Mécanique quantique

La mécanique quantique est un ensemble de principes constituant la description la plus principale connue à ce jour de l'ensemble des dispositifs physiques.



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Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Le journal Nature fait écho d'une proposition de test d'une formulation alternative de la mécanique quantique : la théorie de Bohm-de Broglie. (source : futura-sciences)
  • La mécanique quantique est la théorie physique issue d'un des plus grands défis de la science : celui de vouloir comprendre le comportement des particules... (source : e-scio)
  • La mécanique quantique est inévitable. Toute la physique est quantique, des particules élémentaires aux étoiles et au Big Bang en passant par les ... (source : livre.fnac)


La mécanique quantique est un ensemble de principes constituant la description la plus principale connue à ce jour de l'ensemble des dispositifs physiques. Cette description refonde et complète la physique classique, celle-ci échouant dans sa description du monde microscopique (atomes et particules) et de certaines propriétés du rayonnement électromagnétique.

Les principes fondamentaux de la mécanique quantique ont été établis principalement entre 1922 et 1927 par les physiciens Bohr, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Jordan, Pauli et Schrödinger.

Les principes de la mécanique quantique se révèlent en rupture avec ceux de la physique classique, surtout en mettant en évidence une dualité onde-corpuscule principale, ainsi qu'en abandonnant la notion de valeur déterminée pour certains états physiques (comme la position et la vitesse) en faveur de probabilités. Le fait que la mécanique quantique implique l'existence d'états intriqués suggère que le monde physique se comporte de façon non-locale.

Cependant, les phénomènes classiques peuvent être dérivées avec une bonne approximation des lois de la physique quantique, surtout lorsque la plupart de particules sont en jeu. Les lois quantiques s'appliquent surtout aux dispositifs d'échelle atomique (atome, molécules, électrons, photons et autres particules subatomiques). Il existe des exceptions pour certains dispositifs macroscopiques exhibant des comportements quantiques comme la superfluidité.

La mécanique quantique forme le pilier de la physique quantique. Cette dernière s'est étendue à partir de la mécanique quantique aux phénomènes relativistes ainsi qu'aux champs (théorie quantique des champs) jusqu'au modèle standard de la physique des particules.


Introduction

Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique fixe un cadre mathématique cohérent qui a permis de remédier à l'ensemble des désaccords entre certains résultats expérimentaux mis en évidence à la fin du XIXe siècle et les prédictions théoriques correspondantes de la physique classique.

La mécanique quantique a repris et développé l'idée de dualité onde-particule introduite par Louis de Broglie en 1924 consistant à considérer les particules de matière non pas uniquement comme des corpuscules ponctuels, mais également comme des ondes, possédant une certaine étendue spatiale (voir Mécanique ondulatoire). Niels Bohr a introduit le concept de «complémentarité» pour résoudre cet apparent paradoxe : tout objet physique est bien à la fois une onde et un corpuscule, mais ces deux aspects, mutuellement exclusifs, ne peuvent être observés simultanément[1]. Si on observe une propriété ondulatoire, l'aspect corpusculaire disparaît. Réciproquement, si on observe une propriété corpusculaire, l'aspect ondulatoire disparaît.

En 2008, aucune contradiction n'a pu être décelée entre les prédictions de la mécanique quantique et les tests expérimentaux associés. Malgré cela, la théorie continue d'être mal comprise par le public car elle repose sur un formalisme mathématique abstrait, qui rend son abord assez complexe pour le profane.

Quelques exemples de succès

Historiquement, la théorie a en premier lieu permis de décrire correctement les structures électroniques des atomes et des molécules, mais aussi leurs interactions avec un champ électromagnétique. Elle permet aussi d'expliquer le comportement de la matière condensée, surtout :

Un autre grand succès de la mécanique quantique fut de résoudre le paradoxe de Gibbs : en physique statistique classique, des particules semblables sont reconnues comme étant discernables, et l'entropie n'est alors pas une grandeur extensive. L'accord entre la théorie et l'expérience fut rétabli en tenant compte du fait que des particules semblables sont indiscernables en mécanique quantique.

La théorie quantique des champs, généralisation relativiste de la mécanique quantique, permet quant à elle de décrire les phénomènes où le nombre total de particules n'est pas conservé : radioactivité, fission nucléaire (c'est-à-dire la désintégration du noyau atomique) et fusion nucléaire.

Équation de Schrödinger

Icône de détail Article détaillé : Équation de Schrödinger.

