Qu’est-ce qu’une transition (ou saut) quantique

Que sont les transitions (ou sauts) quantiques et que se passe-t-il dans ce cas ?

Avertissement de M et R : Cette conférence de Georges Lochak date d’il y plus de quarante ans et donc tel ou tel point peut être dépassé par le cours de la science. Cependant, il nous a semblé que ce texte restait une source précieuse de réflexion et, comme tel, digne d’être lu et relu aujourd’hui encore. La réflexion notamment sur les transitions quantiques reste en travaux ou en attente et se replonger dans les questionnements sur ce point et bien d’autres ne peut que nous permettre d’avancer. Les transitions quantiques sont trop brutales pour relever d’une évolution graduelle et même trop rapides pour répondre à une règle du type limite de la vitesse de la lumière c. Il est donc nécessaire de faire appel à des mécanismes du vide quantique qui, lui, ne nécessite pas de flèche du temps ni de vitesse limite du coup… La physique quantique est, sur ce point, elle-même encore en transition… Remarquons la raison pour laquelle ces transitions ou sauts quantiques ont posé et continuent de poser des problèmes aux physiciens et autres penseurs : ce n’est pas seulement les électrons qui sautent d’une couche atomique à une autre, mais toute la matière quantique (particules stables ou éphémères, noyaux, atomes et molécules) qui saute d’un état à un autre et même d’une particule à une autre, elle se transforme brutalement, elle ne change pas graduellement, les interactions matière-matière sont elles-mêmes des sauts quantiques (échange d’un photon dans une interaction électromagnétique entre particules chargées, transformation entre proton et neutron, diffusion d’un pion sur un nucléon, etc.) mais aussi les interactions matière-antimatière, et la matière ne se déplace même pas continûment mais saute d’une position à une autre, par exemple pour les électrons autour du noyau atomique, elle émet et absorbe sans cesse des bosons, là encore brutalement et sans évolution graduelle, elle se transforme après choc en séries d’autres particules plus ou moins éphémères. La raison fondamentale est la suivante : la particule dite réelle n’est pas un objet au sens où nous l’entendons à notre échelle mais une propriété portée par le boson de Higgs et qui saute d’une particule virtuelle du vide à une autre. Ces particules virtuelles sont agglomérées autour de la particule dite réelle et la propriété « particule réelle de masse inerte » ne reste pas bien longtemps sur une particule virtuelle donnée mais change sans cesse de point de fixation. Le nuage virtuel entoure sans cesse la particule, si bien qu’ils sont des inséparables. Dès que la particule est captée, le nuage virtuel disparaît. Dans le nuage, les particules virtuelles ne sont jamais seules mais toujours en couples avec leur antiparticule. Et ces couples sont orientés en fonction des signes des charges électriques des voisines et de celle de la particule réelle. C’est pour cela que les particules et antiparticule s’organisent en couches successives, « en oignon » autour de la particule réelle. Voilà la base des propriétés des sauts quantiques, le boson de Higgs sautant d’une particule virtuelle à une autre et le rendant « réelle ». Le vide quantique est donc à la base de la compréhension des sauts quantiques et la théorie des champs du vide ainsi que des couples particule-antiparticule de celui-ci en est l’interprétation la plus récente.

Conférence de Georges Lochak, directeur de la Fondation Louis de Broglie, au Palais de la Découverte le samedi 8 janvier 1977 :

« Vers une microphysique de l’irréversible

« Les conceptions modernes sur la structure de la matière sont dominées par l’idée des quanta, autrement dit par l’idée que l’énergie des systèmes microscopiques ne varie que par bonds instantanés (les transitions quantiques) au cours desquels les microsystèmes passent subitement d’un état stationnaire à un autre en échangeant entre eux des parcelles d’énergie.

La microphysique actuelle est essentiellement fondée sur la description minutieuse des états stationnaires (appelés aussi états quantiques), tandis qu’au sujet des transitions, on fait seulement des calculs statistiques. Si bien que les prévisions théoriques, souvent magnifiquement vérifiées par l’expérience, s’obtiennent en décrivant les états stationnaires possibles des microsystèmes, en calculant les probabilités que ces divers états se réalisent, et celles que se produisent les différentes transitions.

Mais la transition elle-même, en tant que processus individuel, n’est pas décrite. De ce fait, on n’explique pas comment se maintiennent les états stationnaires, car pour expliquer leur étonnante stabilité, il faudrait comprendre ce qui se passe quand un système s’écarte d’un état stationnaire sous l’effet d’une perturbation et savoir dans quelles conditions le système reviendra vers son état initial ou, au contraire, évoluera vers un autre état stationnaire. Cela, la théorie quantique l’ignore : elle décrit le monde comme une sorte de partie de dés, dans laquelle les dés ne rouleraient jamais sur la table et nous apparaitraient toujours immobiles, tantôt sur une face, tantôt sur une autre, avec des chances que, pourtant, nous savons évaluer avec précision.

