Bohr à Copenhague. C’est en 1925 qu’il publie sa célèbre contribution sur le principe d’exclusion. Devenu professeur de physique théorique à Zurich en 1928, il émet l’hypothèse hardie du neutrino pour sauver la conservation de l’énergie dans la radioactivité beta. À partir de 1935, il occupe aux États-Unis plusieurs postes de professeur invité, successivement à Princeton, à l’Université du Michigan et à l’Université Purdue (dans l’Indiana). L’ensemble de ses contributions importantes lui vaut le prix Nobel en 1945. Il obtient la citoyenneté américaine en 1946, mais revient en Suisse à l’ETH de Zurich (Eidgenössiche Technische Hochschule ou École Supérieure Technique Fédérale). En 1949, alors qu’il est citoyen suisse, il rencontre le psychiatre suisse Carl Jung avec lequel il s’intéresse à la macro-psychokinèse ; il écrit même un livre en 1952 sur la synchonicité ou l’occurence simultanée d’au moins deux événements sans lien de causalité ; dans ce contexte, les adeptes de la pensée magique rappellent « l’eﬀet Pauli », selon lequel l’arrivée de Pauli dans un laboratoire provoquait un dérèglement de tous les instruments présents.

Linus Pauling Chimiste et physicien américain, né à Portland (Oregon) en 1901 et mort à Big Sur (Californie) en 1994. Très intéressé par la chimie expérimentale dès son enfance, Linus Pauling sort diplômé de l’Université agricole de l’Oregon en 1922, malgré une activité professionnelle nécessaire pour subvenir à ses besoins

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Les grands noms de la quantique xxxiii

personnels et familiaux. Son premier objectif de chercheur est de comprendre le rapport entre la structure des atomes constituant la matière et ses propriétés physiques et chimiques, ce qui le conduit à travailler sur une nouvelle discipline, la chimie quantique. Après un séjour en Europe, il est nommé en 1930 professeur au Caltech. À l’occasion d’un nouveau voyage en Europe, il s’initie à la diﬀraction des cristaux par les électrons. En 1932, il introduit la notion d’électronégativité utile pour la prédiction de la nature des liaisons chimiques. Il développe alors le concept d’hybridation des orbitales atomiques et eﬀectue une analyse du caractère tétravalent de l’atome de carbone, de la structure du benzène et des molécules biologiques. Ses travaux sur la liaison chimique sont récompensés par le prix Nobel de chimie en 1954. Marqué par les bombardements de Hiroshima et Nagasaki, il s’engage contre la prolifération des armes nucléaires, ce qui lui vaut aussi le prix Nobel de la paix en 1962.

William Phillips Physicien américain, né à Wilkes Barre (États-Unis) en 1948. Après des études secondaires à Camp Hill puis au Juniata College in 1970, il passe sa thèse au MIT sur le moment magnétique du proton de l’hydrogène de l’eau. Il travaille ensuite sur les condensats d’Einstein, en développant des méthodes servant à refroidir et à conﬁner des atomes à l’aide de la lumière laser, ce qui lui vaut, en 1997, le prix Nobel de physique qu’il partage avec Cohen-Tannoudji et Chu.

Max Planck Physicien allemand, né à Kiel en 1858 et mort à Göttingen en 1947. Après une thèse sur le deuxième principe de la thermodynamique, Planck entreprend l’étude thermodynamique du rayonnement ; c’est en voulant interpréter la courbe du rayonnement du corps noir qu’il fait l’hypothèse hardie d’échanges d’énergie par quantum entre les parois d’une cavité et le rayonnement en équilibre à l’intérieur. Sa contribution décisive sur le rayonnement, dans laquelle il introduit la célèbre constante éponyme, paraît en 1901, et lui vaut le prix Nobel en 1918.

Edward Purcell Physicien américain né à Taylorville (États-Unis) en 1912 et mort à Yonkers (États-Unis) en 1997. Après une scolarité dans des écoles publiques, il entre à l’Université Purdue pour y étudier le génie électrique et en sort diplômé en 1933. Il se réoriente alors vers la physique en s’intéressant à la diffraction des électrons. Après un séjour en Allemagne, il revient aux États-Unis en 1934 à l’Université Harvard et passe son doctorat en 1938. Durant la Seconde Guerre mondiale, il participe au développement de radars micro-ondes, au Laboratoire des radiations du MIT. En 1945, il commence une carrière de chercheur à Harvard et découvre la résonance magnétique nucléaire (RMN). Cette technique, qui permet de déterminer la structure de molécules ou de matériaux, est à la base de l’imagerie par résonance magnétique (IRM). En 1949, alors qu’il est professeur de physique, il met en évidence la possibilité de modifier le taux d’émission spontanée dans une transition, c’est-à-dire la durée de vie d’un état quantique ; cet effet, qui porte désormais son nom, a été largement transposé dans le domaine optique. Il reçoit en 1952 le prix Nobel de physique, avec Felix Bloch, pour le développement de nouvelles méthodes de mesures magnétiques nucléaires fines et les découvertes qui en ont découlé. Dans le domaine de l’astronomie, il est le premier à détecter les émissions radio de l’hydrogène galactique, notamment la raie à 21 cm . Il est connu des étudiants et des enseignants pour son excellent livre d’électricité, publié en 1965.

Isaac Rabi Physicien américain d’origine austro-hongroise, né à Ryamanow (Pologne) en 1898 et mort à New York en 1988. Diplomé de chimie de l’Université Cornell en 1919, il poursuit ses études à l’Université Columbia, et obtient son doctorat en 1927. Il commence alors des recherches sur la nature des forces liant les protons dans le noyau atomique, qu’il poursuit d’abord comme chercheur puis comme professeur de cette université. Sa contribution dans la détermination des moments magnétiques des noyaux, par la méthode de la RMN appliquée aux faisceaux moléculaires, est décisive. En 1940, il travaille sur le développement du radar en tant que directeur associé du laboratoire des radiations du MIT. Paciﬁste convaincu, il hésite à collaborer avec le Laboratoire national de Los Alamos. Après la guerre, il contribue à l’invention du laser et de l’horloge atomique ; il est aussi l’un des fondateurs du laboratoire national

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xxxiv Les grands noms de la quantique

de Brookhaven et du CERN. En 1944, il reçoit le prix Nobel de physique pour sa méthode de résonance servant à enregistrer les propriétés magnétiques du noyau atomique.

Chandrasekhara Raman Physicien indien, né à Tiruchirapalli (Madras) en 1888 et mort à à Bengalore en 1970. C’est l’oncle de l’astrophysicien Subrahmanyan Chandrasekhar. Après des études brillantes en physique et en anglais au Collège de Madras, il occupe un poste modeste dans l’administration indienne à Calculta. Des recherches personnelles en acoustique et en optique lui permettent d’être nommé professeur de physique à l’Université de Calcutta en 1917. Il poursuit ses travaux d’optique sur la diffusion de la lumière par les molécules et découvre en 1928 l’effet qui porte désormais son nom, c’est-à-dire la modification par un mileu de la fréquence de la lumière qui y circule, précisément la diffusion inélastique de la lumière par les vibrations des molécules. La mesure de cette modification permet de remonter à certaines propriétés du milieu ; c’est la spectroscopie Raman. Ses travaux sur la diffusion de la lumière, interprétés par une transposition optique de l’effet Compton, lui valent le prix Nobel de physique en 1930. En 1932, il apporte la première preuve expérimentale du spin du photon. Il devient directeur de l’Indian Institute of Science à Bangalore en 1934, puis fonde en 1949 le Raman Research Institute.

Norman Ramsey Physicien américain, né à Washington en 1915 et mort à Washington en 2011. Très tôt, Ramsey se passionne pour la physique et les mathématiques. Après avoir utilisé la méthode de Rabi pour déterminer des moments magnétiques, il passe sa thèse en 1940 à l’Université Columbia et devient professeur. Pendant la guerre, il participe aux études sur le radar au MIT, en travaillant sur le magnétron. En 1947, il est nommé professeur de physique à l’Université Harvard et participe à l’invention du maser et à la réalisation d’horloges atomiques stables. En 1989, il est lauréat du prix Nobel de physique, qu’il partage avec Hans Georg Dehmelt et Wolfgang Paul, pour l’invention de la méthode des champs alternatifs séparés et son application au maser à hydrogène et aux horloges atomiques.