Interprétation physique de la fonction d'onde

L'interprétation physique de la fonction d'onde Ψ sera donnée par Born en 1926 : le module au carré de cette fonction d'onde  \left| \Psi \right|ˆ2  =  \overline{\Psi} \Psi représente la densité de probabilité de présence de la particule reconnue, c'est-à-dire que :

 dP(\vec{r},t) \ = \ \left| \Psi(\vec{r},t) \right|ˆ2 \ dV

s'interprète comme étant la probabilité de trouver la particule dans un petit volume dV localisé au voisinage du point \vec{r} de l'espace à l'instant t. Surtout, la particule étant obligatoirement localisée quelque part dans l'espace entier, on a la condition de normalisation :

 \iiint dP(\vec{r},t) \ = \ \iiint \left| \Psi(\vec{r},t) \right|ˆ2 \ dV \ = \ 1

Cette interprétation statistique pose un problème quand le dispositif quantique étudié est l'Univers entier, comme en cosmologie quantique. Dans ce cas, les physiciens théoriciens utilisent préférentiellement l'interprétation dite des «mondes multiples» d'Everett.

Méthodes de résolution

En dehors de quelques cas spécifiques où on sait l'intégrer précisément, l'équation de Schrödinger ne se prête généralement pas à une résolution analytique exacte. Il faut alors :

  • soit la résoudre numériquement. Cette résolution numérique permet surtout de visualiser la disposition curieuse des orbitales électroniques.

Formalisme de Dirac : bras, kets, et postulats fondamentaux

Icône de détail Article détaillé : Notation bra-ket.

Dirac a introduit en 1925 une notation puissante[2], dérivée de la théorie mathématique des formes linéaires sur un espace vectoriel. Dans ce formalisme abstrait, les postulats de la mécanique quantique prennent une forme concise et spécifiquement élégante.


Formulation de la mécanique quantique par intégrale de chemin

Richard Feynman dans sa thèse en 1942 introduit la notion d'intégrale de chemin pour présenter une nouvelle formulation de la mécanique quantique [3]. Ces résultats ne seront publiés qu'en 1948 [4] à cause de la seconde guerre mondiale. A terme, l'objectif de cette approche serait de formuler une théorie de l'électrodynamique quantique relativiste en développant la quantification par intégrale de chemin. Si aujourd'hui on retient le formalisme Hamiltonien de la mécanique quantique pour traiter des problèmes classiques (au sens non relativiste), il s'avère que la formulation de Feynman est beaucoup prédominante pour traiter les problèmes relativistes surtout en théorie quantique des champs, l'avantage c'est que cette approche est non perturbative.

D'autre part en 1953 Feynman appliqua son approche pour formuler la mécanique statistique quantique par intégrale de chemin (intégrale de Wiener, formule de Feynman-Kac) et tenta d'expliquer la transition lambda dans l'hélium superfluide.

Mécanique quantique et relativité

Icône de détail Article détaillé : Théorie quantique des champs.

La mécanique quantique est une théorie non relativiste : elle n'incorpore pas les principes de la relativité restreinte. En appliquant les règles de la quantification canonique à la relation de dispersion relativiste, on obtient l'équation de Klein-Gordon (1926). Les solutions de cette équation présentent cependant de sérieuses difficultés d'interprétation dans le cadre d'une théorie censée décrire une seule particule : on ne peut surtout pas construire une densité de probabilité de présence partout positive, car l'équation contient une dérivée temporelle seconde. Dirac cherchera alors une autre équation relativiste du premier ordre en temps, et obtiendra l'équation de Dirac, qui décrit particulièrement bien les fermions de spin un-demi comme l'électron.

La théorie quantique des champs permet d'interpréter l'ensemble des équations quantiques relativistes sans difficulté.

L'équation de Dirac incorpore naturellement l'invariance de Lorentz avec la mécanique quantique, mais aussi l'interaction avec le champ électromagnétique mais qui est traité toujours de façon classique (on parle d'approximation semi-classique). Elle forme la mécanique quantique relativiste. Mais du fait exactement de cette interaction entre les particules et le champ, il est alors indispensable, afin d'obtenir une description cohérente de la totalité, d'appliquer la procédure de quantification aussi au champ électromagnétique. Le résultat de cette procédure est l'électrodynamique quantique dans laquelle l'unité entre champ et particule est toujours plus transparente puisque désormais la matière elle aussi est décrite par un champ. L'électrodynamique quantique est un exemple spécifique de théorie quantique des champs.

D'autres théories quantique des champs ont été développées ensuite au fur et à mesure que les autres interactions principales ont été découvertes (théorie électrofaible, puis chromodynamique quantique).

Les inégalités de Heisenberg

Icône de détail Article détaillé : Principe d'incertitude.

Les relations d'incertitude de Heisenberg traduisent l'impossibilité de préparer un état quantique correspondant à des valeurs précises de certains couples de grandeurs conjuguées. Ceci est lié au fait que les opérateurs quantiques associés à ces grandeurs classiques ne commutent pas.

