Niels Bohr a apporté des contributions majeures au développement de la théorie quantique au cours du premier quart du siècle dernier, mais ce qui est probablement encore plus important, c’est l’inspiration et les conseils qu’il a fournis à de nombreux physiciens plus jeunes qui ont pris la relève de ses dernières étapes.
Depuis la fondation de l’Institut de physique théorique à Copenhague en 1921 jusqu’à sa mort, à l’exception des années de guerre, l’Institut est devenu le centre des recherches en physique théorique dans le monde entier. Presque tous ceux qui ont apporté des contributions pionnières à la théorie ont passé un temps considérable à Copenhague, où ils ont exposé leurs idées à Bohr, ont travaillé et discuté avec lui, et ont adopté son approche de la physique.
Après que Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger ont réussi à accomplir la difficile synthèse de la théorie quantique en 1925-1926, Bohr a développé le cadre complémentaire, qui a été critiqué pour sa prétendue capacité à « traduire » les résultats mathématiques, montrant comment les aspects paradoxaux de la théorie quantique pouvaient être définis de manière rationnelle. Bohr a également apporté d’importantes contributions à la physique nucléaire, mais à la fin de sa vie, il est devenu une figure clé dans la direction de la physique nationale et un défenseur de la paix mondiale.
Qui est Niels Bohr ?
Niels Bohr est né le 7 octobre 1885 à Copenhague. En 1890, son père, Christian, professeur de physiologie à l’Université de Copenhague, était un scientifique exceptionnel. Ses travaux les plus influents concernaient les effets du dioxyde de carbone sur la libération d’oxygène par l’hémoglobine, pour lesquels il fut proposé pour le prix Nobel en 1907 et 1908. Niels a grandi dans un environnement confortable mais axé sur l’apprentissage.
Son frère Harald (1887-1951) était un mathématicien important qui a dirigé l’Institut des Sciences Mathématiques adjacent à l’Institut de Niels. Être danois à cette époque signifiait être citoyen d’un petit pays, récemment sorti d’une guerre avec la Prusse et d’autres catastrophes du début du 20e siècle, ce qui a été un élément central de la vie de Bohr. De plus, son origine semi-juive a eu des impacts importants, surtout dans les dernières années de sa vie.
La carrière scientifique internationale de Bohr a commencé après ses études au Danemark, lorsqu’il est allé travailler avec Ernest Rutherford à l’Université de Manchester en 1912. L’année précédente, Rutherford avait découvert le modèle nucléaire de l’atome, où la masse de l’atome est concentrée dans un noyau extraordinairement petit au centre.
Le succès de Bohr résidait dans le fait qu’il a lié les travaux de Rutherford aux résultats antérieurs de Max Planck sur la quantification de l’énergie. Depuis la création de la théorie quantique en 1900, toutes les analyses concernaient les radiations, et le célèbre modèle atomique de Bohr a été la première application de la théorie aux atomes. En 1913, il a publié son modèle de l’atome, représentant un noyau positif entouré d’électrons, qui est toujours utilisé aujourd’hui.
Le principe de correspondance
Son travail portait sur les orbites quantifiées des électrons autour du noyau. Le moment angulaire était égal à nh/2π, où n prenait des valeurs entières (1, 2, 3, …) et h était la constante de Planck, une quantité fondamentale en théorie quantique. Bohr a montré qu’il y avait des orbites spécifiques, ou « niveaux d’énergie », et que la transition entre elles était possible.
Cela signifie que les électrons pouvaient sauter d’une orbite à une autre en absorbant ou en émettant de la radiation à une fréquence déterminée par la différence d’énergie entre les niveaux. L’énergie nécessaire était fournie par un photon, une particule de lumière.
Cette découverte fut un grand triomphe pour Niels Bohr, et elle lui valut le prix Nobel en 1922. Cependant, il fut également le premier à se rendre compte que ce n’était qu’une étape vers une théorie quantique complète. Selon la physique de son époque, l’atome de Bohr était instable, car l’électron perdrait de l’énergie en changeant d’orbite et finirait par tomber dans le noyau.
Un changement beaucoup plus radical était nécessaire. C’est pourquoi le principe de correspondance de Bohr, dans la nouvelle théorie quantique, allait être largement utilisé dans les dix années suivantes. Ce principe stipule que les lois de la physique classique ou pré-quantique sont retrouvées dans les systèmes suffisamment grands.
Le physicien et philosophe des sciences israélien Max Jammer a écrit : « Dans l’histoire de la physique, il est rare qu’une théorie aussi complète que celle de la mécanique quantique soit redevable d’un principe aussi fondamental que le principe de correspondance de Bohr. »
Le débat Bohr-Einstein
En 1925, Heisenberg, sous la direction de Bohr, produisit la première formulation claire et définitive de la théorie quantique. C’est lui qui a déduit le célèbre principe d’incertitude, selon lequel il est impossible de connaître simultanément la position et la quantité de mouvement d’une particule avec précision. Mais c’est Bohr qui, en cherchant à expliquer les paradoxes apparents de la théorie quantique et à généraliser l’approche philosophique du tout, a proposé l’idée d’une approche holistique.