Heinrich Röhrer Physicien suisse né à Buchs en 1933. Après des études à Zurich, il prépare une thèse sur la transition vers l’état supraconducteur. En 1963, il est recruté comme chercheur au laboratoire IBM de Zurich. En 1978, il accueille Gerd Binnig et l’encadre pour la construction du premier microscope à eﬀet tunnel, ainsi que du premier microscope à force atomique, dont les performances, en terme de résolution, sont de l’ordre du dixième de nanomètre. Tous deux sont récompensés par le prix Nobel en 1986.

Ernst Ruska Physicien allemand, né Heidelberg en 1906 et mort à Berlin en 1988. Après des études eﬀectuées à l’Université technique de Munich, de 1925 à 1927, il rejoint l’Université technique de Berlin. Là, il s’intéresse à la réalisation de hautes tensions et de très faibles pressions (ultravide). Il démontre alors l’intérêt de construire un microscope en utilisant non des photons mais des électrons de longueur d’onde 105 fois plus courte, ce qui permet d’obtenir une bien meilleure résolution. En 1931, il construit sa première lentille électronique, puis il réalise en 1933 le premier microscope électronique en transmission en combinant plusieurs lentilles comme dans un microscope optique. Il oublie de déposer des brevets de son invention, ce qui l’oblige ensuite à travailler pour la ﬁrme Siemens comme ingénieur de recherche de 1937 à 1955, puis comme directeur de l’Institut de microscopie électronique de l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck de 1955 à 1972. Parallèlement, il occupe un poste de professeur à l’Université technique de Berlin de 1957 jusqu’à sa retraite en 1972. En 1986, il reçoit le prix Nobel de physique, qu’il partage avec Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, pour son travail fondamental en optique électronique, et pour la conception du premier microscope à électrons.

Erwin Schrödinger Physicien autrichien, né à Vienne en 1887 et mort à Vienne en 1961. Issu d’une famille très cultivée, Schrödinger s’intéresse à la physique, mais aussi à la poésie, à la littérature, à la philosophie et à la biologie. Après des études universitaires à Vienne et à Iéna, il aborde une carrière de physicien expérimentateur,

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puis obtient un doctorat en physique théorique à l’Université de Vienne en 1910. Après avoir été assistant de Max Wien, il est nommé en 1921 professeur à Breslau, puis en 1922 professeur à Zurich. En 1926, il publie un article sur la célèbre équation qui porte son nom. Il rejoint Max Planck à la Friedrich-Wilhelms- Universität à Berlin en 1927, puis occupe la chaire laissée vacante par Planck parti à la retraite. Réprouvant le nazisme et l’antisémitisme, il décide de quitter l’Allemagne en 1933 pour l’Université d’Oxford, et y reçoit le prix Nobel, la même année que Dirac. Cependant il ne reste pas longtemps à Oxford en raison de sa vie privée, peu conventionnelle. En 1935, Schrödinger imagine le paradoxe du chat, qui met en évidence la fracture existant entre le monde quantique et le monde macroscopique. En 1940, il devient directeur de l’école de physique théorique de Dublin, où il reste en poste pendant 17 ans et se voit attribuer la nationalité irlandaise. En 1944, il écrit « Qu’est-ce que la vie? », qui contient une discussion sur le concept de néguentropie qu’il introduit en relation avec l’information.

Julian Schwinger Physicien américain, né à New-York en 1918 et mort à Los Angeles en 1994. Élève précoce, Schwinger est diplomé de l’Université Columbia à 17 ans, après avoir écrit sa première publication scientiﬁque à 16 ans. Il travaille ensuite à l’Université de Berkeley, puis est nommé à l’Université Purdue. Durant la Seconde Guerre mondiale, il contribue à la mise au point des radars alors qu’il travaille au laboratoire des rayonnements du MIT. Après la guerre, il devient à 29 ans le plus jeune professeur d’Harvard. C’est pendant cette période qu’il explique, par la renormalisation, le décalage de Lamb dans le champ magnétique d’un électron. Dans ce cadre, il établit les bases de l’électrodynamique quantique, ce qui lui vaut, en 1965, le prix Nobel de physique, qu’il partage avec Feynman et Tomonoga. Il est le premier à découvrir que les neutrinos peuvent apparaître sous plusieurs variétés. Il quitte Harvard en 1974 pour l’Université de Californie, à Los Angeles, où il poursuit des recherches sur un traitement uniforme des gravitons, des photons et des autres objets physiques élémentaires.

William Shockley Physicien britannique né à Londres en 1910 et mort à Palo Alto en Californie en 1989. Après sa thèse au Caltech, Shockley est employé à la compagnie Bell Telephon dans le but de remplacer les tubes à vide encombrants, notamment la triode, par des composants solides plus petits et plus ﬁables. Il y parvient en 1948, avec l’aide d’un théoricien J. Bardeen et d’un expérimentateur W. Brattain ; ils inventent alors le transistor, ce qui leur vaut le prix Nobel en 1956. Shockley termine sa carrière sur le poste de professeur d’ingéniérie à Stanford qu’il occupe à partir de 1963. Ses prises de position sur l’amélioration de la race humaine, notamment par la stérilisation des faibles et le don du sperme des savants, surprennent et déçoivent la communauté scientiﬁque internationale.

Kai Siegbahn Physicien suédois, né à Lund en 1919 et mort à Ängelholm en 2007. Fils du physicien Karl Siegbahn, prix Nobel de physique en 1924, Kai obtient son doctorat à l’Université de Stockholm en 1944. Il y enseigne de 1951 à 1954, et découvre une méthode d’analyse des surfaces de matériaux, à partir de la mesure des énergies des rayons X et des électrons émis, par exposition à un rayonnement incident. Pour avoir développé la méthode ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), ainsi que la spectroscopie laser, Siegbahn reçoit en 1981 le prix Nobel de physique, qu’il partage avec Nicolaas Bloembergen et Arthur Schawlow.

Arnold Sommerfeld Physicien allemand, né en 1868 à Königsberg (ville de Prusse orientale, en Russie depuis 1946 préci- sément sous le nom de Kaliningrad) et mort à Munich en 1951. Après des études de mathématiques et de sciences naturelles à l’Université de Königsberg, il passe un doctorat en 1891 sur l’utilisation de l’analyse de Fourier à l’étude des cartes de température. Dès 1895, il s’oriente vers les mathématiques appliquées, la physique et l’ingéniérie. En 1906, il fonde un centre de physique théorique à Munich, tout en restant très proche des applications à la physique. Il soutient la physique moderne naissante, précisément la relativité d’Einstein et le modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène ; dans ce contexte, il propose un développement de ce modèle par l’élargissement du modèle aux traject oires elliptiques relativistes, ce qui le conduit à

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introduire la constante de structure ﬁne, utile dans l’analyse des spectres. Il est connu aussi pour sa contribution sur le rôle des électrons dans les métaux, ainsi que sur l’analyse de la condition de rayonnement d’une source qui porte désormais son nom. Il meurt en 1951 des suites d’un accident de circulation.

Johannes Stark Physicien allemand, né à Schickenhof en 1874 et mort à Eppenstadt en 1957. Après des études au gym- nasium (lycée) de Bayreuth et plus tard à Ratisbonne, il commence ses études universitaires à l’Université de Munich, où il étudie la physique, les mathématiques, la chimie et la cristallographie. Il travaille dans divers postes à l’institut de physique jusqu’en 1900, où il est devenu professeur non salarié à l’Université de Göttingen. En 1906, il est nommé professeur à Hanovre, et en 1909 à Aix-La-Chapelle. Il découvre en 1913 le dédoublement des raies spectrales de l’atome d’hydrogène sous l’effet d’un champ électrique, ce qu’il interprète dans le cadre de la théorie ondulatoire. Pour sa découverte de l’effet Doppler et du dédoublement des raies spectrales par les champs électriques (effet Stark), il reçoit en 1919 le prix Nobel de physique. Adhérent du parti nazi, dès 1930, il renie alors la physique quantique ; dans ce contexte, il essaie, avec Philipp Lenard, de promouvoir une physique allemande contre la « physique juive » d’Albert Einstein.

