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Pérez I Carles I Pujol Quantique fondements et applications avec 250 exercices et problèmes résolus

Pérez fondements et applications - Livres, Ebooks, … · implications, non seulement en physique atomique et moléculaire, mais aussi en physique nucléaire, en chimie, en physique

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Page 1: Pérez fondements et applications - Livres, Ebooks, … · implications, non seulement en physique atomique et moléculaire, mais aussi en physique nucléaire, en chimie, en physique

Cet ouvrage, découpé en 20 leçons quasiautonomes, rassemble les fondements etles applications de la quantique.

Qu’est-ce que la quantique ?

Dans la première leçon, on présente la quantique, ensoulignant les aspects historiques et épistémologiquesde cette discipline, et en rappelant ses nombreusesimplications, non seulement en physique atomique etmoléculaire, mais aussi en physique nucléaire, en chimie,en physique de la matière condensée et dans le domaineémergent des nanosciences.

Aspects fondamentaux et applications

Le fil conducteur de l’ouvrage peut être résumé par le slogan « un maximum de physique avec un minimum de formalisme ». Ainsi, en appliquant l’équation deSchrödinger à des systèmes unidimensionnels, sont rapide-ment abordés les effets de confinement, de quantification,de tunnel et de diffusion. Dans ce contexte, l’évolution, ledéterminisme, l’indiscernabilité, la superposition d’états etl’intrication, qui sont analysés en détail dans la secondemoitié de l’ouvrage, sont très tôt considérés.

En outre, sont examinés les progrès considérablesapparus au cours des dernières décennies, tant sur le planfondamental, avec la levée des divers paradoxes, que surle développement de l’optique quantique et des multi-ples applications en métrologie. L’ouvrage se terminepar une ouverture relativiste rendue nécessaire par lesprogrès qu’ont permis, sur le plan de la pensée et desapplications, la théorie de Dirac et l’électrodynamiquequantique.

De nombreux exemples, plus de 250 exerciceset problèmes résolus

L’ouvrage s’adresse d’abord aux étudiants de licence (L2, L3) et de la première année du master (M1), mais saprésentation didactique, avec ses nombreux exemples etses 250 exercices et problèmes résolus, ainsi que l’accentmis sur le développement historique et épistémologique,devraient aussi intéresser les candidats aux concours de l’enseignement (CAPES, agrégations, etc.), et pluslargement toutes les personnes concernées par laphysique et son impact dans toutes les autres disciplinesscientifiques, voire même en philosophie.

Les auteurs José-Philippe Pérez, Professeur émérite del’Université de Toulouse, UPS-IRAP.

Robert Carles, Professeur à l'Université de Toulouse,UPS-CEMES.

Olivier Pujol, Maître de conférences à l’Université de Lille, LOA.

a Ouvrage construit en 20 leçons, progressives et quasiautonomes

a Fondements, ordres de grandeurs et applications concrètesa Développement historique et épistémologiquea Aspect plus actuel : introduction à la théorie quantique

des champsa De nombreux exemples, 250 exercices et problèmes résolusa Annexes mathématiques et simulations numériques

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ISBN : 978-2-8041-0778-9

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Quantique fondements et applications

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Quantique fondements et applicationsavec 250 exercices et problèmes résolus

www.deboeck.com

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Quantique fondements et applications

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Des mêmes auteurs

PÉREZ J.-Ph., PUJOL O., LAGOUTE Ch., PUECH P., ANTERRIEU É., Physique une introduction

PÉREZ J.-Ph., LAGOUTE Ch., PUJOL O., DESMEULES É., Leçons de physique. Une approche moderne

Chez le même éditeur

ASLANGUL C., Mécanique quantique 1. Fondements et applications

ASLANGUL C., Mécanique quantique 2. Développement et applications à basse énergie, 2e éd.

ASLANGUL C., Mécanique quantique 3. Corrigés détaillés et commentés des exercices et problèmes

FOX M., Optique quantique

HECHT E., Physique

HOBSON M., EFSTATHIOU G., LASENBy A., Relativité générale

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Quantique fondements et applications

avec 250 exercices et problèmes résolus

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© De Boeck Supérieur s.a., 2013 Rue des Minimes, 39 B-1000 Bruxelles Pour la traduction et l’adaptation française

Tous droits réservés pour tous pays. Il est interdit, sauf accord préalable et écrit de l’éditeur, de reproduire (notamment par photocopie) partiellement ou

totalement le présent ouvrage, de le stocker dans une banque de données ou de le communiquer au public, sous quelque forme et de quelque manière que ce soit.

Imprimé en Belgique

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

Pour toute information sur notre fonds et les nouveautés dans votre domaine de spécialisation, consultez notre site web: www.deboeck.com

Illustration de couvertureL’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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Table des matières

Table des matières v

Avant-Propos xi

Notations et symboles xivConstantes fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xivNotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvAlphabet grec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviiMultiples 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? 3Les fondements de la physique classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4La constante de Planck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Les quatre interactions fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Les concepts de la quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Les fondements de la quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Les applications de la quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Les différentes synthèses en physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

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

3 Quantification de l’énergie des atomes 69Spectre de raies de l’atome d’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Interprétation historique de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Atomes 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 91Hypothèse 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 127Équation 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 165Mise 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 195Approches 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 225Oscillateur 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 249Systèmes à variables séparables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250Prise en compte des symétries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251Système 0 D et boîte quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255Système 1D et fil quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258Système 2 D et puits quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265Systèmes 3 D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271Réflexion et transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

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

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

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

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

14 Atomes, noyaux et agrégats 433Système à champ central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434Atome d’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435Atomes à plusieurs électrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447Spectrométrie 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 483Processus 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 515Évolution 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 563Évolution 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 597Intrication 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 645Interféromètre 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 703La relativité restreinte en quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703Équation de Schrödinger-Klein-Gordon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707Théorie de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713Théorie quantique des champs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726

Annexes 745

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

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

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

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

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

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

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x Table des matières

Énergie potentielle continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835Rampe d’énergie potentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848Atomes 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 toutsimplement pour nulles et non avenues les phases antérieures, mais qu’elle se borne à délimiter le domainede leurs applications, en les intégrant comme des cas particuliers aux systèmes plus vastes qu’elle est entrain 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 etles applications de la physique quantique.

Dans la leçon introductive, intitulée « Qu’est-ce que la quantique ? », on rappelle la nature desconstantes physiques fondamentales, les ordres de grandeur décisifs et les caractéristiques essentiellesdes quatre interactions fondamentales. On présente ensuite brièvement les autres leçons, sans omettreles aspects historiques et épistémologiques qui ont préoccupé les physiciens depuis la naissance de cettethéorie, en 1900, jusqu’à aujourd’hui où elle est omniprésente. On souligne les nombreuses implicationsde 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 rap-port au formalisme mathématique, lequel n’est introduit que progressivement, en évitant soigneusementtoute présentation axiomatique ou dogmatique. Ainsi, à partir de la leçon 5, l’équation de Schrödingerest présentée comme l’a fait Schrödinger lui-même, ce qui permet de traiter rapidement, dans le cassimple d’un seul objet physique se déplaçant selon une direction, des phénomènes aussi importants quela diffusion, la quantification de l’énergie par confinement, les franges d’interférence que cet objet peutfaire 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 laformation des liaisons chimiques. Pour traiter efficacement ces problèmes unidimensionnels, dans des casconcrets où le milieu est constitué de couches successives, on adopte une méthode matricielle, fondée surune matrice de transfert, analogue à celle bien connue que l’on introduit en optique (des rayons lumineuxet des lasers) ou en électronique.

Une attention particulière est apportée, dès les premières pages, à l’exposé des principales avancéesthéoriques et expérimentales, notamment toutes celles qui ont justifié l’attribution d’un prix Nobel dephysique (PNP) ou de chimie (PNC). Cependant, nous avons tenu à accompagner toutes ces avancéesd’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, lesatomes, les molécules, · · · comme des « objets physiques » dont la réalité complexe laisse apparaître, selonles 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 partielled’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 annihilationdans un oscillateur harmonique unidimensionnel, on aborde les propriétés physiques des systèmes àplusieurs 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 etl’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 cassimple 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 dedomaines, de l’inversion d’une molécule comme celle d’ammoniac aux oscillations de neutrinos ou depaires 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 réduisentsouvent l’histoire de la quantique à celle de la physique atomique. Ainsi examine-t-on soigneusement laspectrométrie 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 permetune première approche phénoménologique du spin. Le lecteur peut alors étudier les états liés de systèmesà symétrie sphérique, mais aussi les atomes, les noyaux ou les agrégats, avec la panoplie des spectrométriesqui 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’approcheconcrète 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 deuxétats, 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 fonctiond’onde, chat de Schrödinger, argument EPR, etc.) qui ont jalonné l’histoire de la quantique et suscitédes débats épistémologiques célèbres entre ses fondateurs. On montre comment, au cours des dernièresdécennies, la réalisation d’anciennes expériences de pensée a permis de lever ces paradoxes, ouvrant enmême 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, parexemple, l’émission lumineuse de certains corps ou la valeur de la masse stellaire de Chandrasekharen astrophysique. La synthèse proposée par Dirac fait émerger naturellement le spin par l’introductiond’un nouvel hamiltonien et d’en souligner sa véritable nature liée, non à la relativité, mais à la dépendancelinéaire de cet hamiltonien avec l’espace. Ajoutons que l’équation de Dirac a trouvé un débouché inattendudans l’étude des propriétés électroniques du graphène. Enfin, quelques considérations sur les théoriesquantiques des champs, notamment l’électrodynamique quantique, et sur l’approche diagrammatique deFeynman, concluent l’ouvrage.

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

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Enfin, dans le contexte d’un contrôle personnel des acquis, on a rassemblé tous les complémentsmathématiques nécessaires. Le dernier de ces compléments est centré sur la simulation numérique donton sait qu’elle joue un rôle de plus en plus grand dans l’activité scientifique et pédagogique ; on y présentenotamment 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 milieuextérieur 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 aune 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 valeurssont 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 2πlP = (~G/c3)1/2 = 1,616 199(97) × 10−35 m Longueur de PlanckτP = (~G/c5)1/2 = 5,391 06(32) × 10−44 s Durée de PlanckmP = (~c/G)1/2 = 2,176 51(13) × 10−8 kg Masse de PlanckR = 8,314 462 1(75) J.mol−1.K−1 Constante des gaz parfaitsNA = 6,022 141 29(27) × 1023 mol−1 Nombre d’AvogadrokB = R/NA = 1,380 650 4(24) × 10−23 J.K−1 Constante de BoltzmannF = NAe = 96 485,339 9(24) C.mol−1 Constante de Faradaye = 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’électronme = 0,910 938 291(40) × 10−30 kg Masse de l’électronmec2 = 0,510 998 928(11) MeV ≈ 0,511 MeVmp = 1,672 621 777(74) × 10−27 kg Masse du protonmpc2 = 938,272 046(21) MeVmp/me = 1 836,152 672 45(75) Rapport de la masse du proton et de la masse

de l’électronmn = 1,674 927 351(74) × 10−27 kg Masse du neutronmnc2 = 939,565 379(21) MeV

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Notations xv

ε0 = 8,854 187 817... × 10−12 F.m−1 Permittivité du vide (valeur exacte)q2

e = e2/(4πε0) ≈ 230,707 × 10−30 SIre = q2

e/(mec2) Rayon classique de l’électron= 2,817 940 326 7(27) × 10−15 m

αe = q2e/(~c) ≈ 7,297 352 569 8(24) × 10−3 Constante de structure fine

α−1e = 137,035 999 074(44) ≈ 137 Inverse de la constante de structure fine

aB = ~2/(meq2e ) = ~/(meαc) Rayon de Bohr

= 0,529 177 210 92(17) × 10−10 m ≈ 52,9 pmRy = α2

e mec2/2 = 13,605 692 53(30) eV Constante de RydbergλC = h/(mec) = 2,426 310 238 9(16) × 10−12 m Longueur d’onde de Compton (de l’électron)λC = ~/(mec) = 386,159 268 00(25) × 10−15 m Longueur d’onde de Compton (de l’électron)

divisée par 2πµ0 = 4π × 10−7 N.A−2 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

KJ = 2e/h = 483 597,870(11) × 109 Hz.V−1 Constante de JosephsonG0 = 2e2/h = 7,748 091 734 6(25) × 10−5 S Quantum de conductanceRK = 2/G0 = h/e2 = 25 812,807 443 4(84) Ω Constante de von KlitzingΦ0 = h/(2e) = 2,067 833 758(46) × 10−15 Wb Quantum de flux magnétiqueΓ0 = h/(2me) Quantum de circulation de l’électron= 3,636 947 552 0(24) × 10−4 m2.s−1

1(e)s = 2,002 319 304 361 53(53) Facteur de Landé de l’électron

1(p)s = 5,585 694 713(46) Facteur de Landé du proton

1(n)s = −3,826 085 45(90) Facteur de Landé du neutron

II NOTATIONS

PNP Prix Nobel de physiquePNC Prix Nobel de chimiePNM Prix Nobel de médecineMF Médaille FieldR Référentiel (repère d’espace et de temps)eeex, eeey, eeez Base orthonormée directe de Rrrr Vecteur position d’un point de l’espacex, y, z Coordonnées cartésiennes de rrrρ, φ, z Coordonnées cylindriques de rrrr, θ, φ Coordonnées sphériques de rrr