Le principe de l’holisme affirmait que certains objets peuvent posséder deux propriétés apparemment contradictoires. Parfois, pour observer ces deux caractéristiques opposées, on doit passer d’un aspect de l’objet à un autre, mais on ne peut pas les voir simultanément.
Bohr, par conséquent, a suggéré qu’au lieu de se demander pourquoi nous ne pouvons pas traiter simultanément la position et la quantité de mouvement ou pourquoi la lumière se comporte parfois comme une particule et parfois comme une onde, nous devrions nous concentrer sur les résultats de la mesure.
Bohr écrivait en 1936 : « La seule raison logique pour abandonner l’idéal de causalité en physique atomique est que, en raison de l’interaction inévitable entre l’objet et l’appareil de mesure, nous ne sommes pas en mesure de parler du comportement autonome de l’objet. »
L’approche conceptuelle de Bohr, notamment en ce qui concerne la relation avec les mesures, n’a été contestée que par Albert Einstein et, à un certain degré, par Schrödinger, qui ont chacun proposé leurs propres synthèses de la théorie quantique.
Cependant, pendant les années 1920 et 1930, lors de conférences célèbres comme la Cinquième Conférence Solvay sur la théorie quantique en octobre 1927, Bohr semblait avoir remporté le débat. Toutefois, avec le temps, lorsque de nombreux physiciens théoriques ont remis en question certains aspects du principe de l’holisme, cette opinion a été remise en question.
Dans les années 1920, Bohr a commencé à explorer des techniques pour développer une compréhension des atomes dans le tableau périodique. Dans les années 1930, il s’est de nouveau intéressé à la physique nucléaire. Il a développé un modèle de la nucléosynthèse de la matière dans le noyau en utilisant le modèle de la goutte de liquide, expliquant que, comme une goutte de liquide, un noyau pourrait se diviser en deux par un « goulot ».
Plus tard, en 1939, lors de sa visite aux États-Unis, Bohr, avec John Wheeler, a élaboré la théorie détaillée de la fission nucléaire. Ils ont montré que l’uranium isotopique U-238 ne participait pas à la fission, et que seule la petite proportion d’uranium U-235, représentant environ 0,7% de l’uranium naturel, était fissionnable.
Grand scientifique danois
Niels Bohr était sans conteste la personnalité la plus éminente du Danemark. En 1931, lui et sa famille eurent l’honneur de vivre dans la Résidence d’Honneur attribuée par la Fondation Carlsberg à la personne danoise la plus influente dans les domaines de la science ou de l’art. (Sa famille se composait de son épouse Margrethe, qu’il avait épousée en 1912, et de leurs cinq fils, dont Aage, qui remporta le prix Nobel de physique en 1975.)
Après l’invasion allemande de Copenhague en avril 1940, ils décidèrent de rester dans la ville. En octobre de la même année, Werner Heisenberg, qui travaillait alors pour le programme nucléaire nazi, fit une visite très controversée au Danemark. Pendant cette visite, il suggéra que les Allemands seraient bientôt victorieux, ce qui irrita Bohr.
Heisenberg, lors d’une conversation privée avec Bohr, exprima son désir évident de discuter de la possibilité de développer des armes nucléaires. Bohr fut profondément perturbé par cette idée venant de son ancien conseiller. Cette rencontre allait donner naissance, près de 60 ans plus tard, à la pièce de théâtre Copenhague de Michael Frayn.
En septembre 1943, lorsqu’il apprit que les Juifs danois seraient envoyés en Allemagne, Niels Bohr et sa femme s’enfuirent d’abord en Suède, puis à Londres. En novembre, Niels et Aage se rendirent aux États-Unis, où ils participèrent au projet de la bombe atomique. Cependant, Bohr était davantage préoccupé par les conséquences politiques possibles de cette nouvelle arme.
En mai 1944, il rencontra Winston Churchill dans l’espoir de le convaincre de mettre en place un contrôle international des armes nucléaires. Malheureusement, Churchill n’accorda aucun intérêt à cette proposition. En réalité, Bohr était en correspondance avec le physicien russe Pyotr Kapitza, ce qui faillit lui valoir d’être accusé de trahison par Churchill. (Cependant, le message de Bohr avait été approuvé par les services secrets britanniques.)
Après la guerre, Bohr continua sa quête pour la paix, mais, malheureusement, il ne connut que peu de succès dans ce domaine de son vivant. Pour ses efforts, il reçut en 1957 le tout premier Prix Atomique pour la Paix, lors d’une cérémonie en présence du président Eisenhower.
Bohr fut également influent dans la planification du Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN), de l’Institut nordique de physique atomique théorique (Nordita) et du centre d’applications industrielles de l’énergie nucléaire à Riso, au Danemark. Il mourut soudainement en novembre 1962.
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