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Conférence UIA: 1 avril 2021
Professeur Godefroy KUGEL
« Les Congrès Solvay »
La naissance de la physique moderne racontée au fil de ces
extraordinaires rencontres
Les « fameux » Congrès Solvay
• Au début du 20ème siècle, peu de conférences scientifiques internationales
sont organisées: les savants ont moins l’occasion de se rencontrer que
maintenant.
• Les Congrès Solvay, surtout les 12 premiers, ont joué un rôle capital dans
l’élaboration de la Physique moderne.
• Ils ont été un lieu de partage, mais aussi de confrontation des grandes
idées émergentes de la Physique: un travail en communauté, des
débats,… voir des confrontations qualifiées par certains auteurs de
« titanesques »(débats Einstein – Bohr) …(voir Manjit Kumar et d’autres
ouvrages)
• Ils ont eu un impact considérable, voire mythique, tant des points de vue
scientifique que philosophique, dans la construction des théories physiques
(notamment la théorie quantique)
• Tous les plus grands scientifiques, surtout européens, et plus tard
internationaux (USA, russes…) ont participé à ces rencontres. (des Nobels,
ou des« nobélisables »). (voir photos par la suite)
C’est l’histoire que nous allons vous raconter !
Quelques livres
Ernest Solvay (1838-1922)
Créateur belge de
l’industrie de la soude,
Ernest Solvay n’était pas seulement
un industriel au succès
éclatant. Mécène et autodidacte
épris de science, il
se livrait lui-même à l’investigation
scientifique (« Les principes fondamentaux de
la Gravito-Matérialitique »).
Les causes qu’il choisit
de servir furent celles du
progrès de la science et
du progrès social par la
science.
(Usine de Dombasle sur Meurthe: « mon
propre père y a travaillé » !)
Les motivations des Solvay
• Les frères Solvay (Ernest et Alfred) sont des figures
majeures du capitalisme belge du 19ème et 20ème siècles:
Ernest est l’inventeur d’un procédé de fabrication de la
soude et bicarbonate de sodium, qu’il a industrialisé.
• Ernest: un autodidacte, un penseur, un mécène: il a
toujours voulu aider les savants; pour ce faire il a initié la
création de différents institutions: Physiologie, Sciences
sociales, Ecole de Commerce, Conférences Solvay en
Physique, en Chimie…
• Rencontre avec un grand physico-chimiste allemand de
Göttingen, Walther Nernst, (électrolytes, chaleurs de
réactions chimiques, 3eme principe de thermodynamique),
qui arrive à le convaincre de créer les Congrès Solvay (en
Physique et en Chimie)
• Une des raisons est aussi de créer un évènement rival avec
les prix Nobel, financés par Alfred Nobel, en concurrence
avec August Arrhenius, Nobel Chimie 1903.
L’entreprise Solvay
aujourd’hui
• Grand industriel autodidacte belge, Ernest Solvay a imaginé un procédé
révolutionnaire pour la fabrication du carbonate de sodium (breveté en
1863). Par l’exploitation de son procédé en Europe et aux Etats-Unis, Solvay
acquiert rapidement une renommée internationale, encore actuelle.
• Importance industrielle:purification chimique, fabrication de verre,
détergents, métallurgie, désulfuration des fontes, préparation des
céramiques, agent de lévuration, agroalimentaire …. En 1900: 95% de la
production mondiale.
• Première usine en France: Dombasle sur Meurthe
• Actuellement côté au CAC 40 (à la place de PSA), depuis l’achat en 2011 de
Rhodia.
• Chiffre d’affaires: 10 000 millions d’Euros en 2013
• Employés 30 000 personnes dans 56 pays
• 15 sites industriels en France, 110 sites à travers le monde.
Listes des 12 premiers Congrès Solvay
(voir quelques photos mythiques)
1. 1911: La théorie du rayonnement et des « quanta »
2. 1913: Structure de la matière
3. 1921: Atomes et électrons
4. 1924: Conductibilité électrique des métaux
5. 1927: Electrons et photons
6. 1930: Magnétisme
7. 1933: Structure et propriétés des noyaux atomiques
8. 1948: Les particules élémentaires
9. 1951: L’état solide
10. 1954: Les électrons dans les métaux
11. 1958: La structure et l’évolution de l’Univers
12. 1961: La théorie quantique des champs
Le premier Congrès Solvay de 1911
Second Congrès SOLVAY 1913: Structure de la matière
Assis : Nernst, Rutherford, Wien, Thomson, Warburg, Lorentz, Brillouin, Barlow, Kamerlingh Onnes, Wood,
Gouy, Weiss;
Debout : Hasenohrl, Verschaffelt, Jeans, Bragg, Laue, Rubens, Curie, Goldschmidt, Sommerfeld, Herzen,
Einstein, Lindemann, de Broglie, Pope, Gruneisen, Knudsen, Hostelet, Langevin4eme Solvay 1924: Conductivité électrique des métaux
Assis au 1er rang de gauche à droite : E. Rutherford, Madame Curie, E.H. Hall, H.A. Lorentz, W.H. Bragg,
M. Brillouin, W.H. Keesom, I. Van Aubel;
Deuxième rang de gauche à droite : P. Debye, A. Joffe, O. W. Richardson, W. Broniewski, W. Rosenhain,
P. Langevin, G. deHevesy;
Debout de gauche à droite : L. Brillouin, E. Henriot, Th. Dedonder, H.E.G. Bauer, E. Herzen, Aug. Piccard,
E. Schrodinger, P.W. Bridgman, J. VerschaffeltCongrès de 1927
Etat de la Physique en 1911 - Mécanique encore sous l’influence newtonienne avec aussi la Mécanique analytique ( Lagrange, Laplace, Hamilton…) - Thermodynamique et mécanique statistique - Electricité et magnétisme unifiés dans l’Electromagnétisme de Maxwell. - Structure de la matière: existence prouvée des atomes: vifs débats entre énergéticiens et atomistes - Découvertes de rayons X (Röntgen), des rayons cathodiques et de l’électron (J.J.Thomson) - Découverte de la radioactivité naturelle (Becquerel, Pierre et Marie Curie) ET SURTOUT, depuis le début du siècle, le « QUANTUM » et la quantification: - La quantification de l’énergie par Max Planck en 1900: explication du rayonnement du corps noir . - La quantification de la lumière par Albert Einstein en 1905: explication de l’effet photoélectrique (la notion de photons apparaît plus tard). - La « Relativité restreinte » par Albert Einstein en 1905
Perception de la « quantification » en 1911
• Seuls quelques physiciens adhèrent à ces idées révolutionnaires de
« quantification »: Einstein, Langevin, Planck (et encore), Lorentz, Wien,
Larmor…
• Tous les autres expriment un grand scepticisme vis-à-vis de cette idée….
