Le but de cet article est de présenter une introduction accessible, non technique, au sujet. Pour l'article encyclopédique consulter Mécanique quantique.
La mécanique quantique est la science de l'infiniment petit : elle regroupe l'ensemble des travaux scientifiques qui interprètent le comportement des constituants de la matière, et ses interactions avec l'énergie, à l'échelle des atomes et des particules subatomiques.
La physique classique décrit la matière et l'énergie à l'échelle humaine, dans leur observation de tous les jours, y compris les corps célestes. Elle reste fondamentale pour tout ce qui concerne les mesures physiques pour la science moderne et la technologie. Mais à la fin du , les scientifiques ont découvert des phénomènes que la physique classique ne pouvait expliquer, tant à l'échelle macroscopique que microscopique. Comme l'explique Thomas Kuhn dans son analyse sur la philosophie des sciences, La Structure des révolutions scientifiques, la compréhension de ces paradoxes a donné lieu à deux révolutions majeures en physique qui ont changé le paradigme de la science : la théorie de la relativité et le développement de la mécanique quantique.
Cet article décrit comment les physiciens ont découvert les limitations de la physique classique et développé les principaux concepts de la théorie quantique qui l'ont remplacée dans les premières décennies du . Ces concepts sont globalement décrits dans l'ordre de leur découverte. Pour une description plus détaillée, voir l'Histoire de la mécanique quantique.
En physique, le mot « quantum » désigne la quantité minimale de toute entité physique impliquée dans une interaction. Certaines caractéristiques de la matière ne peuvent prendre que certaines valeurs précises distinctes les unes des autres, elles sont dites « discrètes ».
La lumière se comporte parfois comme des particules, parfois comme des ondes. La matière, composée de particules telles que les électrons et les atomes, présente aussi des comportements duaux. Certaines sources de lumière, comme les lampes néon, émettent uniquement sur certaines longueurs d'onde. La mécanique quantique montre que la lumière, comme les autres formes de rayonnement électromagnétique, est composée d'éléments discrets appelés « photons » ; elle est capable de prédire les énergies, les couleurs et les intensités de son spectre.
Certains aspects de la mécanique quantique peuvent sembler contraires à la logique, et même paradoxaux, du fait qu'ils décrivent des phénomènes très différents de ce que l'on peut observer à des échelles plus grandes. Selon Richard Feynman, la mécanique quantique traite de « la Nature telle qu'elle est : absurde ».. Par exemple, le principe d'incertitude énonce que plus on mesure précisément une caractéristique d'une particule (disons sa position), moins sera précise toute autre mesure de cette même particule (comme sa quantité de mouvement).
La première théorie quantique : Max Planck et le rayonnement du corps noir
thumb|left|Travail à chaud du métal : l'éclat jaune-orangé résulte du rayonnement thermique émis par la haute température de l'objet. Les autres pièces émettent aussi des rayonnements mais à fréquences trop petites pour l'œil humain. Une caméra infrarouge pourrait les montrer. Le rayonnement thermique émis par la surface d'un objet est un rayonnement électromagnétique dû à son énergie interne. Si un objet est suffisamment chauffé, il commence à émettre de la lumière du côté rouge du spectre visible.
Si on continue à le chauffer, il passera du rouge au jaune, puis au blanc et au bleu au fur et à mesure que la fréquence de la lumière émise augmente. Un objet parfait est aussi bon émetteur qu'absorbeur : froid il sera parfaitement noir parce qu'il absorbera tout rayonnement et n'en émettra aucun. Ainsi, un objet thermique idéal est appelé « corps noir », et le rayonnement correspondant « rayonnement du corps noir ».
À la fin du , le rayonnement thermique était bien défini. Pourtant, la physique classique qui avait abouti à la loi de Rayleigh-Jeans et décrivait bien les résultats expérimentaux aux fréquences faibles, était incohérente pour les fréquences hautes (voir schéma ci-contre). Les physiciens ont alors cherché une théorie globale qui expliquerait tous les phénomènes observés.
thumb|Prédictions sur les quantités de rayonnement thermique selon les fréquences émises par un corps. En vert, les valeurs correctes données par la loi de Planck ; en rouge, les valeurs classiques données par la loi de Rayleigh-Jeans ; en bleu, l'approximation de Wien. Le premier modèle qui permettait de décrire le spectre des rayonnements thermiques a été proposé par Max Planck en 1900Cette théorie a été publiée en allemand : . Traduction anglaise : On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum.. Dans son modèle mathématique, le rayonnement thermique était en équilibre avec un ensemble d'oscillateurs harmoniques. Pour reproduire les résultats expérimentaux, il devait supposer que chaque oscillateur produisait un nombre entier d'unités d'énergie pour sa fréquence caractéristique, plutôt que d'émettre une quantité arbitraire. En d'autres termes, l'énergie de chaque oscillateur était « quantifiée ». Le quantum d'énergie de chaque oscillateur était, selon Planck, proportionnel à la fréquence de l'oscillateur ; ce coefficient de proportionnalité est maintenant connu sous le nom de constante de Planck.
La constante de Planck, notée h, vaut environ . Ainsi, l'énergie E d'un oscillateur de fréquence f est donnée par : .
Pour changer la couleur d'un tel objet rayonnant, il faut modifier sa température. La loi de Planck, établissant une relation directe - une loi de puissance - entre la température d'un corps et l'énergie rayonnée, explique pourquoi : l'augmentation de la température d'un corps lui permet d'émettre plus d'énergie, ce qui entraîne une plus grande proportion d'énergie émise du côté violet du spectre.
