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Niels Bohr, le pionnier de la physique quantique

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Niels Bohr

Niels Bohr a été l’un des plus éminents scientifiques de son temps. Précurseur en matière de physique quantique, il a su s’affranchir des codes de son époque pour proposer une théorie révolutionnaire permettant de poser les bases de cette nouvelle science. Ses oppositions marquées avec les scientifiques de son impact, dont Albert Einstein, lui ont permis de se faire une place de choix parmi les plus grands physiciens de l’Histoire. Pour comprendre tout l’impact qu’il a eu, Études Tech te retrace son parcours.

Un passage à Cambridge décevant

Niels Bohr

Niels Henrik David Bohr naît le 7 octobre 1885 à Copenhague au Danemark. Très rapidement, il se passionne pour la physique et décide de se professionnaliser dans le domaine. Sa mère, Ellen Adler, était de confession juive et cela va avoir un impact important sur la vie de son fils lorsque la Seconde Guerre mondiale éclate. Il a également un frère nommé Harald, lui aussi doué en mathématiques et en sport, à tel point qu’il fait partie de l’équipe de football olympique danoise lors des Jeux de Londres en 1908.

Ainsi, il entre à l’université de Cambridge en 1903 où il publie une thèse en 1906 concernant les vibrations d’un jet de liquide. Il obtient son doctorat en 1911 grâce à sa théorie électronique des métaux. La même année, il part étudier à Cambridge avec le physicien JJ Thompson, celui qui a découvert les électrons en 1897. Au départ, il est très excité par sa rencontre avec Thompson, comme il en fait part à sa fiancée, Margrethe Norlung dans une lettre. Pourtant, la relation entre les deux hommes vire au désastre. Après le premier jour de cours, Bohr se rend chez Thompson et réfute un des extraits issus d’un livre écrit par son professeur. Ce dernier a reçu un prix Nobel et est un physicien reconnu par ses pairs. Il prend assez mal le fait d’avoir été réfuté par un de ses élèves et leur relation se dégrade. De plus, à cause de ses origines danoises, la plupart des élèves de Cambridge refusent de parler avec Niels Bohr. Entre cela et l’incident avec JJ Thompson, Bohr se rend rapidement à l’évidence, il n’a pas sa place à Cambridge.

Une rencontre déterminante avec Ernest Rutherford

En 1912, il quitte donc Cambridge pour se rendre à Manchester afin d’étudier auprès d’Ernest Rutherford. Ce dernier se pensait supérieur à JJ Thompson parce qu’il a proposé un nouvel modèle atomique, réfutant également les études de l’ancien professeur de Bohr. Rutherford publie, dans la foulée, un article dans lequel l’atome est composé d’une charge positive entourée par une distribution d’énergie négative. Cet article pose un problème. En effet, avec les connaissances en physique de l’époque, dans le modèle atomique de Rutherford, les électrons devraient être absorbés par le noyau, ce qui n’est pas le cas. À Cambridge, la seule personne qui soutient cette théorie, c’est Niels Bohr, cela renforce encore plus son envie de changer d’université.

Une fois arrivé à Manchester, celui-ci se rend compte qu’il n’est pas fait pour les travaux expérimentaux. Il demande alors à Rutherford de se tourner vers la physique théorique. Même si son professeur déteste les théoriciens, il accepte la demande de Bohr pour deux raisons. Tout d’abord, il pense que son élève est brillant et qu’il est promis à un bel avenir (la suite de l’histoire lui donnera très clairement raison). La deuxième raison est, quant à elle, assez saugrenue. En effet, Rutherford était un passionné de football et Bohr se débrouillait plutôt bien. Par conséquent, cet amour pour le ballon rond a renforcé la relation entre les deux hommes. C’est pourquoi, Rutherford accepte que son élève se tourne vers les travaux théoriques.

