Pérez fondements et applications - Furet du Nord · 2016. 8. 26. · Cet ouvrage, découpé en 20 leçons quasi autonomes, rassemble les fondements et les applications de la quantique

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 applicationsavec 250 exercices et problèmes résolus

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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



avec 250 exercices et problèmes résolus

Pérez | Carles | Pujol


© 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 matièresTable 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-proposCet ouvrage, découpé en 20 leçons, rassemble, dans un seul volume « Quantique », les fondements et

les applications de la physique quantique.

Dans la leçon introductive, intitulée « Qu’est-ce que la quantique ? », on rappelle la nature 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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Avant-propos xiii

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 symbolesLes 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−2c = 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)q2e = e2/(4πε0) ≈ 230,707 × 10−30 SIre = q2e/(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 fineα−1e = 137,035 999 074(44) ≈ 137 Inverse de la constante de structure fineaB = ~2/(meq2e ) = ~/(meαc) Rayon de Bohr= 0,529 177 210 92(17) × 10−10 m ≈ 52,9 pm

Ry = α2e 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

ẋ Dérivée de x par rapport au tempsẍ 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 normep̂pp Opérateur quantité de mouvementPPP,P Moment linéaire ou impulsion et sa normeP̂PP = −i~ grad Opérateur moment linéaire ou impulsionL LagrangienS ActionE Énergie totaleH , Ĥ = −i~ ∂/∂t Hamiltonien, opérateur hamiltonienEk, Êk Énergie cinétique, opérateur énergie cinétiqueEp, Êp 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 sRe{s}, Im{s} Parties réelle et imaginaire de sΨ Fonction d’ondeψ Amplitude complexe de la fonction d’onde sinusoïdaleρp Densité de probabilitéP ProbabilitéSSS, ŜSS Spin, opérateur spinLLL, L̂LL Moment cinétique orbital, opérateur moment cinétique orbitalJJJ, ĴJJ 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, m̂mm 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 Diracâ, ĉ 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 µnano 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 quantiqueAlexei 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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Les grands noms de la quantique xix

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

John 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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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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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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Les grands noms de la quantique xxvii

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 l

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Pérez fondements et applications - Furet du Nord · 2016. 8. 26. · Cet ouvrage, découpé en 20 leçons quasi autonomes, rassemble les fondements et les applications de la quantique