La physique quantique est l’une des branches les plus fascinantes et les plus mystérieuses de la science. Elle étudie le comportement des particules élémentaires, comme les électrons, les photons ou les quarks, qui sont les constituants ultimes de la matière. Ces particules obéissent à des lois étranges, qui défient souvent le sens commun et la logique classique. Par exemple, elles peuvent se comporter comme des ondes ou comme des particules, selon la façon dont on les observe. Elles peuvent aussi être intriquées, c’est-à-dire qu’elles partagent une sorte de lien invisible qui les rend inséparables, même à distance. Elles peuvent aussi être dans des états superposés, c’est-à-dire qu’elles peuvent avoir plusieurs propriétés possibles en même temps, jusqu’à ce qu’une mesure les fasse basculer dans un état défini.
La physique quantique a révolutionné notre compréhension du monde microscopique, mais aussi du monde macroscopique, car elle a permis de développer des technologies comme le laser, le transistor, le GPS ou l’IRM. Elle a aussi ouvert la voie à des domaines de recherche comme la cryptographie quantique, l’informatique quantique ou la cosmologie quantique. Mais comment cette théorie si complexe et si contre-intuitive a-t-elle vu le jour ? Qui sont les pionniers qui ont posé les bases de cette révolution scientifique ? Parmi eux, il y a un nom qui se distingue : Niels Bohr.
Qui est Niels Bohr ?
Niels Bohr est un physicien danois, né le 7 octobre 1885 à Copenhague et mort le 18 novembre 1962 dans la même ville. Il est considéré comme l’un des pères fondateurs de la physique quantique, car il a apporté des contributions majeures à la compréhension de la structure atomique et de la mécanique quantique. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1922 pour ses travaux sur l’atome et ses interactions avec les rayonnements électromagnétiques. Il a aussi joué un rôle important dans le développement de la bombe atomique pendant la Seconde Guerre mondiale, en tant que conseiller scientifique du projet Manhattan. Il a été le fondateur et le directeur de l’Institut de physique théorique de Copenhague, qui est devenu un centre mondial de recherche en physique quantique. Il a été l’un des principaux promoteurs du pacifisme et de la coopération internationale en science après la guerre. Il a été décoré de nombreuses distinctions honorifiques et il a donné son nom à plusieurs concepts et phénomènes physiques, comme le modèle de Bohr, le principe de complémentarité, l’effet Bohr ou l’isotope 5 du bore.
Quelles sont les principales découvertes de Niels Bohr ?
Les principales découvertes de Niels Bohr concernent la structure de l’atome et la mécanique quantique. Voici un résumé de ses apports les plus significatifs :
- En 1913, il propose un modèle atomique qui explique les spectres d’émission et d’absorption des atomes d’hydrogène. Selon ce modèle, l’électron gravite autour du noyau sur des orbites circulaires discrètes, correspondant à des niveaux d’énergie fixes. L’électron ne rayonne pas d’énergie tant qu’il reste sur une orbite donnée, mais il peut sauter d’une orbite à une autre en absorbant ou en émettant un photon dont l’énergie est égale à la différence d’énergie entre les deux orbites. Ce modèle permet de calculer les longueurs d’onde des raies spectrales observées expérimentalement.
- En 1916, il introduit le concept de quantification des moments angulaires des électrons, qui est une condition supplémentaire pour déterminer les orbites permises. Ce concept implique que l’électron ne peut avoir que des valeurs discrètes de son moment angulaire, qui est le produit de sa masse, de sa vitesse et de son rayon orbital. Ce concept permet de rendre compte du fait que certains atomes ont des spectres plus complexes que l’hydrogène, avec des raies spectrales qui se divisent en plusieurs sous-raies.
- En 1920, il propose l’idée de la correspondance, qui établit un lien entre la physique classique et la physique quantique. Selon cette idée, les lois de la physique quantique doivent tendre vers les lois de la physique classique lorsque les quantités physiques deviennent très grandes. Par exemple, lorsque le nombre d’orbites permises devient très grand, le spectre d’émission d’un atome devient continu, comme dans la théorie classique.
- En 1924, il soutient la thèse de Werner Heisenberg, qui introduit la mécanique matricielle, une nouvelle formulation mathématique de la mécanique quantique. Selon cette formulation, les grandeurs physiques sont représentées par des matrices, qui sont des tableaux de nombres organisés en lignes et en colonnes. Les matrices permettent de calculer les probabilités de mesurer certaines valeurs des grandeurs physiques, sans avoir besoin de connaître les états exacts du système.