Inégalité position-impulsion

Considérons par exemple la position x\, et l'impulsion p_x\, d'une particule. En utilisant les règles de la quantification canonique, il est facile de vérifier que les opérateurs de position et d'impulsion vérifient :

 \left[ \hat{x}ˆi ,  \hat{p}_j \right] f( \vec{r} ) \ = \ \left(  \hat{x}ˆi  \hat{p}_j - \hat{p}_j \hat{x}ˆi \right) f( \vec{r} ) \ = \ i  \hbar \ \deltaˆi_j \ f( \vec{r} )

La relation d'incertitude est définie à partir des écarts quadratiques moyens de grandeurs conjuguées. Dans le cas de la position x\, et de l'impulsion p_x\, d'une particule, elle s'écrit par exemple :

 {\Delta}x \, \cdot \, {\Delta}p_x  \ {\ge} \ \frac{\hbar}{2}

Plus l'état possède une distribution resserrée sur la position, plus sa distribution sur les valeurs de l'impulsion qui lui est associée est large. Cette propriété rappelle le cas des ondes, via un résultat de la transformée de Fourier, et exprime ici la dualité onde-corpuscule. Il est clair que ceci mène à une remise en cause de la notion classique de trajectoire comme chemin continu différentiable[5].

Inégalité temps-énergie

Il existe aussi une relation d'incertitude portant sur l'énergie d'une particule et la variable temps. Ainsi, la durée \Delta t\, indispensable à la détection d'une particule d'énergie E\, à \Delta E\, près[6] vérifie la relation :

 {\Delta}E \, \cdot \, {\Delta}t  \ {\ge} \ \frac{\hbar}{2}

Cependant, la dérivation de cette inégalité énergie-temps est assez différente de celle des inégalités position-impulsion[7].

En effet, si le hamiltonien est bien le générateur des translations dans le temps en mécanique hamiltonienne, indiquant que temps et énergie sont conjuguées[8], il n'existe pas d'opérateur temps en mécanique quantique («théorème» de Pauli), c'est-à-dire qu'on ne peut pas construire d'opérateur  \hat{T}\, qui obéirait à une relation de commutation canonique avec l'opérateur hamiltonien  \hat{H}\, :

 \left[ \hat{H} ,  \hat{T} \right] \ = \ i  \hbar \ \hat{1}

ceci pour une raison particulièrement principale : la mécanique quantique a en effet été découverte pour que chaque dispositif physique stable possède un état essentiel d'énergie mininum. L'argument de Pauli est le suivant : si l'opérateur temps existait, il posséderait un spectre continu. Or, l'opérateur temps, obéissant à la relation de commutation canonique, serait aussi le générateur des translations en énergie. Ceci entraîne tandis que l'opérateur hamiltonien posséderait lui aussi un spectre continu, en contradiction avec le fait que l'énergie de tout dispositif physique stable se doit d'être bornée inférieurement[9].

L'intrication

Icône de détail Article détaillé : intrication quantique.

L'intrication est un état quantique (voir aussi fonction d'onde) décrivant deux dispositifs classiques (ou plus) non factorisables en un produit d'états correspondant à chaque dispositif classique.

Deux dispositifs ou deux particules peuvent être intriqués dès qu'il existe une interaction entre eux. En conséquence, les états intriqués sont la règle plutôt que l'exception. Une mesure effectuée sur l'une des particules changera son état quantique selon le postulat quantique de la mesure. Du fait de l'intrication, cette mesure aura un effet instantané sur l'état de l'autre particule, même si la ligne d'univers qui relie les deux évènements "mesure 1" et "mesure 2" de l'espace-temps est une courbe de genre espace ! Par suite, le fait que la mécanique quantique tolère l'existence d'états intriqués, états ayant effectivement été observés en laboratoire et dont le comportement est en accord avec celui prévu par la mécanique quantique (voir l'expérience d'Aspect), implique que la mécanique quantique est une théorie physique non-locale. Néanmoins, il est incorrect d'assimiler ce changement d'état à une transmission d'information plus rapide que la vitesse de la lumière (et par conséquent une violation de la théorie de la relativité). La raison est que le résultat de la mesure relatif à la première particule est toujours aléatoire, dans le cas des états intriqués comme dans le cas des états non-intriqués. Il est par conséquent impossible de «transmettre» quelqu'information que ce soit, puisque la modification de l'état de l'autre particule, pour immédiate qu'elle soit, conduit à un résultat de la mesure relatif à la seconde particule qui est toujours aussi aléatoire que celui relatif à la première particule. Les corrélations entre les mesures des deux particules, quoique particulièrement réelles et mises en évidence dans de nombreux laboratoires de par le monde, resteront indétectables tant que les résultats des mesures ne seront pas comparés, ce qui implique obligatoirement un échange d'information classique, respectueux de la Relativité (voir aussi le Paradoxe EPR).