souvent considérée comme « saugrenue »!
• La mise au programme des Congrès Solvay de cette notion par H.Lorentz,
W.Nernst et E.Solvay relève d’une grande actualité scientifique… mais aussi
d’une audace certaine!
• Délégation française: Paul Langevin, Marcel Brillouin, Jean Perrin, Maurice de
Broglie (le frère aîné de Louis), Marie Curie, Raymond Poincaré.
• Rappelons néanmoins que:
– Niels Bohr n’a pas encore développé sa théorie de quantification de la
matière (les couches électroniques dans les atomes à l’origine du Tableau
périodique des éléments de Mendeleiev)
– Louis de Broglie n’a pas encore développé sa théorie de Mécanique
ondulatoire avec la notion de dualité onde-corpuscule.Pourquoi: la théorie du rayonnement et
les quanta
• Pourquoi le rayonnement?
– découverte de rayons X par Wilhelm Roentgen en
1895
– découverte de la radioactivité par Henri Becquerel en
1896 et Pierre et Marie Curie
• Pourquoi les Quanta:
– Explication du rayonnement du corps noir par Max
Planck: quanta d’énergie
– Interprétation de la photoélectricité par Albert
Einstein en 1905: quanta de lumière (photon)Le premier Congrès Solvay 1911: Rayonnement et Quanta
Debout de gauche à droite : O.Goldschmidt, M.Planck, H.Rubens, A.Sommerfeld, T.Lindemann, M.de Broglie, M.Knudsen,
F.Hasenöhrl, H.Hostelet, T.Herzen, J.Jeans, E.Rutherford, H.Kamerlingh Onnes, A.Einstein, P.Langevin.
Assis de gauche à droite : W.Nernst, M.Brillouin, E.Solvay, H.Lorentz, E.Warburg, J.Perrin, W.Wien, M.Curie, H.Poincaré.Le Congrès Solvay de 1911:
« La théorie du rayonnement et les quanta »
• Le programme est élaboré par Nernst et Lorentz, qui en assure la présidence,
avec Ernest Solvay. La Conférence a lieu à Bruxelles du 30 octobre au 3
novembre 1911.
• Solvay fait une présentation sur sa théorie de la « Gravito-Matérialitique », une
conception davantage philosophique de la Physique que physique en tant que
telle (…qui en fait n’intéresse personne!... Mais respect tout de même: c’est le
sponsor!….)
• Tous les débats tournent autour de la notion de « quanta ». C’est une vrai prise
de conscience collective de l’importance des quanta par l’ensemble des
participants.
• Einstein qualifie cette réunion de « Sabbat de sorcières, de quoi satisfaire une
compagnie de jésuites démoniaques ».Déroulé • Discours introductif de E.Solvay, H.Lorentz et W.Nernst • Deux camps: les conservateurs (adeptes de l’éther) et les progressistes (relativité et quantification: « un acte de désespoir pour Planck ») • Une anomalie des chaleurs spécifiques (par rapport à la loi de Dulong-Petit) • Autres contributions: – La réalité atomique et moléculaire par Jean Perrin – Kammerling Onnes: Les basses températures – Paul Langevin: Le magnétisme • Une réelle prise de conscience des phénomènes quantiques: – Henri Poincaré: « Dernières pensées » – Rutherford qui informe Niels Bohr (lui-même absent) – Maurice de Broglie qui informe son frère Louis
Conséquences de Solvay
1911
Le résumé est fait par les deux physiciens français: Maurice de
Broglie et Paul Langevin.
• Influence forte sur Louis de Broglie, qui lit le résumé fait par
son frère et décide de travailler sur ce domaine. On connaît la
suite: le principe de dualité onde/particule: Nobel 1929.
• Poincaré est aussi très sensibilisé: « c’est la révolution la plus
profonde que la Philosophie Naturelle ait subie depuis
Newton »; il diffuse ces nouvelles idées avec l’enthousiasme
d’un jeune chercheur et commence des travaux sur les quanta;
mais il meurt malheureusement en 1913 et ne pourra
apporter des contributions très significatives à cette théorie en
progrès.« Dernières pensées de
Poincaré »
• L’Évolution des Lois
• L’Espace et le Temps
• Pourquoi l’Espace a trois
dimensions
• La Logique de l’Infini
• Les Mathématiques et la
Logique
• L’Hypothèse des Quantas
• Les rapports de la Matière et
de l’Éther
• La Morale et la Science
• L’Union morale ….Année 1911: Retour de Bruxelles, scandale, Nobel de Chimie et Hertha Ayrton
SOLVAY 1913: Structure de la matière:
on est à la veille de la Grande Guerre
Assis : Nernst, Rutherford, Wien, Thomson, Warburg, Lorentz, Brillouin, Barlow, Kamerlingh Onnes, Wood, Gouy, Weiss;
Debout : Hasenohrl, Verschaffelt, Jeans, Bragg, Laue, Rubens, Curie, Goldschmidt, Sommerfeld, Herzen, Einstein, Lindemann, de
Broglie, Pope, Gruneisen, Knudsen, Hostelet, LangevinCongres Solvay 1913:
« Structure de la matière »
• Modèle atomique de J.J.Thomson, mais qui ne fait aucune mention
au travaux déjà publiés de Rutherford.
