Werner Heisenberg

« Werner Heisenberg Heisenberg est connu du grand public par la découverte de son principe d'indétermination, qui fut à l'époque, après la Relativité d'Einstein, l'événement qui a le plus impressionné les milieux philosophiques portant de l'intérêt aux Sciences.

C'est trop peu de se borner à énoncer et discuter le principe nouveau ; il faut prendre connaissance de ses antécédents et de la situation scientifique qui lui a donné naissance, pour mieux juger la valeur du résultat et le mérite de son auteur. La découverte des quanta dans le rayonnement thermique en 1900 par Planck avait été rapidement suivie de l'invention du photon par Einstein, de la découverte des quanta dans les chaleurs spécifiques aux basses températures et surtout de la découverte du noyau de l'atome par Rutherford en 1912, ce qui permettait de concevoir l'atome comme un système composé d'un centre de charge positive entouré d'un système planétaire d'électrons négatifs.

C'est sur cette base expérimentale que, moins d'un an plus tard, le jeune Bohr construisit hardiment une première théorie des systèmes atomiques, et en particulier de l'atome d'hydrogène, qui devait être à l'origine de tous les progrès théoriques ultérieurs.

La théorie de Bohr repose sur deux postulats fondamentaux, traduction directe des lois empiriques de la spectroscopie : l'existence de tout système atomique possible seulement dans une série de niveaux stationnaires discontinus d'énergie ; l'émission et l'absorption de rayonnement par photos d'énergie hv (h constante de Planck ; v fréquence) égale à la différence d'énergie correspondant à la transition complète et instantanée du système d'un état stationnaire à un autre.

Ces deux postulats sont en conflit avec les conceptions classiques de la mécanique et de l'électromagnétisme.

De plus, le second fonde la théorie atomique sur une loi statistique ou de hasard, exactement comme l'est la désintégration radioactive d'un ensemble de noyaux identiques.

Cette loi de hasard concerne le phénomène élémentaire, lequel dans la théorie de Bohr est un tout indivisible, ne faisant plus l'objet d'une description dans l'espace et dans le temps, comme c'était le cas jusqu'alors pour toute théorie physique.

Personne mieux que Bohr lui-même dès le début n'a vu les conséquences radicales auxquelles la théorie nouvelle allait conduire.

Cela ne l'empêcha pas cependant d'en pousser les conséquences aussi loin que possible. Werner Heisenberg est né en 1902, de famille universitaire, à Munich.

Il fit ses études dans cette ville et, dans les circonstances difficiles qui suivirent la Première Guerre mondiale, commença par être l'élève de Sommerfeld, maître admirable qui venait de publier la première édition de son Atombau, et dès 1915 avait apporté d'importantes contributions à la théorie de Bohr.

Puis il travailla dans le centre important de Göttingen, chez Born principalement. C'est là qu'il fit la connaissance de Bohr.

Dès lors, jusqu'en 1928, époque où il reçut une chaire à Leipzig, il passa la plus grande partie de son temps chez Bohr à Copenhague. A cette époque, Bohr se préoccupait beaucoup, nonobstant les objections de principe, de développer sa théorie en gardant un contact aussi étroit que possible avec la mécanique et l'électromagnétisme classiques.

Il considérait la physique classique comme le cas limite d'une microphysique échappant aux représentations habituelles dans un espace-temps continu ; mais, à la limite, lorsque les moments cinétiques présents dans le système atomique (états excités) deviennent grands comparés à l'unité naturelle fondamentale de moment cinétique représentée précisément par la constante h de Planck, alors la nouvelle théorie doit se fondre insensiblement dans l'ancienne théorie classique.

On doit donc s'attendre à retrouver, déformés sans doute, de nombreux traits de correspondance entre la physique ancienne et celle des quanta.

D'où le nom de principe de correspondance créé par Bohr.

Il en a fait un très grand usage et a pu transposer, au moins qualitativement, de nombreuses acquisitions de la théorie classique des électrons de Lorentz à la théorie nouvelle.

En même temps, on constatait que le principe de correspondance s'accommodait parfaitement du caractère statistique fondamental de plus en plus apparent dans les phénomènes quantiques élémentaires.

En 1917, Einstein rattacha la formule du rayonnement thermique de Planck aux postulats de Bohr en introduisant pour la première fois les coefficients de probabilité qui portent son nom : A, pour la probabilité de transition spontanée ou d'émission naturelle d'un système atomique, passant d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur, en tout semblable à l'émission spontanée des noyaux radioactifs ; et B, pour la transition induite ou forcée d'un niveau à un autre, sous l'influence du rayonnement extérieur (absorption et émission).

Dans ce raisonnement, le rôle du principe de correspondance était essentiel, autant que celui des lois du hasard. Conformément au premier postulat de la théorie de Bohr, complété par les conditions de quantification de BohrSommerfeld, un état stationnaire de l'atome est représenté, pour simplifier, par un électron décrivant une orbite périodique stable.

Suivant les idées classiques de Maxwell et Lorentz, ce mouvement d'une particule électrique entraîne l'émission d'un rayonnement lumineux par création d'ondes électromagnétiques dont la fréquence est celle du mouvement orbital périodique, accompagnée de ses divers harmoniques, et dont l'intensité et la polarisation sont directement liées aux coefficients du développement de Fourier des coordonnées de la trajectoire.

(Ce rayonnement devrait d'ailleurs, par la perte d'énergie, entraîner à la longue l'instabilité de l'orbite, si les idées classiques restaient valables.) Réciproquement, on peut dire que, du point de vue classique, la connaissance du rayonnement émis par l'atome, en fréquence, intensité et polarisation, équivaut entièrement à la description du mouvement de l'électron sur sa trajectoire dans l'atome. Mais, conformément au second postulat de Bohr, ce qu'on observe en réalité dans le spectre optique rayonné par l'atome, ce sont des fréquences proportionnelles aux différences entre deux niveaux d'énergie de l'atome.

Le tableau. »