Au début des années 1920, la physique ressemble à une maison dont les fondations tiennent encore, mais dont les murs se lézardent de partout. Les grandes théories du XIXᵉ siècle — mécanique classique, électromagnétisme, thermodynamique — ont triomphé dans les domaines macroscopiques. Elles ont expliqué les planètes, les machines à vapeur, les champs électriques, les ondes lumineuses et elles ont même permis de compter les atomes grâce à la théorie cinétique des gaz. Mais dès qu’on descend dans l’atome, tout se dérègle.
Un monde qui se fissure
Les spectres atomiques, ces signatures lumineuses si régulières, défient les équations de Newton. La stabilité des atomes — pourquoi les électrons ne s’effondrent-ils pas sur le noyau ? — reste un mystère. La lumière elle-même semble hésiter entre deux identités, est-elle une onde ou particule ?
En 1900, Max Planck a introduit l’idée explosive que l’énergie ne varie pas continûment, mais par « grains », les quanta (podcast). En 1905, Einstein a osé dire que la lumière elle-même se comporte comme une pluie de particules. En 1913, Bohr a proposé que les électrons ne peuvent occuper que certains « états stationnaires », et que la lumière émise correspond à la différence entre ces états (podcast). Mais tout cela reste un bricolage conceptuel. Les théories classiques fonctionnent trop bien pour être abandonnées, mais trop mal pour expliquer l’atome.
C’est dans ce paysage instable que Bohr publie, en janvier 1926, son article « Atomtheorie und Mechanik », un texte qui ressemble moins à une démonstration qu’à une confession lucide[1] :
« la mécanique classique ne peut plus servir de langage fondamental pour décrire la nature. »
La mécanique classique est inadéquate
Bohr commence par rappeler l’immense succès de la mécanique et de l’électromagnétisme. Puis il montre, point par point, comment ces théories échouent dès qu’on tente de les appliquer à l’atome.
Depuis la découverte du noyau par Rutherford et surtout des protons par Moseley (podcast), il est clair que les électrons devraient rayonner en permanence et s’effondrer sur le noyau, or ils ne le font pas.
Bohr a apporté une réponse en quantifiant le moment cinétique des électrons, les contraignant à se déplacer sur des orbites stables, mais la physique classique, en particulier l’électromagnétisme, s’accommode mal de cette solution. Ensuite, les spectres devraient être continus, alors qu’ils sont composés de lignes parfaitement discrètes. Que se passe-t-il lorsqu’un électron passe d’une orbite à l’autre ? Cette question ne trouve aucune réponse. La notion de continuité semble être absente du monde microscopique, un concept que le cerveau humain a du mal à admettre. De plus, les lois de la dispersion et de la fluorescence ne peuvent être expliquées sans supposer que la lumière transporte des quanta d’énergie et de quantité de mouvement. Enfin, les expériences de Compton, Geiger et Bothe montrent que les collisions lumière–électron se comportent comme des chocs entre particules, ce qui contredit la théorie ondulatoire classique.
Bohr insiste sur le fait que ce n’est pas seulement une question de détails techniques. C’est la structure même des théories classiques, c’est-à-dire leur continuité, leur déterminisme, leur description dans l’espace et le temps, qui devient incompatible avec les phénomènes atomiques. Bohr rappelle alors les deux postulats fondateurs de la théorie quantique :
- Les atomes ne possèdent qu’une série discrète d’états stationnaires. Entre ces états, aucune transition continue n’est possible.
- La lumière émise ou absorbée correspond exactement à la différence d’énergie entre deux états.
Ces postulats, qui sont une rupture conceptuelle forte, sont en contradiction directe avec la mécanique classique. Ils introduisent une discontinuité radicale dans la description de la nature. Bohr ne les présente pas comme des dogmes mais il les relie à une multitude d’expériences qui ne peuvent être comprises autrement.
Le Korrespondenzprinzip : un pont fragile entre deux mondes
Bohr consacre une partie essentielle de son article à ce qu’il appelle le principe de correspondance. Pour le danois, dans certaines limites (grandes quantités de mouvement, grands nombres quantiques), les prédictions de la théorie quantique doivent rejoindre celles de la mécanique classique. Ce principe n’est pas une équation, mais une philosophie de travail. Il sert à guider les physiciens dans un territoire où les règles classiques ne fonctionnent plus, mais où elles laissent des traces utiles.
Grâce à ce principe, Bohr, avec Sommerfeld, a pu expliquer la structure fine du spectre de l’hydrogène, mais aussi comprendre l’effet Stark (déplacement des raies lorsque l’atome est soumis à un champ électrique), en collaboration avec Epstein et Schwarzschild. L’effet Zeeman (dédoublement des raies lorsque l’atome est soumis à un champ magnétique) a été décrit dans une version quantique de la théorie de Lorentz et surtout, il a su relier les amplitudes des harmoniques classiques aux intensités des raies spectrales.
Le principe de correspondance est un fil d’Ariane dans le labyrinthe quantique.
La crise des modèles : l’atome n’est plus un système mécanique
Bohr reconnaît cependant que les modèles mécaniques — les électrons sur des orbites elliptiques — ne sont que des images provisoires. Ils fonctionnent pour l’hydrogène, mais s’effondrent pour les atomes à plusieurs électrons. La mécanique classique ne peut pas décrire la stabilité des atomes complexes, ni les règles d’exclusion, ni les multiplicités spectrales, ni les anomalies de Zeeman, ni les transitions interdites ou permises.
Bohr annonce donc en janvier 1926 que la mécanique doit être réinventée. Il ne sait pas encore comment — les articles de Schrödinger et Heisenberg, publiés quelques mois plus tôt pour Heisenberg, le même mois pour Schrödinger, commencent à proposer une voie nouvelle — mais il sait que la mécanique classique ne peut plus servir de base.
L’article de Bohr marque la fin d’une époque et prépare la suivante :
Il clôt la tentative de sauver la mécanique classique en l’adaptant à l’atome. Les modèles orbitaux ne sont pas des descriptions réelles des électrons et il reconnaît que les phénomènes atomiques ne peuvent pas être décrits dans l’espace et le temps ordinaires.
Cet article ouvre la voie à de nouvelles théories dont la mécanique matricielle de Heisenberg et celle de la mécanique ondulatoire de Schrödinger. Il prépare un débat philosophique sur ce que sont la réalité, la nature et la science, mais aussi l’espace et le temps, des questions qui mèneront à des débats intenses avec Einstein. L’interprétation de Copenhague, dont nous reparlerons, nous conduira vers l’abandon du déterminisme classique au profit d’une physique fondée sur les probabilités.
Bohr ne propose pas encore la solution. Mais il dit clairement que la physique doit changer de langage.
[1] Bohr, Niels. “Atomtheorie und Mechanik.” Die Naturwissenschaften 14, no. 1 (1926): 1–10. https://doi.org/10.1007/BF01507326
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