Otto Stern Physicien polonais, né à Sohrau en 1888 et mort à Berkeley en 1969. Issu d’une famille juive, il entreprend des études qu’il poursuit à l’Université de Breslau jusqu’à son doctorat de chimie physique qu’il obtient en 1912. Il poursuit alors à Prague puis à Zurich un travail de recherche sur les capacités thermiques des molécules avec Einstein. Il passe son habilitation à l’Université de Frankfurt en 1915, et devient en 1921 professeur à l’Université de Rostock, puis à l’Université d’Hamburg. C’est là qu’il entreprend, avec Gerlach, de mesurer les moments magnétiques atomiques, et découvre expérimentalement la nécessité d’introduire le spin de l’électron, hypothèse déjà introduite par Uhlenbeck et Goudsmit. En raison de la montée du nazisme, il abandonne son poste en 1933 et devient professeur de physique à l’Institut de Technologie de Carnegie, puis professeur à Berkeley, alors que Gerlach demeure en Allemagne nazie. Stern est récompensé par le prix Nobel de physique en 1943.

Georges Thomson Physicien anglais (fils de Joseph Thomson, qui découvrit l’électron), né à Cambridge en 1892 et mort à Cambridge en 1975. Il étudie les mathématiques et la physique au Trinity College, jusqu’au début de la Première Guerre mondiale en 1914. Il effectue alors des recherches en aérodynamique à Farnborough. Après la guerre, il travaille à Cambridge puis à Aberdeen sur le comportement ondulatoire des électrons à la traversée des cristaux, ce qui lui vaut le prix Nobel de physique, en 1937 avec Davisson. À la fin des années 1930 et pendant la Seconde Guerre mondiale, il se spécialise en physique nucléaire, en entamant un programme de recherche sur l’uranium.

Sin-Itiro Tomonoga Physicien japonais, né à Tokyo en 1906 et mort à Tokyo en 1979. Après ses études à l’Université impériale de Kyoto, avec son camarade de classe Yukawa, il devient assistant pendant trois ans, puis rejoint le groupe de Nishina à l’institut de recherche japonais RIKEN (Rikagaku Kenkyusho) situé à Wako. En 1937, alors qu’il est à Leipzig, il collabore avec Heisenberg ; il retourne ensuite au Japon pour passer sa thèse sur l’étude des matériaux utilisés en physique nucléaire. Il est essentiellement connu pour sa contribution à l’électrodynamique quantique, notamment dans le calcul de l’eﬀet Lamb qu’il mène à bout indépendamment de Schwinger. Pour cela, il reçoit en 1965 le prix Nobel de physique, qu’il partage avec Schwinger et Feynman.

Charles Townes Physicien américain, né à Greenville (États-Unis) en 1915. Très intéressé par la physique en raison de la « belle structure logique » de cette discipline scientiﬁque, mais aussi par l’histoire naturelle et le sport, Townes entre à l’Institut de Technologie de Californie et en sort en 1939, avec une thèse sur la séparation isotopique et les spins nucléaires. Recruté par Bell Telephonedurant la Seconde Guerre mondiale, il travaille

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Les grands noms de la quantique xxxvii

à la mise au point des radars utilisés par l’aviation militaire. Nommé ensuite professeur à l’Université de Columbia, il oriente ses recherches vers les ondes radioélectriques micrométriques, lesquelles constituent un nouvel outil puissant pour étudier la structure des atomes et des molécules par spectrométrie. Il est alors conduit à s’intéresser à l’émission stimulée, et participe à la première réalisation d’un maser en 1954. Il est récompensé en 1964 par le prix Nobel, qu’il partage avec les soviétiques Nikolay Basov and Alexander Prokhorov, pour des travaux fondamentaux en électronique quantique, ce qui a amené à la construction d’oscillateurs et d’ampliﬁcateurs fondés sur le principe du maser-laser. Nommé professeur à Berkeley en 1966, il se consacre à l’enseignement et à la recherche en astronomie micro-onde et infrarouge. En raison de son engagement religieux, il reçoit le prix Templeton en 2005.

Steven Weinberg Physicien américain, né à New-York en 1933. Après des études brillantes à l’Université Cornell, il se rend à l’Institut Niels Bohr pour une année d’études. Il retourne alors aux États-Unis, à l’Université de Princeton, pour y compléter ses études doctorales, et passe en 1957 une thèse sur la théorie de la renormalisation appliquée aux interactions faible et forte. Sa contribution la plus remarquée est la synthèse entre l’électromagnétisme et l’interaction faible, ce qui lui vaut, en 1979, le prix Nobel qu’il partage avec ses co-inventeurs Abdus Salam et Sheldon Glashow. Weinberg a travaillé sur de nombreux sujets, notamment sur les théories d’unification (dont la théorie des supercordes), l’astrophysique et la chromodynamique quantique. Depuis 2010, il occupe une chaire d’enseignement en sciences du département de physique de l’Université du Texas à Austin. Il est l’un des rares scientifiques, de très haut niveau, à s’être engagé sur le plan philosophique, précisément dans un courant réaliste et réductionniste, ce qu’il développe dans son livre « Dreams of a final theory ».

Hermann Weyl Mathématicien et physicien théoricien allemand, né le 9 novembre 1885 à Elmshorn (proximité d’Ham- bourg) et mort le 8 décembre 1955 à Zurich. Après des études de mathématiques et physique, à Göttingen et à Munich, il passe son doctorat sur la formalisation de la mécanique quantique, sous la direction d’Hil- bert et Minkowski. Dès 1913, il enseigne les mathématiques à l’école polytechnique de Zurich et publie un traitement uniﬁé des surfaces de Riemann. En 1918, il tente une modélisation des champs électroma- gnétique et gravitationnel, en les considérant comme des propriétés géométriques de l’espace-temps ; il introduit alors la notion de jauge, première étape de ce qui deviendra la théorie de jauge à la base du modèle standard. Sa contribution sur les fondements des symétries des lois de la mécanique quantique est décisive ; en précisant ses bases, il introduit les spineurs, devenus familiers autour des années 1930. De même, sa contribution sur l’étude des groupes et son impact en physique moderne est majeure. En 1930, il quitte Zurich pour succéder à Hilbert à Göttingen, et devient titulaire de la chaire de mathématiques. Sa femme étant juive, la montée du nazisme l’oblige à accepter en 1933 un poste à l’Institute for Advanced Study (IAS) à Princeton où il travaille avec Einstein. Là, il tente en vain d’uniﬁer gravitation et électroma- gnétisme ; cependant, il put expliquer la non-conservation de la parité, une caractéristique des interactions faibles.

Carl Edwin Wieman Physicien américain, né à Corvallis (Oregon) en 1951. Diplômé du MIT en 1973, il passe un doctorat de physique à l’Université Stanford en 1977. En 1995, il réalise, avec Cornell, un condensat d’Einstein d’atomes alcalins, et aborde l’étude des propriétés de ce type de système, ce qui leur vaut en 2001 le prix Nobel de physique, qu’ils partagent avec Ketterle. En 2007, il rejoint le corps enseignant de l’Université de la Colombie-Britannique.

John Archibald Wheeler Physicien américain né à Jacksonville (Floride) en 1911, et mort en 2008 à Hightstown (New Jersey). Wheeler commence par des études en génie électrique, avant de s’orienter vers la physique théorique. Après sa thèse passée en 1933, il est nommé professeur à Princeton ; il y enseigne jusqu’en 1978, à l’exception de la période 1941-1945 où il participe au projet Manhattan de mise au point de la bombe atomique. On lui doit de nombreux travaux en physique théorique, notamment en ﬁssion nucléaire, dont il est le premier à

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xxxviii Les grands noms de la quantique

mettre au point le modèle, en collaboration avec Bohr en 1939. En 1978, il propose dans le cadre quantique une expérience de pensée à un photon avec choix retardé. Wheeler essaie d’achever le projet einsteinien de théorie uniﬁée, en explorant la piste selon laquelle tous les phénomènes physiques, telle la gravitation ou l’électromagnétisme, pourraient se réduire aux propriétés géométriques d’espaces-temps courbés. On lui doit l’équation de Harrison-Wheeler qui décrit la matière nucléaire à haute densité, à l’intérieur des étoiles à neutrons par exemple. Il popularise les trous noirs en précisant que ces derniers sont caractérisés de manière unique et totale par leur masse, leur moment cinétique et leur charge électrique, quelle que soit la matière qui leur a donné naissance. Avec Kip Thorne et Charles Misner, il est co-auteur du célèbre ouvrage « Gravitation ».