La téléportation quantique fait usage de l'intrication pour assurer le transfert de l'état quantique d'un dispositif physique vers un autre dispositif physique. Ce processus est l'unique moyen connu de transférer idéalement l'information quantique. Il ne peut dépasser la vitesse de la lumière et est aussi «désincarné», en ce sens qu'il n'y a pas de transfert de matière (au contraire de la téléportation fictive de Star Trek).

Cet état ne doit pas être confondu avec l'état de superposition. Un même objet quantique peut avoir deux (ou plus) états juxtaposés. Par exemple un même photon peut être dans l'état "polarité longitudinale" et "polarité transversale" simultanément. Le chat de Schrödinger est simultanément dans l'état "mort" et "vivant". Un photon qui passe une lame semi-réfléchissante est dans l'état juxtaposé "photon transmis" et "photon réfléchi". C'est seulement lors de l'acte de mesure que l'objet quantique possédera un état déterminé.

Dans le formalisme de la physique quantique, un état d'intrication de plusieurs objets quantique est représenté par un produit tensoriel des vecteurs d'état de chaque objet quantique. Un état de superposition ne concerne qu'un seul objet quantique (qui peut être une intrication), et est représentée par une combinaison linéaire des différentes possibilités d'états de ce dernier.

Téléportation quantique

Icône de détail Article détaillé : Téléportation quantique.

On ne peut déterminer l'état d'un dispositif quantique qu'en l'observant, ce qui a pour effet de détruire l'état en question. Ce dernier peut par contre, une fois connu, être habituellement recréé ailleurs. En d'autres termes, la duplication n'est pas envisageable dans le monde quantique, seule l'est une reconstruction en un autre lieu, voisine du concept de téléportation dans la science-fiction.

Élaborée théoriquement en 1993 par C. H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres, et W. Wootters dans l'article Teleporting an unknown quantum state by dual classical and EPR channels, de la Physical Review Letter, cette reconstruction a été réalisée expérimentalement en 1997, sur des photons, par l'équipe d'Anton Zeilinger à Innsbruck, et plus récemment sur des atomes d'hydrogène.

Quelques paradoxes

Ces «paradoxes» nous questionnent sur l'interprétation de la mécanique quantique, et révèlent occasionnellementà quel point notre intuition peut se révéler trompeuse dans ce domaine qui ne relève pas directement de l'expérience quotidienne de nos sens.

Chat de Schrödinger

Ce paradoxe met en évidence les problèmes d'interprétation du postulat de réduction du paquet d'onde.

Icône de détail Article détaillé : Chat de Schrödinger.
Paradoxe EPR et expérience d'Alain Aspect

Ce paradoxe met en évidence la non-localité de la physique quantique, impliquée par les états intriqués.

Icône de détail Articles détaillés : Paradoxe EPR et Expérience d'Aspect.
Expérience de Marlan Scully

Cette expérience peut être interprétée comme une démonstration que les résultats d'une expérience enregistrée à un instant T dépendent objectivement d'une action effectuée à un temps ultérieur T+t. Selon cette interprétation, la non-localité des états intriqués ne serait pas uniquement spatiale, mais également temporelle.

Cependant, la causalité n'est pas strictement violée car il n'est pas envisageable - pour des raisons principales - de mettre en évidence, avant l'instant T+t, que l'état enregistré à l'instant T dépend d'un évènement ultérieur. Ce phénomène ne peut par conséquent donner aucune information sur l'avenir.

Icône de détail Article détaillé : Expérience de Marlan Scully.
Contrafactualité

Selon la mécanique quantique, des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent sur les résultats de l'expérience.

Icône de détail Article détaillé : contrafactualité (physique) .

La décohérence : du monde quantique au monde classique

Icône de détail Article détaillé : Décohérence.

Tandis que les principes de la mécanique quantique s'appliquent a priori à l'ensemble des objets contenus dans l'univers (nous y compris), pourquoi continuons-nous à percevoir classiquement la majeure partie du monde macroscopique ? Surtout, pourquoi les superpositions quantiques ne sont-elles pas observables dans le monde macroscopique? La théorie de la décohérence explique leurs disparitions particulièrement rapides en raison du couplage inévitable entre le dispositif quantique reconnu et son environnement.

Cette théorie a reçu une confirmation expérimentale avec les études portant sur des dispositifs mésoscopiques pour lesquels le temps de décohérence n'est pas trop court pour rester mesurable, comme par exemple un dispositif de quelques photons dans une cavité (Haroche et al. , 1996)

Voir aussi

  • Postulats de la mécanique quantique
  • Les trois axiomes de la mécanique quantique
  • Dualité onde-corpuscule
  • État quantique
  • Fonction d'onde
  • Principe d'incertitude
  • Principe de complémentarité
  • Interprétation

    Il existe de nombreuses interprétations des effets de la mécanique quantique, certaines étant en contradiction totale avec d'autres. Faute de conséquences observables de ces interprétations, il n'est pas envisageable de trancher en faveur de l'une ou de l'autre de ces interprétations. Seule exception, l'école de Copenhague dont le principe est précisément de refuser toute interprétation des phénomènes.


