La Biographie de Niels Bohr
	L'atome de Bohr et les prémisses de la mécanique quantique
	L'interprétation de Copenhague
	Références

La Biographie de Niels Bohr

En 1903, Niels entre à l'Université de Copenhague, où il se distingue notamment en gagnant, grâce à une étude théorique et expérimentale sur les jets de liquide et la tension superficielle, un concours organisé par l'Académie danoise des Sciences. En 1911, il en sort avec un doctorat sur la théorie électronique des métaux, dans laquelle il met en évidence l'incapacité de la physique classique à décrire le comportement de la matière à l'échelle atomique.

Il part ensuite à Cambridge, pour travailler au laboratoire Cavendish sous la direction de J. J. Thomson, mais celui-ci n'a que très peu de temps à lui consacrer. En 1912, Bohr décide alors d'aller travailler à Manchester, dans le groupe d'Ernest Rutherford qu'il a rencontré à Cambridge.

Celui-ci a, en 1911, imaginé un modèle planétaire de l'atome, dans lequel Z électrons évoluent en orbite circulaire autour d'un noyau concentrant la masse et la charge positive Ze. Ce modèle permet de rendre compte des grandes déviations que subissent parfois les particules alpha en traversant la matière, mais pose de gros problèmes de stabilité, l'électron étant condamné, selon les lois de la mécanique classique et de l'électromagnétisme, à aller s'écraser contre le noyau. Bohr, s'inspirant de la nouvelle hypothèse des quanta introduite par Planck et utilisée par Einstein, impose la stabilité de ce modèle, en postulant qu'il n'existe pour l'électron qu'un ensemble discret d'orbites stables caractérisées par des énergies bien définies, et que le passage d'un état à un autre ne peut être décrit par la mécanique classique ; la transition entre deux orbites stables s'accompagne de l'émission d'un rayonnement dont la fréquence est égale à la différence d'énergie des deux états divisée par la constante de Planck. Ce modèle, qui repose sur un mélange encore contradictoire de théorie classique et de nouveaux principes quantiques encore peu clarifiés, permet en particulier de décrire les raies spectrales de l'hydrogène en accord avec la formule empirique de Balmer, mais ne pourra être généralisé à la description d'atomes à plusieurs électrons. Ces résultats, publiés en 1913, sont très remarqués et discutés au sein de la communauté scientifique, et vaudront à Bohr le Prix Nobel de Physique de 1922.

En 1912, Bohr a épousé Margrethe Norlund, dont il aura six fils, et qui restera pour lui une compagne idéale. Après avoir occupé les fonctions d'assistant, successivement à Copenhague puis à Manchester,  il est nommé Professeur de Physique Théorique à l'Université de Copenhague en 1916. En 1920, il y est nommé directeur d'un Institut de Physique Théorique créé à son intention (l'actuel Niels Bohr Institute), et le restera jusqu'à sa mort en 1962, date à laquelle son fils Aage lui succédera.
Durant les années 1920, Bohr continue à se consacrer au développement d'une théorie quantique consistante au niveau atomique. Il s'intéresse également à une description théorique, au niveau électronique, de la structure et des propriétés du tableau périodique des éléments.
À Copenhague, son institut devient bientôt un centre international important en physique théorique, accueillant un grand nombre de visiteurs, et dont les conférences sont des lieux de rencontre privilégiés pour les jeunes théoriciens pleins de promesses de l'époque. Parmis ceux qui font des séjours prolongés à Copenhague, citons notamment H. Kramers, P. Dirac, W. Heisenberg, W. Pauli, L. Landau, J. Slater, O. Klein... Bohr lui-même se met à voyager et à donner des conférences en Europe et en Amérique du Nord. Il joue ainsi un rôle important dans le développement de la mécanique quantique, longtemps après que les premiers modèles atomiques ont été dépassés, grâce à l'esprit de recherche et à la méthode critique qu'il cultive dans son institut et lors de ses visites à l'étranger.

En approfondissant les idées de base de la nouvelle mécanique quantique formalisée par Heisenberg, Dirac et Schrödinger, Bohr atteint la notion de complémentarité : deux grandeurs sont complémentaires lorsque la mesure précise de l'une exclut la mesure précise de l'autre au même instant. Le point de vue de Bohr, connu comme l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, est que la réalité est indissociable de la mesure.
Pour Einstein, selon qui "God does not play dice'', le monde physique doit avoir des propriétés réelles indépendantes de toute mesure. Une discussion ardente oppose alors les deux hommes, Einstein présentant à Bohr d'ingénieuses expériences de pensée sensées contredire le principe d'incertitude, et celui-ci doit parfois faire appel à la relativité générale, propre création d'Einstein, pour leur trouver une faille.