• Modèle atomique de Rutherford: un modèle « planétaire »
• Niels Bohr avait publié son modèle atomique avec la quantification
des couches électroniques; mais il est absent.
• Max Von Laue (Nobel 1914): interférence des Rayons X avec les
cristaux: « on utilise les cristaux pour connaitre les RX ».
• Diffraction des RX par les cristaux (William Laurence et William
Henry Bragg: père et fils: prix Nobel en 1915): « on utilise les RX
pour connaitre les cristaux »: mise au point de la fameuse « loi de
Bragg ».
• A cause de la Première guerre mondiale, les comptes-rendus ne sont
publiés qu’en 1921.Les Congrès Solvay de l’après-guerre
• La 1ere guerre mondiale commence par l’invasion de la Belgique par les troupes
allemandes: une violation de la neutralité belge.
• Un conflit entre scientifiques allemands et non-allemands prend place surtout
après le « Manifeste des 93 »: « Un appel au monde civilisé » «… il n’est pas
vrai que l’Allemagne porte la faute de cette guerre… » (dont Planck, Röntgen,
Nernst, Wien,…. )
Avec refus de signer d’Einstein!
• Les savants allemands ne sont plus invités aux Congrès, même si Einstein est
convié en 1924; mais il refuse de s’y rendre par solidarité avec ses collègues
allemands.
• Avec la création de la Société des Nations par le Traité de Lucarno (septembre
1926), signé par l’Allemagne, les savants allemands sont à nouveau invité au
Congrès de 1927, non sans que le Roi Albert de Belgique ait été consulté par
Ernest Solvay.Congrès Solvay 1921: Atomes et électrons
Premier rang : A.A. Michelson, P. Weiss, M. Brillouin, E. Solvay, H.A. Lorentz, E. Rutherford, R.A. Millikan, Madame
Curie;
Deuxième rang : L-R: M. Knudsen, J. Perrin, P. Langevin, O.W. Richardson, J. Larmor, K. Kamerlingh Onnes,
P. Zeeman, M. De Broglie;
Debout : L-R: W.L. Bragg, E. Van Aubel, W.J. De Haas, E. Herzen, C.G. Barkla, P. Ehrenfest, M. Siegbahn, J.E. Verschaffelt,
L. BrillouinSolvay 1924: Conductivité électrique des métaux
Assis au 1er rang de gauche à droite : E. Rutherford, Madame Curie, E.H. Hall, H.A. Lorentz, W.H.
Bragg, M. Brillouin, W.H. Keesom, I. Van Aubel;
Deuxième rang de gauche à droite : P. Debye, A. Joffe, O. W. Richardson, W. Broniewski, W.
Rosenhain, P. Langevin, G. deHevesy;
Debout de gauche à droite : L. Brillouin, E. Henriot, Th. Dedonder, H.E.G. Bauer, E. Herzen, Aug.
Piccard, E. Schrodinger, P.W. Bridgman, J. VerschaffeltSolvay 1927 à l’Institut de Physiologie de Bruxelles
Le « mythique » Congrès Solvay 1927
• La dualité onde-corpuscule (Louis de
Les découvertes Broglie: « il lève le coin du voile » selon
Einstein): la mécanique « ondulatoire » en
depuis 1911 1923: Nobel en 1929.
• La formulation matricielle d’Heisenberg en
1925: Nobel en 1932.
• L’équation de Schrödinger: équation
d’onde fondamentale de la MQ en 1926.
Nobel en 1933.
• L’interprétation probalistique de Max Born
en 1925.Nobel en 1954.
• La relation d’incertitude de Heisenberg en
1927
• L’approche relativiste de Dirac en 1925 et
1928: Nobel en 1933.
• Le principe d’exclusion de Pauli (influence
du « spin ») : Nobel en 1945.Le Prince Louis de Broglie
(1892- 1987):
prix Nobel de Physique
en 1929
• Louis de Broglie affirme que toute matière (et pas
seulement la lumière) a une nature ondulatoire.
• Il associe la quantité de mouvement (p=mv) d’une particule
à une longueur d’onde λ = h/p .
• Einstein commente la thèse de Louis de Broglie: « Il a
soulevé un coin du grand voile »Les préliminaires
Lorentz: « Le Congrès sera consacré à la nouvelle mécanique quantique et aux questions
qui s’y rapportent ».
Il s’agit de l’interprétation à donner à la MQ.
Présentation de 5 rapports faits par 6 Nobels de Physique:
- W.Bragg (Nobel 1915, Manchester): la diffraction RX par cristaux
- A.H.Compton (Chicago puis Berkeley, Nobel 1927): la diffusion RX par les électrons: effet
Compton.
- L. de Broglie (Paris, Nobel 1929): la dualité onde-particule
- Max Born et W.Heisenberg (Nobel 1954 et 1932): une équation matricielle et le principe
d’incertitude.
- E.Schrödinger (Nobel 1933): une équation d’onde.
Einstein n’intervient pas,… « pas assez compétent » selon lui. Il ne vient même pas au
secours de Schrödinger !