Wilhelm Wien Physicien allemand, né en 1864 à Fischhausen (Prusse-Orientale) et mort en 1928 à Munich. Après des études au lycée d’Heidelberg, il entre à l’Université de Göttingen puis à celle de Berlin. À partir de 1883, il prépare sa thèse sous la direction d’Hermann von Helmholtz et obtient son doctorat en 1886. En 1896, il publie la loi de Wien, qui donne la répartition spectrale du rayonnement du corps noir pour les grandes fréquences. Avec Lord Rayleigh et James Jeans qui proposent, eux, une loi valable pour les faibles fréquences, ils préparent le travail ﬁnalisé par Planck sur le rayonnement du corps noir. En 1911, il reçoit le prix Nobel de physique pour ses découvertes sur les lois du rayonnement des corps. Il ne faut pas le confondre avec son cousin Max Wien bien connu pour ses contributions dans la réalisation des oscillateurs électriques et dans la télégraphie sans ﬁls (cf. Électronique). Il est, en 1914, l’un des signataires du Manifeste des 93, défendant l’armée allemande.

Eugene Wigner Physicien américain d’origine hongroise, né à Budapest en 1902 et mort à Princeton en 1995. Né d’un père juif allemand, il commence à Berlin des études d’ingénieur chimiste utiles pour la tannerie de son père. Il abandonne alors cette voie pour commencer une carrière de physicien théoricien, en suivant l’exemple d’Einstein. Après des recherches effectuées à l’Université technique de Berlin et de Göttingen, il se rend à Princeton et travaille sur les problèmes de symétrie en relation avec les spectres des molécules. En 1933, il résout l’équation de Schrödinger d’un électron de valence dans un cristal. Devenu citoyen américain en 1937, il obtient, un an après, une chaire de physique mathématique à l’Université de Princeton. Il est l’un des cinq scientifiques à informer le président Franklin Roosevelt en 1939 de l’utilisation militaire possible de l’énergie atomique. Durant la Seconde Guerre mondiale, il participe à la conception des réacteurs au plutonium. Ses contributions à la théorie du noyau atomique et aux objets physiques élémentaires, sur la découverte et l’application de principes fondamentaux de symétrie, lui valent en 1963 le prix Nobel de physique, qu’il partage avec Goeppert-Mayer et Jensen. Il est connu pour ses prises de position sur l’interprétation de la quantique : selon lui, c’est la prise de conscience d’un état par un observateur qui provoque, directement ou indirectement, l’effondrement de la fonction d’onde.

David Wineland Physicien américain, né en 1944 à Milwaukee dans le Wisconsin (États-Unis). En 1970, il est titulaire d’un PhD de l’Université Harvard, car ses travaux sur un maser à deutérium sont supervisés par Ramsey. Lors d’un séjour postdoctoral à l’Université de Washington dans le groupe de Dehmelt, il s’intéresse au piégeage des ions. Il dirige alors son propre groupe de recherche sur le piégeage dès 1975, au sein du National Institue of Standards and Technology à Boulder au Colorado. Ses travaux les plus remarquables en quantique concernent la dynamique d’ions uniques piégés, l’eﬀet Zénon, l’intrication entre plusieurs atomes et leur décohérence et enﬁn la réalisation d’une porte logique quantique. Tous ces travaux lui valent le prix Nobel de physique en 2012.

Hideki Yukawa Physicien japonais né à Tokyo en 1907 et mort à Kyoto en 1981. Après son diplôme de l’Université impériale de Kyoto, obtenu en 1929, il occupe un poste d’enseignant. Il est attiré par la physique théorique, principalement celle qui concerne les objets physiques élémentaires. En 1933, il devient assistant à l’Uni- versité d’Osaka et passe son doctorat en 1938. Alors qu’il est professeur dans cette université, Yukawa

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Les grands noms de la quantique xxxix

propose une nouvelle théorie des forces nucléaires, dans laquelle il prévoit l’existence de mésons, dont la masse est intermédiaire entre celle de l’électron et celle du proton. La découverte en 1937 par Cecil Frank Powell d’un méson (un pion) parmi les rayons cosmiques le rend célèbre. Depuis, la théorie des mésons est devenue une partie importante de la physique nucléaire. Nommé professeur de physique théorique (1939-1950) à l’Université de Kyoto, il devient directeur de l’Institut de recherche pour la physique fondamentale à Kyoto (1953-1970). En 1955, il signe avec dix autres scientiﬁques et intellectuels le manifeste Russell-Einstein pour le désarmement nucléaire. Il est lauréat du prix Nobel de physique de 1949 pour avoir aﬃrmé l’existence des mésons à partir de travaux théoriques sur les forces nucléaires.

Pieter Zeeman Physicien néerlandais né à Zonnemaire en 1865 et mort Amsterdam en 1943. Après ses études à l’Uni- versité de Leyde, il devient en 1890 assistant de Lorentz et passe sa thèse sur l’eﬀet Kerr en 1982. En 1886, il découvre que les raies spectrales d’une source de lumière soumise à un champ magnétique possèdent plusieurs composantes, chacune d’elles présentant une certaine polarisation. En 1900, il devient professeur de physique à l’Université d’Amsterdam. Cet eﬀet d’un champ magnétique sur les raies spectrales, qui porte désormais son nom, lui vaut en 1902 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Hendrick Lorentz.

Anton Zeilinger Physicien autrichien, né à Ried en 1945. Après des études de physique et de mathématiques à l’Uni- versité de Vienne, entre 1963 et 1971, il y obtient son doctorat. Après son habilitation, en 1979, il séjourne aux États-Unis, en France, en Australie et en Allemagne, puis il occupe un poste de professeur à l’Uni- versité d’Innsbruck et devient directeur de l’institut de physique expérimentale. Il est connu pour des expériences d’interférométrie avec des neutrons réalisées à Grenoble et au MIT, celles de la téléportation quantique de photons à Innsbruck et à Vienne, ainsi que pour des tests sur l’intrication quantique. En 1999, il est nommé professeur à l’Université de Vienne, où il dirige, depuis 2004, l’institut d’optique quantique et d’information quantique, et, depuis 2006, la faculté de physique de cette université. Il est aujourd’hui l’un des rares physiciens expérimentateurs qui s’intéressent à des expériences permettant de préciser les fondements épistémologiques de la quantique.

Clarence Zener Physicien américain, né à Indianapolis (Indiana) en 1905 et mort à Pittsburgh en 1993. Après sa thèse en quantique, sur les molécules diatomiques, qu’il obtient à Harvard en 1930, il travaille dans les laboratoires Bell ; là, il interprète la forte conduction qui apparaît lorsqu’une diode est connectée en inverse et soumise à un champ électrique intense : par eﬀet tunnel, les électrons de la bande de valence peuvent passer dans la bande de conduction. Cette diode, appelée depuis diode Zener, est très utilisée pour réaliser des tensions stationnaires stabilisées.

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La quantique en vingt questions

Q 1 La quantique est souvent présentée comme une théorie de « l’inﬁniment petit », exclusivement pertinente aux échelles atomique et subatomique. Pourquoi une telle vision est-elle réductrice?

Q 2 On dit habituellement, en physique ondulatoire, qu’un terme proportionnel à la dérivée pre- mière de la fonction d’onde par rapport au temps exprime un eﬀet dissipatif et donc un phénomène irréversible. Or l’équation de Schrödinger, malgré la présence d’un tel terme, est considérée comme essentiellement réversible. Pourquoi?

Q 3 Le modèle de Bohr fournit les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène, ainsi que ceux des atomes hydrogénoïdes, avec une bonne précision. Cependant, il a dû être abandonné. Pourquoi?

Q 4 Dans la communication scientiﬁque journalistique, on entend souvent dire qu’un électron est partout à la fois. Pourquoi est-il préférable de parler de non-localité ou de pantopie plutôt que d’ubiquité?

Q 5 Pourquoi, de nos jours, préfère-t-on utiliser l’expression « inégalités d’Heisenberg » plutôt que « relations d’indétermination ou d’incertitude », pourtant ainsi appelées par Heisenberg lui-même?