Sur la constitution des atomes et des molécules

En 1913, Niels Bohr publie l’un des articles les plus influents de l’histoire de la physique nommé « Sur la constitution des atomes et des molécules ». Celui-ci bouleverse la compréhension de la structure atomique et pose les bases de la physique quantique. Il se sert de la théorie des Quanta de Max Planck et du modèle atomique d’Ernest Rutherford pour dire que des électrons gravitent autour d’un noyau atomique sur plusieurs niveaux d’énergie stable. Ainsi, Niels Bohr introduit le concept de quantification. Il vient remettre en question l’idée communément admise à l’époque disant que l’énergie était une quantité continue. C’est pour cela que Bohr a réussi à s’imposer comme un pionnier de la physique quantique. Sa faculté à entrer en contradiction avec les idées de l’époque en prenant le contre-pied est terriblement efficace lorsqu’il s’agit de physique quantique. En effet, cette matière visite l’univers à une échelle à laquelle nous ne sommes jamais confrontés. De fait, il faut totalement revoir sa manière de penser et d’appréhender le monde en laissant place à l’inconnu.

Dans sont article, Niels Bohr pose également les bases de la quantité de mouvement, reprise plus tard par Werner Heisenberg lorsqu’il met au point son principe d’incertitude. En effet, le physicien danois décrit le principe de complémentarité en disant qu’en physique quantique certaines propriétés ne pouvaient pas être calculées en même temps, avec la même précision.

Enfin, Bohr fait le lien entre la physique classique et la physique quantique. Étant une nouvelle matière, la physique quantique peut être compliquée à appréhender parce qu’elle bouleverse totalement les codes déjà établis. De fait, il relie ces nouvelles notions avec des termes de physique traditionnelle afin de permettre à ses contemporains de mieux la comprendre.

Cet article et le modèle atomique qui en découle ont totalement bouleversé le monde scientifique tant, il était audacieux. Albert Einstein a déclaré qu’il avait déjà eu des idées similaires, mais qu’il n’avait jamais osé les publier. Cet article a été au centre de tous les débats et a provoqué un clivage au sein de la communauté scientifique. Les plus anciens n’aimaient pas l’article parce qu’il le trouvait trop radical tandis que la nouvelle génération a tout de suite compris le nouveau modèle atomique proposé par Bohr, ce qui va lui permettre d’obtenir un prix Nobel en 1922.

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La controverse Einstein-Bohr

En 1916, Niels Bohr devient professeur à l’université de Copenhague et crée un laboratoire dédié exclusivement à la physique quantique qui ouvre ses portes en 1921. Bon nombre des plus éminents physiciens du XXe siècle viennent y étudier comme Werner Heisenberg, un autre pionnier de la physique quantique. Néanmoins, ce qui marque sa vie dans les années 1920 et 1930, c’est le débat important qui l’opposait à Albert Einstein connu sous le nom de « Controverse Einstein-Bohr ». Le débat repose sur la manière d’appréhender la physique quantique. Einstein est attaché au déterminisme, c’est-à-dire que les particules subatomiques doivent avoir des propriétés physiques bien définies. Cette conception semblait la plus logique pour l’époque parce que les connaissances en physique quantique n’en étaient qu’à leurs balbutiements.

Tu t’en doutes, comme à son habitude, Bohr entre en contradiction avec cette idée. Il défend l’indétermination, c’est-à-dire que, selon lui, il est impossible de définir des propriétés propres aux particules subatomiques et il instaure une conception probabiliste. La physique quantique doit laisser place à un contexte expérimental. Cette réflexion a indigné fortement Einstein qui a déclaré « Dieu ne joue pas aux dés ». Pourtant, Niels Bohr avait raison, la physique quantique ne peut reposer sur des propriétés figées dans le marbre.