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xvi Notations et symboles

x Dérivée de x par rapport au tempsx Dérivée seconde de x par rapport au temps∂ f/∂x Dérivée partielle de la fonction f par rapport à la variable xln , lg , lb Logarithmes népérien, décimal, binaireexp Exponentielle≈ Sensiblement égal à∼ De l’ordre degrad ,div , rot Opérateurs différentiels gradient, divergence et rotationnel∆, Opérateurs Laplacien et d’Alembertienvvv, v Vecteur vitesse par rapport au référentiel du laboratoire et sa normeppp, p, Quantité de mouvement et sa normeppp Opérateur quantité de mouvementPPP,P Moment linéaire ou impulsion et sa normePPP = −i~ grad Opérateur moment linéaire ou impulsionL LagrangienS ActionE Énergie totaleH , H = −i~ ∂/∂t Hamiltonien, opérateur hamiltonienEk, Ek Énergie cinétique, opérateur énergie cinétiqueEp, Ep Énergie potentielle, opérateur énergie potentielle111, 1 Champ de pesanteur et sa normeq Charge électriqueZ,A Nombre de charges (de protons) et nombre de masse d’un atomeEEE,BBB Champs électrique et magnétiqueVe,AAA Potentiel électrique, potentiel vecteur4 - A = (Ve/c,AAA) Quadrivecteur potentiel électromagnétiques(t) = sm cos(ωt + ϕs) Signal sinusoïdalsm Amplitude du signal sinusoïdalω, ν = ω/(2π),T = 1/ν Pulsation, fréquence, période du signal sinusoïdalϕ Phase ou différence de phasekkk, k Vecteur d’onde et sa valeurλDB Longueur d’onde de de Broglieγe, γ Facteur relativiste entre deux référentiels galiléens, facteur relativistes, s⋆ Valeur complexe de s, conjugué complexe de s|s| Module de sRes, Ims Parties réelle et imaginaire de sΨ Fonction d’ondeψ Amplitude complexe de la fonction d’onde sinusoïdaleρp Densité de probabilitéP ProbabilitéSSS, SSS Spin, opérateur spinLLL, LLL Moment cinétique orbital, opérateur moment cinétique orbitalJJJ, JJJ Moment cinétique total, opérateur moment cinétique totaln Nombre quantique principalℓ, s, j Nombres quantiques orbital, de spin, totalmℓ,ms,m j Nombres quantiques magnétiques orbital, de spin, totalmmm, mmm Moment magnétique, opérateur moment magnétique

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Alphabet grec xvii

σi (i = 1, 2, 3) Facteurs de Pauliγµ (µ = 0, 1, 2, 3) Facteurs de Cliffordαµ (µ = 0, 1, 2, 3) Facteurs de Diraca, c 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 Yzetta 1021 latin (septem) sept 1991 Zexa 1018 grec (hex) six 1991 Epéta 1015 grec (pente) cinq 1975 Ptéra 1012 grec (teras) monstre 1960 Tgiga 109 grec (gigas) géant 1960 G

méga 106 grec (megas) grand 1960 Mkilo 103 grec (chiloi) mille 1795 kmilli 10−3 latin (mille) mille 1960 mmicro 10−6 grec (mikros) petit 1960 µ

nano 10−9 latin (nanus) nain 1960 npico 10−12 italien (piccolo) petit 1960 p

femto 10−15 danois (femtem) quinze 1964 fatto 10−18 danois (atten) dix-huit 1964 a

zepto 10−21 latin (septem) sept 1991 zyocto 10−24 grec (októ) huit 1991 y

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Les grands noms de la quantique

Alexei AbrikosovPhysicien 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’intéresseensuite aux matériaux, domaine dans lequel ses contributions sont décisives, notamment sur les supra-conducteurs et les superfluides, ce qui lui vaut, en 2003, le prix Nobel qu’il partage avec Vitaly Ginzburget Antony Leggett.

Carl AndersonPhysicien 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 desrecherches sous la direction de son professeur Robert Millikan, tout en y enseignant la physique de 1939 à1975. Il interprète des traces nouvelles sur des clichés de chambre à brouillard par l’existence d’un nouvelobjet physique, le positron ou anti-électron, prédit par Dirac, ce qui lui vaut en 1936 le prix Nobel dephysique qu’il partage avec l’autrichien Victor Hess réfugié aux États-Unis. En étudiant le rayonnementcosmique, il conclut en 1937 à l’existence du muon, 207 fois plus massif que l’électron.

Philip AndersonPhysicien 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 laboratoiresBell où il côtoie Charles Kittel. Ses recherches portent essentiellement sur les propriétés magnétiques desmétaux. 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 propriétésélectroniques des solides amorphes, par le prix Nobel de physique, qu’il partage avec John van Fleck etNevill Mott. Il est aussi connu pour ses prises de position sur l’émergentisme, doctrine selon laquelle iln’existerait pas de hiérarchie dans les lois de la physique et donc aucun réductionnisme possible.

Alain AspectPhysicien 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 estprincipalement connu pour avoir conduit, avec succès, entre 1974 et 1984, une expérience décisive, fondéesur l’inégalité de Bell, qui conforta les fondements de la physique quantique. Il travaille actuellement surle refroidissement des atomes par des faisceaux laser et sur la réalisation de sources cohérentes d’atomesà partir de condensats d’Einstein. Depuis 1991, il est professeur à l’École Polytechnique de Palaiseau.

Pierre AugerPhysicien 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 Parisdirigé 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 effetphotoélectrique interne. Cette émission électronique particulière, découverte un peu plus tôt par LiseMeitner, est désormais connue sous le nom d’effet Auger ; cet effet est de nos jours utilisé à des fins decaractérisation des surfaces. Auger obtient son doctorat en 1926, puis est nommé à la faculté des sciences

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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 BardeenPhysicien 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 lasupraconductivité, ce qui lui valut un premier prix Nobel de physique, en 1956, pour la mise au point dutransistor à germanium, avec W. Brattain et W. Shockley, puis un second, en 1972, qu’il partage avec LeonCooper et John Schrieffer pour la théorie de la supraconductivité, dite désormais B.C.S en hommage auxauteurs.

John BellPhysicien 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 enmathématiques. Il prépare ensuite un doctorat à Birmingham en 1956, dans le domaine de la physiquenucléaire et de la quantique. C’est en Europe au CERN et aux États-Unis à l’Université Stanford (près deSan Francisco) qu’il s’intéresse aux fondements de la quantique, précisément à l’argument EPR, en relationavec les travaux de John Neumann. Il propose alors à la communauté internationale de tester la célèbreinégalité éponyme. Il meurt brutalement d’une hémorragie cérébrale, sans savoir qu’il est nominé pourl’obtention du prix Nobel.

Nicolai BasovPhysicien 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 moléculed’ammoniac, par effet tunnel, ce qui le conduit à la construction d’oscillateurs et d’amplificateurs fondéssur le fonctionnement du maser-laser. Pour ces travaux, il partage le prix Nobel de physique en 1964 avecson directeur de thèse Alexandre Prokhorov et l’américain Charles Townes.

Johannes BednorzPhysico-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 électriquesdes céramiques. Il découvre que certains de ces matériaux ont des propriétés supraconductrices à unetempérature de 35 K , supérieure à celles des supraconducteurs connus, et ouvre ainsi la voie vers lessupraconducteurs « haute température ». En 1987, il est récompensé par le prix Nobel de physique qu’ilpartage avec Müller.

Hans BethePhysicien 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 sousla direction de Sommerfeld, puis devient professeur à l’Université de Munich puis à celle de Tübingen. En1933, après l’arrivée d’Hitler au pouvoir, il est démis de ses fonctions, en raison de ses origines juives. Ils’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 réactionsnucléaires de fusion qui sont à l’origine du rayonnement intense qu’elles émettent. En 1943, il dirige legroupe de physique théorique dans le projet Manhattan chargé de développer les premières bombes parfission nucléaire. Il reste cependant un adversaire du développement des armes nucléaires en s’opposantnotamment au projet américain de guerre des étoiles. Il reçoit en 1967 le prix Nobel de physique pourl’ensemble de ses travaux. À partir de 1975, il s’intéresse à l’astrophysique et publie quelques contributionsremarquables sur les supernovae.

Gerd BinnigPhysicien 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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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 prixNobel de physique qu’il partage avec Ruska.

Félix BlochPhysicien 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 pourles États-Unis en 1933, et contribue à fonder la théorie quantique de la conduction électrique dans lesmétaux, ainsi que la théorie des bandes. Son apport principal concerne le magnétisme nucléaire puisqu’ilinvente, avec Edward Purcell, la spectrométrie par résonance magnétique nucléaire, grâce à laquelle ilmesure le moment magnétique du neutron. En 1952, il est récompensé par le prix Nobel de physique qu’ilpartage avec Purcell.

Nicolaas BloembergenPhysicien 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 magnétiquedans les solides. Nommé professeur associé à Harvard en 1951, il entame des travaux sur le maser, enproposant 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 etKai Siegbhan (fils de Karl).

David BohmPhysicien 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 dirigépar Oppenheimer à Berkeley (près de San Francisco) et passe son doctorat. Pendant la Seconde Guerremondiale, il est sollicité par Oppenheimer pour travailler au projet Manhattan, mais le responsable militairedu projet rejette cette proposition en raison de ses convictions politiques. Après la guerre, il enseigne àl’Université de Princeton (dans le New-Jersey) en même temps qu’Einstein. Victime du maccarthysme, ilest contraint de quitter les États-Unis pour le Brésil, puis Israël et Londres. Son nom est associé à un effetinterférentiel qu’il redécouvre en 1959, mais il est surtout connu pour son opposition à l’interprétationbohrienne de la physique quantique et pour l’introduction d’une onde pilote accompagnant toute particuleen mouvement ; ce point de vue fut aussi celui de de Broglie. En outre, profondément mystique et adepted’un ordre caché, il s’oppose à toute fragmentation de la physique et toute séparation entre science etconscience. Dans ce contexte, il fait jouer un rôle décisif à la conscience humaine dans le processus demesure en quantique.

Aage BohrFils 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. Lestravaux qu’il poursuit concernent essentiellement le modèle unifié des noyaux, lequel réunit les modèlesen couche et en goutte liquide. En 1975, il est récompensé par le le prix Nobel de physique qu’il partageavec ses collègues de travail Ben Mottelson et James Rainwater.

Niels BohrPhysicien 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 pourun travail sur les vibrations d’un jet de liquide. En 1911, il passe un doctorat sur la théorie électroniquedes métaux, et exprime ses premières idées sur la structure atomique. Il obtient alors une bourse pourtravailler à l’Université de Cambridge et y rencontre Ernest Rutherford qu’il rejoint à Manchester. C’esten 1913 qu’il publie une contribution importante sur la structure planétaire de l’atome d’hydrogène : unnoyau central autour duquel l’électron décrit des orbites circulaires ; ces derniers ont la possibilité de passerd’une couche à une autre en émettant un photon. Cette théorie est à la base de la mécanique quantique.

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De retour à Copenhague, il dirige de 1920 à 1945 l’Institut de Physique qui sera le fleuron de la rechercheeuropéenne en quantique ; il y reçoit des physiciens renommés (Heisenberg, Pauli, Dirac) et devient chefde file d’un courant de pensée, l’École de Copenhague. Pour ses recherches sur la structure des atomeset du rayonnement que ces derniers émettent, il reçoit le prix Nobel de physique en 1922. En 1943, leDanemark 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 uneutilisation pacifique de l’énergie nucléaire.

Max BornPhysicien 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, ilsoutint 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, enInde, puis à Édimbourg, avant de retourner en Allemagne en 1953. Sa contribution majeure en quantiqueest l’interprétation probabiliste du carré du module de la fonction d’onde, ce qui lui valut le prix Nobelde physique en 1954. Il est à l’origine de deux méthodes d’approximation : l’une, avec Oppenheimer, pourcalculer les états d’énergie d’une molécule et d’un cristal, l’autre pour déterminer les sections efficaces dediffusion des objets physiques.

William Lawurence BraggPhysicien 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 pèreWilliams Henry Bragg. Il interprète les clichés de diffraction des rayons X par les cristaux, comme uneréflexion de ce rayonnement par certains plans réticulaires du cristal, selon la « relation de Bragg ». Ildétermine alors, avec son père, les caractéristiques des cristaux, par diffraction de rayons X ; ces travauxfurent récompensés par le prix Nobel de physique en 1915, attribué aux Bragg, père et fils. En 1937, aprèsla mort de Rutherford, il succède à ce dernier à la direction du Laboratoire Cavendish de Cambridge.

Walter BrattainPhysicien 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 travailexpérimental. C’est là qu’il rejoint l’équipe de William Shockley, où se trouve le théorien John Bardeen, etqu’il montre des qualités exceptionnelles d’expérimentateur. Cette collaboration à trois aboutit, en 1948, àl’invention du transistor, ce qui leur vaut le prix Nobel en 1956.

Mario BungePhysicien 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 àl’Université Nationale de La Plata (UNLP), à Bueno-Aires. Il devient alors professeur de physique théoriqueet 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 etmétaphysique. Son œuvre majeure est un traité de philosophie en huit volumes, dans lequel il développeune pensée essentiellement scientifique, de nature à la fois réaliste et matérialiste. En quantique, il proposede 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 conceptsclassiques d’onde et de corpuscule. Selon lui, la quantique illustre parfaitement la thèse selon laquelle lascience ne peut éviter d’être imbibée de philosophie.

Subrahmanyan ChandrasekharAstrophysicien 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 analysantle 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’établitalors définitivement à Chicago en 1936 où il contribue, de façon exceptionnelle, à la compréhension de lastructure 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 Nobelde physique en 1983, en même temps que Fowler, son professeur à Cambridge, pour l’ensemble de leurstravaux dans le domaine de l’astrophysique stellaire.

