Introduction

A partir des travaux de Newton (17ème siècle), la physique et la chimie se sont considérablement développées selon un chemin dit " classique " par la suite, et ceci jusqu’à la fin du 19ème siècle. Le point essentiel commun aux théories développées jusqu’alors est l’aspect déterministe des prédictions, basé essentiellement sur notre perception du monde à l’échelle de la taille humaine. En cette fin de 19ème siècle, les savants pensaient même alors que l’Homme avait compris l’essentiel de la nature autour de lui, et qu’il ne restait que quelques points de détail à régler dans notre compréhension du monde.

Néanmoins, il persistait quelques zones d'ombre. Et certains scientifiques comme Max Planck, Niels Bohr ou bien Albert Einstein ont su sentir que ces zones d'ombre n'étaient pas des points de détails à régler. Nous allons démarrer ce cours en présentant quelques phénomènes inexpliqués par les théories classiques qui ont déclenché un renouveau total dans le monde des sciences, et une révolution dans notre perception tout d'abord de l'infiniment petit, puis bien plus tard de l'infiniment grand. Ces concepts étant révolutionnaires, cette théorie a mis beaucoup de temps à se développer. On peut raisonnablement dire qu'elle a vu le jour au tout début du 20ème siècle pour être finalisée dans un formalisme abouti vers 1930. Il est tout à fait remarquable qu'une théorie ait mis autant de temps à être construite alors même que de nombreux scientifiques extrêmement talentueux s'y sont attaqués.

De même il est remarquable que cette théorie n'ait pas été conçue par un seul savant (comme la relativité générale par Einstein par exemple) mais par une succession de contributions significatives de savants tous aussi brillants les uns que les autres. Ceci constitue sans doute la démonstration de la difficulté de l'esprit humain à comprendre un monde qu'il n'appréhende pas par son expérience quotidienne. Quelles sont les difficultés que vous rencontrerez dans ce cours ? Et bien les mêmes que vos aïeux, à savoir admettre que le monde de l'infiniment petit n'est pas régi par les mêmes règles que celles que nous percevons. Un point essentiel et difficile à appréhender est la dualité onde-corpuscule : une particule est à la fois matérielle et onde. La théorie quantique a enfin permis d'apporter une réponse mathématique au dilemme onde-corpuscule. Vous verrez que les particules peuvent être décrites soit comme une onde, soit comme un objet matériel, qu'on parle de photon ou d'électron.

Néanmoins, le problème conceptuel reste entier, et Einstein a toujours pensé qu'il " manquait " quelque chose dans les fondations de cette théorie (alors qu'il est l'un des acteurs à la base de son élaboration). Certes il admettait qu'elle donne des résultats remarquables toujours en accord avec l'expérience, mais il clamait que ces concepts de base n'étaient pas aboutis, qu'il illustra avec deux autres savants par le paradoxe Einstein-Podolski-Rosen. Avaient-ils raison ? L'avenir montra que non, mais la question méritait d'être posée. Cette théorie n'a toujours pas été mise en défaut, alors qu'elle pose encore aujourd'hui des problèmes conceptuels. La théorie quantique a donc permis de faire le lien entre l'aspect matériel de la nature et son aspect ondulatoire.

Terminons sur la question de savoir quel est l'impact de cette théorie sur notre vie quotidienne. C'est une bonne question, et la réponse est on ne peut plus claire. Nous vivons sous le règne de l'informatique. Sachez qu'une puce électronique est basée sur le principe de l'effet semi-conducteur, qui ne peut être compris sans physique quantique, ni physique statistique. De même, nous vivons le début d'une révolution technologique basée sur les nanosciences, intitulé donné à un vaste champ d'investigation à l'échelle du nanomètre, incluant la physique, la chimie et la biologie (vous en entendez sans doute parler dans les médias). Comment comprendre ces évolutions technologiques sans connaître les rudiments de la physique quantique ainsi que de la physique statistique ? Tout scientifique quel qu'il soit vous dira que c'est impossible. Et n'avez-vous pas envie de savoir enfin ce qui se cache derrière cette fameuse physique quantique ? Une formidable construction intellectuelle sortie du cerveau humain...