Q 6 L’expression de l’énergie d’un oscillateur harmonique en quantique fait apparaître explicitement diﬀérents niveaux équidistants, à partir du nombre quantique n = 0 . Pourquoi une énergie fondamentale diﬀérente de 0 s’introduit-elle?

Q 7 Pourquoi la condensation de bosons, prédite par Einstein en 1925, n’a-t-elle été mise en évidence qu’en 1995, soit soixante-dix ans plus tard?

Q 8 Pourquoi conçoit-on la fabrication de lasers à atomes et non de lasers à électrons ou à neutrons?

Q 9 Les électrons, qui jouent un rôle déterminant dans les propriétés (électriques, magnétiques, optiques, thermodynamiques, etc.) de la matière, ont une énergie de quelques électronvolts. Pourquoi des applications spectaculaires émergent-elles à l’échelle nanométrique?

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La quantique en vingt questions xli

Q 10 Pourquoi l’analyse d’Einstein concernant l’interprétation du rayonnement d’un corps noir à partir de transitions atomiques a-t-elle été non seulement explicative mais aussi prédictive?

Q 11 Il est facile de réaliser des phénomènes d’interférence avec des ondes électromagnétiques dans le domaine radioélectrique, alors que la mise en évidence de phénomènes analogues en optique est plus laborieuse. Pourquoi?

Q 12 L’inégalité d’Heisenberg reliant durée et énergie se présente de façon analogue à celle relatives aux variables position et quantité de mouvement. Pourquoi en diﬀère-t-elle fondamentalement?

Q 13 La superposition linéaire des états est considérée comme le fondement de la physique quantique. Pourquoi pose-t-elle un problème épistémologique important en quantique et non en physique classique?

Q 14 Pourquoi dit-on que l’intrication quantique entre deux objets physiques conforte une vision holiste de la physique?

Q 15 Pourquoi l’interféromètre d’Hanbury-Brown et Twiss est-il considéré comme le point de départ du développement de l’optique quantique?

Q 16 Pourquoi n’est-il pas contradictoire de dire que le vide quantique, qui contient une inﬁnité de modes du champ électromagnétique, possède une énergie inﬁnie?

Q 17 Bien que l’équation de Schrödinger-Klein-Gordon soit d’essence relativiste, elle a dû céder la place à la théorie de Dirac. Pourquoi?

Q 18 L’équation relativiste de Dirac fait émerger naturellement le concept de spin. Pourquoi ne doit-on pas attribuer cette émergence à la relativité?

Q 19 La théorie quantique relativiste de Dirac fait apparaître, avec des électrons, des solutions à énergies totales négatives. Pourquoi ces solutions ont-elles cependant été retenues par les physiciens, sans contradiction avec l’hypothèse selon laquelle la masse est une quantité essentiellement non négative?

Q 20 Dans le graphène, les électrons ont une vitesse bien inférieure à c . Pourtant, il est nécessaire d’utiliser la théorie de Dirac pour analyser leur comportement. Pourquoi?

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Leçons

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Index

A Atténuation d’un rayonnement, 59 Auger Pierre, xviii Abrikosov Alexei, xviii, 391 effet, 80, 456 Absorption, 486 de photon, 57 B résonnante, 486, 544 Accéléromètres, 118 Bande Acéthylène, 453 de conduction, 211 Addition de deux moments cinétiques, 421 de valence, 211 Ammoniac, 165, 174, 176, 177, 313, 314, 495 Bardeen John, xix, 29, 388 Amortissement, 552, 627 Barn, 468 Amplification d’une onde, 494 Barrière d’énergie potentielle, 21, 28, 165–168, 176, 179, Amplitude, 167, 653 256, 567, 659 de diffusion, 469–471 Basov Nicolai, xix, 496 de probabilité, 19, 515, 521, 652, 658, 659, 683, 732, Battements 733 classiques, 298 d’une onde, 717 quantiques, 517 Analogie mécanique et optique, 91 Bednorz Johannes, xix, 392 Analyse Bell John, xix de Fourier, 40 Inégalités de, 603 dimensionnelle, 10 États de, 608 Analyseur, 336, 406, 632, 655 Benzène, 313, 314, 349 Anderson Carl, xviii, 20 Bethe Hans, xix, 707 Anderson Philip, xviii, 533 Binnig Gerd, xix, 180 Angle Bit quantique, 340 de couplage, 344 Blocage de Coulomb, 182 de diffusion, 50, 469, 471, 472 Bloch Félix, xx, 252 Annihilation, 56, 379 Bloembergen Nicolaas, xx, 496 Antihydrogène, 77 Bohm David, xx, 118 Approche semi-classique, 375 Bohr Aage, xx, 462 Approximation Bohr Niels, xx, 18 classique, 232 Atome de, 71 de Born, 470 Rayon de, 12 de Slater, 449 Modèle de, 83 Argument EPR, 603 Boîte cubique, 256 Aspect Alain, xviii Born Max, xxi, 19, 103 Atome(s) Boson(s), 6, 361, 418 d’hydrogène, 435, 711 BEH, 6, 736 de Bohr, 476 de Higgs, voir boson BEH de Rydberg, 76 Boyle Willard, 59, 664 muoniques, 76 Bra, 335 polyélectroniques, 447 Bragg Lawrence, xxi, 97

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1070 Index

Brattain Walter, xxi, 28 Conducteurs de Broglie Louis, xxiii, 18, 19, 93 métalliques, 156 Hypothèse fondamentale de, 91 organiques, 261 Longueur d’onde de, 21, 94 Confinement quantique, 197 Bremsstrahlung, 55 Connexe Brillouin, 174, 240, 353 doublement, 386, 390 Brisure de symétrie CP, 529 simplement, 386, 388, 390 Bunge Mario, xxi, 19 Constante(s), 5 Butadiène, 349 d’Einstein, 6 de Boltzmann, 7 C de couplage, 16 de Faraday, 7 Calcul quantique, 617 de Josephson, 13 Capteurs inertiels, 118 de Newton, 6 Cavité optique, 498 de Planck, 8 Chaîne périodique de Rydberg, 70 d’atomes, 351 de structure fine, 13, 73 d’oscillateurs classiques, 316 de von Klitzing, 14 d’oscillateurs quantiques, 318 universelle des gaz parfaits, 7 polymérique, 210, 261 Cooper Leon, xxii, 17, 29, 388 Champ électromagnétique, 38, 706, 709, 719, 720, 728 Cornell Eric, 275, 388 Chandrasekhar Subrahmanyan, xxi, 707 Corps noir, 44 Changement de référentiel galiléen, 115, 125 Corrélations Chaos quantique, 23 à distance, 601 Charge élémentaire, 6 classiques, 601 Chat de Schrödinger, 623 quantiques, 602 Chemin(s) Couches discernables, 651 électroniques, 459, 475 indiscernables, 651, 656, 658, 732 Modèle en, 433, 448, 459, 464 Intégrale de, 731, 733 Couplage Chu Steven, xxii, 275, 505 de puits quantiques, 301 Classique (physique), 3 spin-orbite, 705 Clé Courant cryptographique, 615, 616 de probabilité, 133, 710 de codage, 614 électromagnétique, 40 USB, 181 Création Clonage, 613 de paires, 56 Coalescence, 657 d’un quantum de moment cinétique, 379 Coefficient(s) Cristaux d’absorption induite, 487 conducteurs, 323 d’Einstein, 485, 487, 547 isolants, 323 d’émission spontanée, 485 semi-conducteurs, 323 gyromagnétique, 407 Cronin James, 529 Cohen-Tannoudji Claude, xxii, 275, 505, 554 Cryptographie quantique, 25, 597, 613, 614 Cohérence Cube de la physique, 17 d’ordre deux, 668, 669 d’ordre un, 668 D quantique, 630 Davis Raymond, 531 Communication quantique, 613 Davisson Clinton, xxiii, 93 Commutateur, 254 Debye Petrus, xxiii Complémentarité, 635 pulsation de, 288 Comportement Décalage isotopique, 75 collectif, 10 Décohérence, 625 quantique, 9 Décomposition, 43, 673 Compton Arthur, xxii, 13, 51 Décroissance exponentielle, 148, 485, 492, 569, 583 Condensation d’Einstein, 277, 284, 385, 418 Dégénérescence, 256 Conditions aux limites, 23, 139, 259, 321, 459, 683 de niveau d’énergie, 268, 382