Steven ChuPhysicien 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 untravail sur le refroidissement des atomes par laser. Les résultats qu’il obtient sont récompensés en 1997 parle prix Nobel qu’il partage avec Cohen-Tannoudji et Philipps. Depuis janvier 2009, il est Secrétaire d’Étatà l’énergie de l’administration du Président Barack Obama.

Claude Cohen-TannoudjiPhysicien 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 interactionsentre les atomes et la lumière. Il devient professeur au Collège de France en 1973. On lui doit le conceptd’atome habillé de lumière ainsi que les méthodes de refroidissement des atomes avec la lumière. Sestravaux théoriques et expérimentaux sur les très basses températures jusqu’au nanokelvin lui valent leprix Nobel de physique en 1997, qu’il partage avec Chu et Philipps. L’obtention des basses températures aune 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 ComptonPhysicien 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 laréflexion totale de ce rayonnement. En 1922, il découvre l’effet éponyme, c’est-à-dire le changement defréquence d’un rayonnement X qui interagit avec un électron libre. En interprétant cet effet comme unecollision entre un photon, doté d’une quantité de mouvement et d’une énergie, et un électron libre dumatériau cible, il conforte les hypothèses d’Einstein sur la nature corpusculaire du rayonnement. Cettecontribution, publiée en 1923, lui vaut le prix Nobel en 1927.

Leon CooperPhysicien 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 estnommé professeur à l’Université Providence de Rhode Island. Il est surtout connu pour sa contribution àla supraconductivité qu’il interprète en imaginant l’association d’électrons formant des paires, appeléesdepuis paires de Cooper, ce qui lui vaut de recevoir en 1972 le prix Nobel de physique qu’il partage avecBardeen et Schieffer. En 1973, il s’intéresse aux sciences neurologiques, précisément à la compréhensiondu fonctionnement du cerveau, en créant un centre d’études neurologiques.

Eric CornellPhysicien 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 Instituteof Technology dans la banlieue de Boston) en 1990. Avec Carl Wieman, il réussit à créer un condensatd’Einstein dans des gaz dilués d’atomes alcalins, et à mener les premières études fondamentales sur detels systèmes, ce qui leur vaut en 2001 le prix Nobel de physique, qu’ils partagent avec Ketterle. En octobre2004, on doit l’amputer de son bras et de son épaule gauches, afin d’enrayer l’extension d’une maladienécrosante, mais il recommence à travailler à temps partiel dès 2005. Depuis 2010, il enseigne à l’Universitédu Colorado.

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Les grands noms de la quantique xxiii

Clinton DavissonPhysicien 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 thermiqued’ions alcalins, sous la direction de Robert Richardson, ce qui lui permet d’être nommé professeur àl’Institut de Technologie près de Pittsburg. Il est recruté dans le mileu industriel pour poursuivre sesrecherches dans le domaine de l’émission secondaire d’électrons par des grilles métalliques. Il met alors enévidence la diffusion élastique d’électrons à grand angle, ce qui lui donne l’idée d’utiliser cette techniquepour étudier les édifices atomiques. C’est en reprenant le travail de Lester Germer qu’il trouve par hasardla diffusion des électrons, par les cristaux, dans certaines directions privilégiées. Aussi teste-t-il rapidementla validité de l’hypothèse de Louis de Broglie sur le comportement ondulatoire des électrons. Ces travauxlui valent en 1937 le prix Nobel de physique, qu’il partage avec George Thomson. Actuellement, l’étudedes cristaux par diffraction des électrons est devenue une technique courante en microscopie électronique.

Louis de BrogliePhysicien 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 « Recherchessur 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 Germerà l’aide d’une expérience sur la diffraction des électrons. Louis de Broglie reçoit le prix Nobel en 1929. Ilpoursuit ses recherches sur la signification de la fonction d’onde et n’accepta pas l’interprétation de l’Écolede Copenhague.

Petrus Josephus Wilhelmus DebyePhysicien 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 PaulScherrer, la théorie de la conduction des électrolytes avec Erich Hückel, la prise en compte de l’effetd’écran des électrons, la détermination des masses molaires des polymères à partir de la diffusion de lalumière, l’utilisation de la désaimantation adiabatique pour produire des basses températures, la théoriedes capacités thermiques des solides, précisément l’effondrement de ces grandeurs avec la température, etla mesure de la distance entre les atomes dans les molécules à l’aide de leur moment dipolaire. Pour tousces travaux, il reçoit le prix Nobel de chimie en 1936. Fait remarquable, professeur à Berlin, il refuse en1939 la nationalité allemande, ce qui provoque son expulsion par les nazis. Il émigre alors aux États Uniset intègre l’Université Cornell.

Hans DehmeltPhysicien 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 àGöttingen pour achever ses études universitaires. Il prépare ensuite une thèse sur la résonance nucléairequadrupolaire, puis effectue un post-doctorat aux États-Unis où il s’installe définitivement en 1952. Devenuprofesseur à l’Université de Washington, il réalise en 1973 les conditions d’une mesure très précise dumoment 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 prixNobel de physique, qu’il partage avec Norman Ramsey et Wolfgang Paul.

Bernard d’EspagnatPhysicien 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 nationalde la recherche scientifique), ce qui lui permet de se rendre à Chicago pour travailler avec Enrico Fermien 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 sciencesde 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, notammenten 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 réalismenon local voilé. Professeur émérite depuis 1987, il reçoit en 2009 le prix Templeton, pour son travail dephysicien 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’ingénieurélectricien, il se tourne vers les mathématiques puis la quantique. Grâce à des qualités exceptionnelles enmathématiques, il imagine un formalisme permettant de concilier l’approche ondulatoire de Schrödinger etla démarche matricielle d’Heisenberg, ce qui lui vaut d’obtenir en 1932 la célèbre chaire qu’occupa Newtonà 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 dessolutions 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 prixNobel 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 entredans la Grande École Technique de Vienne, où il suit le cours de Boltzmann sur la théorie cinétique desgaz. En 1901, il suit à Göttingen les cours de Klein et Hilbert en mathématiques, ainsi que ceux de Starket Schwarzschild en physique. Il soutient sa thèse, à Vienne en 1904, sur le mouvement des corps rigidesdans les fluides, sous la direction de Boltzmann. Il succède à Lorentz à la chaire de physique théorique del’Université de Leyde. En 1911, il écrit, avec sa femme, la mathématicienne russe Tatiana Afanassieva, unarticle remarqué sur les fondements de la mécanique statistique. Souffrant d’une forte dépression, il tueson fils Wassik atteint du syndrome de Down, avant que ce dernier ne soit victime de l’eugénisme nazi, etse suicide en 1933.

Albert Einstein

Physicien allemand, naturalisé suisse puis américain, né à Ulm (Allemagne) en 1879 et mort à Princetonen 1955. Il est considéré, avec Newton, comme le plus grand physicien de tous les temps. Cependant, sesqualités exceptionnelles ne sont remarquées ni au collège ni à l’université. En physique, ses contributionssont notamment l’interprétation de l’effet photoélectrique en 1905, pour laquelle il reçoit le prix Nobel en1921, 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 surtoutconnu pour la théorie de la relativité restreinte (RR), qu’il généralise en 1916, en prenant en compte lagravitation sous la forme de la courbure de la l’espace-temps plat de la RR. Son influence en cosmologie estconsidérable. Soucieux des fondements épistémologiques de la quantique, il adopte une attitude réalistestricte en refusant l’interprétation donnée par l’École de Copenhague. Afin de montrer l’incomplétude decette dernière, il élabore en 1935, avec ses collègues Podolski et Rosen, un raisonnement connu depuissous le nom d’argument EPR (initiales des trois auteurs). Les faits lui donneront tort, comme le montreraAlain 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 développealors la nouvelle diode à effet tunnel ou diode Esaki ; cette dernière présente une résistance négativesur une partie de sa caractéristique tension-courant, ce qui est précieux dans l’entretien des oscillationsélectriques. Ses travaux expérimentaux sur l’effet tunnel, prévu depuis 1930 par la quantique, lui valentd’être récompensé par le prix Nobel de physique en 1973.

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Les grands noms de la quantique xxv

Enrico FermiPhysicien 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 livresplutôt que suivre les cours de ses professeurs. En 1922, il soutient sa thèse sur la réfraction des rayonsX. Après une période post-doctorale en Allemagne et aux Pays-Bas, il obtient un poste de professeur àFlorence puis à Rome en 1926. Un an plus tard, il élabore la statistique à laquelle satisfait une premièrefamille 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, réacteurnucléaire à neutrons, Projet Manhattan. Aussi est-il considéré comme l’initiateur du développement del’énergie nucléaire. Il fut un physicien efficace à la fois sur les plans théorique et expérimental, notammentdans l’estimation des ordres de grandeur. Enfin, ses cours étaient très appréciés par ses étudiants en raisonde leur grande clarté.

Albert FertPhysicien 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. AlbertFert effectue des études secondaires brillantes en Midi-Pyrénées, puis intègre l’École Normale Supérieurede Paris. À sa sortie, il est recruté comme assistant à l’Université de Grenoble, puis prépare une thèse surles propriétés électriques du nickel et du fer qu’il soutient à l’Université d’Orsay. Devenu professeur dephysique, spécialiste de la matière condensée, il découvre l’effet de magnétorésistance géante qui le conduità développer une nouvelle branche de la physique, la spintronique. Les nombreuses applications de laspintronique lui valent, en 2007, le prix Nobel de physique qu’il partage avec l’allemand Peter Grünberg.

Richard FeynmanPhysicien 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 physiqueque par son charisme. Après sa thèse sur le rayonnement électromagnétique, il est recruté pour dirigerle groupe de calcul, ce qui le conduit à côtoyer les grands physiciens réunis à Los Alamos dans le projetManhattan en 1944. Il est ensuite nommé professeur à l’Université Cornell (Ithaca), puis à Pasadena enCalifornie, 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 lagrangiend’un système et le principe de moindre action. Il propose alors une méthode diagrammatique permettantde 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 Schwingeret 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 retrouveces deux qualités, rarement réunies, dans ses célèbres cours de physique destinés aux étudiants et sesouvrages de vulgarisation.

Val FitchPhysicien 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 atomesmuoniques. Nommé professeur à l’Université de Princeton, il s’intéresse aux mésons neutres qui nerespectent pas les propriétés de symétrie habituelles des particules. Ce travail lui vaut en 1980 le prixNobel de physique qu’il partage avec James Cronin.

James FranckPhysicien 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 parla célèbre expérience, qu’il réalise en 1914 avec son collaborateur Gustav Hertz, dans laquelle il met enévidence 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 sentvisé par la loi de 1933 excluant les juifs de la fonction publique, bien qu’il soit considéré par le régime nazicomme une exception juive. Il décide alors de quitter l’Allemagne et de poursuivre ses recherches auxÉtats-Unis.

George Gamow

Physicien et astrophysicien américain d’origine russe, né à Odessa en 1904 et mort à Boulder dansle Colorado en 1968. Après des études à Leningrad, à Copenhague avec Bohr et à Cambridge avecErnest Rutherford, il obtient une charge d’enseignement en URSS. En 1928, il interprète, par la physiquequantique, précisément l’effet tunnel, la radioactivité α . Il montre notamment qu’il est possible qu’unproton-projectile puisse pénétrer dans un noyau et en modifie la constitution, ce qui est à la base de latransmutation nucléaire, réalisée pour la première fois par John Cockroft et Ernest Walton. En récompensantces derniers en 1951, le jury Nobel oublie de l’inclure dans le prix. En 1939, il s’installe aux États-Unis etprend la nationalité américaine. Il est le premier en 1948 à prévoir, avec deux collaborateurs, Alpher etHermann, 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 Columbiapuis à celle de Yale, il présente son travail de thèse au MIT. Il enseigne alors à Chicago puis à Pasadena enCalifornie. 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 indépendammentpar le théoricien japonais Kazuhiko Nishijima. En 1961, Gell-Mann propose une nouvelle classificationdes particules fondée sur l’existence de quarks, constituants élémentaires des nucléons. Cette classificationprévoit une nouvelle particule Ω− qui est finalement découverte en 1963. Ce succès lui vaut le prix Nobelde physique en 1969.

Andre Geim

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

Ivar Giaever

Physicien norvégien né à Bergen (Norvège) en 1929. Après des études d’ingénieur, il est employé parla compagnie américaine General Electric, d’abord au Canada en 1954, puis aux États-Unis où il passeune thèse de doctorat en 1964. Travaillant sur l’effet tunnel, il étudie précisément cet effet dans la jonctionmétal-supraconducteur. Les propriétés qu’il découvre lui valent en 1973 le prix Nobel de physique qu’ilpartage 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 passéen 1942 à l’Université de Moscou, Ginzburg travaille à l’Institut de physique de Moscou, où il développeen 1958, avec Landau, une théorie phénoménologique de la supraconductivité. Après des études sur lapropagation des ondes électromagnétiques dans les plasmas, il travaille dans les années 1950 sur la bombeà hydrogène soviétique, en y jouant un rôle majeur, au point d’être considéré comme l’un des pères decette arme. Il est récompensé par le prix Nobel de physique en 2003, en même temps que l’anglais AntonnyLeggett, pour ses contributions à la théorie des supraconducteurs et des superfluides.

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Sheldon GlashowPhysicien 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. Diploméde 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 del’interaction électromagnétique. Elle lui vaut en 1979 le prix Nobel qu’il partage avec Abdus Salam etSteven Weinberg.

Roy GlauberPhysicien 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 lamasse 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’électrodynamiquequantique, la cohérence des atomes dans l’état de condensation d’Einstein, la réalisation de sources quiémettent des photons séparés. C’est lui qui développe le concept d’état cohérent, appelé depuis état deGlauber, 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 laisseà ses étudiants de Harvard le souvenir d’un extraordinaire professeur de physique.