    Problèmes, paradoxes et expériences

    Mathématique

    Mécanique quantique relativiste

    Icône de détail Article détaillé : Mécanique quantique relativiste.

    Informatique quantique

    Icône de détail Article détaillé : Informatique quantique.

    Vide quantique

    Icône de détail Article détaillé : Vide quantique.

    Divers

    Ouvrages de vulgarisation
    • Banesh Hoffman et Michel Paty ; L'étrange histoire des quanta, Collection Points-Sciences 26, Le Seuil (1981). ISBN 2-02-005417-5
    • Emilio Segré ; Les physiciens modernes et leurs découvertes - Des rayons X aux quarks, Fayard (1984) ISBN 2-213-01383-7. Une histoire vulgarisée qui couvre la période 1895-1983. L'auteur a reçu le prix Nobel 1959 pour la découverte expérimentale de l'antiproton.
    • Georges Gamow ; Trente années qui ébranlèrent la physique (Histoire de la théorie quantique) , 1968. Réédité par Jacques Gabay (2000) ISBN 2-87647-135-3.
    • Stéphane Deligeorges (ed)  ; Le monde quantique, Collection Points-Sciences 46, Le Seuil (1984). ISBN 2-02-008908-4
    • Emile Noël (ed)  ; La matière actuellement, Collection Points-Sciences 24, Le Seuil (1981). ISBN 2-02-005739-5
    • Serge Haroche ; Physique quantique, Leçon inaugurale au Collège de France, coédition Collège de France/Fayard (2004).
    • Étienne Klein ; Petit voyage dans le monde des quanta, Collection Champs 557, Flammarion (2004). ISBN 2-08-080063-9
    • Helge S. Kragh ; Quantum generations - A history of physics in the twentieth century, Princeton University Press (1999) ISBN 0-691-01206-7
    • Sven Ortoli et Jean-Pierre Pharabod; Le Cantique des quantiques : le monde existe-t-il ? éd. La Découverte, 2007. ISBN : 978-2-7071-5348-7.

    Ouvrages de philosophie

    • Bernard d'Espagnat ; "Le réel voilé, Analyse des concepts quantiques", Fayard, 1994
    • Bryce DeWitt and Neil Graham ; "The many-worlds interpretation of quantum mechanics" Princeton University Press, 1973
    • David Bohm and Basil Hiley ; "The undivided Universe, An ontological interpretation of quantum mechanics", Routledge, 1993
    • R. I. G. Hughes ; "The structure and interpretation of quantum mechanics", Harvard University Press, 1992
    • Roland Omnès ; "The interpretation of quantum mechanics", Princeton University Press, 1994
    • Robert B. Griffiths Consistent Quantum Theory, Cambridge University Press, 2003. ISBN 0-521-53929-3
    • John S. Bell Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, second Edition, Collected papers on quantum philosophy, Cambridge University Press, 2004. ISBN 0-521-52338-9

    Ouvrages d'initiation

    Accessibles au niveau d'un premier cycle universitaire.