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Index 1071

Degré Durée de vie, 74, 582 de cohérence, 668 de cohérence d’ordre deux, 668 E de cohérence d’ordre un, 668 Écart-type, 799 de dégénérescence, 141 Effet(s) Dégroupement, 672 Aharonov-Bohm ou AB, 118 Dehmelt Hans, xxiii, 430 anomal, 411 Densité de probabilité, 798 Auger, 80 Densité Casimir, 683 d’états, 203, 265 Compton, 50 d’états en énergie, 232, 260, 261, 266, 267 Ehrenberg-Siday-Aharonov-Bohm (ESAB), 118, 119 en énergie, 180 ESAB, 118, 392 énergétique, 181 Hall quantique, 15, 268 Déphasage(s), 116, 119, 632, 633, 693 isotopique, 206 Déplacement de Lamb, 682, 728 Josephson alternatif, 177 Désintégration, 529, 530, 577, 584, 660 Josephson stationnaire, 177 Détecteur(s) Kapitza-Dirac, 102 par transfert de charges, 59 Mössbauer, 89 Photo, 507, 646, 647, 650, 664 Paschen-Back, 477 sensible(s), 665 photoélectrique, 37, 46, 83 Détection photoélectrique inverse, 55 d’états comprimés, 692 Purcell, 582 d’un rayonnement, 58 Raman, 238 Déterminants, 753 Ramsauer-Townsend, 183 Deutérium, 74, 75, 87, 329, 375 Sagnac, 116 Deutéron, 87 Stark, 366 Développements limités, 749 transistor à un électron, 14 Diamagnétisme, 29, 410 tunnel, 14, 21, 25, 165, 166, 168, 178, 181, 186, 291 ff Di raction, 111 Zeeman, 405, 411, 422 de Bragg, 322 Ehrenfest Paul, xxiv d’une onde broglienne par une fente, 111 Théorème de, 570 ff Di ractomètre Einstein Albert, xxiv, 8, 37, 47 d’électrons, 98, 99 Électrodynamique quantique, 13, 237, 277, 315, 357, 395, de neutrons, 100 430, 446, 552, 580, 678, 706, 722, 727–729, 735 ff Di usion Électron, 179, 447 de Born, 579 de conduction, 210, 366 de Compton, 53 de valence, 451 de Rayleigh, 53, 239 Émission de Rutherford, 472 contrôlée, 664 de Stokes, 239 de champ, 175 élastique, 185 de photons, 57 inélastique, 53 de rayons X , 79 Diode froide, 175 électroluminescente, 502 induite ou stimulée, 489 Esaki, 166 résonnante, 545 Zener, 166 spontanée, 484, 580 Dirac Paul, xxiv, 19, 20 Énergie Équation de, 713 cinétique, 51, 71, 73, 83, 94, 110, 382, 442 Transitions vers un continuum, 579 de confinement quantique, 198 Dispersion, 38, 107, 110 de liaison, 206 Distribution de masse, 13, 30, 52, 110, 529 de Fermi-Dirac, 274 de point zéro, 197 de Planck, 276 du vide, 682 poissonnienne, 573 électromagnétique, 40 quantique de clé, 614 Fermi d’un système 3 D, 272 Domaine visible, 39 potentielle de Woods et Saxon, 461 Dualité onde-corpuscule, 23, 114 potentielle effective, 434

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1072 Index

potentielle périodique, 252, 319 Expérience Entropie à choix retardé, 651 de Neumann, 628, 629 à un photon, 648 statistique, 628, 629, 641 d’Aspect, 608 Épistémologie de Davisson et Germer, 96 classique, 5 de Frank et Hertz, 78 quantique, 23 de Giaever, 177 EPR, 604 de Millikan, 49 Équation(s) de Stern et Gerlach, 411 de Dirac, 713 de Dirac-Weyl, 719 F d’Heisenberg, 566 Facteur(s) de Maxwell, 672 de Clifford, 715 de mouvement, 235, 293, 316 de couplage, 343 de Schrödinger-Klein-Gordon, 706, 707, 709, 737 de forme, 474 indépendante du temps, 135, 136, 138, 434 de Landé, 411, 422 Esaki Leo, xxiv, 25, 166 de structure, 474 Espace de transmission en amplitude, 183 de Hilbert, 334, 364 de transmission en intensité, 184 des états, 337, 358, 382, 418, 618 de transmission tunnel, 170 des phases, 226 gyromagnétique, 430, 446, 524 d’Espagnat Bernard, xxiii, 24 Faisceau Étalement d’un paquet d’ondes, 557 monochromatique, 123, 514 Étalon réel, 40 de résistance, 270 Fermi Enrico, xxv, 20 de tension, 534 Règle d’or de, 577 État(s) Fermion, 361, 418 cohérents quasi classiques, 573 Ferromagnétisme, 424 comprimés de lumière, 688 Fert Albert, xxv, 182 confiné, 196 Feynman Richard, xxv, 617, 656, 706, 727 de Bell, 609, 612, 616, 617, 622 Fil quantique, 258 de diffusion, 140 Fitch Val, xxv, 529 de Fock, 678, 682, 689 Fluctuations de polarisation de la lumière, 334 quantiques, 25, 682 thermiques, 685 de Rydberg, 375 Fluides quantiques en rotation, 385 du vide, 682 Fluorescence, 83 d’un oscillateur harmonique, 230 Flux intriqué, 598 d’objets lumineux, 39 libre, 127, 140, 249 d’objets physiques, 106, 140 lié, 196, 197 du champ magnétique, 119 pointeurs, 625 d’un champ magnétique, 119, 269, 393 propres de Bloch, 352 Fluxon, 390, 533 pur, 618, 619, 621 Fock Vladimir (État de), 678 séparable, 598 Fonction(s) stationnaire, 135 caractéristique, 800 Éthane, 453 d’onde, 19, 103, 105, 106, 129, 130, 140, 707, 714, Éthylène, 454 718 Étoile à neutrons, 707 de Legendre, 380 Évolution hyperboliques, 748 de grandeurs physiques, 563 radiale, 435, 437 d’un oscillateur harmonique, 571 Fondements de la quantique, 22 d’un paquet d’ondes, 519 Fontaines atomiques, 507 non stationnaire, 516 Force(s) quantique, 516 de Casimir, 684 Excitations élémentaires, 235 de van der Waals, 591, 684 Exitance spectrale, 44 Formulation variationnelle, 728, 737

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Index 1073

Formule Heisenberg Werner, xxviii, 19 de Bragg, 97 Équation d’, 566 de Rabi, 523 Inégalités spatiales d’, 110 de Rydberg, 70 Inégalité temporelle d’, 519, 563 Fowler Ralph, 707 Microscope d’, 114 Franck James, xxv, 77 Représentation d’, 679 Fréquence Théorème d’, 571 de Compton, xxii Hélicité, 261, 419, 681, 718, 724 de Larmor, 558 Hélium, 10, 29, 78, 101, 452, 599 de Rabi, 530, 554 Hertz Gustav, xxviii, 77 de résonance, 442, 445 Higgs Peter, voir boson BEH Horloge atomique au césium, 506 G Hybridation d’orbitale, 453 Gamow George, xxvi, 17 Hydrogène, 314, 329, 347, 350, 351, 433, 435, 436, 440, Gaz 704, 711 de Fermi, 458 Hypothèse(s) parfait, 7, 26, 27, 29, 276 de Bohr, 72 rare, 77, 183, 447 de Planck, 46 Geim André, xxvi, 267 fondamentale de de Broglie, 91, 92 Gell-Mann Murray, xxvi, 528 Germer Lester, 93 I Giaever Ivar, xxvi, 177 Ginzburg Vitaly, xxvi, 387 Idéalisme, 24 Glashow Sheldon, xxvii, 30, 706 Îlot quantique, 257 Glauber Roy, xxvii, 577 Impulsion(s), 14, 463, 503, 612, 648, 664, 666 Gluon, 31, 315, 362, 419 Indice quantique, 155 Goeppert-Mayer Maria, xxvii, 461 Inégalité(s), 603 Grünberg Peter, xxvii, 182, 465 de Bell, 604 Grande unification, 31 de Fourier, 42, 43 Grandeur(s) d’Heisenberg, 110, 113, 539, 568 de Planck, 18 nombre phase, 689 Ordre de, 10, 200, 210, 216, 276 spatiales, 111 Graphène, 267, 271, 354 temporelle, 539 Graviton, 31, 316 Intégrale de chemins, 731, 733 Gross David, 315 Interaction(s) Groupe électromagnétique, 17, 30, 129, 315, 734 d’ondes, 107, 108 faible, 528 d’ondes planes, 40 fondamentales, 16 Grünberg Peter, 182 forte, 16, 17, 31, 315 Gyromètre(s) gravitationnelle, 4, 17, 316 à atomes, 117 spin-orbite, 443 optiques, 116 stationnaire de durée finie, 539 Interférence H avec des électrons, 25, 99, 392 Hall Edwin, xxvii, 26 avec des molécules, 656 Effet Hall quantique, 268, 419 avec des neutrons, 122 Résistance de, 270 d’échange, 359, 659 Hall John, 508 quantique, 102, 654 Hamilton William, xxvii,130 Interféromètre, 406 Hamiltonien de Mach-Zehnder, 118, 650, 651 de Dirac, 713, 719 HBT, 667 d’un champ électromagnétique, 677 VIRGO, 693 d’un objet physique, 360 Interférométrie atomique, 103 Hänsch Theodor, 508 Interprétation probabiliste de Born, 103, 105 Harmoniques sphériques, 380 Intrication, 23, 597, 598 Haroche Serge, xxviii, 612 Invariances, 567