La physique peut-elle continuer ainsi ? Peut-on vraiment expliquer le monde par le stationnaire sans comprendre comment le stationnaire se forme et se maintient ? Peut-on sérieusement prétendre représenter par des états stationnaires les particules nouvelles qu’on découvre actuellement, dont certaines sont si fugaces que leur vie ne se distingue plus de leur désintégration et que leur énergie est à peine définie ?

Ne sommes-nous pas, plutôt, devant des phénomènes essentiellement transitoires et non pas stationnaires ? Et les futurs progrès de la microphysique ne se trouvent-ils pas dans l’étude approfondie de ces transitions quantiques sur la description desquelles on ferme actuellement les yeux ?

Ne doit-on pas fonder la microphysique plutôt sur l’irréversible que sur le stationnaire ? Telles sont quelques unes des questions que se pose l’équipe de Louis de Broglie.

La science ne progresse pas de façon linéaire et les voies qu’elle emprunte ne vont jamais aussi loin qu’on aurait pu l’espérer. Les lois les plus générales que nous sachions énoncer ne sont, malgré leur puissance et leur beauté, que des éclairs dans la nuit et, le plus souvent, leur généralité même ne nous apparaît que pour la raison trompeuse que nous sommes si profondément influencés par la connaissance de ces lois, que nous sommes enclins à ne plus regarder que la face de la réalité qui en avait suggéré l’énoncé.

Et ainsi, toutes les autres faces, celles qui échappent aux lois connues, disparaissent à notre regard, souvent pendant très longtemps, pendant des années, voire des siècles, et tout le monde est fort surpris, indigné même, quand l’une de ces faces est un jour découverte par un homme qui, soudain, s’étonne devant tel fait plus ou moins connu, mais jusque là mésestimé, ou qui propose une solution imprévue à un problème en suspens, ou bien encore qui refuse d’admettre telle évidence ou telle vérité première que tout le monde connaît, mais que lui s’obstine à vouloir comprendre autrement.

Alors commence une querelle parfois très longue pour savoir comment réconcilier la nouvelle vérité avec l’ancienne et comment redonner à l’édifice de la science sa belle cohérence jamais atteinte et sans cesse remise en question.

Ainsi naquit, voilà trois quarts de siècle, la théorie des quanta et avec elle une dispute qui n’est pas près de s’éteindre. Elle est née curieusement d’une sorte d’artifice, presqu’un expédient, que Max Planck proposa au mois de décembre 1900 pour résoudre le problème de ce qu’on appelle le rayonnement du corps noir, c’est-à-dire le rayonnement thermique qui se trouve dans un four chauffé à une température donnée.

On peut trouver étonnant de bouleverser la science pour un problème aussi particulier, mais la raison en est que ce problème mettait en cause toutes les théories fondamentales de la physique connues à l’époque.

Le rayonnement y était décrit par la théorie électromagnétique de la lumière de Maxwell : les échanges d’énergie entre le rayonnement et la matière constituant les parois du four étaient décrits en supposant que les ondes électromagnétiques sont émises ou absorbées par l’intermédiaire de la vibration des électrons, selon la théorie de Lorentz, et celle-ci s’appuyait à la fois sur la théorie de Maxwell pour ce qui est des ondes et sur la mécanique classique de Newton pour ce qui est du mouvement des électrons ; enfin, l’équilibre des échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement était supposé régi par les théories statistiques que Boltzmann avait créées pour rendre compte des lois de la thermodynamique à partir de l’hypothèse atomique.

C’est en partant de ces solides prémisses que Rayleigh et Jeans avaient tenté, avant Planck, de résoudre le problème du corps noir et ils avaient obtenu, par des raisonnements qui paraissaient sans faille, une loi qui est en contradiction flagrante avec l’expérience (elle prévoit que le rayonnement d’un four possède une énergie infinie !) et qui, en raison des conséquences théoriques incalculables de cet échec, est devenue, bien que fausse, l’une des lois les plus célèbres de la physique.

En effet, la catastrophe ultra-violette de la loi de Rayleigh-Jeans (on dit cela car c’est pour les hautes fréquences que la loi est inexacte) entraîne des bouleversements de la mécanique, de l’électromagnétisme et des statistiques qui aboutirent à la physique telle que nous la connaissons aujourd’hui.

La loi correcte du rayonnement noir fut découverte par Planck mais il l’a obtenue en ajoutant aux hypothèses précédentes l’hypothèse entièrement nouvelle des quanta qui consistait à admettre que les électrons, en vibrant dans la matière, n’oscillent pas avec n’importe quelle amplitude permise par la mécanique classique et que cette amplitude ne peut prendre qu’un ensemble discontinu de valeurs.

Il supposa que la lumière est émise ou absorbée non pas continûment, mais de façon discontinue elle aussi et que, si l’on désigne par nu la fréquence d’un oscillateur de Lorentz (c’est ainsi qu’on désigne ces électrons supposés en mouvement vibratoire) il ne peut émettre ou absorber de la lumière que par quantités discrètes, correspondant à des multiples entiers d’une quantité élémentaire appelée « quantum d’énergie » et qui s’exprime par la relation de Planck :

E = h fois nu où h est la célèbre constante qui porte son nom.