Maria Goeppert-MayerPhysicienne 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 àla philosophie. Admise à l’Université de Göttingen en 1924, elle compte parmi ses professeurs Max Born etJames 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 de1946 une activité de chercheuse à Chicago au cours de laquelle elle développe un modèle mathématiquede la structure en couche des noyaux atomiques, expliquant leur stabilité. Ce travail lui vaut, en 1963, leprix Nobel de physique qu’elle partage avec Hans Jensen et Eugène Wigner. En 2012, elle est, après MarieCurie, la deuxième femme titulaire d’un prix Nobel de physique.

Peter GrünbergPhysicien 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’UniversitéJohann Wolfgang Goethe de Francfort-sur-le-Main et à l’Université de technologie de Darmstadt, il obtientsa thèse de doctorat en 1969. Il passe ensuite trois ans à l’Université Carleton d’Ottawa, puis à partir de1972, il est habilité à mener des recherches à Cologne ; il découvre en 1988 l’effet de magnétorésistancegéante. Il enseigne alors à l’Université et devient professeur en 1992. Pour la découverte de cet effet, et ledéveloppement de la spintronique, il reçoit en 2007 le prix Nobel de physique qu’il partage avec AlbertFert.

Edwin Herbert HallPhysicien 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 sonnom 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 HamiltonMathématicien 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 unexposé moderne sur la théorie des rayons lumineux. Ce travail est le point de départ d’une contributioncapitale 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 brillantesà l’École Normale Supérieure de Paris, dont il sort en 1967 avec l’agrégation de physique et un doctoratde 3ème cycle, puis passe sa thèse d’État sous la direction de Cohen-Tannoudji. Au retour d’un séjourpost-doctoral à Stanford supervisé par Schawlow, il est nommé professeur à l’Université Pierre et MarieCurie de Paris en 1975. Depuis 2001, il exerce des fonctions de professeur au Collège de France. Commespécialiste des interactions matière-rayonnement à l’échelle ultime, avec un seul atome ou un seul photonen 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 desétats de photons simulant ceux d’un « chat de Schrödinger ». Ses contributions ont notamment ouvert desperspectives nouvelles pour le traitement quantique de l’information, et sont récompensées en 2012 par leprix Nobel qu’il partage avec Wineland.

Werner Heisenberg

Physicien allemand né à Würsburg en 1901 et mort à Munich en 1976. Après des études secondaireset supérieures brillantes, il passe sa thèse rapidement sous la direction de Sommerfeld. Il devient alorsassistant de Born et publie dès 1925 un article sur le formalisme matriciel de la physique quantique, forma-lisme 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 probablementl’un des meilleurs représentants du réalisme mathématique en physique. Sa contribution en quantique luivaut 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-Wilhelmà Dahlem et enseigne à l’Université Humboldt de Berlin, tout en étant impliqué dans le développementdes armes secrètes allemandes. Il révèle l’existence du programme à Niels Bohr lors d’une conférence àCopenhague en septembre 1941. À cette occasion, il n’exprime aucun scrupule moral concernant le projetallemand de bombe nucléaire.

Gustav Hertz

Physicien allemand né à Hambourg en 1887 et mort à Berlin en 1975. Il est le neveu de HeinrichHertz, connu pour son travail sur les ondes électromagnétiques. Il obtient en 1911 son doctorat à Berlinsous la direction de Heinrich Rubens. Devenu assistant de Rubens, il réalise avec James Franck de célèbresexpériences de collisions inélastiques d’électrons dans les gaz, ce qui lui vaut en 1925 le prix Nobelde physique qu’il partage avec Franck. Il obtient alors la chaire de professeur titulaire et directeur del’Institut de Physique de l’Université de Halle-Wittenberg. En 1928, nommé professeur titulaire de physiqueexpérimentale 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 avecFrank pour l’Union Soviétique où il poursuit des études dans le domaine de la séparation isotopiqueet de l’enrichissement de l’uranium. Il retourne en RDA en 1955, et devient professeur de physique del’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 sondoctorat en 1932 sous la direction de Wilhem Lenz, puis son habilitation. Il est alors contacté par le directeurdu 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 isotopesde l’uranium et sur les applications des réactions nucléaires en chaîne. En 1941, il devient professeur dephysique théorique à l’Université d’Hanovre, puis à Hambourg. Ses travaux sur la structure en couches desnoyaux atomiques lui valent en 1963 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Maria Goeppert-Mayeret Wigner.

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Pascual JordanPhysicien 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 devientl’assistant de Max Born. En 1925, avec Born et Heisenberg, il développe la première formulation de lamécanique matricielle, et introduit la relation de commutation canonique des composantes du momentcinétique. Il propose en outre de quantifier le champ électromagnétique, ouvrant ainsi la voie à la théoriequantique des champs. En 1939, il adhère au parti nazi et tente d’intéresser son parti à la réalisation d’armesperfectionnées. Il réintègre son poste de professeur à Göttingen en 1953.

Brian JosephsonPhysicien 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 unecouche d’un matériau isolant ou métallique. Il prédit, à partir de la théorie BCS des paires de Cooper, lesdeux effets qui se produisent lorsque cette couche est suffisamment mince, l’effet Josephson stationnaireet l’effet Josephson alternatif. Ces travaux théoriques lui valent, en 1973, le prix Nobel de physique qu’ilpartage avec Esaki et Giaever. Depuis, Josephson s’intéresse essentiellement à la télépathie et aux effetsparanormaux ; en 2011, il devient le directeur du « Mind-Matter Unification Project » (Projet d’unificationde la matière et de l’esprit) dans le groupe de théorie de la matière condensée au Laboratoire Cavendishde Cambridge.

Alfred KastlerPhysicien 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 Supérieurede Paris en 1921. Après l’agrégation, il enseigne dans plusieurs grands lycées, notamment en classespréparatoires. Recruté assistant à l’Université de Bordeaux, il effectue des travaux de recherche sur lapolarisation de la lumière et passe sa thèse en 1936. Il devient alors maître de conférence à Bordeaux puisà Clermont-Ferrand. En 1941, il rejoint le laboratoire de l’Ecole Normale pour travailler sur l’effet Ramanpuis sur la spectroscopie optique atomique en interaction avec les ondes hertziennes. Avec Jean Brossel, ilinvente le pompage optique, ce qui permet de créer une inversion de population dans un milieu et ainsiréaliser un laser. Ses travaux en optique sont récompensés en 1966 par le prix Nobel de physique.

Piotr KapitzaPhysicien 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 de1923 à 1934 où il collabore avec Ernest Rutherford. Là, il s’intéresse à l’obtention des basses températuresdans de forts champs magnétiques. De retour en Union soviétique, il est astreint à y demeurer, en étantnommé dès 1935 au poste de directeur de l’institut de physique de l’Académie des sciences de Russie. En1939, il obtient la libération de Landau des prisons de Moscou, mais il est démis de ses fonctions en 1946en raison de son refus de travailler sur l’arme nucléaire russe. Il reprend son poste en 1955, deux ans aprèsla mort de Staline. Pour ses inventions et découvertes fondamentales dans le domaine de la physique àbasse température, il reçoit en 1978 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Arno Penzias et RobertWilson. Kapitza laisse le souvenir d’un scientifique courageux capable, au péril de sa vie, de défendre desscientifiques russes (Landau, Fock, etc.) et de prendre position sur divers sujets sensibles.

Wolfgang KetterlePhysicien 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 deDavid Pritchard au MIT où il obtient un poste de professeur de physique. Ses activités de recherches sontcentrées sur le refroidissement par laser et le piègeage des atomes froids. Il découvre la superfluidité dansles gaz à une température moins basse que celles qui permettent habituellement de mettre en évidencela superfluidité. Au début des années 2000, il parvient à rendre superfluide un gaz ultrafroid d’atomesde 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, sansmettre en cause la règle d’exclusion de Pauli des fermions. Ces activités lui valent en 2001 le prix Nobelde physique qu’il partage avec Cornell et Wieman. Depuis 2010, il enseigne au MIT.

Oskar KleinPhysicien 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 del’équation connue aujourd’hui sous le nom d’équation de Klein-Gordon, laquelle est à la base d’unethéorie quantique relativiste pour les objets sans spin. En outre, son nom est associé au franchissementd’une marche d’énergie potentielle par un objet physique relativiste, avec des facteurs de transmission etde 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 KlitzingPhysicien 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 àl’Université technique de Brunswick. Il travaille ensuite à l’Université de Wurtzbourg, où il passe en 1972un 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 magnétiquesintenses. 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 parles questions relevant de l’enseignement de la physique à tous les niveaux.

Herbert KroemerPhysicien 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 unecarrière de chercheur dans le domaine de la physique des semi-conducteurs, en proposant d’incorporer deshétérojonctions, notamment dans la réalisation de lasers à semi-conducteurs. De 1968 à 1976, il enseignele génie électrique aux États-Unis, à l’Université du Colorado, puis il rejoint l’Université de Californie deSanta Barbara (près de San Francisco), en concentrant son programme de recherche sur la réalisation denouveaux matériaux grâce à l’épitaxie par jets moléculaires. En 2000, il reçoit, pour des travaux de basedans les technologies de l’information et des communications, pour le développement d’hétérostructuressemi-conductrices pour l’électronique rapide et l’opto-électronique, le prix Nobel qu’il partage avec JoresAlferov et Jack Kilby. Ses livres d’enseignement, « Thermal physics » écrit avec Charles Kittel et « QuantumMechanics », sont très appréciés.

Willis LambPhysicien 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 desneutrons avec la matière. Dans les années 1947, avec son étudiant Robert Retherford, il s’intéresse à lastructure fine du spectre de l’atome d’hydrogène; il met alors en évidence un déplacement des raies spec-trales, appelé désormais le décalage de Lamb (Lamb shift) ; ce décalage, prévu par la théorie quantique deschamps, est dû à l’interaction de l’électron avec les fluctuations du champ électromagnétique du vide. En1955, il est récompensé par le prix Nobel de physique qu’il partage avec Polycarp Kusch. Il poursuit alorsson activité dans le domaine quantique, précisément les interactions quadripolaires dans les molécules.

Lev LandauPhysicien 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 salicence deux ans plus tard à l’Université de Leningrad. En 1927, il passe sa thèse sur la théorie quantiquedu 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, ilanime, 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 considérabledans des domaines divers de la physique moderne (supraconductivité, phonons, théorie quantique deschamps, plasma, etc.). Il reçoit en 1962 le prix Nobel de physique pour ses théories pionnières à propos del’état condensé de la matière, particulièrement l’hélium liquide. Malheureusement, il est victime la mêmeannée d’un tragique accident de voiture qui l’handicape jusqu’à sa mort en 1968. Il est célèbre pour être àl’origine du traité de physique théorique le plus complet et le plus moderne jamais écrit depuis les années1960.

Robert LaughlinPhysicien 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 Hallfractionnaire à partir de fonctions d’onde à N corps, ce qui lui vaut en 1998 le prix Nobel de physiquequ’il partage avec deux autres physiciens américains Horst Störmer et Daniel Tsui. Il est connu aussi pourdouter de l’existence des trous noirs, de notre capacité à modifier notre futur climatique, et surtout pourpromouvoir l’émergentisme, doctrine selon laquelle il n’existerait aucune hiérarchie dans les lois de laphysique (cf. P. Anderson).

Anthony LeggettPhysicien 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 del’Illinois à Urbana-Champaign (UIUC). De retour en Angleterre, il enseigne à l’Université de Sussex de 1967à 1982, puis accepte un poste de professeur à l’UIUC aux États-Unis où il s’installe. Il reçoit le prix Nobelde physique en 2003, avec Vitaly Ginzburg et Alekseï Abrikossov, pour ses travaux théoriques en physiquedes basses températures, précisément ses contributions pionnières à la théorie des supraconducteurs et dessuperfluides. Ses recherches récentes portent sur la supraconductivité d’oxydes de cuivre, la superfluiditédes gaz atomiques dégénérés et des questions conceptuelles dans les fondements de la quantique.

Jean-Marc Lévy-LeblondPhysicien 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 quele spin n’a pas d’origine relativiste, en le faisant surgir d’un hamiltonien linéaire et de la transformationde Galilée, contrairement à ce que peut laisser supposer une lecture trop rapide de la célèbre publicationde Dirac de 1928. Successivement chargé de recherche au CNRS, maître de conférences à l’Université deNice, professeur à l’Université Diderot à Paris, il s’installe à Nice où il enseigne dans les départements dephysique 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 interprétationest significative.

Robert MillikanPhysicien 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, reprenddes études supérieures à Berlin avec Planck, puis à l’Université Columbia de New-York où il passe sa thèseen 1885. L’année suivante, il est nommé professeur de physique à l’Université de Chicago. Ses travauxprécis sur la détermination de la charge de l’électron par la technique de la goutte d’huile, et sur l’effetphotoélectrique (détermination de la constante de Planck) lui valent, en 1923, le prix Nobel de physique.

John NeumannPhysicien 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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en grec ancien et faire mentalement la division d’un nombre à huit chiffres. C’est âgé d’à peine 23 ans qu’ilobtient son doctorat en mathématiques à l’Université de Budapest. En parallèle, il obtient un diplôme engénie chimique de l’École Polytechnique Fédérale de Zurich ; Neumann fut le major de promotion dans lesdeux 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 del’Institute for Advanced Study, qui vient d’être créée à Princeton, et y rejoint Einstein et Gödel. Naturaliséaméricain 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 NovoselovPhysicien 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’Universitéde Manchester. En 2010, à seulement 36 ans, il reçoit avec Geim le prix Nobel de physique pour sesexpériences sur les matériaux bidimensionnels tels que le graphène.