Par la suite, Bohr apporte en théorie nucléaire des idées fructueuses et originales, notamment le modèle simple, mais riche de développement, du noyau atomique en tant que structure composée (1936). Il participe à la compréhension du phénomène de fission nucléaire quand, en 1939, il présente des arguments théoriques prédisant la fission, par les neutrons lents, de l'isotope rare U235 mais pas de l'uranium U238.
Au cours de la seconde guerre mondiale, Bohr tente tant bien que mal de maintenir l'intégrité de son institut dans le Danemark occupé par les Nazis. En 1943, sur le point d'être arrêté à cause de ses origines juives, il se trouve contraint de fuir, d'abord en Suède, puis en Angleterre. Là, avec son fils Aage, il participe activement au projet de bombe à fission nucléaire, qu'il poursuit à Los Alamos au sein de l'équipe de recherche britannique.
Conscient des problèmes éthiques posés par les armes atomiques, il essaie en vain, en 1944, de persuader Winston Churchill et Franklin Roosevelt de la nécessité d'une collaboration internationale.Par la  suite, il continue d'oeuvrer pour des politiques atomiques de paix, et exprime notamment ses idées sur le sujet dans une lettre ouverte aux Nations-Unies en 1950. En 1957, il reçoit le premier U.S. Atoms for Peace Award.

Bohr meurt à Copenhague, le 18 novembre 1962, à l'âge de 78 ans.
 
 
 

L'atome de Bohr et les prémisses de la mécanique quantique

C’est en 1913 que Bohr proposa une description de la structure des atomes, en particulier celle de l’atome d’hydrogène. Le « modèle de Bohr »  fut le premier modèle qui inclut les idées nouvelles de théorie quantique.
Selon la description de l'atome par Rutherford, l’électron est en rotation circulaire autour du nucleus. La physique classique, reposant sur les équations de Maxwell, prédit qu'il doit émettre un spectre continu de radiations électromagnétiques. Par conséquent, perdant de l'énergie, il doit s’écraser sur le nucleus en une fraction de seconde !
Or une analyse de la lumière émise par un atome d’hydrogène avec un spectromètre à prisme par exemple, fait apparaître un spectre de raies caractéristiques de l’atome. A l’époque, les longueurs d’ondes du spectre sont liées entre elles par la formule expérimentale de Balmer Rydberg.

            Rh = 109 677.58 cm-1 (constante de Rydberg)

            n,p : nombres entiers

Bohr compris que l’émission de raies spectrales traduit un effet quantique apparaissant dans la structure de l’atome. Tout d'abord, il postula que l’électron est capable d’être en orbite autour du nucleus sans rayonner d’énergie électromagnétique.
Un électron, en orbite (d’ordre n) autour d’un nucleus, est soumis à une force centrale :
 

        (1)

          (2)

          (3)

      (4)   n : nombre quantique entier

        (5)

  (6)

D’après Bohr, sur une orbite possible, donc stable, l’énergie totale (cinétique plus potentielle) de l’électron demeure constante. Chaque orbite est caractérisée par une valeur bien définie En, donnée par :    (8), ou encore,  . L’ensemble des orbites correspond donc à une suite discontinue E1, E2,.., En des valeurs de l’énergie.

Bohr put alors déterminer le spectre de l’hydrogène avec ce formalisme : lorsqu’un électron tombe sur un état d’énergie inférieur, un photon est émis avec une énergie E telle que  ,   ce qui le conduit à :

          (9)

L'interprétation de Copenhague

"L'interprétation de Copenhague" est une formulation philosophique, qui fournit un cadre de compréhension des limites et applicabilités de la mécanique quantique. Elle a été développée principalement par Niels Bohr et Werner Heisenberg. Elle concerne deux points : le premier point est l'apparente incapacité à attacher une interprétation physique aux processus quantiques. Le second point est l'impossibilité pour une description quantique de fournir une solution unique et déterministe à un problème donné.

Une des premières difficultés de la mécanique quantique est qu'elle fait intervenir des objets mathématiques non intuitivement représentables. L'équation de Schrödinger, qui se trouve au cœur de la mécanique quantique, décrit le comportement d'entités physiques par des fonctions d'onde complexes, donc sans signification physique réelle. Ces fonctions d'ondes sont plutôt des concepts abstraits. Malgré cela, les prédictions de Schrödinger ont été confirmées par de nombreuses expériences bien réelles !

