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Mécanique quantique et philosophie de la physique de Niels Bohr


Peu de scientifiques ont eu autant d'impact sur le monde moderne que Niels Bohr. Le résultat du travail de Bohr sur la structure de l'atome a donné naissance à tout, de l'ère atomique aux faisceaux laser et à l'informatique quantique et son nom est éclipsé par ses critiques et ceux qui ont construit son travail pour se faire un nom.

Donc en l'honneur du 56e anniversaire de son décès, nous voulons lui reconnaître notre dette en nous plongeant dans ses travaux pionniers sur la mécanique quantique et la complémentarité, sa contribution unique à la philosophie de la physique.

Père de la mécanique quantique

La vision de Bohr sur le modèle dominant de l’atome jetterait les bases d’une grande partie des progrès technologiques du 20e siècle. Il a démontré qu'autour de chaque noyau atomique, il y avait plusieurs niveaux de coquilles concentriques remplies d'électrons et a montré que le changement d'état d'un atome était dû à des électrons se déplaçant entre les coquilles lorsqu'ils absorbaient ou rayonnaient de l'énergie.

Cette manipulation du comportement est à la base de tout, des faisceaux laser à la fission nucléaire. En soi, ce travail était impressionnant, mais ce qui a suivi cette découverte est ce qui a fait de Bohr une figure si controversée.

Il devrait s'ensuivre que, étant des objets physiques dans l'espace, les électrons en orbite autour d'un noyau devraient être régis par les mêmes lois qui régissent les planètes en orbite autour du soleil. C'est précisément ce que Bohr n'a pas vu.

Ce que lui et sa liste impressionnante de protégés - de jeunes hommes comme Werner Heisenberg, Enrico Fermi et Pascual Jordan - ont vu, c'est la bouleversement complet du modèle classique de physique qui existait depuis Newton: des électrons qui pouvaient exister à plusieurs endroits à la fois, ils pourrait être une particule une minute et agir comme une onde la suivante, et que jusqu'à ce qu'elle soit observée ou mesurée, une particule pourrait être dans n'importe quel nombre d'états mutuellement exclusifs simultanément. Moins d'une décennie après sa découverte de la structure de l'atome, Bohr et ses disciples avaient découvert une toute nouvelle forme de physique: la mécanique quantique.

Remettre en question le modèle classique

Lorsque Bohr a publié ses résultats pour la première fois en 1913, Albert Einstein l'a appelé «musicalité dans la sphère de la pensée». Il poursuivrait également plus tard en disant: «Si tout cela est vrai, cela signifie la fin de la physique.» Bohr lui-même a déclaré que «[quiconque] n'est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas».

Einstein n'était pas seul dans ses réserves. Les protégés de Bohr et d’autres physiciens travaillant sur le modèle de Bohr proposaient des idées vraiment radicales. Heisenberg continuerait à montrer que vous ne pouviez pas observer la position d'une particule et observer son élan en même temps. Il introduirait également une «mécanique matricielle» étendue qui pourrait être utilisée pour calculer les propriétés des particules.

Erwin Schrodinger a proposé une théorie différente selon laquelle un électron n'était pas une particule, mais une fonction d'onde qui se propageait dans l'espace. À l'incrédulité de beaucoup à l'époque, il a été démontré que Schrödinger et Heisenberg étaient corrects et que leurs méthodes étaient interchangeables; et par extension qu'un électron était à la fois particule et onde.

Complémentarité: une nouvelle philosophie de la physique

L’une des contributions les plus controversées et les plus durables de Bohr au débat a été l’introduction du concept de complémentarité. Bohr a découvert que si vous deviez mesurer un électron avec un seul appareil, il se comporterait comme une particule. Faites la même mesure avec un autre appareil et soudain il s'est comporté comme une vague.

De tels résultats auraient rendu la plupart des physiciens fous à la recherche d'un moyen de réconcilier cette contradiction, mais Bohr a proposé qu'il était inutile d'essayer. Bohr a dit que notre compréhension de la lumière et d'autres phénomènes quantiques a été améliorée en la mesurant soit comme une particule, soit comme une onde, mais comme on ne pouvait pas faire les deux en même temps, l'observateur doit décider comment l'observer et accepter que cela exclut la possibilité. de l'observer différemment.