Robert OppenheimerPhysicien 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 àl’Université de Göttingen sous la direction de Born, alors qu’il n’a que 22 ans. Il retourne à Harvard puisdevient professeur à Berkeley. Intéressé par l’astrophysique, il prévoit l’évolution d’une étoile massive enétoile à neutrons puis en trou noir, par effondrement gravitationnel. En quantique, il interprète l’émissionde champ par effet tunnel et facilite la détermination des niveaux d’énergie grâce à l’approximation ditede Born-Oppenheimer. En 1943, il est choisi comme directeur scientifique du projet Manhattan, chargé dela réalisation de la bombe à fission américaine, malgré ses opinions politiques. Àprès la guerre, il considèreque les armes nucléaires doivent être contrôlées à l’échelle internationale et s’oppose au développement dela bombe à hydrogène. En 1947, il succède à Albert Einstein comme directeur de l’Institute for AdvancedStudy à l’Université de Princeton. En raison de ses prises de position sur les risques d’une course àl’armement nucléaire, il est révoqué en 1953 par le président Eisenhower. Il a fallu attendre 1963 pour qu’ilsoit réhabilité par le président Johnson.

Wolfgang PauliPhysicien 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. Àpartir de 1919, il commence des études de physique à l’Université de Munich avec pour professeur ArnoldSommerfeld. Ce dernier fait appel à lui pour rédiger un article de synthèse sur la relativité destiné à uneencyclopédie. En 1921, il obtient son doctorat dans lequel il montre les limites du modèle de Bohr. Pendantles années 1922 et 1923, il travaille aux côtés de Niels Bohr à Copenhague. C’est en 1925 qu’il publie sacélèbre contribution sur le principe d’exclusion. Devenu professeur de physique théorique à Zurich en1928, il émet l’hypothèse hardie du neutrino pour sauver la conservation de l’énergie dans la radioactivitébeta. À partir de 1935, il occupe aux États-Unis plusieurs postes de professeur invité, successivementà Princeton, à l’Université du Michigan et à l’Université Purdue (dans l’Indiana). L’ensemble de sescontributions importantes lui vaut le prix Nobel en 1945. Il obtient la citoyenneté américaine en 1946, maisrevient en Suisse à l’ETH de Zurich (Eidgenössiche Technische Hochschule ou École Supérieure TechniqueFédérale). En 1949, alors qu’il est citoyen suisse, il rencontre le psychiatre suisse Carl Jung avec lequelil s’intéresse à la macro-psychokinèse ; il écrit même un livre en 1952 sur la synchonicité ou l’occurencesimultanée d’au moins deux événements sans lien de causalité ; dans ce contexte, les adeptes de la penséemagique rappellent « l’effet Pauli », selon lequel l’arrivée de Pauli dans un laboratoire provoquait undérèglement de tous les instruments présents.

Linus PaulingChimiste 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’Universitéagricole de l’Oregon en 1922, malgré une activité professionnelle nécessaire pour subvenir à ses besoins

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

William PhillipsPhysicien 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 del’hydrogène de l’eau. Il travaille ensuite sur les condensats d’Einstein, en développant des méthodesservant à refroidir et à confiner des atomes à l’aide de la lumière laser, ce qui lui vaut, en 1997, le prixNobel de physique qu’il partage avec Cohen-Tannoudji et Chu.

Max PlanckPhysicien 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’esten voulant interpréter la courbe du rayonnement du corps noir qu’il fait l’hypothèse hardie d’échangesd’énergie par quantum entre les parois d’une cavité et le rayonnement en équilibre à l’intérieur. Sa contri-bution décisive sur le rayonnement, dans laquelle il introduit la célèbre constante éponyme, paraît en 1901,et lui vaut le prix Nobel en 1918.

Edward PurcellPhysicien 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 eten 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 doctoraten 1938. Durant la Seconde Guerre mondiale, il participe au développement de radars micro-ondes, auLaboratoire des radiations du MIT. En 1945, il commence une carrière de chercheur à Harvard et découvrela résonance magnétique nucléaire (RMN). Cette technique, qui permet de déterminer la structure demolécules ou de matériaux, est à la base de l’imagerie par résonance magnétique (IRM). En 1949, alorsqu’il est professeur de physique, il met en évidence la possibilité de modifier le taux d’émission spontanéedans une transition, c’est-à-dire la durée de vie d’un état quantique ; cet effet, qui porte désormais sonnom, a été largement transposé dans le domaine optique. Il reçoit en 1952 le prix Nobel de physique, avecFelix Bloch, pour le développement de nouvelles méthodes de mesures magnétiques nucléaires fines et lesdécouvertes qui en ont découlé. Dans le domaine de l’astronomie, il est le premier à détecter les émissionsradio de l’hydrogène galactique, notamment la raie à 21 cm . Il est connu des étudiants et des enseignantspour son excellent livre d’électricité, publié en 1965.

Isaac RabiPhysicien 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’UniversitéColumbia, et obtient son doctorat en 1927. Il commence alors des recherches sur la nature des forces liantles protons dans le noyau atomique, qu’il poursuit d’abord comme chercheur puis comme professeurde cette université. Sa contribution dans la détermination des moments magnétiques des noyaux, parla méthode de la RMN appliquée aux faisceaux moléculaires, est décisive. En 1940, il travaille sur ledéveloppement du radar en tant que directeur associé du laboratoire des radiations du MIT. Pacifisteconvaincu, il hésite à collaborer avec le Laboratoire national de Los Alamos. Après la guerre, il contribueà l’invention du laser et de l’horloge atomique ; il est aussi l’un des fondateurs du laboratoire national

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

Chandrasekhara RamanPhysicien 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 auCollège de Madras, il occupe un poste modeste dans l’administration indienne à Calculta. Des recherchespersonnelles en acoustique et en optique lui permettent d’être nommé professeur de physique à l’Universitéde Calcutta en 1917. Il poursuit ses travaux d’optique sur la diffusion de la lumière par les molécules etdécouvre en 1928 l’effet qui porte désormais son nom, c’est-à-dire la modification par un mileu de lafréquence de la lumière qui y circule, précisément la diffusion inélastique de la lumière par les vibrationsdes 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 transpositionoptique de l’effet Compton, lui valent le prix Nobel de physique en 1930. En 1932, il apporte la premièrepreuve expérimentale du spin du photon. Il devient directeur de l’Indian Institute of Science à Bangaloreen 1934, puis fonde en 1949 le Raman Research Institute.

Norman RamseyPhysicien 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 déterminerdes moments magnétiques, il passe sa thèse en 1940 à l’Université Columbia et devient professeur. Pendantla guerre, il participe aux études sur le radar au MIT, en travaillant sur le magnétron. En 1947, il est nomméprofesseur de physique à l’Université Harvard et participe à l’invention du maser et à la réalisationd’horloges atomiques stables. En 1989, il est lauréat du prix Nobel de physique, qu’il partage avec HansGeorg Dehmelt et Wolfgang Paul, pour l’invention de la méthode des champs alternatifs séparés et sonapplication au maser à hydrogène et aux horloges atomiques.

Heinrich RöhrerPhysicien 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 quedu premier microscope à force atomique, dont les performances, en terme de résolution, sont de l’ordredu dixième de nanomètre. Tous deux sont récompensés par le prix Nobel en 1986.

Ernst RuskaPhysicien 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’intéresseà la réalisation de hautes tensions et de très faibles pressions (ultravide). Il démontre alors l’intérêt deconstruire un microscope en utilisant non des photons mais des électrons de longueur d’onde 105 foisplus courte, ce qui permet d’obtenir une bien meilleure résolution. En 1931, il construit sa première lentilleélectronique, puis il réalise en 1933 le premier microscope électronique en transmission en combinantplusieurs 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 MaxPlanck de 1955 à 1972. Parallèlement, il occupe un poste de professeur à l’Université technique de Berlinde 1957 jusqu’à sa retraite en 1972. En 1986, il reçoit le prix Nobel de physique, qu’il partage avec GerdBinnig et Heinrich Rohrer, pour son travail fondamental en optique électronique, et pour la conception dupremier microscope à électrons.

Erwin SchrödingerPhysicien 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 assistantde Max Wien, il est nommé en 1921 professeur à Breslau, puis en 1922 professeur à Zurich. En 1926, ilpublie 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. Réprouvantle nazisme et l’antisémitisme, il décide de quitter l’Allemagne en 1933 pour l’Université d’Oxford, et yreçoit le prix Nobel, la même année que Dirac. Cependant il ne reste pas longtemps à Oxford en raison desa vie privée, peu conventionnelle. En 1935, Schrödinger imagine le paradoxe du chat, qui met en évidencela fracture existant entre le monde quantique et le monde macroscopique. En 1940, il devient directeurde l’école de physique théorique de Dublin, où il reste en poste pendant 17 ans et se voit attribuer lanationalité irlandaise. En 1944, il écrit « Qu’est-ce que la vie? », qui contient une discussion sur le conceptde néguentropie qu’il introduit en relation avec l’information.

Julian SchwingerPhysicien 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 à16 ans. Il travaille ensuite à l’Université de Berkeley, puis est nommé à l’Université Purdue. Durant laSeconde Guerre mondiale, il contribue à la mise au point des radars alors qu’il travaille au laboratoire desrayonnements du MIT. Après la guerre, il devient à 29 ans le plus jeune professeur d’Harvard. C’est pendantcette période qu’il explique, par la renormalisation, le décalage de Lamb dans le champ magnétique d’unélectron. 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 queles neutrinos peuvent apparaître sous plusieurs variétés. Il quitte Harvard en 1974 pour l’Université deCalifornie, à Los Angeles, où il poursuit des recherches sur un traitement uniforme des gravitons, desphotons et des autres objets physiques élémentaires.

William ShockleyPhysicien 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 videencombrants, notamment la triode, par des composants solides plus petits et plus fiables. Il y parvienten 1948, avec l’aide d’un théoricien J. Bardeen et d’un expérimentateur W. Brattain ; ils inventent alors letransistor, ce qui leur vaut le prix Nobel en 1956. Shockley termine sa carrière sur le poste de professeurd’ingéniérie à Stanford qu’il occupe à partir de 1963. Ses prises de position sur l’amélioration de la racehumaine, notamment par la stérilisation des faibles et le don du sperme des savants, surprennent etdéçoivent la communauté scientifique internationale.

Kai SiegbahnPhysicien 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 enseignede 1951 à 1954, et découvre une méthode d’analyse des surfaces de matériaux, à partir de la mesuredes énergies des rayons X et des électrons émis, par exposition à un rayonnement incident. Pour avoirdéveloppé la méthode ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), ainsi que la spectroscopielaser, Siegbahn reçoit en 1981 le prix Nobel de physique, qu’il partage avec Nicolaas Bloembergen et ArthurSchawlow.

Arnold SommerfeldPhysicien 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 desciences naturelles à l’Université de Königsberg, il passe un doctorat en 1891 sur l’utilisation de l’analysede Fourier à l’étude des cartes de température. Dès 1895, il s’oriente vers les mathématiques appliquées, laphysique et l’ingéniérie. En 1906, il fonde un centre de physique théorique à Munich, tout en restant trèsproche des applications à la physique. Il soutient la physique moderne naissante, précisément la relativitéd’Einstein et le modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène ; dans ce contexte, il propose un développementde 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 contri-bution sur le rôle des électrons dans les métaux, ainsi que sur l’analyse de la condition de rayonnementd’une source qui porte désormais son nom. Il meurt en 1951 des suites d’un accident de circulation.

Johannes StarkPhysicien 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’Universitéde Munich, où il étudie la physique, les mathématiques, la chimie et la cristallographie. Il travaille dansdivers postes à l’institut de physique jusqu’en 1900, où il est devenu professeur non salarié à l’Universitéde Göttingen. En 1906, il est nommé professeur à Hanovre, et en 1909 à Aix-La-Chapelle. Il découvreen 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 dudédoublement des raies spectrales par les champs électriques (effet Stark), il reçoit en 1919 le prix Nobelde physique. Adhérent du parti nazi, dès 1930, il renie alors la physique quantique ; dans ce contexte, ilessaie, avec Philipp Lenard, de promouvoir une physique allemande contre la « physique juive » d’AlbertEinstein.

Otto SternPhysicien 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’ilobtient en 1912. Il poursuit alors à Prague puis à Zurich un travail de recherche sur les capacités thermiquesdes molécules avec Einstein. Il passe son habilitation à l’Université de Frankfurt en 1915, et devient en1921 professeur à l’Université de Rostock, puis à l’Université d’Hamburg. C’est là qu’il entreprend, avecGerlach, de mesurer les moments magnétiques atomiques, et découvre expérimentalement la nécessitéd’introduire le spin de l’électron, hypothèse déjà introduite par Uhlenbeck et Goudsmit. En raison dela montée du nazisme, il abandonne son poste en 1933 et devient professeur de physique à l’Institut deTechnologie de Carnegie, puis professeur à Berkeley, alors que Gerlach demeure en Allemagne nazie. Sternest récompensé par le prix Nobel de physique en 1943.

Georges ThomsonPhysicien 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 dela 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 électronsà la traversée des cristaux, ce qui lui vaut le prix Nobel de physique, en 1937 avec Davisson. À la fin desannées 1930 et pendant la Seconde Guerre mondiale, il se spécialise en physique nucléaire, en entamantun programme de recherche sur l’uranium.

