Mécanique quantique

La mécanique quantique, qui s’est développée au début du siècle, est une approche théorique du comportement des micro-objets. Elle a rendu familiers un certain nombre de concepts. Elle a surtout été l’occasion de reconsidérer certains autres auxquels l’expérience quotidienne, jointe à l’habitude de raisonner suivant la mécanique classique, avait conféré une valeur d’évidence.

Bien que les discussions philosophiques touchant le public relativement aux grandes notions, temps, espace, etc., se soient surtout développées à propos de la relativité, certaines idées concernant la causalité, essentiellement liées au principe de Heisenberg (principe d’indétermination), ont donné à la mécanique quantique l’auréole d’une science difficile et développant des concepts en dehors du monde quotidien. En bref, ce serait une science de spécialistes, assez paradoxale, et qui n’a guère à voir avec les préoccupations de l’homme de la rue, voire de l’ingénieur qui doit avoir les pieds sur terre.

Cette opinion peut être renforcée par la lecture de divers ouvrages de mécanique quantique, qui font appel à un formalisme auquel les lecteurs accidentels ne sont généralement pas préparés.

Mais le plus paradoxal est justement d’en être à ce point, au moment où l’électronique s’introduit en force dans toutes les activités, où le nucléaire semble devenir la source d’énergie de demain, où les découvertes en biochimie moléculaire laissent espérer des progrès décisifs dans la médecine qui a déjà tant utilisé la chimiothérapie.

Toutes ces sciences font ou ont fait un usage immodéré de la mécanique quantique. La chimie, par exemple, a commencé à tirer profit de la mécanique quantique quand Heitler et London, en 1927, expliquèrent la cohésion de la molécule d’hydrogène, inexplicable à partir de concepts classiques. Si, pendant longtemps, les résultats quantitatifs relatifs à des molécules plus complexes furent assez discutables, cette époque est aujourd’hui révolue grâce aux progrès des ordinateurs. Cependant l’essentiel est dans l’habitude de pensée très nouvelle qu’a introduite dans la chimie la mécanique quantique grâce aux résultats qualitatifs relatifs à la liaison chimique. De plus, la notion de réactivité a été complètement bouleversée par l’introduction par Woodward et Hofman des effets orbitalaires qui apportent une vision nouvelle de réactions où le chimiste avançait à l’aveuglette.

Toutes ces notions résultent de la meilleure compréhension du comportement de l’électron dans les molécules. Bien entendu, le comportement des électrons dans les solides a aussi été éclairci au cours des cinquante dernières années. La compréhension des propriétés des semi-conducteurs et de leurs jonctions, et surtout les réalisations des nouvelles générations de circuits intégrés sont un pur produit de la physique quantique moderne.

Des enseignements nombreux de la mécanique quantique en découlèrent, tant dans les universités que dans les écoles d’ingénieurs, avec bien entendu des succès variés, selon que l’on flattait le goût de l’abstraction du public ou son envie de voir déboucher l’exposé sur des applications.

À la question de savoir si les notions à introduire ne sont pas trop abstraites et si le formalisme nécessaire à leur acquisition n’est pas trop complexe, on trouve une réponse dans l’existence de plusieurs exposés où le formalisme ne stérilise pas la compréhension du lecteur débutant. Certains exposés même, comme celui de J.C. Slater, en plusieurs volumes, sur les atomes, les molécules et les solides, atteignent un niveau élevé tout en restant très concrets.

Sans viser à atteindre un si haut niveau, M. Gratias présente un exposé de la mécanique quantique de la particule isolée non relativiste, qui permet d’acquérir les bases nécessaires à la compréhension d’autres exposés de physique des Techniques de l’Ingénieur, et en particulier celui traitant de la structure électronique des molécules et des atomes, où seront introduits les concepts relatifs aux systèmes pluriparticulaires.