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1. DUALITÉ ONDE-CORPUSCULE
À la fin du 19
e siècle, la plupart des phénomènes connus trouvent leur explication grâce à
deux théories : la mécanique d’Isaac Newton et l’électromagnétisme de James C. Maxwell.
Ces deux théories reposent sur des hypothèses admises jusqu’alors :
1. Il existe un espace et un temps absolus. Autrement dit les coordonnées d’espace et de
temps ne changent pas lorsqu’on change de référentiel.
2. Le déterminisme est en vigueur. Connaissant les conditions initiales et la loi qui
régit l’évolution d’un système physique, on peut, à chaque instant, avoir accès à tous les
paramètres pertinents de ce système.
3. Ces paramètres peuvent être mesurés, en principe, avec une précision infiniment
grande. Les limites rencontrées sont d’ordre technique.
Dans la vie quotidienne, pour les phénomènes macroscopiques et à petite vitesse par
rapport à la vitesse de la lumière, ces hypothèses sont acceptables. Mais elles ont été
remises en cause au début du 20
e siècle. La théorie de la relativité d’Albert Einstein
(1905) a nécessité l’abandon de l’hypothèse 1, non valide à grande vitesse. La théorie
quantique (Erwin Schrödinger et Werner Heisenberg, 1925) a modifié les hypothèses 2
et 3, incompatibles avec les phénomènes microscopiques observés.
1.1. Phénomènes ou expériences classiquement inexplicables
Dans cette partie nous verrons certaines expériences qui apparaissent alors difficilement
explicables avec les théories classiques. Il s’agit d’expériences d’analyses microscopiques de
la matière et de l’étude de l’interaction des corpuscules entre eux ou avec le rayonnement
électromagnétique.
expérience
Planck
Rayleigh-Jeans
u ( ,T )
densité d’énergie
( ) fréquence
a) Rayonnement du corps noir : un corps
noir est une cavité dont les parois et le
volume intérieurs sont portés à une température T . Les atomes constituant la paroi
sont susceptibles d’émettre et d’absorber du
rayonnement électromagnétique. Lorsque
l’équilibre thermodynamique est atteint, la
paroi émet et absorbe la même puissance
pour chacune des fréquences n qui composent le spectre de ce rayonnement. La
densité d’énergie électromagnétique u(n, T )
est donc constante et on peut la mesurer
(courbe en violet sur la fig. ci-contre).
En 1900, en s’appuyant sur l’électromagnétisme et une méthode statistique, Lord John
Rayleigh et Sir James Jeans réussirent à reproduire la partie basses fréquences de la courbe,
mais leur résultat divergeait à haute fréquence. Peu de temps après, Max Planck obtint
704
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1. DUALITÉ ONDE-CORPUSCULE
À la fin du 19
e siècle, la plupart des phénomènes connus trouvent leur explication grâce à
deux théories : la mécanique d’Isaac Newton et l’électromagnétisme de James C. Maxwell.
Ces deux théories reposent sur des hypothèses admises jusqu’alors :
1. Il existe un espace et un temps absolus. Autrement dit les coordonnées d’espace et de
temps ne changent pas lorsqu’on change de référentiel.
2. Le déterminisme est en vigueur. Connaissant les conditions initiales et la loi qui
régit l’évolution d’un système physique, on peut, à chaque instant, avoir accès à tous les
paramètres pertinents de ce système.
3. Ces paramètres peuvent être mesurés, en principe, avec une précision infiniment
grande. Les limites rencontrées sont d’ordre technique.
Dans la vie quotidienne, pour les phénomènes macroscopiques et à petite vitesse par
rapport à la vitesse de la lumière, ces hypothèses sont acceptables. Mais elles ont été
remises en cause au début du 20
e siècle. La théorie de la relativité d’Albert Einstein
(1905) a nécessité l’abandon de l’hypothèse 1, non valide à grande vitesse. La théorie
quantique (Erwin Schrödinger et Werner Heisenberg, 1925) a modifié les hypothèses 2
et 3, incompatibles avec les phénomènes microscopiques observés.
1.1. Phénomènes ou expériences classiquement inexplicables
Dans cette partie nous verrons certaines expériences qui apparaissent alors difficilement
explicables avec les théories classiques. Il s’agit d’expériences d’analyses microscopiques de
la matière et de l’étude de l’interaction des corpuscules entre eux ou avec le rayonnement
électromagnétique.
expérience
Planck
Rayleigh-Jeans
u ( ,T )
densité d’énergie
( ) fréquence
a) Rayonnement du corps noir : un corps
noir est une cavité dont les parois et le
volume intérieurs sont portés à une température T . Les atomes constituant la paroi
sont susceptibles d’émettre et d’absorber du
rayonnement électromagnétique. Lorsque
l’équilibre thermodynamique est atteint, la
paroi émet et absorbe la même puissance
pour chacune des fréquences n qui composent le spectre de ce rayonnement. La
densité d’énergie électromagnétique u(n, T )
est donc constante et on peut la mesurer
(courbe en violet sur la fig. ci-contre).
En 1900, en s’appuyant sur l’électromagnétisme et une méthode statistique, Lord John
Rayleigh et Sir James Jeans réussirent à reproduire la partie basses fréquences de la courbe,
mais leur résultat divergeait à haute fréquence. Peu de temps après, Max Planck obtint
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