Sin-Itiro TomonogaPhysicien 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, puisrejoint 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 passersa thèse sur l’étude des matériaux utilisés en physique nucléaire. Il est essentiellement connu pour sacontribution à l’électrodynamique quantique, notamment dans le calcul de l’effet Lamb qu’il mène à boutindépendamment de Schwinger. Pour cela, il reçoit en 1965 le prix Nobel de physique, qu’il partage avecSchwinger et Feynman.

Charles TownesPhysicien 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 séparationisotopique et les spins nucléaires. Recruté par Bell Telephone durant la Seconde Guerre mondiale, il travaille

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à la mise au point des radars utilisés par l’aviation militaire. Nommé ensuite professeur à l’Université deColumbia, il oriente ses recherches vers les ondes radioélectriques micrométriques, lesquelles constituentun nouvel outil puissant pour étudier la structure des atomes et des molécules par spectrométrie. Il estalors 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 AlexanderProkhorov, pour des travaux fondamentaux en électronique quantique, ce qui a amené à la constructiond’oscillateurs et d’amplificateurs fondés sur le principe du maser-laser. Nommé professeur à Berkeley en1966, il se consacre à l’enseignement et à la recherche en astronomie micro-onde et infrarouge. En raisonde son engagement religieux, il reçoit le prix Templeton en 2005.

Steven WeinbergPhysicien 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’Universitéde Princeton, pour y compléter ses études doctorales, et passe en 1957 une thèse sur la théorie de larenormalisation appliquée aux interactions faible et forte. Sa contribution la plus remarquée est la synthèseentre l’électromagnétisme et l’interaction faible, ce qui lui vaut, en 1979, le prix Nobel qu’il partage avec sesco-inventeurs Abdus Salam et Sheldon Glashow. Weinberg a travaillé sur de nombreux sujets, notammentsur les théories d’unification (dont la théorie des supercordes), l’astrophysique et la chromodynamiquequantique. Depuis 2010, il occupe une chaire d’enseignement en sciences du département de physique del’Université du Texas à Austin. Il est l’un des rares scientifiques, de très haut niveau, à s’être engagé sur leplan philosophique, précisément dans un courant réaliste et réductionniste, ce qu’il développe dans sonlivre « Dreams of a final theory ».

Hermann WeylMathématicien 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 Göttingenet 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 publieun 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 ; ilintroduit alors la notion de jauge, première étape de ce qui deviendra la théorie de jauge à la base dumodèle standard. Sa contribution sur les fondements des symétries des lois de la mécanique quantiqueest décisive ; en précisant ses bases, il introduit les spineurs, devenus familiers autour des années 1930. Demême, 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. Safemme étant juive, la montée du nazisme l’oblige à accepter en 1933 un poste à l’Institute for AdvancedStudy (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 interactionsfaibles.

Carl Edwin WiemanPhysicien 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’Einsteind’atomes alcalins, et aborde l’étude des propriétés de ce type de système, ce qui leur vaut en 2001 le prixNobel de physique, qu’ils partagent avec Ketterle. En 2007, il rejoint le corps enseignant de l’Université dela Colombie-Britannique.

John Archibald WheelerPhysicien 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. Aprèssa thèse passée en 1933, il est nommé professeur à Princeton ; il y enseigne jusqu’en 1978, à l’exception dela période 1941-1945 où il participe au projet Manhattan de mise au point de la bombe atomique. On luidoit 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 quantiqueune expérience de pensée à un photon avec choix retardé. Wheeler essaie d’achever le projet einsteiniende théorie unifiée, en explorant la piste selon laquelle tous les phénomènes physiques, telle la gravitationou l’électromagnétisme, pourraient se réduire aux propriétés géométriques d’espaces-temps courbés. Onlui doit l’équation de Harrison-Wheeler qui décrit la matière nucléaire à haute densité, à l’intérieur desétoiles à neutrons par exemple. Il popularise les trous noirs en précisant que ces derniers sont caractérisésde manière unique et totale par leur masse, leur moment cinétique et leur charge électrique, quelle quesoit la matière qui leur a donné naissance. Avec Kip Thorne et Charles Misner, il est co-auteur du célèbreouvrage « Gravitation ».

Wilhelm WienPhysicien 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 de1883, il prépare sa thèse sous la direction d’Hermann von Helmholtz et obtient son doctorat en 1886. En1896, il publie la loi de Wien, qui donne la répartition spectrale du rayonnement du corps noir pour lesgrandes fréquences. Avec Lord Rayleigh et James Jeans qui proposent, eux, une loi valable pour les faiblesfréquences, ils préparent le travail finalisé par Planck sur le rayonnement du corps noir. En 1911, il reçoitle prix Nobel de physique pour ses découvertes sur les lois du rayonnement des corps. Il ne faut pas leconfondre avec son cousin Max Wien bien connu pour ses contributions dans la réalisation des oscillateursélectriques et dans la télégraphie sans fils (cf. Électronique). Il est, en 1914, l’un des signataires du Manifestedes 93, défendant l’armée allemande.

Eugene WignerPhysicien 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’exempled’Einstein. Après des recherches effectuées à l’Université technique de Berlin et de Göttingen, il se rend àPrinceton 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 en1937, il obtient, un an après, une chaire de physique mathématique à l’Université de Princeton. Il est l’undes cinq scientifiques à informer le président Franklin Roosevelt en 1939 de l’utilisation militaire possiblede l’énergie atomique. Durant la Seconde Guerre mondiale, il participe à la conception des réacteurs auplutonium. Ses contributions à la théorie du noyau atomique et aux objets physiques élémentaires, surla découverte et l’application de principes fondamentaux de symétrie, lui valent en 1963 le prix Nobelde physique, qu’il partage avec Goeppert-Mayer et Jensen. Il est connu pour ses prises de position surl’interprétation de la quantique : selon lui, c’est la prise de conscience d’un état par un observateur quiprovoque, directement ou indirectement, l’effondrement de la fonction d’onde.

David WinelandPhysicien 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 aupiégeage des ions. Il dirige alors son propre groupe de recherche sur le piégeage dès 1975, au sein duNational Institue of Standards and Technology à Boulder au Colorado. Ses travaux les plus remarquablesen quantique concernent la dynamique d’ions uniques piégés, l’effet Zénon, l’intrication entre plusieursatomes et leur décohérence et enfin la réalisation d’une porte logique quantique. Tous ces travaux luivalent le prix Nobel de physique en 2012.

Hideki YukawaPhysicien 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 lamasse est intermédiaire entre celle de l’électron et celle du proton. La découverte en 1937 par Cecil FrankPowell d’un méson (un pion) parmi les rayons cosmiques le rend célèbre. Depuis, la théorie des mésonsest 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 fon-damentale à Kyoto (1953-1970). En 1955, il signe avec dix autres scientifiques et intellectuels le manifesteRussell-Einstein pour le désarmement nucléaire. Il est lauréat du prix Nobel de physique de 1949 pouravoir affirmé l’existence des mésons à partir de travaux théoriques sur les forces nucléaires.

Pieter ZeemanPhysicien 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 possèdentplusieurs composantes, chacune d’elles présentant une certaine polarisation. En 1900, il devient professeurde physique à l’Université d’Amsterdam. Cet effet d’un champ magnétique sur les raies spectrales, quiporte désormais son nom, lui vaut en 1902 le prix Nobel de physique qu’il partage avec Hendrick Lorentz.

Anton ZeilingerPhysicien 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 séjourneaux 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 desexpériences d’interférométrie avec des neutrons réalisées à Grenoble et au MIT, celles de la téléportationquantique 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 quantiqueet d’information quantique, et, depuis 2006, la faculté de physique de cette université. Il est aujourd’huil’un des rares physiciens expérimentateurs qui s’intéressent à des expériences permettant de préciser lesfondements épistémologiques de la quantique.

Clarence ZenerPhysicien 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 laboratoiresBell ; là, il interprète la forte conduction qui apparaît lorsqu’une diode est connectée en inverse et soumiseà un champ électrique intense : par effet tunnel, les électrons de la bande de valence peuvent passer dans labande de conduction. Cette diode, appelée depuis diode Zener, est très utilisée pour réaliser des tensionsstationnaires stabilisées.

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La quantique en vingt questions

Q 1 La quantique est souvent présentée comme une théorie de « l’infiniment petit », exclusivementpertinente 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 phénomèneirréversible. Or l’équation de Schrödinger, malgré la présence d’un tel terme, est considérée comme essen-tiellement réversible. Pourquoi?

Q 3 Le modèle de Bohr fournit les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène, ainsi que ceux desatomes 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 estpartout 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 explicitementdifférents niveaux équidistants, à partir du nombre quantique n = 0 . Pourquoi une énergie fondamentaledifférente de 0 s’introduit-elle?

Q 7 Pourquoi la condensation de bosons, prédite par Einstein en 1925, n’a-t-elle été mise en évidencequ’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 desapplications 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 àpartir 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 dansle domaine radioélectrique, alors que la mise en évidence de phénomènes analogues en optique est pluslaborieuse. Pourquoi?

Q 12 L’inégalité d’Heisenberg reliant durée et énergie se présente de façon analogue à celle relativesaux 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 quan-tique. Pourquoi pose-t-elle un problème épistémologique important en quantique et non en physiqueclassique?

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

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

Q 16 Pourquoi n’est-il pas contradictoire de dire que le vide quantique, qui contient une infinité demodes 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 laplace à la théorie de Dirac. Pourquoi?

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

Q 19 La théorie quantique relativiste de Dirac fait apparaître, avec des électrons, des solutions àénergies totales négatives. Pourquoi ces solutions ont-elles cependant été retenues par les physiciens, sanscontradiction 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 nécessaired’utiliser la théorie de Dirac pour analyser leur comportement. Pourquoi?

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Leçons

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IndexAAbrikosov Alexei, xviii, 391Absorption, 486

de photon, 57résonnante, 486, 544

Accéléromètres, 118Acéthylène, 453Addition de deux moments cinétiques, 421Ammoniac, 165, 174, 176, 177, 313, 314, 495Amortissement, 552, 627Amplification d’une onde, 494Amplitude, 167, 653

de diffusion, 469–471de probabilité, 19, 515, 521, 652, 658, 659, 683, 732,

733d’une onde, 717

Analogie mécanique et optique, 91Analyse

de Fourier, 40dimensionnelle, 10

Analyseur, 336, 406, 632, 655Anderson Carl, xviii, 20Anderson Philip, xviii, 533Angle

de couplage, 344de diffusion, 50, 469, 471, 472

Annihilation, 56, 379Antihydrogène, 77Approche semi-classique, 375Approximation

classique, 232de Born, 470de Slater, 449

Argument EPR, 603Aspect Alain, xviiiAtome(s)

d’hydrogène, 435, 711de Bohr, 476de Rydberg, 76muoniques, 76polyélectroniques, 447

Atténuation d’un rayonnement, 59Auger Pierre, xviii

effet, 80, 456

BBande

de conduction, 211de valence, 211

Bardeen John, xix, 29, 388Barn, 468Barrière d’énergie potentielle, 21, 28, 165–168, 176, 179,

256, 567, 659Basov Nicolai, xix, 496Battements

classiques, 298quantiques, 517

Bednorz Johannes, xix, 392Bell John, xix

Inégalités de, 603États de, 608

Benzène, 313, 314, 349Bethe Hans, xix, 707Binnig Gerd, xix, 180Bit quantique, 340Blocage de Coulomb, 182Bloch Félix, xx, 252Bloembergen Nicolaas, xx, 496Bohm David, xx, 118Bohr Aage, xx, 462Bohr Niels, xx, 18

Atome de, 71Rayon de, 12Modèle de, 83

Boîte cubique, 256Born Max, xxi, 19, 103Boson(s), 6, 361, 418

BEH, 6, 736de Higgs, voir boson BEH

Boyle Willard, 59, 664Bra, 335Bragg Lawrence, xxi, 97

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1070 Index

Brattain Walter, xxi, 28de Broglie Louis, xxiii, 18, 19, 93

Hypothèse fondamentale de, 91Longueur d’onde de, 21, 94

Bremsstrahlung, 55Brillouin, 174, 240, 353Brisure de symétrie CP, 529Bunge Mario, xxi, 19Butadiène, 349

CCalcul quantique, 617Capteurs inertiels, 118Cavité optique, 498Chaîne périodique

d’atomes, 351d’oscillateurs classiques, 316d’oscillateurs quantiques, 318polymérique, 210, 261

Champ électromagnétique, 38, 706, 709, 719, 720, 728Chandrasekhar Subrahmanyan, xxi, 707Changement de référentiel galiléen, 115, 125Chaos quantique, 23Charge élémentaire, 6Chat de Schrödinger, 623Chemin(s)

discernables, 651indiscernables, 651, 656, 658, 732Intégrale de, 731, 733

Chu Steven, xxii, 275, 505Classique (physique), 3Clé

cryptographique, 615, 616de codage, 614USB, 181

Clonage, 613Coalescence, 657Coefficient(s)

d’absorption induite, 487d’Einstein, 485, 487, 547d’émission spontanée, 485gyromagnétique, 407

Cohen-Tannoudji Claude, xxii, 275, 505, 554Cohérence

d’ordre deux, 668, 669d’ordre un, 668quantique, 630

Communication quantique, 613Commutateur, 254Complémentarité, 635Comportement

collectif, 10quantique, 9

Compton Arthur, xxii, 13, 51Condensation d’Einstein, 277, 284, 385, 418Conditions aux limites, 23, 139, 259, 321, 459, 683

Conducteursmétalliques, 156organiques, 261

Confinement quantique, 197Connexe

doublement, 386, 390simplement, 386, 388, 390

Constante(s), 5d’Einstein, 6de Boltzmann, 7de couplage, 16de Faraday, 7de Josephson, 13de Newton, 6de Planck, 8de Rydberg, 70de structure fine, 13, 73de von Klitzing, 14universelle des gaz parfaits, 7