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1074 Index

Inversion Limite de la molécule d’ammoniac, 314 centrale, 805 de populations, 495 classique, 271, 274, 276, 662, 731 + Ion moléculaire H 2 , 308 de résolution d’un microscope électronique, 112 Ionicité, 348 ultraeinsteinienne, 96 Irradiance, 494 Loi(s) binomiale, 801 J de Boltzmann, 488, 495, 661 de Bose, 662 Jauge de conservation, 567 de Coulomb, 409, 709 de Coulomb, 30 de Landau, 428, 592 de Gamow-Condon-Gurney, 175 de radiation, 673 de la réﬂexion, 279 Jellium, 464 de la réfraction, 280 Jensen Hans, xxviii, 461 de Malus, 336 Jordan Pascual, xxix, 342 de Planck, 44 Josephson Brian, xxix, 13, 177 de Poisson, 663 K fondamentale, 3 normale, 805 Kapitza Piotr, xxix, 25, 370 Longueur d’onde de de Broglie, 93 Kastler Alfred, xxix, 496 Lumière, 692 Ket, 335, 364 poissonienne, 664, 694 Ketterle Wolfgang, xxix, 275, 388 sous-poissonienne, 664, 667 Klein Oskar, xxx, 725 super-poissonienne, 671 Klitzing Klaus (von), xxx, 14 Kobayashi Makoto, 530 M Kohn Walter, 464 Koshiba Masatoshi, 531 Mach Ernst, 5 Kroemer Herbert, xxx, 1072 Magnétisme nucléaire, 444 Kusch Polykarp, 726 Magnéton de Bohr, 408 L nucléaire, 408 Magnétorésistance, 182 Lagrangien, 728, 729, 735 Magnons, 237 Lamb Willis, xxx, 726 Lame séparatrice, 646, 649, 667 Marche(s) Landau Lev, xxx, 17, 387 d’énergie potentielle, 143 Largeur de Shapiro, 534 naturelle, 74 Maskawa Toshihida, 530 totale à mi-hauteur, 42, 43, 544, 546, 578 Masse Lasers de l’électron, 6 à gaz He-Ne, 501 du proton, 6 ﬀ à puits quantique, 211 e ective, 142, 155 à semi-conducteurs, 502 Matérialisation, 56 accordables, 503 Mather John, 45 Laughlin Robert, xxxi, 271 Matrice, 751 Lederman Leon, 530 abcd , 187 Lee David, 387 de Pauli, 414 Lee Tsung-Dao, 254, 528 de transfert d’une marche d’énergie potentielle, Leggett Anthony, xxxi, 387, 612 150 Lenard Phillip, 47 de transfert entre deux interfaces, 154 Lévy-Leblond Jean-Marc, xxxi, 19, 23 de translation dans un milieu homogène, 153 Liaison statistique, 618, 619 chimique covalente, 308, 347 Mécanique ondulatoire, 92 ionique, 348, 349 Mélange, 620, 629, 655 π , 349, 454 Méson, 315, 706 σ , 453, 454 π , 76, 313, 315, 528

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Index 1075

Mesure Noyau atomique, 422, 433, 458 d’énergie, 212 Nucléon, 11, 174, 199, 271, 313, 460 de position, 213 de quantité de mouvement, 214 O des coefficients d’Einstein, 493 du moment cinétique, 400 Onde(s) Méthane, 453 de probabilité, 105 Métrologie quantique, 14 électromagnétiques, 38 Micro-ondes, 39 monochromatique plane, 38 Microscope sphérique, 469 à balayage, 180 Opérateur(s), 212 à effet de champ, 175 annihilation, 677 à effet tunnel, 178 champ, 678 d’Heisenberg, 114 création, 229, 677 électronique, 99 d’annihilation, 229 Millikan Robert, xxxi, 9, 49 d’évolution, 618, 643 Modèle de position, 567 de Bohr, 83, 448 densité, 618 en couches, 433 hamiltonien, 131 Modes propres de vibration, 294 hermitien, 639 Molécule(s) moment cinétique, 132, 377, 382, 419, 705 d’ammoniac, 176 moment linéaire, 567, 679–681 diatomique covalente, 309 potentiel, 678 mésomères, 349 quantité de mouvement, 132 Moment cinétique statistique, 597, 618, 621 du champ électromagnétique, 681 Oppenheimer Robert, xxxii, 175, 319, 542 d’un objet physique, 405 Optique volumique, 40 neutronique, 100 Moment dipolaire quantique, 283, 645 électrique, 370, 538, 553 Orbitale atomique, 438 magnétique, 370 Orthohélium, 452 Moment linéaire, 119, 389, 567 Orthopositronium, 76 du champ électromagnétique, 680 Oscillateur(s) Moseley (loi de), 80 élastiques couplés par un ressort, 291 Mottelson Ben, 462 électronique, 234 Müller Karl, 392 harmonique quantique, 227 Muon, 16, 76, 85, 530, 735 macroscopique, 232 nucléaire, 235 N Oscillation(s) de neutrinos, 530 Naine blanche, 707 de Rabi, 523, 528, 552 Nambu Yoichiro, 530 Osheroff Douglas, 387 Nano-objets, 463 Nanotubes de carbone, 261 P Neumann John, xxxi, 618, 624, 629 Niveau(x) Pantopie, 23 d’énergie de Fermi, 272, 429 Paquet d’ondes, 23, 519, 520, 574, 575 de Landau, 269, 270, 428–430, 592, 593 Paradoxe Nombre(s) de Klein, 725 d’Avogadro, 7 du chat de Schrödinger, 22, 25 d’onde spectroscopique, 72 Paramagnétisme, 29 quantique azimutal, 379 Parapositronium, 76 quantique de spin, 430 Particules étranges, 528 quantique magnétique, 379, 396, 410 Pauli Wolfgang, xxxii, 20 quantique principal, 436, 450, 460 Pauling Linus, xxxii, 453 Non-séparabilité, 601 Peigne de fréquences, 507 Norme d’un vecteur, 104, 111, 577, 729 Perl Martin, 531 Novoselov Konstantin, xxxii, 267 Perméabilité magnétique du vide, 7

