Chapitre 06 · La science

Les quanta et le grand débat

Voici la grande ironie de la vie d'Einstein. Il fut l'un des fondateurs de la théorie quantique — elle lui valut son prix Nobel — et pourtant il ne put jamais accepter l'étrange monde probabiliste qu'elle révélait. Trente ans durant, il argumenta contre elle et perdit la plupart des débats. Mais ses objections étaient si profondes qu'elles façonnent encore la physique d'aujourd'hui.

L'homme qui rendit la lumière granuleuse

Dans son article de 1905 sur l'effet photoélectrique, Einstein proposa que la lumière n'est pas une onde lisse, mais un flux de paquets d'énergie discrets — des quanta, plus tard appelés photons. L'énergie de chaque photon ne dépend que de la fréquence de la lumière (sa couleur), non de sa luminosité : E = hf.

Cela expliquait une énigme qu'aucune théorie ondulatoire ne pouvait résoudre : pourquoi une faible lumière bleue peut arracher des électrons d'un métal alors qu'une vive lumière rouge ne le peut pas. Ce fut, selon ses propres mots, « très révolutionnaire » — et cela lui valut le prix Nobel 1921.

Essayez vous-même

L'effet photoélectrique

Éclairez un métal. En dessous d'une certaine fréquence, rien ne se passe, quelle que soit la luminosité. Au-dessus, les électrons s'envolent instantanément. Faites glisser la couleur du rouge vers l'ultraviolet et trouvez le seuil.

Votre prédiction

La lumière est déjà au-dessus du seuil et des électrons jaillissent. Vous la rendez maintenant plus bleue – d’une fréquence plus élevée – mais avec autant de quanta de lumière par seconde. Qu’est-ce qui change pour les électrons ?

Interactif · physique quantique

La lumière contre les électrons

—
Énergie cinétique des électrons éjectés : 0 eV

Le seuil est ici réglé pour un métal proche du sodium (travail de sortie ≈ 2,3 eV). Remarquez que la luminosité n'apparaît jamais dans le calcul — seule la fréquence décide si les électrons s'échappent. C'est là la surprise quantique.

Réponse

BChaque électron jaillit avec plus d’énergie.

La lumière arrive par portions, les photons, et l’énergie d’un photon ne dépend que de la fréquence. Une lumière plus bleue a des photons plus énergétiques ; ce qui reste une fois l’électron libéré, celui-ci l’emporte sous forme d’énergie de mouvement. Le nombre d’électrons qui sortent dépend en revanche du nombre de photons par seconde (à couleur égale : de la luminosité). Sous le seuil, une lumière plus intense n’y change rien. C’est ainsi qu’Einstein a expliqué l’effet photoélectrique en 1905 ; c’est surtout pour cela qu’il a reçu le prix Nobel de physique 1921.

Pour les curieux : le calcul

Énergie de mouvement E = h · f − W, avec h ≈ 4,14 · 10⁻¹⁵ eV·s et le travail de sortie W = 2,3 eV. À 6 · 10¹⁴ Hz : 2,48 eV − 2,3 eV ≈ 0,18 eV. À 10 · 10¹⁴ Hz : 4,14 eV − 2,3 eV ≈ 1,84 eV.

Source: Wikipedia: Effet photoélectrique

Défis0 sur 2 réussis

  • Trouvez le seuil : la fréquence la plus basse à laquelle des électrons sortent tout juste.à faire
  • Réglez une fréquence à laquelle les électrons jaillissent avec au moins 2 eV.à faire

Intégrer ce calculateur sur votre site web

Copiez le code HTML ci-dessous pour intégrer le calculateur interactif sur votre propre page web :

Sources :
  1. Wikipédia : Effet photoélectrique — travail de sortie et fréquence de seuil.

D'autres cadeaux quantiques

Les contributions quantiques d'Einstein allèrent bien au-delà de 1905.

Les lasers

En 1916, il décrivit l'émission stimulée — un photon en déclenchant un autre identique. Des décennies plus tard, ce devint le principe de tout laser.

Le condensat de Bose-Einstein

Avec Satyendra Nath Bose, il prédit un étrange nouvel état de la matière près du zéro absolu. Il fut enfin créé en laboratoire en 1995, valant le Nobel à ses auteurs.

La dualité onde-corpuscule

Ses travaux contribuèrent à révéler que la lumière, et la matière, se comportent à la fois comme onde et comme particule — une pierre angulaire de la physique moderne.

« Dieu ne joue pas aux dés »

Niels Bohr et Albert Einstein en pleine discussion, photographiés par Paul Ehrenfest vers 1925
Einstein et Niels Bohr, vers 1925. Leurs débats bon enfant mais profonds sur la théorie quantique sont légendaires en physique.Image: Paul Ehrenfest. Domaine public, via Wikimedia Commons (Source)

À la fin des années 1920, la mécanique quantique était devenue profondément probabiliste : elle pouvait prédire les probabilités de l'endroit où un électron serait trouvé, mais jamais une réponse définie. Pour Einstein, c'était intolérable. Il croyait qu'une théorie complète devait décrire une réalité définie, et non de simples probabilités.

Aux célèbres conférences Solvay, il croisa le fer avec Niels Bohr, inventant d'ingénieuses expériences de pensée pour prendre la théorie quantique en défaut. Bohr, parfois après une nuit blanche, trouvait une réponse à chacune. « Dieu ne joue pas aux dés », insistait Einstein ; dans une lettre à Born de 1926, il écrivit (en traduction) : « Quoi qu'il en soit, je suis convaincu qu'Il ne joue pas aux dés. » Dans le récit ultérieur de Bohr lui-même, celui-ci mettait en garde contre le fait d'attribuer des qualités à la Providence dans le langage courant. La réplique « Einstein, cessez de dire à Dieu ce qu'il doit faire » est une version racontée plus tard, non une citation documentée.

Photographie de groupe de la conférence Solvay de 1927 ; dix-sept des vingt-neuf participants étaient ou deviendraient lauréats du Nobel
La conférence Solvay de 1927 à Bruxelles — sans doute le rassemblement d'esprits le plus extraordinaire de l'histoire de la science. Einstein est assis au centre du premier rang.Image: Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay. Domaine public, via Wikimedia Commons (Source)
La mécanique quantique est certes imposante. Mais une voix intérieure me dit que ce n'est pas encore le fin mot de l'histoire.Albert Einsteinlettre à Max Born, 4 décembre 1926 ; traduction de la version anglaise