    • Jean-Marc Lévy-Leblond & Françoise Balibar ; Quantique : rudiments, InterEditions/Editions du CNRS (1984). Réédité par Masson (1997) ISBN 2-225-85521-8, actuellement racquis par Dunod : ISBN 2-225-85521-8 Une excellente initiation à la physique quantique, accessible dès le premier cycle universitaire. Le bagage mathématique est restreint au minimum, l'accent étant porté sur la compréhension des phénomènes.
    • Richard Feynman ; Mécanique quantique, volume 3 du Cours de physique de Feynman, Dunod. ISBN 2-10-004934-8. Un cours de niveau premier cycle universitaire, par un théoricien américain de grande renommée, prix Nobel de physique 1965. Une vision profonde et personnelle de la physique, alliée à une grande pédagogie, font de ce cours un modèle du genre, particulièrement apprécié depuis sa parution aux États-Unis en 1963 à l'issue d'un enseignement donné à CalTech (Californian Institute of Technology, Pasadena). Feynman prend pour point de départ les amplitudes de transitions plutôt que la fonction d'onde Ψ (l'équation de Schrödinger ne fait son apparition qu'au chapitre 16 à la page 320 !). Ces amplitudes forment l'objet central de sa propre formulation en intégrale de chemins. Cette approche peut dérouter l'étudiant ayant déjà suivi un cours d'initiation standard. Comme toujours avec Feynman, l'aspect formel est réduit à sa juste place.
    • Max Born ; Structure atomique de la matière - Introduction à la physique quantique, Collection U, Armand-Colin (8e édition-1971). Un ouvrage de référence par un professeur de physique théorique de l'université de Göttingen, prix Nobel de physique 1954 pour son interprétation statistique de la fonction d'onde de Schrödinger. Ce livre vaut pour certains détails historiques de première main.
    • Bernard Cagnac & Jean-Claude Pebay-Peyroula ; Physique atomique - Tome 1 : expériences et principes fondamentaux, Dunod (1975). ISBN 2-04-002555-3. Ce livre décrit exactement et en détails les aspects expérimentaux suivants : l'effet photoélectrique, les spectres optiques, l'expérience de Franck et Hertz, l'effet Compton, l'émission et l'absorption de photons, le laser, la dualité onde-corpuscule, les modèles atomique planétaires, mais aussi de nombreux aspects du magnétisme orbital et du magnétisme de spin, dont l'expérience de Stern et Gerlach.
    • Edouard Chpolski ; Physique atomique (2 vol. ), Editions Mir (1977) ISBN. Un exposé des principes de la physique atomique, qui apporte de nombreux détails historiques.
    • Abraham Pais ; Inward Bound - Of Matter & Forces in the Physical World, Oxford University Press (1986) [ISBN 0-19-851997-4] Ecrite par un ancien assistant d'Einstein à Princeton, cette superbe histoire des développements de la physique moderne démarre en 1895 avec la découverte expérimentale des rayons X, et se termine en 1983 lors de la découverte expérimentale au C. E. R. N. des bosons-vecteurs W et Z. L'auteur décrit avec énormément de détails l'évolution des idées, indiquant toujours les références des publications originales. Quel dommage que ce livre ne soit pas traduit en français...

    Ouvrages conçus pour l'apprentissage de la discipline

    Accessibles à partir du second cycle universitaire.

    • Constantin Piron ; "Mécanique Quantique : Bases et Applications", Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1998) ISBN 2-88074-399-0. Ce cours expose les bases de la théorie quantique et ses applications élémentaires sous une forme moderne, complètement renouvelée grâce aux travaux ainsi qu'aux découvertes faites ces trente dernières années, tant dans le domaine expérimental que dans le domaine théorique. Les concepts mathématiques sont introduits au fur et à mesure des besoins d'une manière élémentaire mais rigoureuse. Le tout est illustré par de nombreux exercices, avec corrigé.
    • Michel Le Bellac ; Physique quantique, Collection Savoirs actuels, EDP Sciences/CNRS Editions (2003) ISBN 2-86883-665-0 et ISBN 2-271-06147-4. Cet excellent ouvrage, qui aborde les aspects les plus récents de la théorie, est bien parti pour devenir le livre de cours en français de référence du début de ce XXIe siècle...
    • J. L. Basdevant, J. Dalibard, Mécanique quantique [détail des éditions]
    • Jean-Louis Basdevant & Jean Dalibard ; Problèmes quantiques, Editions de l'école Polytechnique (2004), ISBN 2730211179. Complément du volume de cours précédent, ce livre contient 19 problèmes, avec corrigés, sur une grande diversité d'exemples expérimentaux contemporains.
    • C. Cohen-Tannoudji, B. Diu et F. Laloë, Mécanique quantique [détail des éditions]. Inévitable, c'est le traité de réference en français depuis sa parution, ultra-complet.
    • Albert Messiah, Mécanique quantique [détail des éditions]
    • Lev Landau et Evguéni Lifchitz, Physique théorique, tome 3 : Mécanique quantique, éd. MIR, Moscou [détail des éditions]. Rédigé par un théoricien soviétique (en collaboration avec un de ses élèves) réputé pour ses travaux en physique de l'état condensé, prix Nobel de physique 1962. Ouvrage particulièrement complet.
    • Jun John Sakurai ; Modern Quantum Mechanics, Revised Edition, Addison-Wesley Publishing Company (1994) ISBN 0-201-53929-2. Cet ouvrage d'un niveau avancé présente surtout des sujets tels que les intégrales de chemin de Feynmann, les mesures de corrélations, les inégalités de Bell, etc.
    • Peter Atkins ; Molecular quantum mechanics, Oxford University Press (2e édition-1983) ISBN. Cours particulièrement pédagogique, par le célèbre professeur de chimie-physique de l'Université d'Oxford.
    • Alain Aspect ; Quelques tests expérimentaux des fondements de la mécanique quantique (en optique) , dans : Qu'est-ce que l'Univers ?, Vol. 4 de l'Université de L'ensemble des Savoirs (sous la direction d'Yves Michaux), Odile Jacob (2001) 589. Dualité onde-corpuscule, intrication quantique & paradoxe E. P. R., par un professeur d'optique à l'Université de Paris-Sud (Orsay), auteur en 1982 d'une remarquable expérience testant les inégalités de Bell des corrélations E. P. R. (expérience en faveur des prédictions de la mécanique quantique. Cette expérience fut perfectionnée en 1998 par Anton Zeilinger et ses collaborateurs de l'Université d'Innsbrück, Autriche).
    • Anton Zeilinger ; La téléportation, Pour La Science 272 (Juin 2000) 36-44