- En 1927, il énonce le principe de complémentarité, qui est une interprétation philosophique de la mécanique quantique. Selon ce principe, les particules quantiques ont des aspects complémentaires, comme la position et la vitesse, ou l’onde et la particule, qui ne peuvent pas être observés simultanément. Il faut donc choisir le type d’expérience que l’on veut réaliser pour révéler l’un ou l’autre aspect. Le choix de l’expérience influe sur le résultat de la mesure et limite la connaissance que l’on peut avoir du système. Il n’y a pas de réalité objective indépendante de l’observateur.
- En 1935, il participe à un débat célèbre avec Albert Einstein sur les fondements de la mécanique quantique. Einstein critique le caractère probabiliste et indéterministe de la théorie, ainsi que le phénomène d’intrication quantique, qui implique une action à distance instantanée entre deux particules séparées. Il propose plusieurs expériences imaginaires pour mettre en évidence les paradoxes de la théorie. Bohr répond à chaque fois en montrant que les expériences proposées par Einstein sont soit impossibles à réaliser, soit conformes aux prédictions de la théorie. Le débat se conclut par un désaccord persistant entre les deux savants.
Pourquoi Niels Bohr est-il important ?
Niels Bohr est important pour plusieurs raisons :
- Il a contribué à élucider la structure de l’atome et à expliquer les phénomènes liés aux interactions entre la matière et la lumière. Ses travaux ont permis de comprendre la nature du rayonnement solaire, la stabilité des noyaux atomiques, la formation des éléments chimiques ou encore les réactions nucléaires.
- Il a participé à l’élaboration de la mécanique quantique, qui est l’une des théories les plus fondamentales et les plus réussies de la physique moderne. Ses idées ont influencé plusieurs générations de physiciens et ont ouvert la voie à des développements ultérieurs comme la théorie quantique des champs, la physique des particules ou la physique statistique.
- Il a proposé une interprétation originale et profonde de la mécanique quantique, qui met en évidence les limites de notre connaissance du monde physique et les implications épistémologiques et philosophiques de la théorie. Il a été un acteur engagé, qui a défendu les valeurs de la liberté, de la démocratie, de la paix et de la coopération internationale. Il a été un leader respecté et admiré par ses pairs, qui l’ont surnommé “le pape de la physique”.
Comment Niels Bohr a-t-il influencé le monde d’aujourd’hui ?
Niels Bohr a influencé le monde d’aujourd’hui à plusieurs niveaux :
- Sur le plan scientifique, il a laissé un héritage immense, qui continue à inspirer les chercheurs actuels. Ses travaux ont permis de développer des applications pratiques qui ont changé notre quotidien, comme l’énergie nucléaire, les lasers, les transistors ou les ordinateurs. Ses idées ont aussi ouvert des perspectives nouvelles pour explorer les frontières de la connaissance, comme la physique des hautes énergies, la physique des systèmes complexes ou la physique quantique des trous noirs.
- Sur le plan culturel, il a contribué à diffuser la culture scientifique et à faire connaître la physique quantique au grand public. Il a écrit plusieurs livres et articles destinés à vulgariser ses découvertes et à partager sa vision du monde. Il a aussi dialogué avec des personnalités issues d’autres domaines, comme la philosophie, la psychologie, la littérature ou la religion. Il a ainsi enrichi le débat sur les rapports entre science et culture, science et éthique, science et foi.
- Sur le plan social, il a été un modèle de citoyen engagé et responsable, qui a utilisé son prestige et son influence pour promouvoir des causes humanitaires et pacifistes. Il a été l’un des initiateurs du mouvement Pugwash, qui réunit des scientifiques du monde entier pour discuter des problèmes liés aux armes nucléaires et aux autres menaces pour l’humanité. Il a aussi soutenu la création de l’Agence internationale de l’énergie atomique, qui vise à contrôler l’utilisation pacifique de l’énergie nucléaire. Il a plaidé pour le respect des droits de l’homme, pour le dialogue entre les nations et pour la coopération scientifique internationale.
Conclusion
Niels Bohr est un personnage exceptionnel, qui a marqué l’histoire de la science et de la société au XXe siècle. Il est le père de la physique quantique, une théorie qui a révélé la nature profonde de la matière et de la lumière. Il est aussi un philosophe, qui a proposé une interprétation originale et profonde de cette théorie. Il est enfin un humaniste, qui a œuvré pour le progrès de la connaissance et pour le bien-être de l’humanité. Il est une source d’inspiration pour tous ceux qui s’intéressent à la science et à ses implications.