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Niels Bohr et l’armement nucléaire

Bohr, Oppenheimer et Heisenberg

Niels Bohr a inspiré Werner Heisenberg, il a également été une grande source d’inspiration pour le physicien américain Robert Oppenheimer qui a voué une véritable admiration pour son collègue danois. Ironiquement, Heisenberg et Oppenheimer vont s’opposer dans la course à la bombe atomique. Dans les années 30, comme la quasi-intégralité des scientifiques à travers le monde, Niels Bohr s’intéresse au nucléaire. Il propose un modèle dans lequel le noyau atomique est un mélange homogène de nucléons pouvant se scinder s’il est bombardé d’énergie. Cette théorie est testée et approuvée par le physicien allemand Otto Hahn lorsqu’il parvient à obtenir la première fission nucléaire en 1938.

Lorsque la Seconde Guerre mondiale éclate, l’Allemagne nazie envahit le Danemark en 1940. Bohr reste trois ans sur place avant de partir pour deux raisons. La première étant que sa mère était juive. De fait, il se rend compte qu’il est de moins en moins en sécurité en Europe. La seconde raison est sa rencontre avec Werner Heisenberg. En effet, ce dernier est affecté au projet Uranium allemand qui a pour objectif de parvenir à une arme nucléaire. Il se rend à Copenhague pour rencontrer Bohr et il lui fait part, avec assurance, que l’Allemagne ne pourra pas perdre la guerre. Niels Bohr fait le lien avec le développement d’une bombe atomique et connaît les conséquences désastreuses que cela pourrait entraîner si elle venait à tomber entre les mains des Allemands.

C’est pourquoi, avec plusieurs de ses camarades scientifiques, il quitte le Danemark pour aller se réfugier aux États-Unis. Là-bas, il rejoint le projet Manhattan visant à créer la bombe atomique côté américain, dirigé par Robert Oppenheimer. Il participe activement à ce projet, ce qui permet aux américains d’être la première nation à se doter de l’arme nucléaire tandis que le projet Uranium mené par Werner Heisenberg n’a jamais donné lieu à une quelconque arme nucléaire.

Ses prises de position après la guerre

En 1944, Niels Bohr rencontre le Premier Ministre britannique, Winston Churchill. Ce dernier lui dit que si une arme atomique venait à voir le jour (ce qui sera le cas le 16 juillet 1945 avec le lancement de Trinity dans le désert du Nouveau-Mexique), il faudrait l’utiliser avec intelligence et sagesse. Ce conseil n’est visiblement pas arrivé jusqu’aux oreilles du président américain Franklin Roosevelt, lorsqu’il prend la décision de bombarder Nagasaki. En effet, après la frappe sur Hiroshima, le Japon avait très peu de chances, voire aucune, de se relever pour renverser le cours du conflit. En vue des forces en présence, la frappe atomique sur Nagasaki n’était clairement pas obligatoire.

Après la guerre, comme beaucoup de ses confères, il plaide pour un partage international des connaissances en matière d’énergie atomique afin d’éviter une course à l’armement nucléaire totalement incontrôlée. Ce conseil n’a, encore une fois, pas été suivi. En effet, de nombreuses nations, en tête la France et l’URSS, se sont mises à développer leur propre arsenal nucléaire en dépit de règles sanitaires à respecter occasionnant de nombreux drames humains, comme ce fut le cas en 1974 lors de l’essai à l’atoll de Mururoa. Les scientifiques français avaient mal évalué la puissance de la bombe qui a été plus importante que prévue, contaminant l’atmosphère et l’océan environnant, ce qui a donné lieu à un grave drame sanitaire.

Pour en revenir à Niels Bohr, il œuvre pour une collaboration scientifique en matière d’armement nucléaire et cherche à pacifier au maximum l’utilisation de l’énergie nucléaire. En 1957, il rejoint l’Agence internationale de l’énergie atomique. Il s’agit d’une coopération visant à contrôler et à empêcher la prolifération des armes nucléaires. Le physicien danois s’éteint à Copenhague le 18 novembre 1962. Il laisse, derrière lui, un impact incommensurable sur le monde de la physique en posant les bases de la physique quantique. Ses prises de position marquées ont permis de faire avancer le monde de physique et ses recherches sont toujours d’actualité, aujourd’hui, et aident bon nombre de scientifiques à comprendre le fonctionnement de ce monde subatomique.

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