thumb|À Bruxelles, le congrès Solvay de 1927 a réuni des physiciens connus de l'époque, au nombre desquels figurent la plupart des fondateurs de la mécanique quantique. De l'arrière vers l'avant et de gauche à droite : Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph H. Fowler, Léon Brillouin, Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr, Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie (seule femme), Hendrik Antoon Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson. 1927 est une année charnière dans le passage des théories dites semi-classiques aux théories quantiques proprement dites.
L'histoire de la mécanique quantique commence traditionnellement avec le problème de la catastrophe ultraviolette et sa résolution en 1900 par l'hypothèse de Max Planck stipulant que tout système atomique irradiant de l'énergie peut être divisé en « éléments d'énergie » discrets liés à la constante h qui, depuis, porte son nom (constante de Planck).
Après la découverte des quanta d'énergie lumineuse par Einstein en 1905, la théorie des quanta vit le jour et commença par remporter nombre de succès expérimentaux, notamment en physique atomique. Cette théorie était cependant restée "semi-classique" en ce qu'elle supposait encore l'existence d'ondes classiques et de corpuscules matériels ayant chacun des trajectoires bien définies. C'était aussi le cas de la mécanique ondulatoire après la découverte des ondes de matière de Louis de Broglie. Nombre de problèmes de physique atomique continuaient à leur résister.
C'est à partir des années 1920 que deux autres théories, rompant avec les concepts classiques d'ondes, de corpuscules, de trajectoires, de localité et de déterminisme et utilisant un formalisme mathématique abstrait (état quantique, fonction d'onde) furent mises au point, notamment par Werner Heisenberg et Max Born d'une part (École de Copenhague, mécanique matricielle) et Erwin Schrödinger de l'autre. L'expression « mécanique quantique » fut utilisée pour la première fois en 1924 par Max Born dans son article Zur Quantenmechanik.
John von Neumann démontra en 1932 que ces deux approches (matrices et fonctions d'onde) étaient mathématiquement équivalentes. On les utilise toujours toutes les deux, en fonction des situations, et on appelle « mécanique quantique » la théorie commune qu'elles traduisent de deux manières différentes.
Par la suite, la mécanique quantique fut complétée pour donner naissance à des théories encore plus générales (électrodynamique quantique, théorie quantique des champs, chromodynamique quantique…) sans que les fondations parfois résumées sous le nom de postulats de la mécanique quantique ne soient, jusqu'à présent, remis en question.
Un survol de l'histoire
En 1900, le physicien allemand Max Planck introduisit l'idée de quantification de l'énergie, afin de proposer une formule pour la dépendance en fréquence observée pour l'énergie émise par le corps noir. Cette quantification supprime la possibilité pour le rayonnement du corps noir d'atteindre une énergie infinie (phénomène de catastrophe ultraviolette).
En 1905, Albert Einstein expliqua l'effet photoélectrique en postulant que la lumière, ou plus généralement toute radiation électromagnétique, peut être divisé en un nombre fini de « quanta d'énergie » qui sont des points localisés dans l'espace. La loi de Planck ne nécessitait de supposer la quantification de l'énergie qu'à l'émission d'une onde électromagnétique, mais ne nécessitait pas de supposer que cette énergie restait ensuite quantifiée en tout point de l'espace. En revanche, ceci est nécessaire pour expliquer l'effet photoélectriqueHolton & Brush Physics, the Human Adventure, Rutgers University Press, 2005. . Dans l'introduction de son article de , Sur un point de vue heuristique concernant l'émission et la transformation de la lumière, Albert Einstein indiqua : Ce postulat a été considéré comme la phrase la plus révolutionnaire écrite par un physicien au cours du . Ces quanta d'énergie seront appelés plus tard « photons », terme introduit par Gilbert Newton Lewis en 1926.
En 1913, Niels Bohr expliqua les raies spectrales de l'atome d'hydrogène, en utilisant de nouveau la quantification, dans son article de On the Constitution of Atoms and MoleculesEn français : sur la constitution des atomes et molécules.. Ces théories, bien que pertinentes, étaient strictement phénoménologiques : il n'existait pas de justification rigoureuse pour la quantification (à part peut-être la discussion dans l'article Sur la théorie des quanta de 1912 d'Henri Poincaré). Elles sont connues sous la désignation d'ancienne théorie quantique. L'expression « physique quantique » fut employée pour la première fois dans le Planck's Universe in Light of Modern Physics de Johnston (1931).
