quantique, théorie

Depuis 1925, aucun déficit essentiel n’a été découvert dans la théorie quantique. Pourtant, la question de savoir si cette théorie doit être considérée comme complète a été soulevée. La mécanique quantique a résolu tous les problèmes importants ayant agité le monde de la physique au début des années 1920. Elle a continuellement amélioré la compréhension de la structure de la matière et fourni une base théorique nécessaire à la compréhension de la structure de l’atome et des phénomènes des raies spectrales : chaque raie du spectre correspond à l’énergie d’un photon transmise ou absorbée lorsqu’un électron passe d’un niveau d’énergie à un autre. L’interprétation des liaisons chimiques a été radicalement transformée par la mécanique quantique et est désormais fondée sur les équations d’onde de Schrödinger. En physique, de nouveaux domaines ont vu le jour : la physique du solide, la physique de la matière condensée, la physique nucléaire et la physique des particules élémentaires qui trouvent toutes en la mécanique quantique une base cohérente.

Dans les années 1930, l’application de la mécanique quantique et de la relativité sur la théorie de l’électron permet au physicien britannique Paul Dirac de formuler une équation qui sous-entend l’existence du spin de l’électron (voir électrodynamique quantique). Par la suite, cette équation conduit à la découverte de l’existence du positron par le physicien américain Carl David Anderson.

L’application de la mécanique quantique au domaine du rayonnement électromagnétique permet d’expliquer beaucoup de phénomènes tels que le rayonnement de freinage (rayonnement émis par les électrons freinés dans la matière) et la formation de paires particule-antiparticule (comme la formation d’un positron et d’un électron produits par l’interaction de radiations électromagnétiques avec la matière). Néanmoins, elle soulève un problème de taille appelé difficulté de divergence : certains paramètres, comme la masse simple et la charge simple de l’électron, semblent être infiniment grands dans les équations de Dirac ; les expressions masse simple et charge simple se réfèrent à des électrons hypothétiques n’ayant d’interaction avec aucune matière et aucun rayonnement ; en réalité, les électrons ont toujours une interaction, ne serait-ce qu’avec leur propre champ électrique. Ce problème est partiellement résolu dans les années 1947-1949 dans le cadre d’un programme nommé renormalisation, développé par le physicien japonais Shinichiro Tomonaga et les physiciens américains Julian Schwinger, Richard Feynman et Freeman Dyson. Dans ce programme, la masse et la charge simples de l’électron sont infiniment grandes, de sorte que les autres grandeurs physiques de l’équation sont négligeables. La renormalisation permet d’augmenter considérablement la précision avec laquelle la structure de l’atome peut être analysée.

La mécanique quantique sert de base aux tentatives actuelles visant à expliquer la force nucléaire (voir chromodynamique quantique) et à développer une théorie unifiée pour toutes les interactions fondamentales de la matière (voir théorie des champs unifiée). Toutefois, il existe encore des doutes sur l’intégralité de la théorie quantique. La difficulté de divergence, par exemple, n’est que partiellement résolue. Des difficultés d’ordre théorique persistent, notamment entre la mécanique quantique et la théorie du chaos, qui a connu un essor rapide dans les années 1980. Des efforts visant à développer une théorie capable de concilier la relativité et la mécanique quantique sont toujours à l’étude, notamment celle développée par le physicien britannique Stephen Hawking.