Un regard approfondi sur la théorie quantique de Max Plancks

À la base de la physique moderne se trouve quelque chose appelé théorie quantique. Elle explique le comportement de l’énergie et de la matière à différents niveaux atomiques – atomique et subatomique. La théorie quantique englobe le fonctionnement des domaines de la physique communément appelés physique quantique et mécanique quantique et elle offre un regard plutôt intéressant sur les fondements de la physique moderne.

Les débuts de la théorie quantique

La théorie quantique a été présentée pour la première fois au grand public en l’an 1900, par un physicien nommé Max Planck. Il a présenté la théorie à la Société allemande de physique, plus précisément en présentant les résultats d’une expérience qu’il avait réalisée en s’intéressant à la couleur du rayonnement des corps incandescents (pas des corps humains, des corps physiques).

Dans l’expérience, il a constaté que s’il supposait que l’énergie existait en unités individuelles similaires à la matière, qu’il trouverait la réponse à la question initiale posée dans son expérience. Penser l’énergie de cette manière était nouveau et permettait de quantifier facilement l’énergie. Ces unités d’énergie qu’il a pu quantifier ont été nommées quanta par Planck dans ses écrits sur l’expérience et les équations mathématiques ultérieures.

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L’équation qui a formé les débuts de la théorie quantique a démontré qu’à certains niveaux de température, l’énergie dégagée par un corps incandescent existerait dans différentes zones du spectre de couleur, ou longueur d’onde. Planck imaginait initialement que sa découverte des quanta déclencherait la création d’une nouvelle théorie, mais ce qui s’est finalement produit, c’est qu’elle a complètement réécrit la compréhension que l’humanité avait des lois de la nature.

Fonctions d’onde de l’électron dans un atome d’hydrogène à différents niveaux d’énergie. La mécanique quantique ne peut pas prédire l’emplacement exact d’une particule dans l’espace, mais seulement la probabilité de la trouver à différents endroits. Source : PoorLeno/Wikimedia

En 1918, Planck a remporté le prix Nobel pour sa découverte et ses recherches sur les quanta. Il est toutefois important de noter que si les recherches de Planck ont jeté les bases de la théorie quantique moderne, des dizaines, voire des centaines d’autres scientifiques ont travaillé dans les années précédentes pour permettre à Planck de faire cette découverte au moment même où il l’a faite. En regardant de plus près la chronologie, nous pouvons voir comment la théorie a progressé après la découverte.

La chronologie du développement de la théorie quantique

1900 : Planck fait la découverte initiale, ou plutôt l’hypothèse, que l’énergie était constituée d’unités appelées quanta.

1905 : Albert Einstein théorise que l’énergie et le rayonnement pourraient être quantifiés de la même manière que Planck avait théorisé les quanta.

1924 : Louis de Broglie propose pour la première fois qu’il n’y a pas de différence entre l’énergie et les particules dans sa théorie de la dualité onde-particule, également démontrée dans la célèbre expérience de la double fente.

1927 : Un scientifique du nom de Werner Heisenberg a théorisé que la mesure de deux valeurs complémentaires en même temps, comme la position et l’impulsion d’une particule subatomique donnée, serait impossible. Cette théorie s’oppose radicalement à la physique traditionnelle et est connue sous le nom de principe d’incertitude.

Maintenant que nous avons examiné de plus près la chronologie du développement de la théorie quantique, regardons de plus près qui était exactement Max Planck.

Qui était Max Planck?

Né en avril 1858, Max Karl Ernst Ludwig Planck (tout un nom) était un physicien théoricien à l’origine de la théorie quantique, qui, comme nous l’avons évoqué, lui a valu le prix Nobel de physique en 1918. De son vivant, il a apporté des contributions majeures au domaine de la physique théorique, mais la théorie quantique reste sa plus grande réalisation.

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La théorie quantique aux mains de Planck a complètement révolutionné notre compréhension et notre conceptualisation des particules et des processus quantiques. Elle pourrait être assimilée en gravité de la théorie de la relativité d’Alber Einstein qui a changé notre compréhension de l’espace et du temps.

Le Dr Planck à son bureau. Source : George Grantham Bain/Public Domain

La théorie quantique et la théorie de la relativité illustrent toutes deux les fondements de toute la physique des années 1900, obligeant les chercheurs à repenser leur façon d’aborder le monde qui les entoure.

Planck est décédé à l’âge de 89 ans en 1947 en Allemagne.

Interprétation de la théorie quantique

Les principales méthodes d’interprétation de la théorie quantique sont connues comme l’interprétation de Copenhague et la théorie des nombreux mondes. La théorie de Copenhague propose qu’une particule est ce qu’elle est mesurée. En d’autres termes, si vous mesurez une particule comme une onde, c’est une onde. Cependant, elle stipule également que vous ne pouvez pas supposer qu’elle possède des propriétés spécifiques ou qu’elle existe tant que vous ne l’avez pas mesurée. C’est une façon détournée d’insister sur le fait que la réalité physique n’existe pas tant qu’on ne l’observe pas. Cela mène à l’idée de superposition, qui signifie qu’une particule ou un objet donné peut se trouver dans un nombre quelconque d’endroits potentiels à la fois pendant la période où nous ne connaissons pas sa position, ou ne l’observons pas.

La célèbre expérience de pensée du chat de Schrodinger est la parfaite illustration de cette interprétation de la théorie quantique.

La théorie des nombreux mondes ou théorie des multivers. Celle-ci stipule que dès que le potentiel d’existence d’un objet se produit, l’univers se divise en une série d’univers parallèles où les deux états de cet objet existent. Cette théorie est à la base de séries télévisées comme Rick et Morty ou d’autres histoires de science-fiction populaires, mais en fin de compte, c’est une interprétation très réelle de la théorie quantique.

Stephen Hawking et Richard Feynman ont tous deux exprimé qu’ils préféraient le style d’interprétation de la théorie des multivers.

En fin de compte, la théorie quantique et les recherches de Planck ont radicalement influencé le travail des physiciens et des chercheurs au cours des 100 dernières années. Les implications de la théorie quantique peuvent cependant être un peu ahurissantes, provoquant même la réticence de Planck lui-même à leur égard en son temps. Les principes fondamentaux de la théorie continuent toutefois d’être répétés et prouvés par des expériences ultérieures. La physique, à bien des égards, sera encore étoffée au cours du siècle prochain, mais son fondement de la théorie quantique posé par Max Planck est probablement là pour rester.

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