Tout le monde se rend à Paris le 27 octobre
pour le centenaire de la mort d’Augustin Fresnel,
notre scientifique de Mathieu!Le retour de Paris, et « les titans s’affrontent ! » selon Manjit
Kumar
Texte qui met le feu aux poudres pendant les exposés de M.Born et de
W.Heisenberg la journée du 26 octobre.
« Nous considérons la théorie des quanta comme une théorie close, dont les
hypothèses physiques et mathématiques fondamentales ne sont plus
susceptibles d’être modifiées ».
Einstein met en cause le fait que la MQ soit une description cohérente et
complexe de la réalité; il prétend que la théorie est incomplète. Mais ne dit
rien sur le coup.
La séance reprend, dans le brouhaha, le 28 octobre par une introduction écrite
au tableau par Ehrenfest (mal à l’aise: « Et là le Seigneur confondit toutes les
langues de la Terre » allusion à la Tour de Babel) et une courte présentation
de Lorentz:
- Les évènements quantiques ont-ils une cause?
- Faut-il élever l’indétermination au rang d’un principe?...
Lorentz donne la parole à N.Bohr, qui fait une intervention très forte surtout
destinée à convaincre Einstein et qu’il avait fait peu de temps avant à Rome.Les principales idées de Bohr: interprétation de Copenhague (Bohr,
Heisenberg, Born…)
• Importance de la mesure et du dispositif de mesure: selon le dispositif, on
mesure une onde ou une particule.
A priori « On ne sait pas ce que c’est. »
• La mesure perturbe le système quantique.
• Postulat quantique: « une réalité autonome au sens physique ordinaire ne
peut-être attribuée ni au phénomène ni aux dispositifs d’observation »
• Un objet microphysique n’a pas de propriétés intrinsèques: un électron
n’existe pas en un point donné avant qu’une observation soit effectuée
pour le localiser. Bref, un électron non observé n’existe pas !
• Suite à cet exposé, Einstein prend la parole pour proposer une expérience
de pensée sur la boite à photons, destinée à démontrer que
l’interprétation de Copenhague est incohérente et incomplète.
• Nous n’irons pas dans les détails (voir la Bibio: Marage/ Wallenborn,
Kumar)De quoi s’agit-il?... en citations
Niels Bohr: CE QU’ON PEUT DIRE DE LA NATURE
« Il n’y a pas d’univers quantique. Il n’y a qu’une description mécanique quantique
abstraite »
« Il est faux de penser que la tâche de la physique est de trouver comment est la
nature. La physique concerne ce que nous pouvons dire de la nature »
Albert Einstein: COMPRENDRE LE MONDE
« Je crois encore en la possibilité d’un modèle de réalité, c’est-à-dire d’une théorie
qui représente les choses elle-même, et pas simplement la probabilité qu’elles se
produisent »
« Ce que nous appelons science n’a qu’un seul but: déterminer ce qui est »
« La chose la plus incompréhensible est que le monde soit compréhensible »
« La causalité doit être stricte et les lois physique doivent être déterministes »
Il se pose les questions de la réalité, le déterminisme, la causalité, de l’approche
probabiliste, de l’incertitude,…De quoi s’agit-il du point de vue physique
• Une question physique, mais aussi philosophique,
épistémologique, voir métaphysique, sur
l’interprétation de la Physique quantique, et du monde.
• Portée de l’interprétation probalistique et statistique:
….. le hasard?
• Question de la mesure, des appareils de mesures et des
incertitudes inhérentes
• Concept du temps, de l’irréversibilité, de la causalité.
• Un nouvel éclairage de la réalité
• Nature des discontinuités (particules) et des continuités
(ondes)
• « Le Vieux ne joue pas aux dès » Einstein
Les débats du 5eme Congrès Solvay sur l’interprétation de
la MQ font partie des mythes fondateurs et appartiennent
à la culture contemporaine, bien au-delà des milieux
scientifiques.Einstein, Bohr et Pauli
se promenant dans les rues de Bruxelles ou jouant à
la toupieRetour sur la polémique et sur de nouveaux mystères
« Quiconque n'est pas choqué par la mécanique quantique ne la comprend
pas » Niels Bohr, Nobel 1922
« Je peux me risquer à dire que personne ne comprend la mécanique
quantique », Richard Feynmann Prix Nobel de Physique 1965.
« Dieu ne joue pas aux dès », Albert Einstein, Nobel 1921, « Qu’importe ça
marche ! Cessez de dire à Dieu ce qu’il a à faire» Niels Bohr Nobel 1922
En plus méchant: « Niels Bohr est excusable, il n'a pas eu de temps pour étudier
la philosophie » Erwin Schrödinger, Nobel 1933
Un paradoxe, un chat et des fentes ! Mystérieux !Dans la correspondance entre Einstein et Born
en 1936
• « L’avis de Bohr sur le rayonnement m’intéressent fort. Mais l’idée
qu’un électron exposé à un rayonnement choisit en toute liberté le
moment ou la direction où il veut sauter m’est insupportable. S’il en
était ainsi, j’aimerais mieux être coordonnier, ou même employé
dans un tripot que physicien »
• Tout est dit…. Ou presque !
Suivent , mais beaucoup plus tard:
• le paradoxe EPR
• L’intrication
• La décohérence….On se quitte sur un constat d’échec
Selon Paul Langevin: « La confusion des idées atteignit son zénith »
Les deux camps de la confrontation:
- L’Ecole de Copenhague: N.Bohr, W.Heisenberg, M.Born, W.Pauli,
P.Dirac, P.Ehrenfest …
- Autour d’Einstein: E.Schrödinger, L. de Broglie ?, H.Lorentz,
P.Langevin ?