En même temps que l'on s'interrogeait sur la réalité physique d'une description quantique, la description probabiliste des phénomènes fournie par la mécanique quantique fut aussi au cœur de nombreux débats. En effet, de par l'utilisation de certaines fonctions mathématiques (fonction d'onde), la mécanique quantique ne permet pas de prédire de manière certaine où se trouve une particule, mais uniquement quelles sont les états d'occupation possibles et avec quelles probabilités la particule peut s'y trouver. Ce fait jeta une grande consternation parmi les physiciens. Werner Heisenberg trouva une issue en affirmant que les résultats probabilistes donnés par la mécanique quantique n'étaient qu'une conséquence intrinsèque des limites de l'homme à collecter précisément des données. "One can not say that quantum mechanics is statistical. But when one wishes to calculate the future from the present one can only get statistical results, since one can never discover every detail of the present".
Heisenberg explicita son point de vue en 1927 en formulant ses « relations d’indétermination ». Ces relations expriment l’impossibilité de déterminer avec certitude la valeur de certains couples de grandeur, comme la quantité de mouvement d’une particule dans une certaine direction et sa position dans la même direction, ou bien à la fois son énergie et le temps où est effectué cette mesure. En d’autres termes, pour un objet quantique, l’opération de mesure intervient dans le résultat de la mesure. Par exemple, l’observation d’un électron demande qu’on l’éclaire, c’est à dire que l’on le bombarde avec des photons : aussi, une grande précision sur le temps où est faite la mesure nécessite des photons de période faible, c’est à dire d’énergie élevée et la collision photon–électron modifiera fortement l’énergie de cette particule.

Bohr quant à lui, arriva à la conclusion que la théorie quantique ne s'applique pas à un système isolé mais à une relation entre un système et un moyen de mesure. Cette réflexion l'amena à re-définir le concept de « phénomène » (ou « phenomenon ») : la description d’un phénomène doit inclure la spécification complète des conditions d’observations. Par exemple dans l’expérience à deux fentes, le mouvement de l’électron n’a plus une réalité indépendante de celle de l’ensemble du dispositif expérimental qui l’entoure. Selon Bohr, la question n’est pas de savoir si l’électron est une onde ou une particule, mais bien de comprendre que dans certaines expériences, les résultats expérimentaux présentent l’électron comme s’il était une onde ou comme s’il était un corpuscule. Les concepts d’onde et de particule constituent donc deux concepts complémentaires, bien que mutuellement exclusifs, qui sont néanmoins indispensables pour une description complète de l’expérience.

C’est ainsi que pour Bohr, la seule réalité sur laquelle nous avons prise consiste dans l’ensemble des phénomènes accessibles à nos sens. Les lois que nous en tirons ne sont qu’une manière commode et efficace de résumer l’ensemble des faits expérimentaux et d’en effectuer la généralisation vers l’inconnu. La mécanique quantique donne, sous forme probabiliste, la description physique la plus complète du monde qu’on puisse concevoir.

Einstein par contre, réaliste et déterministe convaincu, était persuadé qu’il existe une réalité indépendante de nos observations. Nous pouvons indirectement avoir accès à cette réalité en élaborant des théories et modèles. De plus, la connaissance totale et parfaite de l’état de tous les constituants de l’univers ainsi que des lois qui le gouvernent, nous permettraient de prédire l’évolution future de l’univers à tout instant. Or en mécanique quantique ce recensement de la position et de la quantité de mouvement de chacune des particules de l’univers, nous est rendu impossible par les inégalités d’Heisenberg. C’est pourquoi Einstein, n’admettant pas la nature probabiliste de la mécanique quantique, ni les relations d’indétermination d’Heisenberg, accusa alors la mécanique quantique d’être incomplète quant à la description qu’elle nous donne de la réalité.

De nos jours, l'interprétation de Copenhague est considérée comme une interprétation philosophique classique de la mécanique quantique. Il n'en est pas moins qu'elle reste un débat d'actualité, tant sur le plan philosophique qu'expérimental..
 
 
 

Références

· Encyclopaedia Britannica
· A. Pais, Niels Bohr's Times, In Physics, Philosophy and Polity, Clarendon Press, Oxford, 1991
· E. Segrè, Les physiciens modernes et leurs découvertes, Des rayons X aux quarks, Fayard, 1984
· N. Blaedel, Documentation danoise : Niels Bohr, Ministère des Affaires étrangères, Copenhague, Danemark, 1985.
· Niels Bohr, Discussion with Einstein on epistemological problems in atomic physics, http://www.emr.hibu.no/lars/eng/schilpp/
· Eric Weisstein, Copenhagen Interpretation, http://www.treasure-troves.com/physics/CopenhagenInterpretation.html.
· The Bohr Model, http://theory.uwinnipeg.ca/physics/bohr/.
· John J. Brehm and Willaims J. Mullin, Introduction to the Structure of Matter : a course in modern Physics, John Wiley and Sohns, New York (1989).