Table Of ContentManjit Kumar
LE GRAND ROMAN DE
lA PHYSIQUE QUANTIQUE
Einstein, Bohr ...
et le débat sur la nature de la réalité
Traduit de l'anglais par Bernard Sigaud
JCLattès
Titre de l'édition originale :
QUANTIJM
publiée par leon Books
Maquette de couverture : Atelier Didier Thimonier
Image de fond© Gary S. & Vivian Chapman/Getty Images.
Photo du cinquième congrès Solvay, © Benjamin Croupie, reproduite avec
l'aimable autorisation des Archives visuelles Emilio Segrè de l'AIP.
Photo Einstein et Bohr © Paul Ehrenfest, reproduite avec l'aimable autorisation
des Archives visuelles Emilio Segrè de l'AIP, collection Ehrenfest.
Dessins de Nicholas Halliday
ISBN: 978-2-7096-2465-7
© 2008, Manjit Kumar. Tous droits réservés.
© 2011, éditions Jean-Claude Lattès pour la traduction française.
Première édition avril2011.
Pour Lahmber Ram et Gurmit Kaur,
Pandora, Ravinder et Jasvinder.
Sommaire
Prologue ................ .......... ......... ........... ...... .......... ..... .......... ........ 11
1. LE QUANTUM
1. Révolutionnaire malgré lui................................................... 21
2. Le forçat des brevets............................................................. 53
3. Le Danois en or..................................................................... 95
4. L'atome quantique................................................................ 124
5. Lorsque Einstein rencontra Bohr ........................................ 151
6. Le prince de la dualité.......................................................... 182
ll. LA PHYSIQUE DES PETITS JEUNES
7. Les docteurs du spin ............................................................. 197
8. Le magicien du quantum..................................................... 221
9. « Un sursaut érotique tardif,, .............................................. 248
10. Incertitude à Copenhague .................................................. 276
m.
LES TITANS S'AFFRONTENT AUTOUR DE LA RÉALITÉ
11. Solvay 1927 ... . . . .......... ..... .... .... .................. ............. .... ........... 309
12. Einstein oublie la relativité................................................. 340
13. La réalité quantique ............................................................ 361
10 LE GRAND ROMAN DE lA PHYSIQUE QUANTIQUE
IV. DIEU JOUE-T-ll.. AUX Dts?
14. Le théorème de Bell sonne le glas .. .......... .... .. ............ ...... 395
15. Le démon quantique........................................................... 418
Chronologie .. . . ........... .......... ........... ....... ..... . . . ........ .... . . . .. . . .... ..... 429
Glossaire ..................................................................................... 441
Notes ........................................................................................... 457
Références . . . ... .... ...... ... ... ... . ....................... ..... ......... .......... ....... .. 495
Remerciements .......................................................................... 511
Index ........................................................................................... 513
Prologue
Au rendez-vous des cerveaux
Paul Ehrenfest était en larmes. Sa décision était prise. Il
allait bientôt assister à une réunion qui durerait une semaine
et où bon nombre des physiciens responsables de la révolu
tion quantique essaieraient de comprendre la signification de
ce qu'ils avaient créé. Il serait alors obligé d'informer son vieil
ami Albert Einstein qu'il avait pris le parti de Niels Bohr.
L'Autrichien Ehrenfest, trente-quatre ans, professeur de
physique théorique à l'université de Leyde, aux Pays-Bas, était
convaincu que l'univers atomique était aussi étrange et éthéré
que Bohr l'affirmait1•
Dans une note adressée à Einstein tandis qu'ils étaient assis
à la table de conférences, Ehrenfest griffonna: «Ne riez pas!
Il y a au purgatoire une section réservée aux professeurs de
physique quantique, où ils seront obligés d'écouter des cours
de physique classique dix heures par jour2• » «Je ne ris que
de leur naïveté, répondit Einstein. Qui sait qui rira [le
dernier] dans quelques années3 ? »Pour lui, il n'y avait pas là
de quoi rire, car c'était la nature même de la réalité et l'âme
de la physique qui étaient en jeu.
La photographie des participants du cinquième congrès
Solvay qui se tint à Bruxelles du 24 au 29 octobre 1927, sur le
thème «Électrons et photons», résume la période la plus
spectaculaire de l'histoire de la physique. Avec la présence de
dix-sept titulaires ou futurs lauréats du prix Nobel sur les
12 LE GRAND ROMAN DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE
vingt-neuf participants, ce congrès fut l'une des plus remar
quables rencontres de cerveaux qui se soientjamais tenues4• Il
marqua aussi la fin d'une ère de créativité en physique seule
ment comparable à la révolution scientifique du XVI( siècle
menée par Galilée et Newton.