Plus radicalement, il a déclaré qu’il n’y avait pas de paradoxe à résoudre puisque la physique ne devait pas porter sur la chose étudiée, mais sur les résultats d’expériences et d’observations. De cette manière, la complémentarité a remis en question une grande partie de la philosophie de la physique qui tenait fermement à l'idée que les lois connaissables régissaient l'univers et tout ce qu'il contient, et que tout ce qui se trouve dans l'univers pouvait être défini par un ensemble unifié de propriétés.

En disant qu'une seule chose pourrait avoir plus d'une définition mutuellement exclusive de validité égale et que nous avons besoin des deux définitions pour vraiment comprendre la chose en question, il a déclenché une controverse métaphysique en physique qui se bat encore aujourd'hui.

Réaction aux idées de Bohr

Bien qu’il ait initialement accueilli et approuvé le travail de Bohr, Einstein allait devenir les critiques les plus célèbres de Bohr, même s’ils étaient personnellement proches. Einstein était marié à la vision déterministe de la physique, de sorte que l'imposition du hasard et de l'incertitude dans les fondements de la physique le troublait. Célèbre, il a fait remarquer que «Dieu ne joue pas aux dés avec l'univers».

Nul autre que Schrodinger lui-même a ajouté à la critique lorsqu'il a proposé sa plus célèbre expérience de pensée d'un chat dans une boîte dans laquelle la désintégration radioactive d'un atome à l'intérieur déclenche la libération de cyanure. Selon la mécanique quantique qu'il aide lui-même à construire, jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte pour voir si l'atome s'est désintégré, l'atome existe à la fois dans des états pourris et non désintégrés. Si cela était vrai, alors le chat de Schrödinger était à la fois vivant et mort en même temps.

Destiné à l'origine à prouver comment les nouvelles théories allaient dérailler, Schrödinger a confirmé par inadvertance la nature exaspérante et étrange de la mécanique quantique, puisque les superpositions de particules sont depuis longtemps un fait établi. L’atome radioactif dans la boîte de Schrödinger est en fait désintégré et pas tant qu’il n’a pas été observé; son chat est à la fois mort et vivant jusqu'à ce qu'un observateur ouvre la boîte.

Tenter de démêler ce problème et d'autres problèmes de mécanique quantique a même donné naissance à de nouveaux modèles de réalité, comme la théorie du multivers. De plus, le concept de complémentarité fait l'objet d'un débat intense non seulement dans le domaine de la physique, mais aussi parmi les philosophes, dont certains accusent Bohr de "positivis [m] simpliste".

D'autres attribuent négligemment à Bohr des idées qu'il n'a jamais exprimées. En particulier, certains critiques de la complémentarité affirment que cela signifie que la simple observation d'une particule change son comportement en un état mutuellement exclusif ou à l'autre.

Bohr, cependant, n'a jamais fait une telle affirmation, arguant seulement que lors de l'observation d'une particule avec un instrument spécifique, la particule réagira à cet instrument, de manière prévisible, comme une onde ou une particule et le fera à chaque fois. L'utilisation d'un autre instrument donnera un résultat différent et donc le choix de l'instrument par l'observateur dictera le comportement qu'il observera.

L'héritage durable de Bohr

Au cours du siècle dernier, les critiques de Bohr ont attendu une répudiation définitive du travail de Bohr qui n’est jamais venu. Au lieu de cela, la relativité d'Einstein a été confirmée à plusieurs reprises et développée par des physiciens plus tardifs comme feu Steven Hawking.

Pendant ce temps, les découvertes de Bohr soutiennent certaines des technologies les plus avancées actuellement en cours de développement. Les ordinateurs quantiques, entièrement construits sur les principes de l'intrication quantique qui ont conduit Einstein à la distraction, promettent une augmentation insondable de la puissance de calcul par rapport aux ordinateurs classiques et ont déjà été construits par des entreprises telles que Google et dans des laboratoires universitaires du monde entier.

Enfin, c'est Bohr lui-même qui a proposé que la complémentarité de ces différents ensembles de règles nous permette d'avoir une compréhension plus complète du monde dans lequel nous vivons. Pour cela et bien plus encore, nous nous souviendrons à jamais de son génie.


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