Le débat continue pendant des années, dans les Congrès Solvay qui
ont suivi, et ne trouvera de solutions qu’après les décès des deux
principaux protagonistes, Einstein, en 1956 et Bohr en 1962, avec
d’autres scientifiques comme Bell, Aspect, Gisin, Zeillinger….
Nous pouvons y revenir plus tard….Congrès Solvay 1930: Le Magnétisme
(sous la présidence de Paul Langevin)
Assis : Th. De Donder, P. Zeeman, P. Weiss, A. Sommerfeld, M. Curie, P. Langevin, A. Einstein, O.
Richardson, B. Cabrera, N. Bohr, W. J. De Haas
Debout : E. Herzen, É. Henriot, J. Verschaffelt, C. Manneback, A. Cotton, J. Errera, O. Stern, A. Piccard, W.
Gerlach, C. Darwin, P.A.M. Dirac, E. Bauer, P. Kapitsa, L. Brillouin, H. A. Kramers, P. Debye, W. Pauli, J.
Dorfman, J. H. Van Vleck, E. Fermi, W. HeisenbergCongrès Solvay 1933: Structure et propriétés de noyaux atomiques
Assis de gauche à droite : Schrödinger, I.Joliot-Curie, Bohr, Joffe, Curie, Langevin, Richardson, Rutherford, DeDonder, M. de
Broglie, L. de Broglie, Meitner, Chadwick;
Debout de gauche à droite : Henriot, Perrin, Joliot, Heisenberg, Kramers, Stahel, Fermi, Walton, Dirac, Debye, Mott,
Cabrera, Gamow, Bothe, Blackett, Rosenblum, Errera, Bauer, Pauli, Verschaffelt, Cosyns, Herzen, Cockcroft, Ellis, Peierls,
Piccard, Lawrence, RosenfeldStructure et propriétés des noyaux atomiques:
« un conseil charnière »…. vers la physique nucléaire
• Paul Langevin est président depuis 1930.
• Ehrenfest est mort en 1933; Einstein avait fuit l’Allemagne pour
la Belgique (Coq sur Mer), puis est parti pour Princeton. Il est
donc absent.
• Georges Gamow est autorisé par les autorités russes à se rendre
à Bruxelles et en profite pour fuir aux USA, où il va jouer un rôle
fondamental dans le Projet Manhattan.
• 40 participants dont 6 Nobel et 14 qui vont le recevoir
(Blackett,Bothe, Chadwick, Cockcroft, I.Curie, F.Joliot,Fermi,
Lawrence, Walton…)
• Beaucoup de rapports faits par des expérimentateurs.
• Une nouvelle science est en train de naitre: la physique
nucléaire et celle des particules élémentairesEinstein et Elisabeth de Bavière, Reine des Belges
Une brochette de cerveaux exceptionnels, pratiquement tous Nobel de Physique ou de Chimie au Congrès Solvay 1933
Structure et propriétés des noyaux atomiques
• On présente les résultats de la « prodigieuse année 1932:
– découverte du neutron par Chadwick: I et F.Joliot Curie l’ont « loupé de
peu »; Emilio Ségré: « Quels idiots; ils ont découvert le proton neutre et ils
ne l’ont pas reconnus »
– découverte du positron par Anderson dans les rayons cosmiques, après les
prévisions théoriques de Paul Dirac
– perfectionnement du cyclotron par Ernest Lawrence
– première réaction nucléaire par J.Cockroft et E.Walton.
• Formulation du neutrino par Wolfgang Pauli
• Irène et Frédéric Joliot-Curie expose une expérience où ils disent voir un
électron positif en bombardant une feuille d’Al avec des rayons alpha; la
proposition est très vivement discutée (« disputée ! ») par Lise Meitner.
• Les Joliot-Curie reviennent à Paris, plutôt déprimés pour se remettre au travail
et faire de nouvelles mesures.
• Ces nouvelles mesures débouchent sur la découverte de la Radioactivité
artificielle et le Prix Nobel en Chimie en 1935.Lise Meitner (1878 – 1968)
• Lise Meitner (1878-1968) naquit à Vienne et fit
ses études aux universités de Vienne et de
Berlin.
• Professeur de physique à l'université de Berlin
de 1926 à 1933, où elle travaille avec le
chimiste Otto Hahn.
• En 1938, juive, Lise est obligée de quitter
l’Allemagne, juste au moment de sa découverte
de l'élément protactinium; elle rejoignit le
personnel de recherche atomique de
l'université de Stockholm.
• En 1939, Lise Meitner publia le premier article
interprétant la fission nucléaire sur laquelle elle
a travaillé avec Hahn.Otto Hahn et Lise Meitner: découverte et interprétation de la
fission nucléaire
Otto Hahn et Lise Meitner avaient l'habitude de collaborer ensemble.
On les voit, en 1918, au laboratoire où il ont mis en évidence la fission nucléaire
qui leur valut la célébrité.
Avec son assistant Fritz Strassmann, il découvre la propriété de fission de
l’Uranium en éléments plus légers (« fragmentation de l’U.
Lise Meitner, avec Otto Frisch en font l’interprétation théorique.
Physicien et chimiste allemand, Otto Hahn (1879-1968) obtint le prix Nobel en
1944, mais pas Lise, ce qui est une profonde injustice.Lise Meitner: la « Marie Curie » autrichienne
En 1938, elle a donc joué un rôle majeur dans la découverte et la
compréhension de la fission nucléaire: elle en fournit avec son neveu Otto
Frisch la première explication théorique.