    Aspects historiques

    • José Leite-Lopes & Bruno Escoubès ; Sources et évolution de la physique quantique - Textes fondateurs, Masson (1995) [ISBN 2-225-84607-3]. Réédité par E. D. P. Sciences. Donne une vue générale de l'évolution des idées, du XIXe siècle à 1993, mais aussi la traduction française de quelques articles fondateurs.
    • John Archibald Wheeler & Wojciech Zurek ; "Quantum theory and measurement", Princeton University Press, 1983. Un recueil classique d'articles sur le "problème de la mesure"
    • B. L. van der Wærden (ed. )  ; Sources of quantum mechanics, Dover Publications, Inc. (1967) ISBN 0-486-61881-1. Ce volume regroupe quelque-uns des articles pionniers de 1916 à 1926 (en traduction anglaise).
    • Paul A. Dirac; The principles of quantum mechanics, Oxford Science Publication, Oxford University Press (4e édition-1958). Le traité historique de base sur les principes de la mécanique quantique, par l'un de ses plus brillants inventeur, professeur de physique théorique à l'université de Cambridge, prix Nobel de physique en 1933 (avec Erwin Schrödinger).
    • Paul A. M. Dirac ; Lectures on Quantum Mechanics, Dover Publications, Inc (2001). Quatre conférences faites à l'Université Yeshiva de New York en 1964.
    • Erwin Schrödinger ; Mémoires sur la mécanique ondulatoire, réédition des articles historiques par Jacques Gabay (1988) ISBN.
    • Werner Heisenberg ; Les principes physiques de la théorie des quanta, réédition du livre historique par Jacques Gabay (1989) ISBN.
    • Enrico Fermi ; Notes on quantum mechanics, the University of Chicago Press (1961) ISBN.
    • John Von Neumann ; Les fondements mathématiques de la mécanique quantique, Librairie Alcan (1946), réédité par Jacques Gabay (1988) ISBN. Un ouvrage essentiel sur la structure mathématique de la théorie et les espaces de Hilbert.
    • Jagdish Mehra & Helmut Rechenberg ; The historical development of quantum theory, Vols. 1-6, Springer-Verlag (New York-1978 à 2001) ISBN. Histoire monumentale (6 volumes en 9 livres, plus de 4500 pages !) de la mécanique quantique, essentiellement de 1900 à 1941 (un court texte est consacré aux avancées depuis 1941 jusqu'en 1999).
    • Max Jammer ; The conceptual development of quantum mechanics, McGraw-Hill (New York-1966) ISBN.
    • Max Jammer ; The philosophy of quantum mechanics, John Wiley & Sons (New York-1974) ISBN.

    Sur la décohérence

    • Serge Haroche, Jean-Michel Raimond & Michel Brune ; Le chat de Schrödinger se prête à l'expérience - Voir en direct le passage du monde quantique au monde classique, La Recherche 301 (Septembre 1997) 50.
    • Serge Haroche ; Une exploration au cœur du monde quantique, dans : Qu'est-ce que l'Univers ?, Vol. 4 de l'Université de L'ensemble des Savoirs (sous la direction d'Yves Michaux), Odile Jacob (2001) 571.
    • Roland Omnès ; Comprendre la mécanique quantique, EDP Sciences (2000) ISBN 2-86883-470-1. Par un professeur de physique théorique émérite de l'Université de Paris-Sud (Orsay), une discussion de l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, du problème de la mesure et de la théorie des histoires consistantes de Griffiths et de la décohérence, par l'un de ses pionniers.
    • E. Joos, , H. D. Zeh, C. Kiefer, D. Giulini, K. Kupsch, I. O. Stamatescu ; Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory, Springer-Verlag (1996). Deuxième édition (2003) ISBN 3-540-00390-8
    • Gennaro Auletta ; Foundation & Interpretation of Quantum Mechanics (in the light of a critical - historical analysis of the problems and of a synthesis of the results) , Wolrd Scientific (2001) ISBN. Par un professeur de l'Université de Rome, un ouvrage monumental (environ 1000 pages) sur les fondements conceptuels de la mécanique quantique des origines à nos jours - y compris les questions de décohérence -, mis en relation avec les avancées expérimentales les plus récentes.