Paul Ehrenfest est debout, légèrement penché en avant, au
dernier rang, troisième à partir de la gauche. Il y a neuf
personnes au premier rang. Huit hommes et une femme,
dont six titulaires d'un prix Nobel soit de physique, soit de
chimie. La femme a reçu les deux : celui de physique en
1903, celui de chimie en 1911. Son nom: Marie Curie. Au
centre, à la place d'honneur, un autre Prix Nobel : Albert
Einstein. Regardant droit devant lui, agrippant sa chaise de la
main droite, il semble ici le plus mal à l'aise. Est-ce le col
cassé et la cravate qui lui causent cette gêne, ou ce qu'il a
entendu la semaine précédente? Au bout de la deuxième
rangée, sur la droite, se trouve Niels Bohr, l'air détendu, avec
un sourire à demi malicieux. Pour lui, ce congrès a été une
réussite. Il rentrerait néanmoins au Danemark déçu de
n'avoir pu convaincre Einstein d'adopter son «interprétation
de Copenhague » de ce que la mécanique quantique révélait
sur la nature de la réalité.
Au lieu de céder à ses arguments, Einstein avait passé la
semaine à tenter de prouver que la mécanique quantique
était incohérente, que l'interprétation de Copenhague qu'en
donnait Bohr était erronée. Einstein dirait plus tard que
«cette théorie me rappelle un peu le système d'illusions d'un
paranoïaque excessivement intelligent, concocté à partir
d'éléments de pensées incohérents5 »,
Ce fut Max Planck, assis à la droite de Marie Curie, tenant
son chapeau d'une main et un cigare de l'autre, qui découvrit
le quantum. En 1900, il fut forcé d'admettre que l'énergie de
la lumière et de toutes les autres formes de rayonnement élec
tromagnétique ne pouvait être émise ou absorbée par la
matière que sous forme d'éléments individuels discrets.
Planck baptisa « quantum » (pluriel latin quanta) un paquet
individuel d'énergie. Le quantum d'énergie était une rupture
radicale avec l'idée, établie depuis longtemps, que l'énergie
était émise ou absorbée en continu, comme l'eau coulant du
PROLOGUE 13
robinet. Dans l'univers quotidien du macroscopique, où
régnait en maîtresse absolue la physique de Newton, l'eau
pouvait bien tomber goutte à goutte d'un robinet, mais
l'énergie ne s'échangeait pas sous forme de gouttelettes de
taille variable. Or l'univers atomique et subatomique de la
réalité était le domaine du quantum.
Avec le temps, on découvrit que l'énergie d'un électron à
l'intérieur d'un atome était « quantifiée » ; il ne pouvait
posséder que certaines quantités d'énergie et non d'autres. Il
en était de même d'autres propriétés physiques, et on
s'aperçut que l'univers microscopique était grumeleux et
discontinu et non un modèle réduit du monde à grande
échelle habité par les humains, où les propriétés physiques
varient sans heurts ni solutions de continuité, où aller de A en
C implique de passer par B. Or la physique quantique révéla
qu'un électron dans un atome peut être en un endroit et
puis, comme par magie, réapparaître en un autre endroit,
sans avoir été nulle part entre les deux, en émettant ou en
absorbant un quantum d'énergie. C'était un phénomène qui
échappait aux compétences de la physique classique non
quantique. C'était aussi bizarre que si un objet disparaissait
mystérieusement à Londres et réapparaissait un instant plus
tard à Paris, New York ou Moscou.
Au début des années 1920, il était depuis longtemps mani
feste que la progression de la physique quantique sur une
base ad hoc fragmentaire ne lui avait conféré ni fondement
solide ni structure logique. De cet état de confusion et de
crise émergea une audacieuse nouvelle théorie appelée méca
nique quantique. L'image de l'atome comme système solaire
miniature où les électrons gravitent autour du noyau, encore
enseignée aujourd'hui dans les écoles, fut abandonnée et
remplacée par un atome qu'il était impossible de se repré
senter. Puis, en 1927, Werner Heisenberg fit une découverte
qui heurtait tellement le bon sens que même lui, le Wunder
kind, l'enfant prodige de la mécanique quantique, eut du mal
au début à en saisir la signification. Le principe d'incertitude
énonçait que, si l'on voulait connaître la vélocité exacte d'une
particule, alors on ne pouvait en connaître la position exacte,
et vice versa.