« Lise Meitner, a physicist who never lost her humanity » écrit par Otto Frisch
sur sa tombe au cimetière de Bramley dans le HampshireIrène et Frédéric Joliot-Curie:
Le Prix Nobel de Chimie en 1935
pour la découverte de la radioactivité artificielle1934 : La radioactivité artificielle
Irène et Frédéric Joliot-Curie dans le laboratoire où ils fabriquèrent au début de 1934 un atome
radioactif qui n'existait pas dans la nature: le 3015P : le bombardement d'une feuille d'aluminium
par des particules alpha produisait un atome de phosphore qui se désintégrait comme un
élément radioactif naturel en Si et positron
On avait d’abord :
4 He + 27 Al —> 30 P + n
2 13 15
suivi 3 mn après par :
30 P –> 30 Si + e+
15 14Irène (1897-1956) Curie et Frédéric (1900-1958) Joliot :
Les découvreurs de « La radioactivité artificielle »
Frédéric Joliot, (19 mars 1900 à Paris - 14 août 1958 à Paris) est un
physicien et chimiste français. Etudiant de Paul Langevin,
préparateur de Marie Curie, il rencontre Irène Curie.
• Il a obtenu le prix Nobel de chimie en 1935 avec son épouse
Irène Joliot-Curie pour la découverte de la radioactivité
artificielle.
• Autres travaux: observation d’une émission de positrons,
construction du premier cyclotron, la fusion d’uranium,
construction de la première pile atomique française Zoe….
• Directeur du CNRS en 1945, Haut commissaire au CEA….
Irène Joliot-Curie (12 septembre 1897 à Paris - 17 mars 1956 à Paris)
est une chimiste, physicienne et femme politique française. Elle
est la fille ainée de Pierre et Marie Curie. Épouse de Frédéric
Joliot, elle a obtenu avec lui le prix Nobel de chimie en 1935. Elle
a aussi été Sous-secrétaire d'État sous le Front populaire en 1936
sous le gouvernement de Blum. Elle devient directrice en 1946 de
l’Institut radium créé par sa mère, et est Commissaire à l’Energie
atomique. Elle décède en 1956 d’une leucémie.Irène Joliot- Curie: 1897 - 1956
Irène Joliot-Curie (12 septembre 1897 à Paris -
17 mars 1956 à Paris) est une chimiste, physicienne
et femme politique française.
Elle est la fille de Pierre et Marie Curie.
Épouse de Frédéric Joliot, elle a obtenu avec lui le prix
Nobel de chimie en 1935, pour la découverte de la
radioactivité artificielle.
Elle a aussi été sous-secrétaire d'État sous le Front
populaire en 1936 sous le gouvernement de Blum.
Elle devient directrice en 1946 de l’Institut radium créé
par sa mère, et est Commissaire à l’Energie
atomique.
Elle décède en 1956 d’une leucémie.Le Prix Nobel de Chimie
pour Irène et Frédéric Joliot
Curie
en 1935Pierre et Marie Curie - Irène et Fréderic Joliot-Curie, une « radieuse et noble, mais aussi tragique » famille
Congrès Solvay 1948: la présence d’une autre physicienne française: Madame Tonnelat
Marie Antoinette Tonnelat
1912 – 1980
« Une grande dame de la physique française »
• Physicienne française spécialiste de la théorie de la relativité et de son
histoire.
• Reçue à l’Ecole Centrale de Paris (rare pour les femmes à cette époque),
mais elle préfere s’inscrire à la Sorbonne.
• Elle travaille sous la direction de Louis de Broglie et soutient une thèse en
1941 sur la théorie des photons dans un espace de Riemann.
• Chargée d’un cours en 1943 au Collège de France, puis chercheur au CNRS
en 1945, professeur à l’Université de Paris en 1956.
• Elle est refusée au Collège de France, bien que considérée comme la plus
qualifiée sur le cours postulé.
• Elle travaille avec Einstein et Schrödinger sur la théorie des gravitons et
sur les théories d’unification des principes de relativité et des lois de
l’ElectromagnétismeCongrès Solvay 2011: le centenaire: autour de David
Gross: « The theory of quantic world »En 1943/1944 Irène et Frédéric Joliot-Curie accueille dans leur
laboratoire, une jeune physicienne de Caen: Cécile Morette-Payen
Cécile, en préparation de thèse sous la direction de Louis de Broglie, est recrutée
par Frédéric Joliot pour préparer ses cours; mais, elle se rend compte qu’elle doit
encore apprendre mieux la physique et aussi progresser en anglais.
Elle est autorisée par Joliot à visiter des Centres de recherche à l’étranger.Cécile à l’Institut de Physique Théorique de
Copenhague de Niels BohrCécile Morette-Payen, épouse
De Witt
(1922-2017)
(mon exposé du mois de mai)
• Thèse avec Louis de Broglie ( la dualité ondes/corpuscules) et travail avec Irène
et Frédéric Joliot Curie, puis plus tard avec Schrödinger, Heitler, Dirac, Feynman
et plus tard avec son époux Brice DeWitt, connu pour avoir découvert la fameuse
équation Wheeler-DeWitt, fonction d’onde de l’Univers.
• Maitre de recherches au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) de
1944 à 1965, puis professeur à l'Université du Texas à Austin de 1972 à 1993.
•
• Fondatrice de l'École d'été de Physique théorique des Houches, une « niche »
d’une cinquantaine de Prix Nobel de Physique.
• Membre du conseil de l'Institut des hautes études scientifiques (IHES).
• Chevalier de l'ordre national du Mérite en 1981, Chevalier de la Légion
d'honneur depuis le 17 novembre 1999, elle est promue officier de la Légion
d'honneur le 14 juillet 2011.Bibliographie
• « Le beau livre de la Physique, du Big bang à la résurrection
quantique », Clifford A. Pickover, Dunod
• « La naissance de la Physique moderne, racontée au fil des
Conseils Solvay », Pierre Marage et Grégoire Wallenborn Ed.