La loi de Planck a été la première théorie quantique, et Planck a obtenu le prix Nobel en 1918 « en reconnaissance des services rendus et des progrès de la physique dus à sa découverte des quanta d'énergie ».. À cette époque, Planck pensait que la quantification n'était qu'une construction purement mathématique, alors qu'elle est maintenant considérée comme un changement fondamental dans notre compréhension du monde..
Les photons : la quantification de la lumière thumb|Albert Einstein vers 1905. En 1905, Albert Einstein fait un pas en avant. Il suggère que la quantification n'est pas une simple construction mathématique, mais que l'énergie d'un faisceau lumineux est réellement découpée en paquets, qu'on appelle maintenant les photons. L'énergie d'un photon est donnée par sa fréquence multipliée par la constante de Planck :
Pendant des siècles, les scientifiques ont débattu entre deux théories possibles pour la lumière : était-ce une onde ou plutôt un flux de petites particules ? Au , le débat semblait avoir été réglé en faveur de la théorie ondulatoire, vu qu'elle expliquait les comportements observés tels que la réfraction, la diffraction, l’interférence et la polarisation. James Clerk Maxwell avait montré que l'électricité, le magnétisme et la lumière avaient pour origine le même phénomène : le champ électromagnétique. Les équations de Maxwell, qui forment l'ensemble des lois de l'électromagnétisme classique, décrivent la lumière comme une onde : une combinaison oscillatoire de champs, électrique et magnétique. Du fait de la prépondérance de preuves en faveur de la théorie ondulatoire, les idées d'Einstein ont été accueillies avec un grand scepticisme. Puis, finalement, le modèle des photons a pris le dessus. Une des preuves les plus importantes en sa faveur était sa capacité à expliquer plusieurs propriétés intrigantes de l'effet photoélectrique, décrit ci-dessous. Cependant, l'analogie avec les ondes restait valide pour comprendre les autres caractéristiques de la lumière telles que la diffraction, la réfraction et l'interférence.
L'effet photoélectrique
alt=|vignette|La lumière rayonne sur un métal. Si la lumière a une fréquence suffisante (elle contient suffisamment d'énergie), des électrons sont éjectés. En 1887, Heinrich Hertz a observé que lorsque la lumière touchait une surface métallique avec une fréquence suffisante, elle émettait un électron. En 1902, Philipp Lenard a découvert que l'énergie maximale possible d'un électron éjecté était liée à la fréquence de la lumière et non à son intensité : si la fréquence est trop basse, aucun électron n'est éjecté, quelle que soit l'intensité. Ainsi, de forts faisceaux lumineux qui se trouvent du côté rouge du spectre peuvent ne produire aucun potentiel électrique, alors que de faibles faisceaux émis vers le côté violet du spectre peuvent produire des courants très forts. La plus basse fréquence de lumière qui provoque l'émission d'un électron, appelée « fréquence seuil », est différente pour chaque métal. Cette observation va à l'encontre de l'électromagnétisme classique qui prédit que l'énergie de l'électron doit être proportionnelle à l'intensité du rayonnement. Lorsque les physiciens ont étudié les premiers dispositifs utilisant l'effet photoélectrique, ils s'attendaient à ce qu'une plus grande intensité de lumière produise un plus grand courant dans le dispositif.
Einstein a expliqué cet effet en postulant qu'un faisceau lumineux est composé de particules (les photons), et que, si le faisceau a une fréquence , alors chaque photon a une énergie égale à . Un électron a une forte probabilité d'être percuté par un seul photon, ce qui communique à cet électron une énergie valant au plus . En conséquence, l'intensité du faisceau électrique n'a aucun effet et seule sa fréquence détermine l'énergie maximale qui peut être communiquée à un électron.
Pour expliquer l'effet de seuil, Einstein a affirmé qu'une certaine quantité d'énergie était nécessaire, appelée « travail de sortie » et notée , pour extraire un électron du métal. Cette quantité d'énergie diffère pour chaque métal. Si l'énergie du photon est inférieure au travail de sortie, alors il ne possède pas assez d'énergie pour faire sortir l'électron du métal. La fréquence seuil, , est la fréquence d'un photon dont l'énergie est égale au travail de sortie :
Si est supérieure à , l'énergie est suffisante pour extraire un électron. L'électron éjecté a une énergie cinétique , qui est au plus égale à l'énergie du photon moins l'énergie nécessaire pour extraire l'électron du métal :
La description de la lumière, composée de particules, faite par Einstein a étendu la notion d'énergie quantifiée de Planck : elle énonce qu'un photon ayant une fréquence donnée , transporte une quantité d'énergie invariante . En d'autres termes, un photon peut transporter plus ou moins d'énergie, mais elle dépendra uniquement de sa fréquence. Dans la nature, on rencontre rarement des photons seuls. Le Soleil et les autres sources disponibles au émettent un grand nombre de photons chaque seconde ; l'importance de l'énergie transportée par chaque photon n'était donc pas évidente. L'idée d'Einstein que l'énergie contenue dans une unité de lumière dépend de sa fréquence a permis d'expliquer des résultats expérimentaux qui semblaient jusqu'ici paradoxaux. Cependant, bien que le photon soit une particule, il continuait à être décrit par une propriété ondulatoire : sa fréquence. Une fois de plus, l'état corpusculaire de la lumière était discrédité.
Les conséquences de la quantification de la lumière