Des particules, des champs, une théorie classique et quantique

La théorie des quanta n'était pas quelque chose que les théoriques désiraient. La majorité d'eux se sont trouvés conduits, à son chagrin, à cette vision étrangère du monde parce que, malgré sa grandeur coléreuse, la théorie classique a quelques difficultés profondes.
La cause principale est le fait que doivent coexister deux types d'objets physiques : les particules, chacune d'elles décrites grâce à un nombre fini de paramètres, de trois positions et trois moments; et les champs qui requièrent un nombre infini de paramètres. Cette dichotomie n'est pas physiquement consistante. Pour qu'un système avec particules et champs ils soient dans un équilibre toute l'énergie des particules doit être cédée aux champs. C'est une conséquence du soi-disant phénomène "equipartición de l'énergie" : dans l'équilibre l'énergie est distribuée de la même façon entre tous les degrés de liberté du système. Puisque les champs ont des degrés infinis d'une liberté envers les particules il ne peut pas tout à fait leur rester pas du tout.
Les atomes classiques ne seraient pas stables puisque tout le mouvement des particules serait transféré aux manières ondulatoires des champs. Quand un électron orbital est bougé alededor du noyau il devrait émettre des ondes électromagnétiques d'une intensité croissante jusqu'à un infini dans une petite fraction de seconde. En même temps il décrirait une spirale qui se fermerait et plongerait dans le noyau. Cependant rien de cela n'est observé. Ce qui est observé est assez inexplicable sur la base de la théorie classique. Les atomes peuvent émettre des ondes électromagnétiques (une lumière) mais seulement dans un scintillement de fréquences discrètes spécifiques : les lignes pointues spectrales observées et les caractéristiques de chaque type d'élément. De plus, ces fréquences satisfont les règles qui ont rien à voir avec la théorie classique.
Une autre manifestation de l'instabilité de la coexistence de champs et de particules est le phénomène connu comme “radiation du corps noir”. En 1900 Rayleigh et des Jeans avaient cru que toute l'énergie serait absorbée par le champ, sans limite, dans ce qu'elle s'est appelée “catastrophe ultraviolette”. L'énergie continuerait de couler sans cesse vers le champ avec des fréquences chaque fois plus grandes.
Dans la même année, Max Planck a proposé une idée révolutionnaire pour éliminer les manières de haute fréquence du “corps noir” : que les oscillations électromagnétiques arrivent seulement dans “tous ceux que“ dont l'énergie E maintient une relation définie avec la fréquence f, donnée par : Et = h f, en étant h une nouvelle constante fondamentale de la Nature, maintenant connue comme constante de Planck. Avec cet ingrédient extravagant, Planck a pu obtenir un accord surprenant théorique avec la dépendance expérimentalement observée de l'intensité avec la fréquence, la maintenant une soi-disant loi de radiation de Planck.
Enfin les radiations électromagnétiques on pouvait seulement présenter dans des paquets discrets de soi-disant photons. La lumière, après tout, comme il avait insisté Newton deux siècles avant devait être formé "des particules", bien qu'au début du XIXe siècle Thomas Young a démontré qu'il consistait en ondes. Des ondes ou des particules ?. En 1923 le physicien français Louis de Broglie a proposé que les propres particules de matière se comportaient parfois comme ondes. La fréquence de l'onde de Broglie f, d'une particule de masse un m, satisfait la relation de Planck, combinée avec la relation une masse / énergie d'Einstein.

La dichotomie entre les particules / ondes ou les oscillations du champ, qui avait été une caractéristique de la théorie classique, n'est pas respectée dans la Nature. La Nature réussit à construire un monde consistant dans lequel les particules et les oscillations du champ sont la même chose.
Pour plus savoir :
- "Le nouvel esprit de l'empereur". Roger Penrose.
- "La lumière, quelque chose sur son histoire". LBT.
- "La physique quantique est facile". LBT.