Université de Bruxelles
• « Le grand roman de la physique quantique » Manjit Kumar, Champs
Sciences, Flammarion
• « La mécanique quantique sans douleur »François Vannucci,
Ellipses
• « Fantaisies quantiques » Catherine d’Oultrement et Marina Solvay,
Editions Saint-Simon
• « L’impensable hasard, non-localié, téléportation… » Nicolas Gisin,
Odile Jacob (préface d’Alain Aspect)
• Et pour ceux qui veulent approfondir encore:
– Niels Bohr, Albert Einstein, Philosopher-Scientist, Open Court,
1949, "Discussion with Einstein on Epistemological Problems in
Atomic Physics").
– The Born-Einstein letters 1916-1955Dans la correspondance entre Einstein et Born
en 1936
• « L’avis de Bohr sur le rayonnement m’intéressent fort. Mais l’idée
qu’un électron exposé à un rayonnement choisit en toute liberté le
moment ou la direction où il veut sauter m’est insupportable. S’il en
était ainsi, j’aimerais mieux être coordonnier, ou même employé dans
un tripot que physicien »
• !
Tout est dit…. Ou presque
• Suivent le paradoxe EPR
• L’intrication
• La décohérence….
Mais tout ceci est une autre histoire1. Le paradoxe EPR ( Einstein, Podolsky, Rosen: 1935):
une publication qui va faire date !
• En 1935, Einstein et al. lancent un
nouveau défi à Niels Bohr et à
l’Ecole de Copenhague.
• En mettant en évidence ce qu’il
appelle des éléments de réalité
physique, il démontre que la
mécanique quantique est
incomplète. Il introduit la notion
de variables cachées. Des notions
telles que localité et non-localité,
intrication ou la séparabilité
apparaissent.Le paradoxe EPR et l’intrication
L’énigme EPR
• EPR s’applique à des processus nucléaires qui émettent simultanément
deux objets A et B (par exemple des photons).
• Or mesurer l’état de l’un des photons permet de prédire l’état de l’autre
avec certitude.
• Mais selon la MQ, l’état d’un photon donné prend une valeur définie
seulement quand il est mesuré et quand ceci arrive, l’état de l’autre
photon est simultanément déterminé, sans avoir à le mesurer et
indépendamment de sa position par rapport au premier.
• Donc , une corrélation existe entre les deux, et ceci sans qu’aucune
information soit transmise.
• Einstein estime que la MQ est incomplète et suggère l’existence de
« variables locales cachées »Paradoxe EPR
• Ce paradoxe soulève ce qui semblait apparaître comme une contradiction
dans la mécanique quantique, ou du moins une contradiction avec au
moins l'une des trois hypothèses suivantes :
– impossibilité pour un signal de dépasser la vitesse c (causalité
relativiste) ;
– la mécanique quantique n’est pas complète et ne décrit pas
entièrement la réalité. (notion de variable cachée locale) ;
– les deux particules éloignées forment deux entités pouvant être
considérées indépendamment l'une de l'autre, chacune étant localisée
dans l'espace-temps (localité).
• Et le débat repart de plus belle, entre les « Ecole de
Copenhague » (Bohr, Heisenberg, Born…) et les réalistes
(Einstein, Schroedinger et son chat…)Le Chat de Schrödinger
/chat>=a/vivant>+b/mort>
(où est la raison et où est la logique?)
« ABSURDE!! »
• Dans la mécanique quantique, la description d’un système repose sur des
fonctions d'onde, des « amplitudes de probabilité: interprétation probabiliste
de Born ».
• Ces fonctions d'ondes peuvent se trouver en combinaison linéaire, donnant
lieu à des « états superposés ». Cependant, lors d'une opération dite de
« mesure » l'objet quantique sera trouvé dans un état déterminé (notion de
réduction de la fonction d’onde).
• Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée imaginée en 1935 par
le physicien Erwin Schrödinger, afin de mettre en évidence des lacunes
supposées de l'interprétation de Copenhague de la physique quantique,
« son absurdité » et particulièrement mettre en évidence le problème de la
mesure, évoquée par Heisenberg et Bohr.Les inégalités de Bell (1964):
une réponse à EPR ?
Et la première mise en évidence expérimentale à Orsay par Alain
AspectIntrication quantique: une démonstration
théorique
• En 1964, l’Irlandais du CERN John Bell s’intéresse au paradoxe EPR, avec
l’intention de donner raison à Einstein. Rappelons que Einstein et Bohr sont
décédés en 1955 et 1962 respectivement.
• En mettant au point un modèle à variables cachées, il arrive à établir des
inégalités (appelées Inégalités de Bell), qui prouvent que ces variables
cachées n’existaient pas et que l’Ecole de Copenhague avait raison. D’où la
mise en évidence de l’INTRICATION QUANTIQUE.
• L'intrication est un phénomène observé en mécanique quantique dans lequel
l'état quantique de deux objets doit être décrit globalement, sans pouvoir
séparer un objet de l'autre, bien qu'ils puissent être spatialement séparés.
• Lorsque deux systèmes – ou plus – sont placés dans un état intriqué, il y a
des corrélations entre les propriétés physiques observées des deux
systèmes qui ne seraient pas présentes si l'on pouvait attribuer des
propriétés individuelles à chacun des deux objets S1 et S2.
• En conséquence, même s'ils sont séparés par de grandes distances
spatiales, les deux systèmes ne sont pas indépendants et il faut considérer
{S1+S2} comme un système unique.La première confirmation expérimentale de l’Intrication par Alain Aspect
à l’Institut d’Optique de Paris - Palaiseau
• L'expérience d'Aspect est, historiquement, la première expérience qui a réfuté de
manière satisfaisante les inégalités de Bell dans le cadre de la physique quantique,
validant ainsi le phénomène d'intrication quantique, et apportant une réponse
expérimentale au paradoxe EPR.