Cooper Leon, xxii, 17, 29, 388Cornell Eric, 275, 388Corps noir, 44Corrélations

à distance, 601classiques, 601quantiques, 602

Couchesélectroniques, 459, 475Modèle en, 433, 448, 459, 464

Couplagede puits quantiques, 301spin-orbite, 705

Courantde probabilité, 133, 710électromagnétique, 40

Créationde paires, 56d’un quantum de moment cinétique, 379

Cristauxconducteurs, 323isolants, 323semi-conducteurs, 323

Cronin James, 529Cryptographie quantique, 25, 597, 613, 614Cube de la physique, 17

DDavis Raymond, 531Davisson Clinton, xxiii, 93Debye Petrus, xxiii

pulsation de, 288Décalage isotopique, 75Décohérence, 625Décomposition, 43, 673Décroissance exponentielle, 148, 485, 492, 569, 583Dégénérescence, 256

de niveau d’énergie, 268, 382

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Index 1071

Degréde cohérence, 668de cohérence d’ordre deux, 668de cohérence d’ordre un, 668de dégénérescence, 141

Dégroupement, 672Dehmelt Hans, xxiii, 430Densité de probabilité, 798Densité

d’états, 203, 265d’états en énergie, 232, 260, 261, 266, 267en énergie, 180énergétique, 181

Déphasage(s), 116, 119, 632, 633, 693Déplacement de Lamb, 682, 728Désintégration, 529, 530, 577, 584, 660Détecteur(s)

par transfert de charges, 59Photo, 507, 646, 647, 650, 664sensible(s), 665

Détectiond’états comprimés, 692d’un rayonnement, 58

Déterminants, 753Deutérium, 74, 75, 87, 329, 375Deutéron, 87Développements limités, 749Diamagnétisme, 29, 410Diffraction, 111

de Bragg, 322d’une onde broglienne par une fente, 111

Diffractomètred’électrons, 98, 99de neutrons, 100

Diffusionde Born, 579de Compton, 53de Rayleigh, 53, 239de Rutherford, 472de Stokes, 239élastique, 185inélastique, 53

Diodeélectroluminescente, 502Esaki, 166Zener, 166

Dirac Paul, xxiv, 19, 20Équation de, 713Transitions vers un continuum, 579

Dispersion, 38, 107, 110Distribution

de Fermi-Dirac, 274de Planck, 276poissonnienne, 573quantique de clé, 614

Domaine visible, 39Dualité onde-corpuscule, 23, 114

Durée de vie, 74, 582

EÉcart-type, 799Effet(s)

Aharonov-Bohm ou AB, 118anomal, 411Auger, 80Casimir, 683Compton, 50Ehrenberg-Siday-Aharonov-Bohm (ESAB), 118, 119ESAB, 118, 392Hall quantique, 15, 268isotopique, 206Josephson alternatif, 177Josephson stationnaire, 177Kapitza-Dirac, 102Mössbauer, 89Paschen-Back, 477photoélectrique, 37, 46, 83photoélectrique inverse, 55Purcell, 582Raman, 238Ramsauer-Townsend, 183Sagnac, 116Stark, 366transistor à un électron, 14tunnel, 14, 21, 25, 165, 166, 168, 178, 181, 186, 291Zeeman, 405, 411, 422

Ehrenfest Paul, xxivThéorème de, 570

Einstein Albert, xxiv, 8, 37, 47Électrodynamique quantique, 13, 237, 277, 315, 357, 395,

430, 446, 552, 580, 678, 706, 722, 727–729, 735Électron, 179, 447

de conduction, 210, 366de valence, 451

Émissioncontrôlée, 664de champ, 175de photons, 57de rayons X , 79froide, 175induite ou stimulée, 489résonnante, 545spontanée, 484, 580

Énergiecinétique, 51, 71, 73, 83, 94, 110, 382, 442de confinement quantique, 198de liaison, 206de masse, 13, 30, 52, 110, 529de point zéro, 197du vide, 682électromagnétique, 40Fermi d’un système 3 D, 272potentielle de Woods et Saxon, 461potentielle effective, 434

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1072 Index

potentielle périodique, 252, 319Entropie

de Neumann, 628, 629statistique, 628, 629, 641

Épistémologieclassique, 5quantique, 23

EPR, 604Équation(s)

de Dirac, 713de Dirac-Weyl, 719d’Heisenberg, 566de Maxwell, 672de mouvement, 235, 293, 316de Schrödinger-Klein-Gordon, 706, 707, 709, 737indépendante du temps, 135, 136, 138, 434

Esaki Leo, xxiv, 25, 166Espace

de Hilbert, 334, 364des états, 337, 358, 382, 418, 618des phases, 226

d’Espagnat Bernard, xxiii, 24Étalement d’un paquet d’ondes, 557Étalon

de résistance, 270de tension, 534

État(s)cohérents quasi classiques, 573comprimés de lumière, 688confiné, 196de Bell, 609, 612, 616, 617, 622de diffusion, 140de Fock, 678, 682, 689de polarisation de la lumière, 334de Rydberg, 375du vide, 682d’un oscillateur harmonique, 230intriqué, 598libre, 127, 140, 249lié, 196, 197pointeurs, 625propres de Bloch, 352pur, 618, 619, 621séparable, 598stationnaire, 135

Éthane, 453Éthylène, 454Étoile à neutrons, 707Évolution

de grandeurs physiques, 563d’un oscillateur harmonique, 571d’un paquet d’ondes, 519non stationnaire, 516quantique, 516

Excitations élémentaires, 235Exitance spectrale, 44

Expérienceà choix retardé, 651à un photon, 648d’Aspect, 608de Davisson et Germer, 96de Frank et Hertz, 78de Giaever, 177de Millikan, 49de Stern et Gerlach, 411

FFacteur(s)

de Clifford, 715de couplage, 343de forme, 474de Landé, 411, 422de structure, 474de transmission en amplitude, 183de transmission en intensité, 184de transmission tunnel, 170gyromagnétique, 430, 446, 524

Faisceaumonochromatique, 123, 514réel, 40

Fermi Enrico, xxv, 20Règle d’or de, 577

Fermion, 361, 418Ferromagnétisme, 424Fert Albert, xxv, 182Feynman Richard, xxv, 617, 656, 706, 727Fil quantique, 258Fitch Val, xxv, 529Fluctuations

quantiques, 25, 682thermiques, 685

Fluides quantiques en rotation, 385Fluorescence, 83Flux

d’objets lumineux, 39d’objets physiques, 106, 140du champ magnétique, 119d’un champ magnétique, 119, 269, 393

Fluxon, 390, 533Fock Vladimir (État de), 678Fonction(s)

caractéristique, 800d’onde, 19, 103, 105, 106, 129, 130, 140, 707, 714,

718de Legendre, 380hyperboliques, 748radiale, 435, 437

Fondements de la quantique, 22Fontaines atomiques, 507Force(s)

de Casimir, 684de van der Waals, 591, 684

Formulation variationnelle, 728, 737

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“PHYQUANPER” — 2013/8/27 — 9:04 — page 1073 — #1111 ii

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Index 1073

Formulede Bragg, 97de Rabi, 523de Rydberg, 70

Fowler Ralph, 707Franck James, xxv, 77Fréquence

de Compton, xxiide Larmor, 558de Rabi, 530, 554de résonance, 442, 445

GGamow George, xxvi, 17Gaz

de Fermi, 458parfait, 7, 26, 27, 29, 276rare, 77, 183, 447

Geim André, xxvi, 267Gell-Mann Murray, xxvi, 528Germer Lester, 93Giaever Ivar, xxvi, 177Ginzburg Vitaly, xxvi, 387Glashow Sheldon, xxvii, 30, 706Glauber Roy, xxvii, 577Gluon, 31, 315, 362, 419Goeppert-Mayer Maria, xxvii, 461Grünberg Peter, xxvii, 182, 465Grande unification, 31Grandeur(s)

de Planck, 18Ordre de, 10, 200, 210, 216, 276

Graphène, 267, 271, 354Graviton, 31, 316Gross David, 315Groupe

d’ondes, 107, 108d’ondes planes, 40

Grünberg Peter, 182Gyromètre(s)

à atomes, 117optiques, 116

HHall Edwin, xxvii, 26

Effet Hall quantique, 268, 419Résistance de, 270

Hall John, 508Hamilton William, xxvii,130Hamiltonien

de Dirac, 713, 719d’un champ électromagnétique, 677d’un objet physique, 360

Hänsch Theodor, 508Harmoniques sphériques, 380Haroche Serge, xxviii, 612

Heisenberg Werner, xxviii, 19Équation d’, 566Inégalités spatiales d’, 110Inégalité temporelle d’, 519, 563Microscope d’, 114Représentation d’, 679Théorème d’, 571

Hélicité, 261, 419, 681, 718, 724Hélium, 10, 29, 78, 101, 452, 599Hertz Gustav, xxviii, 77Higgs Peter, voir boson BEHHorloge atomique au césium, 506Hybridation d’orbitale, 453Hydrogène, 314, 329, 347, 350, 351, 433, 435, 436, 440,

704, 711Hypothèse(s)

de Bohr, 72de Planck, 46fondamentale de de Broglie, 91, 92

I

Idéalisme, 24Îlot quantique, 257Impulsion(s), 14, 463, 503, 612, 648, 664, 666Indice quantique, 155Inégalité(s), 603

de Bell, 604de Fourier, 42, 43d’Heisenberg, 110, 113, 539, 568nombre phase, 689spatiales, 111temporelle, 539

Intégrale de chemins, 731, 733Interaction(s)

électromagnétique, 17, 30, 129, 315, 734faible, 528fondamentales, 16forte, 16, 17, 31, 315gravitationnelle, 4, 17, 316spin-orbite, 443stationnaire de durée finie, 539

Interférenceavec des électrons, 25, 99, 392avec des molécules, 656avec des neutrons, 122d’échange, 359, 659quantique, 102, 654

Interféromètre, 406de Mach-Zehnder, 118, 650, 651HBT, 667VIRGO, 693

Interférométrie atomique, 103Interprétation probabiliste de Born, 103, 105Intrication, 23, 597, 598Invariances, 567

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“PHYQUANPER” — 2013/8/27 — 9:04 — page 1074 — #1112 ii

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1074 Index

Inversionde la molécule d’ammoniac, 314de populations, 495

Ion moléculaire H +2 , 308

Ionicité, 348Irradiance, 494

JJauge

de Coulomb, 409, 709de Landau, 428, 592de radiation, 673

Jellium, 464Jensen Hans, xxviii, 461Jordan Pascual, xxix, 342Josephson Brian, xxix, 13, 177

KKapitza Piotr, xxix, 25, 370Kastler Alfred, xxix, 496Ket, 335, 364Ketterle Wolfgang, xxix, 275, 388Klein Oskar, xxx, 725Klitzing Klaus (von), xxx, 14Kobayashi Makoto, 530Kohn Walter, 464Koshiba Masatoshi, 531Kroemer Herbert, xxx, 1072Kusch Polykarp, 726

LLagrangien, 728, 729, 735Lamb Willis, xxx, 726Lame séparatrice, 646, 649, 667Landau Lev, xxx, 17, 387Largeur

naturelle, 74totale à mi-hauteur, 42, 43, 544, 546, 578

Lasersà gaz He-Ne, 501à puits quantique, 211à semi-conducteurs, 502accordables, 503

Laughlin Robert, xxxi, 271Lederman Leon, 530Lee David, 387Lee Tsung-Dao, 254, 528Leggett Anthony, xxxi, 387, 612Lenard Phillip, 47Lévy-Leblond Jean-Marc, xxxi, 19, 23Liaison

chimique covalente, 308, 347ionique, 348, 349π , 349, 454σ , 453, 454

Limitecentrale, 805classique, 271, 274, 276, 662, 731de résolution d’un microscope électronique, 112ultraeinsteinienne, 96

Loi(s)binomiale, 801de Boltzmann, 488, 495, 661de Bose, 662de conservation, 567de Coulomb, 30de Gamow-Condon-Gurney, 175de la réflexion, 279de la réfraction, 280de Malus, 336de Planck, 44de Poisson, 663fondamentale, 3normale, 805

Longueur d’onde de de Broglie, 93Lumière, 692

poissonienne, 664, 694sous-poissonienne, 664, 667super-poissonienne, 671

M

Mach Ernst, 5Magnétisme nucléaire, 444Magnéton

de Bohr, 408nucléaire, 408

Magnétorésistance, 182Magnons, 237Marche(s)

d’énergie potentielle, 143de Shapiro, 534

Maskawa Toshihida, 530Masse

de l’électron, 6du proton, 6effective, 142, 155

Matérialisation, 56Mather John, 45Matrice, 751

abcd , 187de Pauli, 414de transfert d’une marche d’énergie potentielle,

150de transfert entre deux interfaces, 154de translation dans un milieu homogène, 153statistique, 618, 619

Mécanique ondulatoire, 92Mélange, 620, 629, 655Méson, 315, 706

π , 76, 313, 315, 528

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“PHYQUANPER” — 2013/8/27 — 9:04 — page 1075 — #1113 ii

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Index 1075

Mesured’énergie, 212de position, 213de quantité de mouvement, 214des coefficients d’Einstein, 493du moment cinétique, 400

Méthane, 453Métrologie quantique, 14Micro-ondes, 39Microscope

à balayage, 180à effet de champ, 175à effet tunnel, 178d’Heisenberg, 114électronique, 99

Millikan Robert, xxxi, 9, 49Modèle

de Bohr, 83, 448en couches, 433

Modes propres de vibration, 294Molécule(s)

d’ammoniac, 176diatomique covalente, 309mésomères, 349

Moment cinétiquedu champ électromagnétique, 681d’un objet physique, 405volumique, 40

