EINSTEIN ALBERT (1879-1955)

Contributions à la théorie quantique

Einstein se rendit compte, peu après son travail sur les quanta de lumière, que ces derniers impliquaient une modification fondamentale de la théorie classique du rayonnement et des propriétés atomiques de la matière, c'est-à-dire la mécanique et l'électromagnétisme.

Développant l'idée qu'il existe un lien entre la chaleur spécifique d'un corps et son spectre d'absorption, il fut conduit, dès 1907, à étendre le domaine d'application de l'hypothèse des quanta d'énergie, au-delà des phénomènes du rayonnement, à la constitution même de la matière, en traitant les oscillations des atomes en termes de résonateurs dont l'énergie est quantifiée. Il obtint ainsi le résultat, plus tard vérifié par Nernst, que les chaleurs spécifiques s'annulent au zéro absolu de température. Il mit par ailleurs en évidence, en 1909, en calculant à partir de la formule de Planck la fluctuation de l'énergie du rayonnement, la structure duale de ce dernier, ondulatoire et quantique, ce qui montrait clairement l'insuffisance de la théorie classique.

La quantification des niveaux atomiques par Bohr et Sommerfeld lui fournit l'occasion de proposer, en 1916-1917, une première synthèse semi-classique de la théorie des quanta. À partir de la distribution des états discrets des énergies des atomes, il calcula les probabilités de transitions entre ces états, et déduisit la loi de Planck du rayonnement et la relation des fréquences de Bohr (ε_m − ε_n = hv). Il montra, ce faisant, que le rayonnement d'énergie :

possède une quantité de mouvement :

ce qui établissait le caractère pleinement corpusculaire, mais dont la direction à l'émission était laissée au hasard. Deux traits caractéristiques de la théorie quantique, la dualité onde-corpuscule et l'absence de causalité complète dans les processus, faisaient ainsi leur apparition : la mécanique ondulatoire et la mécanique quantique allaient s'édifier sur eux. Pour Einstein, cependant, ces caractères n'étaient que l'indice de la nécessité d'une théorie radicalement différente, qu'il faudrait édifier sur d'autres bases que les concepts classiques : la théorie actuelle n'était encore qu'un aménagement de la théorie classique pour rendre compte des conditions quantiques.

Il élabora encore, en 1924-1925, sa théorie des gaz monoatomiques soumise à une nouvelle statistique (dite de Bose-Einstein), qu'il relia à la dualité onde-corpuscule, retrouvant la généralisation proposée par de Broglie de la dualité aux éléments de matière. Sa théorie prévoyait la condensation de gaz de particules, première description d'une transition de phase (la transition de phase entre les deux états de l'hélium fut observée en 1928 par London), ainsi que les phénomènes de superfluidité et de supraconductivité. Ces travaux constituèrent le point de départ de la mécanique ondulatoire de Schrödinger.

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Écrit par

Michel PATY : directeur de recherche émérite au CNRS

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