    Cours
    • Franck Laloë ; Do we really understand quantum mechanics ? (pdf)  : version anglaise augmentée du cours précédent sur le "paradoxe" E. P. R., le théorème de Bell, les intrications quantiques et la décohérence.
    • Claude Cohen-Tannoudji ; Compléments de mécanique quantique (pdf)  : cours de Claude Cohen-Tannoudji (prix Nobel 1997) sur la formulation Lagrangienne de la mécanique quantique (Feynman-Dirac), et sur l'utilisation des fonctions de Green. Notes rédigées en 1966 par Serge Haroche.
    • Jean Dalibard ; Mécanique quantique avancée (pdf)  : cours sur les dispositifs de bosons et de fermions, la seconde quantification et l'espace de Fock, et la théorie des collisions.
    • Philippe Jacquier ; [1] Physique Quantique et Applications & Atomes et Molécules. Cours de Master M1 donné à l'UPMC (Paris VI).
    • Doron Cohen ; Lecture Notes in Quantum Mechanics, (2006). Excellente introduction, qui couvre de multiples aspects qu'on trouve rarement abordés à ce niveau. ArXiv : quant-ph/0605180.

    Lectures complémentaires

    • Roger Balian ; La physique quantique à notre échelle : texte d'une conférence donnée par l'auteur (Service de Physique Théorique du CEA, Saclay) le 15 décembre 2000 à l'Académie des Sciences de Paris lors du colloque : Les quanta : un siècle après Planck. Publié par Michel Crozon & Yves Saquin (éditeurs), Physique et Interrogations Principales - Un siècle de quanta, EDP Sciences (2003) pp. 59-89
    • Max Born ; Quelques problèmes de mécanique quantique (pdf), Annales de l'Institut Henri Poincaré 1 (3) (1930) pp. 205-263. Après une introduction à la mécanique quantique, Max Born (prix Nobel 1954) discute surtout le phénomène d'effet tunnel appliqué à la radioactivité alpha, poursuit par quelques applications à la cinétique des réactions chimiques, et aborde enfin le problème de la largeur des raies spectrales.
    • P. A. M. Dirac ; Quelques problèmes de mécanique quantique (pdf), Annales de l'Institut Henri Poincaré 1 (4) (1930) pp. 357-400. Paul Dirac (prix Nobel 1933) y expose le formalisme de la physique statistique quantique d'une part, mais aussi l'équation quantique et relativiste de l'électron d'autre part (aujourd'hui nommée «équation de Dirac» en son honneur). À noter que, dans cet article, Dirac identifie de façon erronée un «trou» de la mer de Dirac des états d'énergie négatives (issues des solutions de son équation) avec le proton. On sait actuellement qu'il s'agit d'un positron, antiparticule de l'électron.

    Liens externes

    Sur la téléportation quantique

    Notes et références

    1. Pour lever cet apparent paradoxe et insister sur l'imperfection de nos concepts classiques d'onde et de corpuscule, les physiciens Jean-Marc Lévy-Leblond et Françoise Balibar ont proposé d'utiliser le terme de «quanton» pour parler d'un objet quantique. Un quanton n'est ni une onde, ni un corpuscule, mais peut présenter les deux aspects selon le principe de complémentarité de Bohr. Cette terminologie a du mal à s'imposer dans l'enseignement français
    2. Cette formulation de la mécanique quantique a été nommée jadis théorie des transformations. Cette appellation est actuellement abandonnée.
    3. Richard P. Feynman ; The principle of least action in quantum mechanics, thèse de l'université de Princeton. Cette thèse vient d'être publiée dans Laurie M. Brown (Editor)  ; Feynman's thesis : a new approach to quantum theory, World Scientific (2005), ISBN 9812563806.
    4. Richard P. Feynman ; Space-time approach to non-relativistic quantum mechanics, Review of Modern Physics 20 (1948) 267. Cet article est reproduit dans : Julian Schwinger (ed)  ; Selected papers on quantum electrodynamics, Dover Publications, Inc. (1958) ISBN 0-486-60444-6, mais aussi dans : Laurie M. Brown (Editor)  ; Feynman's thesis : a new approach to quantum theory, World Scientific (2005), ISBN 9812563806.
    5. La notion de chemin a fait un retour spectaculaire en mécanique quantique en 1948 avec la formulation lagrangienne introduite par Feynman, basée sur le concept d'intégrale de chemin.
    6. Ce concept est essentiel en théorie quantique des champs, théorie qui fait appel à la notion de particule virtuelle.
    7. Pour une dérivation rigoureuse de l'inégalité énergie-temps, consulter par exemple Albert Messiah, Mécanique quantique - volume 1, Dunod (1959) pp. 114-117, pp. 269-270, et pour l'oscillateur harmonique, p. 280. Ouvrage réédité par Dunod en 1995, ISBN 2-10-007361-3.
    8. De même que la composante p_i\, de l'impulsion est le générateur des translations d'espace dans la direction xˆi\,.
    9. Concernant la validité de ce «théorème», lire les travaux d'Eric Galapon : quant-ph/9908033 et quant-ph/0303106.

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