Moment dipolaireélectrique, 370, 538, 553magnétique, 370

Moment linéaire, 119, 389, 567du champ électromagnétique, 680

Moseley (loi de), 80Mottelson Ben, 462Müller Karl, 392Muon, 16, 76, 85, 530, 735

NNaine blanche, 707Nambu Yoichiro, 530Nano-objets, 463Nanotubes de carbone, 261Neumann John, xxxi, 618, 624, 629Niveau(x)

d’énergie de Fermi, 272, 429de Landau, 269, 270, 428–430, 592, 593

Nombre(s)d’Avogadro, 7d’onde spectroscopique, 72quantique azimutal, 379quantique de spin, 430quantique magnétique, 379, 396, 410quantique principal, 436, 450, 460

Non-séparabilité, 601Norme d’un vecteur, 104, 111, 577, 729Novoselov Konstantin, xxxii, 267

Noyau atomique, 422, 433, 458Nucléon, 11, 174, 199, 271, 313, 460

OOnde(s)

de probabilité, 105électromagnétiques, 38monochromatique plane, 38sphérique, 469

Opérateur(s), 212annihilation, 677champ, 678création, 229, 677d’annihilation, 229d’évolution, 618, 643de position, 567densité, 618hamiltonien, 131hermitien, 639moment cinétique, 132, 377, 382, 419, 705moment linéaire, 567, 679–681potentiel, 678quantité de mouvement, 132statistique, 597, 618, 621

Oppenheimer Robert, xxxii, 175, 319, 542Optique

neutronique, 100quantique, 283, 645

Orbitale atomique, 438Orthohélium, 452Orthopositronium, 76Oscillateur(s)

élastiques couplés par un ressort, 291électronique, 234harmonique quantique, 227macroscopique, 232nucléaire, 235

Oscillation(s)de neutrinos, 530de Rabi, 523, 528, 552

Osheroff Douglas, 387

PPantopie, 23Paquet d’ondes, 23, 519, 520, 574, 575Paradoxe

de Klein, 725du chat de Schrödinger, 22, 25

Paramagnétisme, 29Parapositronium, 76Particules étranges, 528Pauli Wolfgang, xxxii, 20Pauling Linus, xxxii, 453Peigne de fréquences, 507Perl Martin, 531Perméabilité magnétique du vide, 7

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“PHYQUANPER” — 2013/8/27 — 9:04 — page 1076 — #1114 ii

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1076 Index

Permittivité diélectrique du vide, 7Perturbation

quasi stationnaire, 541sinusoïdale, 542

Phase, 334de Berry, 120géométrique, 120

Phillips William, xxxiii, 28, 275, 505Phonons

acoustiques, 240optiques, 236

Phosphorescence, 83Photodétecteur, 507, 646, 647, 650–652, 657, 664–667,

671, 696, 698, 701Photodiode, 59Photoluminescence, 82Photomultiplicateur, 58Photon, 37, 47, 237, 649, 677Physique

classique, 3quantique, 4quantique relativiste, 703

Planck Max, xxxiii, 8Constante de, 8Grandeurs de, 56

Plasmons, 236Polarisation

circulaire, 637de la lumière, 615d’un photon, 610, 637linéaire, 607rectiligne, 502, 607, 652

Polariseur, 157, 611, 615, 632Politzer David, 315Polynômes

d’Hermite, 228, 244de Laguerre, 438

Pompage optique, 496Population d’un niveau d’énergie, 494, 498, 510Positivisme, 24Positron, 56Positronium, 76Postulat de symétrisation, 361Précession

de Larmor, 527de Thomas, 706, 742d’un moment magnétique, 526d’un spin 1/2, 525

Principe, 3d’Huygens-Fresnel, 3, 103, 729–732de complémentarité, 114de correspondance, 84, 88de superposition de Feynman, 731, 732de superposition linéaire, 22

Probabilitéconditionnelle, 797conjointe, 797

de détection, 133, 204, 632de diffusion, 473de réflexion, 144de transition, 263, 470, 486, 487, 536–539, 731de transmission, 21, 145, 173

Projecteur, 338, 618Prokhorov Aleksandr, 496Proton, 362, 408, 444Puits

couplés, 303d’énergie potentielle, 174, 183, 195, 315de profondeur finie, 204rectangulaire infiniment profond, 197

Pulsationde Bohr, 311de Larmor, 427, 526de Rabi, 523d’une onde monochromatique, 91, 681

Purcell Edward, xxxiii, 277, 582

Q

Quanta associés aux grandeurs physiques, 11Quantification

dans une boîte quantique, 284de l’action, 203de l’énergie, 198de la circulation de la vitesse, 386du champ électromagnétique libre, 672du flux magnétique, 270, 388du moment cinétique, 369, 372, 374, 378, 419, 420

Quantique, 4à toutes les échelles, 26

Quantité de mouvementd’un objet physique, 113, 603, 680, 708volumique, 40

Quanton, 19Quantum

de circulation, 120de conductance, 264de flux, 120, 269de lumière, 37moment cinétique, 12, 379

Quark, 17, 31, 315Quasi-continuum, 211Qubit, 340, 417, 527, 541

R

Rabi Isaac, xxxiii, 523Radioactivité α , 174Radioactivité β , 80, 530Rainwater Léo, 462Raman Chandrasekhara, xxxiv, 238Ramsey Norman, xxxiv, 507

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“PHYQUANPER” — 2013/8/27 — 9:04 — page 1077 — #1115 ii

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Index 1077

Rayonclassique de l’électron, 7de Bohr, 12lumineux, 730, 732

RayonnementX , 39γ , 39cosmologique, 45de freinage, 55du corps noir, 661

Réalismelocal ou strict, 24mathématique, 24non local, 24non local voilé, 24platonicien, 24structurel, 24

Réduction d’un paquet d’ondes, 23Réflexion

totale frustrée, 167totale par une marche d’énergie potentielle, 147

Refroidissementlaser, 504par effet Doppler-Fizeau, 505

Règlede Hund, 451de Klechkovski, 450de Madelung, 450de sélection, 237, 321, 383, 538, 578d’or de Fermi, 577, 579

Reines Frederick, 530Relation

de de Broglie, 93de dispersion, 38, 107de fermeture, 564

Relaxation, 577Rendement quantique, 665Représentation(s), 215, 515, 563

d’Heisenberg, 567de Schrödinger, 563en quantité de mouvement, 214, 565ondulatoire, 338p, 214, 565r, 214, 564spectrales, 40vectorielle, 338

Réseaucristallin, 95, 98, 123de diffraction, 51périodique, 252réciproque, 98, 237, 321

Résistance de Hall, 270Résonance

magnétique, 549optique, 82paramagnétique électronique, 442

Richardson Robert, 387

Röhrer Heinrich, xxxiv, 29, 25, 180Röntgen William, 39Rotateur sphérique, 399, 463Rotation(s)

moléculaires, 382nucléaires, 463superfluide, 370

Rubbia Carlo, 30, 706Ruska Ernst, xxxiv, 99Rydberg, 13

SSalam Abdus, 30, 706Saut(s)

d’énergie potentielle, 143quantiques, 549

Schawlow Arthur, 497Schrieffer John, 29, 388Schrödinger Erwin, xxxiv, 19, 29, 363Schwartz Melvin, 530Schwinger Julian, xxxv, 706Seconde quantification, 230Section efficace de diffusion, 468Semi-conducteur, 211Shirakawa Hideki, 210Shockley William, xxxv, 28Siegbahn Kai, xxxv, 455Smith George, 59, 664Smoot George, 45Sommerfeld Arnold, xxxv, 83Sources

de photons, 664de photons séparés, 648réelles de lumière classique, 661

Spectrecontinu, 79, 141, 149, 674de l’oscillateur harmonique, 229de raies de l’atome d’hydrogène, 70discret, 136, 228du rotateur plan, 373énergétique, 136, 198

Spectromètres, 180Spectrométrie(s)

à effet tunnel, 457à électrons, 455à photons X, 455atomique, 454de Brillouin, 240des molécules en rotation, 369électronique, 241infrarouge, 237neutronique, 241optiques, 240Raman, 238, 240, 384

Sphèrede Poincaré-Bloch, 416, 527, 608Fermi, 272

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“PHYQUANPER” — 2013/8/27 — 9:04 — page 1078 — #1116 ii

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1078 Index

Spin, 411Spineur, 414SQUID, 390, 534–536Stabilité des gaz rares, 447Stark Johannes, xxxvi, 118, 366Statistique(s)

de Bose, 277de Bose-Einstein, 276, 361, 418, 662de Fermi-Dirac, 274, 287, 324, 362de Maxwell-Boltzmann, 10, 662des photons, 659

Steinberger Jack, 530Stern Otto, xxxvi, 101, 411Störmer Horst, 271Structure

de bandes, 321de la molécule de benzène, 314fine, 442, 704hyperfine, 445, 446

Superfluides, 387Superunification, 31Supraconducteurs, 388, 390, 394, 531Surface de Fermi, 268Symétries, 251Synthèses, 30

de Maxwell, 30de Newton, 30électrofaible, 30

Système(s)à N états, 351à deux états, 342à deux spins, 599binaires quantiques, 340de deux puits quantiques, 338

TTéléportation quantique, 25, 616, 617Théorème

de Bloch-Floquet, 252de non-clonage quantique, 613optique, 186

Théoriede Bohr, 71de Dirac, 726quantique des champs, 726quantique relativiste, 17, 726

Thomson Georges, xxxvi, 96Thomson John, 47Tomonoga Sin-Itiro, xxxvi, 706Tourbillons quantiques, 388Townes Charles, xxxvi, 497Trace, 622, 629Transistor à un électron, 182Transition

dipolaire electrique, 538entre deux états, 536induite, 582

quantique-classique, 626spontanée, 582

Tsui Daniel, 271

UUbication, 5, 23Ultraviolet, 39

VValeur

moyenne, 40, 275, 298, 620, 703propre, 136, 337

Van der Meer Simon, 30, 706Variable cachée, 638Variance, 799Vecteur

d’état, 334de Poynting, 39, 283, 680propre, 337

Vibrationsatomiques, 200, 235collectives, 362électroniques, 236nucléaires, 462

Vide quantique, 682Vitesse

de groupe, 109de phase, 107

Vortex lumineux, 395

WWeinberg Steven, xxxvii, 706Weyl Hermann, xxxvii, 719Wheeler John, xxxvii, 651Wieman Carl Edwin, xxxvii, 275, 388Wien Wilhelm, xxxviii, 44Wigner Eugene, xxxviii, 583Wilczek Franck, 315Wineland David, xxxviii

YYang Chen Ning, 254, 528Yukawa Hideki, xxxviii, 315, 706

ZZeeman Pieter, xxxix, 405, 411, 422, 442, 496Zeilinger Anton, xxxix, 105Zener Clarence, xxxix

Diode, 166Zitterbewegung, 726Zone de Brillouin, 353

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Cet ouvrage, découpé en 20 leçons quasiautonomes, rassemble les fondements etles applications de la quantique.

Qu’est-ce que la quantique ?

Dans la première leçon, on présente la quantique, ensoulignant les aspects historiques et épistémologiquesde cette discipline, et en rappelant ses nombreusesimplications, non seulement en physique atomique etmoléculaire, mais aussi en physique nucléaire, en chimie,en physique de la matière condensée et dans le domaineémergent des nanosciences.

Aspects fondamentaux et applications

Le fil conducteur de l’ouvrage peut être résumé par le slogan « un maximum de physique avec un minimum de formalisme ». Ainsi, en appliquant l’équation deSchrödinger à des systèmes unidimensionnels, sont rapide-ment abordés les effets de confinement, de quantification,de tunnel et de diffusion. Dans ce contexte, l’évolution, ledéterminisme, l’indiscernabilité, la superposition d’états etl’intrication, qui sont analysés en détail dans la secondemoitié de l’ouvrage, sont très tôt considérés.

En outre, sont examinés les progrès considérablesapparus au cours des dernières décennies, tant sur le planfondamental, avec la levée des divers paradoxes, que surle développement de l’optique quantique et des multi-ples applications en métrologie. L’ouvrage se terminepar une ouverture relativiste rendue nécessaire par lesprogrès qu’ont permis, sur le plan de la pensée et desapplications, la théorie de Dirac et l’électrodynamiquequantique.

De nombreux exemples, plus de 250 exerciceset problèmes résolus

L’ouvrage s’adresse d’abord aux étudiants de licence (L2, L3) et de la première année du master (M1), mais saprésentation didactique, avec ses nombreux exemples etses 250 exercices et problèmes résolus, ainsi que l’accentmis sur le développement historique et épistémologique,devraient aussi intéresser les candidats aux concours de l’enseignement (CAPES, agrégations, etc.), et pluslargement toutes les personnes concernées par laphysique et son impact dans toutes les autres disciplinesscientifiques, voire même en philosophie.

Les auteurs José-Philippe Pérez, Professeur émérite del’Université de Toulouse, UPS-IRAP.

Robert Carles, Professeur à l'Université de Toulouse,UPS-CEMES.

Olivier Pujol, Maître de conférences à l’Université de Lille, LOA.

a Ouvrage construit en 20 leçons, progressives et quasiautonomes

a Fondements, ordres de grandeurs et applications concrètesa Développement historique et épistémologiquea Aspect plus actuel : introduction à la théorie quantique

des champsa De nombreux exemples, 250 exercices et problèmes résolusa Annexes mathématiques et simulations numériques

9 782804 107789

ISBN : 978-2-8041-0778-9

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Quantique fondements et applications

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