En 1924, le physicien français Louis de Broglie proposa sa théorie d'ondes de matière en postulant que les particules pouvaient montrer des caractéristiques ondulatoires, et vice-versa pour la lumière. Cette théorie valait pour toute matière, était directement issue de la théorie de la relativité restreinte, mais n'était pas algébriquement maniable, notamment dans le cadre d'une interaction entre la particule et un champ de force.
Construite sur l'approche de de Broglie, la mécanique quantique moderne naquit en 1925, lorsque les physiciens allemands Werner Heisenberg et Max Born développèrent la mécanique matricielle et le physicien autrichien Erwin Schrödinger inventa la mécanique ondulatoire et proposa l'équation dite de Schrödinger non-relativiste comme approximation à la généralisation de la théorie de de Broglie (voir Hanle (1977)). Paul Dirac démontra par la suite que les deux approches étaient équivalentes.
Werner Heisenberg formula son principe d'incertitude en 1927, et l'interprétation de Copenhague commença à prendre forme à peu près à la même époque. À partir de 1926 environ, avec l'équation de Klein-Gordon, puis avec l'équation de Dirac (1927) pour l'électron, commença le processus d'unification de la mécanique quantique et de la relativité restreinte. Cette dernière équation permit la description relativiste de la fonction d'onde électronique que Schrödinger avait échoué à obtenir. Elle prédisait le spin électronique et conduisit Paul Dirac à postuler l'existence du positron. Il initia l'utilisation de la théorie de l'opérateur, y incluant l'influente notation bra-ket, comme décrite dans son fameux livre de 1930. Dans la même période, le mathématicien hongrois John von Neumann formula la base mathématique rigoureuse pour la mécanique quantique comme théorie d'opérateurs linéaires sur des espaces de Hilbert, comme il le décrivit dans son célèbre livre de 1932. Ces travaux, comme d'autres de la période de fondation sont toujours valables et largement utilisés.
redresse=1.5|vignette|Représentation des nuages de probabilité de présence de l'électron d'un atome d'hydrogène (en haut) et des isosurfaces à 90 % (en bas) pour les orbitales 1s, 2s et 2p. Les couleurs indiquent la phase de la fonction d'onde : positive en rouge, négative en bleu.
Le champ plus spécifique de la chimie quantique fut abordé initialement par les physiciens Walter Heitler et Fritz London, qui publièrent une étude de la liaison covalente de la molécule de dihydrogène en 1927. La chimie quantique fut par la suite développée par un nombre important de chercheurs, comme le chimiste théoricien américain Linus Pauling à Cal Tech, et John Slater dans de nombreuses théories comme la théorie de l'orbitale moléculaire ou la théorie de la valence.
Dès 1927, des essais furent effectués pour appliquer la mécanique quantique à des champs plutôt qu'à de simples particules, donnant naissance à ce qui est connu sous le nom générique de théorie quantique des champs. Des chercheurs comme Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf, et Pascual Jordan comptent parmi les pionniers de cette discipline. Cette voie de recherche atteint son apogée avec la formulation de l'électrodynamique quantique par Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, et Sin-Itiro Tomonaga au cours des années 1940. L'électrodynamique quantique est une théorie quantique des électrons, positrons et du champ électromagnétique, et servit de modèle de base pour des théories du champ quantique plus poussées. La théorie de la chromodynamique quantique fut énoncée au début des années 1960. La théorie que nous connaissons aujourd'hui fut formalisée par Politzer, Gross et Wilzcek en 1975. En se basant sur le travail pionnier de Julian Schwinger, Peter Higgs et Jeffrey Goldstone, Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam montrèrent de manière indépendante comment la force nucléaire faible et l'électrodynamique quantique pouvaient être fusionnées en la seule force électrofaible.
Grandes branches et évolutions de la théorie quantique Théories "semi-classiques" ou transitoires (1900-1925 environ) : Théorie des quanta Mécanique ondulatoire Mécanique matricielle
Développement des théories quantiques "modernes" : Mécanique quantique (depuis 1927) Électrodynamique quantique (principalement dans les années 1940) Théorie quantique des champs (principalement dans les années 1950) Chromodynamique quantique (depuis les années 1960)
Recherches en cours : Gravité quantique (Théorie des cordes , Gravitation quantique à boucles , ...)
Chronologie La chronologie suivante montre les étapes clés et les contributeurs dans le développement de la mécanique quantique et la chimie quantique.