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La mécanique quantique, pourquoi ?

Bonsoir à tous,

Voici un extrait d'un article expliquant pourquoi la physique classique est insuffisante, et que historiquement, on a eu besoin de créer une nouvelle physique : La mécanique quantique :

... Alors, pourquoi la mécanique quantique ? La réponse est simple : Il restait à la fin de 19 ème siècle quelques expériences inexplicables dans le cadre de la physique classique. Il faut noter qu'un de ces problèmes conduira à une révolution de la physique du début du 20 ème siècle, la relativité restreinte, puis à son extension, la relativité générale, qui est une théorie de la gravitation, compatible avec la relativité restreinte : c'est là une autre histoire ! On peut résumer les échecs (qui nous intéressent présentement) de la physique classique à la fin du 19 ème siècle à trois problèmes.

- Le ''rayonnement du corps noir''. Sous ce nom obscur se cache un problème issu tout droit de la thermodynamique. Il est bien connu qu'un objet dont on élève la température change de couleur (un morceau de métal vire du noir au rouge, puis au blanc si on le chauffe). Le problème du ''rayonnement du corps noir'' est la modélisation idéalisée de cette expérience. Elle consiste à essayer de comprendre les caractéristiques du rayonnement électromagnétique qu'émet un tel corps ''idéal'' à une température donnée. Concrètement, un tel ''corps noir'' est bien approximé par ce qui se passe dans un four fermé. Expérimentalement, il a été possible de mesurer la répartition de l'énergie électromagnétique dans un tel four en fonction de la longueur d'onde électromagnétique. Cette courbe expérimentale n'a jamais pu être reproduite par un modèle reposant sur la mécanique statistique de Maxwell-Boltzman.

- L'effet ''photoélectrique''. On peut éjecter des électrons d'une plaque de métal en le ''bombardant'' d'ondes électromagnétiques (lumière ultra-violette). Le modèle classique prévoyait que la quantité d’électrons (et leurs vitesses en sortant du métal) soit uniquement reliée à l'intensité d'onde électromagnétique. En effet, dans la théorie classique, l'énergie d'une onde électromagnétique ne dépend que de cette intensité. Or, expérimentalement, on observe l'éjection d'électrons, seulement si le rayonnement électromagnétique a une longueur d'ondes plus petite qu'une certaine valeur de seuil. De plus, si la longueur d'onde est plus petite que cette valeur de seuil, on peut observer l'éjection d'électrons quelque soit l'intensité de ce rayonnement.

- Le ''spectre atomique''. Les atomes (isolés) émettent ou absorbent la lumière (et les ondes électromagnétiques en général) seulement pour certaines longueurs d'ondes très particulières. Cet ensemble de valeurs, qu'on appelle, le spectre de l'atome (ou raies spectrales), ne peut pas être expliqué par la physique classique.

On remarquera que ces trois situations font apparaître à la fois la matière (le four, la plaque de métal, l'atome) et la lumière (ou plus généralement les ondes électromagnétiques). C'est dans le cadre de cette interaction que la physique quantique s'est révélée expérimentalement en premier. Un autre problème de grande ampleur n'est pas évoquée ici, la radioactivité, découverte en 1896. Cette énigme ne sera pas un guide pour la construction de la physique quantique. Elle ne sera pleinement expliquée que bien plus tard, en utilisant à la fois la physique quantique, la relativité restreinte, et la théorie des particules élémentaires.

Fin de l'extrait.

Mes questions sont,

- Concernant le premier point sur le rayonnement du corps noir, pourquoi la mécanique statistique de Maxwell-Boltzman est incapable de concevoir la courbe expérimentale dont il est question dans ce premier point ? Que dit la mécanique statistique de Maxwell-Boltzman à ce propos ? Quelles sont les limites de la mécanique statistique de Maxwell-Boltzman ?

- Concernant le deuxième point sur l'effet photoélectrique, est-ce que vous pouvez traduire ce paragraphe en formules plus explicites pour que je puisse comprendre de quoi il s'agit ?

- Concernant le troisième point sur le spectre atomique, pourquoi la physique classique ne peut pas expliquer ce phénomène ? Qu'affirme la physique classique à ce propos ?

- Comment la radioactivité a été interprétée dans le cadre de la mécanique quantique ?

Merci d'avance.

Réponses

  • Merci Pablo pour ces questions et cet extrait. Peux-tu donner ici la référence de l'article en question ?

    C'est toujours très enrichissant ces énigmes et ces paradoxes pour guider une théorie vers un modèle cohérent et complet.

    En attendant des réponses à ces questions, je vous livre ici le résultat de mes réflexions (bien anciennes) sur ces questions : au lieu de créer une nouvelle physique exotique quantique, on pouvait aussi ajouter du quantique dans le classique (j'ai posté à ce sujet) et au moins une dimension "cachée" supplémentaire.
  • Bonjour serge burckel,

    Ci joint, tu trouveras l'article dont j'ai extrait ces quelques paragraphes cités plus haut.
    Regarde plus précisément les pages 1 et 2.

    Cordialement.
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