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1076 Index

Permittivité diélectrique du vide, 7 de détection, 133, 204, 632 Perturbation de diffusion, 473 quasi stationnaire, 541 de réflexion, 144 sinusoïdale, 542 de transition, 263, 470, 486, 487, 536–539, 731 Phase, 334 de transmission, 21, 145, 173 de Berry, 120 Projecteur, 338, 618 géométrique, 120 Prokhorov Aleksandr, 496 Phillips William, xxxiii, 28, 275, 505 Proton, 362, 408, 444 Phonons Puits acoustiques, 240 couplés, 303 optiques, 236 d’énergie potentielle, 174, 183, 195, 315 Phosphorescence, 83 de profondeur finie, 204 Photodétecteur, 507, 646, 647, 650–652, 657, 664–667, rectangulaire infiniment profond, 197 671, 696, 698, 701 Pulsation Photodiode, 59 de Bohr, 311 Photoluminescence, 82 de Larmor, 427, 526 Photomultiplicateur, 58 de Rabi, 523 Photon, 37, 47, 237, 649, 677 d’une onde monochromatique, 91, 681 Physique Purcell Edward, xxxiii, 277, 582 classique, 3 quantique, 4 quantique relativiste, 703 Q Planck Max, xxxiii, 8 Constante de, 8 Quanta associés aux grandeurs physiques, 11 Grandeurs de, 56 Quantification Plasmons, 236 dans une boîte quantique, 284 Polarisation de l’action, 203 circulaire, 637 de l’énergie, 198 de la lumière, 615 de la circulation de la vitesse, 386 d’un photon, 610, 637 du champ électromagnétique libre, 672 linéaire, 607 du flux magnétique, 270, 388 rectiligne, 502, 607, 652 du moment cinétique, 369, 372, 374, 378, 419, 420 Polariseur, 157, 611, 615, 632 Quantique, 4 Politzer David, 315 à toutes les échelles, 26 Polynômes Quantité de mouvement d’Hermite, 228, 244 d’un objet physique, 113, 603, 680, 708 de Laguerre, 438 volumique, 40 Pompage optique, 496 Quanton, 19 Population d’un niveau d’énergie, 494, 498, 510 Quantum Positivisme, 24 de circulation, 120 Positron, 56 de conductance, 264 Positronium, 76 de flux, 120, 269 Postulat de symétrisation, 361 de lumière, 37 Précession moment cinétique, 12, 379 de Larmor, 527 Quark, 17, 31, 315 de Thomas, 706, 742 Quasi-continuum, 211 d’un moment magnétique, 526 Qubit, 340, 417, 527, 541 d’un spin 1/2, 525 Principe, 3 d’Huygens-Fresnel, 3, 103, 729–732 R de complémentarité, 114 de correspondance, 84, 88 Rabi Isaac, xxxiii, 523 de superposition de Feynman, 731, 732 Radioactivité α , 174 de superposition linéaire, 22 Radioactivité β , 80, 530 Probabilité Rainwater Léo, 462 conditionnelle, 797 Raman Chandrasekhara, xxxiv, 238 conjointe, 797 Ramsey Norman, xxxiv, 507

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Index 1077

Rayon Röhrer Heinrich, xxxiv, 29, 25, 180 classique de l’électron, 7 Röntgen William, 39 de Bohr, 12 Rotateur sphérique, 399, 463 lumineux, 730, 732 Rotation(s) Rayonnement moléculaires, 382 X , 39 nucléaires, 463 γ , 39 superfluide, 370 cosmologique, 45 Rubbia Carlo, 30, 706 de freinage, 55 Ruska Ernst, xxxiv, 99 du corps noir, 661 Rydberg, 13 Réalisme local ou strict, 24 S mathématique, 24 Salam Abdus, 30, 706 non local, 24 Saut(s) non local voilé, 24 d’énergie potentielle, 143 platonicien, 24 quantiques, 549 structurel, 24 Schawlow Arthur, 497 Réduction d’un paquet d’ondes, 23 Schrieffer John, 29, 388 Réflexion Schrödinger Erwin, xxxiv, 19, 29, 363 totale frustrée, 167 Schwartz Melvin, 530 totale par une marche d’énergie potentielle, 147 Schwinger Julian, xxxv, 706 Refroidissement Seconde quantification, 230 laser, 504 Section efficace de diffusion, 468 ff par e et Doppler-Fizeau, 505 Semi-conducteur, 211 Règle Shirakawa Hideki, 210 de Hund, 451 Shockley William, xxxv, 28 de Klechkovski, 450 Siegbahn Kai, xxxv, 455 de Madelung, 450 Smith George, 59, 664 de sélection, 237, 321, 383, 538, 578 Smoot George, 45 d’or de Fermi, 577, 579 Sommerfeld Arnold, xxxv, 83 Reines Frederick, 530 Sources Relation de photons, 664 de de Broglie, 93 de photons séparés, 648 de dispersion, 38, 107 réelles de lumière classique, 661 de fermeture, 564 Spectre Relaxation, 577 continu, 79, 141, 149, 674 Rendement quantique, 665 de l’oscillateur harmonique, 229 Représentation(s), 215, 515, 563 de raies de l’atome d’hydrogène, 70 d’Heisenberg, 567 discret, 136, 228 de Schrödinger, 563 du rotateur plan, 373 en quantité de mouvement, 214, 565 énergétique, 136, 198 ondulatoire, 338 Spectromètres, 180 p, 214, 565 Spectrométrie(s) r, 214, 564 à effet tunnel, 457 spectrales, 40 à électrons, 455 vectorielle, 338 à photons X, 455 Réseau atomique, 454 cristallin, 95, 98, 123 de Brillouin, 240 de diffraction, 51 des molécules en rotation, 369 périodique, 252 électronique, 241 réciproque, 98, 237, 321 infrarouge, 237 Résistance de Hall, 270 neutronique, 241 Résonance optiques, 240 magnétique, 549 Raman, 238, 240, 384 optique, 82 Sphère paramagnétique électronique, 442 de Poincaré-Bloch, 416, 527, 608 Richardson Robert, 387 Fermi, 272

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1078 Index

Spin, 411 quantique-classique, 626 Spineur, 414 spontanée, 582 SQUID, 390, 534–536 Tsui Daniel, 271 Stabilité des gaz rares, 447 Stark Johannes, xxxvi, 118, 366 U Statistique(s) de Bose, 277 Ubication, 5, 23 de Bose-Einstein, 276, 361, 418, 662 Ultraviolet, 39 de Fermi-Dirac, 274, 287, 324, 362 de Maxwell-Boltzmann, 10, 662 V des photons, 659 Valeur Steinberger Jack, 530 moyenne, 40, 275, 298, 620, 703 Stern Otto, xxxvi, 101, 411 propre, 136, 337 Störmer Horst, 271 Van der Meer Simon, 30, 706 Structure Variable cachée, 638 de bandes, 321 Variance, 799 de la molécule de benzène, 314 Vecteur fine, 442, 704 d’état, 334 hyperfine, 445, 446 de Poynting, 39, 283, 680 Superfluides, 387 propre, 337 Superunification, 31 Vibrations Supraconducteurs, 388, 390, 394, 531 atomiques, 200, 235 Surface de Fermi, 268 collectives, 362 Symétries, 251 électroniques, 236 Synthèses, 30 nucléaires, 462 de Maxwell, 30 Vide quantique, 682 de Newton, 30 Vitesse électrofaible, 30 de groupe, 109 Système(s) de phase, 107 à N états, 351 Vortex lumineux, 395 à deux états, 342 à deux spins, 599 W binaires quantiques, 340 de deux puits quantiques, 338 Weinberg Steven, xxxvii, 706 Weyl Hermann, xxxvii, 719 T Wheeler John, xxxvii, 651 Wieman Carl Edwin, xxxvii, 275, 388 Téléportation quantique, 25, 616, 617 Wien Wilhelm, xxxviii, 44 Théorème Wigner Eugene, xxxviii, 583 de Bloch-Floquet, 252 Wilczek Franck, 315 de non-clonage quantique, 613 Wineland David, xxxviii optique, 186 Théorie Y de Bohr, 71 de Dirac, 726 Yang Chen Ning, 254, 528 quantique des champs, 726 Yukawa Hideki, xxxviii, 315, 706 quantique relativiste, 17, 726 Thomson Georges, xxxvi, 96 Z Thomson John, 47 Tomonoga Sin-Itiro, xxxvi, 706 Zeeman Pieter, xxxix, 405, 411, 422, 442, 496 Tourbillons quantiques, 388 Zeilinger Anton, xxxix, 105 Townes Charles, xxxvi, 497 Zener Clarence, xxxix Trace, 622, 629 Diode, 166 Transistor à un électron, 182 Zitterbewegung, 726 Transition Zone de Brillouin, 353 dipolaire electrique, 538 entre deux états, 536 induite, 582

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Pérez Carles Pujol I I Pérez Carles Pujol

Pujol I I Quantique I

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