• Cette expérience a été réalisée par le physicien français Alain Aspect à l'Institut
d'optique à Orsay entre 1980 et 1982:
– - injection d’atomes de Ca dans un récipient cylindrique « vide », puis faisceau laser qui
donne de l’énergie aux atomes
– - excitation et désexcitation des Ca qui émettent de photons jumeaux donc « intriqués »
– - parcours d’une distance de plus de 6m par chacun des photons jumeaux de part et d’autre.
– - mesure des inégalités de Bell: EPR ont tort: pas de variables locales cachées.L’intrication, la non-localité, la non-séparabilité
L’expérience d’Aspect montre que:
• Un photon ne porte en lui rien qui fixe la valeur de la polarisation: pas de
variables cachées.
• Si, pour une paire de photons intriqués, on mesure la polarisation selon la
même direction, on trouve la même pour les deux: la mesure sur l’un fixe la
valeur de l’autre.
• « Une action fantomatique à distance », la non-localité, ou l’inséparabilité:
impensable pour Einstein, …. qui doit se remuer dans sa tombe.Des confirmations expérimentales récentes
Zeilinger (1997) refait cette expérience sur une distance de 400 m: même
résultat.
Gisin, avec un autre dispositif, refait en 1998, l’expérience sur 11km: même
résultat.
On a refait ce type d’expérience avec d’autres particules intriqués: des
protons, des atomes ionisés: mêmes résultats.
La physique quantique démontre la non-localité de notre univers: « l’univers
est non-local », d’où un sévère conflit entre la « localité » et la « réalité »,
c’est-à-dire une vision réaliste du monde.
« Nous possédons des réponses expérimentales, quantitatives, à des
questions qui frôlent la métaphysique » J.L.Basdevant et J.Dalibard,
professeurs à l’X.Les fameuses fentes d’Young
La construction d’un schéma d’interférences:
la nature ondulatoire de la lumièreDes bizarreries quantiques révélées par les
fentes d’Young
Que se passe-t-il:
- Avec des ondes (de la lumière ou des vagues)
- Avec des balles ou des billes
- Avec des électrons: en flux continu, un à un, avec tentative d’observation (donc mesure)
- Avec d’autres particules: neutron, atomes, fullerène (C60)…Les 5 « bizarres leçons » de ces expériences Young
• Leçon 1: Les objets quantiques (… électrons…) ne sont ni des particules, ni des
ondes. (principe de complémentarité de Niels Bohr)
• Leçon 2: Les objets quantiques sont « perturbés » ou « dérangés » par la mesure, qui
interagit avec eux. Une mesure n’est pas neutre. D’où une interrogation sur la réalité
des choses.
• Leçon 3: La nature de l’appareillage de mesure détermine le type de phénomène
qu’on veut observer. Avant, on ne sait pas ce qu’est l’objet.
• Leçon 4: La notion de « trajectoire », évidente en mécanique classique, disparait. On
ne peut imaginer où est l’objet à un instant donné. Généralisation par Feynman par
la suite.
• Leçon 5: On ne sait à quel endroit l’objet va passer. On vient à la notion de hasard et
de non-déterminisme.
D’où les objections de Schrödinger et son fameux chat, et d’Einstein, et son paradoxe EPR,
pour contrer « l’Ecole de Copenhague » et Niels Bohr, mais qui ont précédées les
expériences ci-dessus explicitéesLes bizarreries de la physique quantique
• Les particules de matière peuvent être à plusieurs endroits à la fois.
• On ne peut jamais être absolument sûr où une particule se trouve, on peut
seulement donner des probabilités sur sa position.
• Contrairement à la physique classique où pour connaître le tout, il faut
connaître ses parties constituantes; la physique quantique nous donne une
image d’unification entre les particules et leurs possibilités de s’influencer
mutuellement.
• Les particules subatomiques semblent communiquer entre-elles
instantanément, ce qui remet en cause la postulation d’Einstein que rien ne
se déplace plus vite que la lumière.
• En physique quantique, les principes distincts de sujet-objet de la physique
classique n’existent plus, car l’observateur change un système rien qu’en
l’observant.LES CONTRAIRES SONT
COMPLEMENTAIRES: YIN ET YANG
• La devise de Bohr était "Contraria sunt complementa" (les contraires sont complémentaires)
qu’illustre le symbole du yin et du yang. C’est le principe de complémentarité qu’aura ainsi
explicité Bohr :
• « Peu importe à quel point les phénomènes quantiques transcendent les explications de la
physique classique, il n’en demeure pas moins que les descriptions que l’on en fera devront être
données en termes classiques.
• L’argument est simplement que par "expérience", nous entendons une situation dans laquelle
nous pouvons décrire aux autres ce que nous avons fait et appris ; par conséquent, la description
des dispositifs expérimentaux et les résultats des observations doivent être exprimés dans un
langage sans ambiguïté, applicable dans la terminologie de la physique classique.
• Ce point crucial entraîne l’impossibilité de toute séparation tranchée entre le comportement des
objets atomiques et l’interaction avec les instruments de mesure qui ….
• (in Niels Bohr, Albert Einstein, Philosopher-Scientist, Open Court, 1949, "Discussion with Einstein
on Epistemological Problems in Atomic Physics").Claude Cohen-Tannoudji, Alain Aspect et Serge Haroche
Merci pour votre attention et votre intérêt.
Portaits de Alain Aspect, Anton Zeilinger,
Nicolas Gisin: les champions de la téléportation
quantique.
• Prochain cours: Le 20 mai 2021 à 17h
« Itinéraire d’une physicienne
normande de Caen à Austin en passant
par la vallée de Chamonix »
• Pour la demande de diaporama:
gkugel@orange.frVous pouvez aussi lire