Ceci se passait au moment où naissait la physique atomique et quelques années plus tard, Rutherford devait découvrir le noyau de l’atome et rendre ainsi plausible le modèle de l’atome planétaire que Jean Perrin avait précédemment imaginé. C’est la théorie quantique de ce modèle qui fit dès 1913 la gloire de Niels Bohr. Celui-ci décrivit l’atome d’hydrogène (qui est le premier et le plus simple de la classification de Mendeleïev) exactement comme un système solaire, le noyau positif occupant la place du soleil et un électron (chargé négativement) jouant le rôle d’une planète solitaire. Comme la loi de Coulomb qui régit l’attraction des charges électriques de signes contraires est formellement identique à la loi de Newton de la gravitation universelle (seules changent les constantes physiques qui y interviennent), Bohr utilisa les calculs de la mécanique céleste mais, tout comme Planck l’avait fait pour les vibrateurs de Lorentz, il introduisit l’hypothèse, en contradiction radicale avec les lois de la mécanique classique, que l’électron ne peut décrire en réalité que certaines orbites privilégiées parmi toutes celles qui sont calculables.

Ces orbites furent définies à l’aide d’une condition de quantification qui fait intervenir la constante de Planck et des nombres entiers appelés nombres quantiques : elles correspondent à une suite discontinue de niveaux d’énergie de l’électron.

Et Bohr supposa que l’atome n’émet ni n’absorbe de lumière tant que l’électron se trouve sur l’une de ses orbites (ou états stationnaires) et qu’il ne peut le faire, et de façon discontinue, que lorsque l’électron saute d’un état stationnaire à un autre : c’est ce qu’on appelle un « saut quantique ».

Alors si l’électron tombe d’un niveau d’énergie E1 sur un niveau inférieur d’énergie E2, l’atome émet (c’est la loi de Bohr) une énergie lumineuse E1 – E2 et la fréquence nu de la lumière émise est définie par la relation :

E1 – E2 = h fois nu

où h est la constante de Planck.

Au contraire, si l’atome s’était trouvé sur le niveau E1, il aurait pu absorber cette même énergie lumineuse avec la même fréquence que nous venons de définir, mais en s’élevant, cette fois par un saut inverse au niveau supérieur E1.

Puisque les niveaux d’énergie sont discontinus, les fréquences lumineuses émises ou absorbées le sont également et Bohr rendit compte, ainsi, avec une étonnante précision, des fréquences observées dans le spectre lumineux émis par l’hydrogène.

La formule grâce à laquelle Bohr a relié l’énergie lumineuse émise par l’atome au cours d’un saut quantique à la fréquence ondulatoire de la lumière était inspirée par la loi de Planck, mais aussi par la théorie des quanta de lumière d’Einstein.

Celui-ci, en effet, avait émis l’idée, dès 1905, que si l’on admet le bouleversement des lois de la mécanique proposé par Planck en y introduisant le discontinu et donc en supposant que l’énergie lumineuse est émise par quanta, il fallait admettre aussi un bouleversement analogue des lois de l’optique et supposer que, dans une onde lumineuse de fréquence nu, l’énergie n’est pas répandue d’une manière continue, mais qu’elle s’y trouve concentrée en petits grains, les quanta de lumière ou « photons », chacun possédant l’énergie élémentaire E = h fois nu.

Eh bien, c’est précisément un photon que l’atome de Bohr est supposé émettre en absorber en sautant d’une orbite stationnaire à une autre. (…)

Niels Bohr disait notamment qu’une transition quantique, c’est-à-dire le saut d’une orbite stationnaire à une autre, est instantanée et indescriptible dans le cadre de l’espace et du temps. C’est cette tendance qui devait l’emporter par la suite et qui attira aussi à elle tous les physiciens qui n’avaient pas pour vocation de s’interroger sur la nature des quanta, mais plutôt de s’en servir dans les applications. (…)

C’est précisément pour rendre compte, à partir de principes plus généraux, de la prééminence des états quantiques, que Louis de Broglie posa en 1923, dix ans après l’atome de Bohr, les bases de la mécanique ondulatoire, en généralisant à toutes les particules, et notamment à l’électron, le dualisme onde-corpuscule introduit par Einstein dans la théorie de la lumière. Il montra que les états quantiques de l’atome correspondent aux états de vibration stationnaire de l’onde associée à l’électron, analogues aux états vibratoires d’une corde ou à ceux de l’air dans un tuyau d’orgue.

Mais, malgré son éclatante découverte, Louis de Broglie restait encore insatisfait et disait dans sa thèse, faisant écho à jean Perrin et indiquant une voie de recherche :

« Nous voyons donc bien pourquoi certaines orbites sont stables, mais nous ignorons encore comment a lieu le passage d’une orbite stable à une autre. Le régime troublé qui accompagne ce passage ne pourra être étudié qu’à l’aide d’une théorie électromagnétique convenablement modifiée et nous ne la possédons pas encore. »

Schrödinger, qui établit la fameuse équation qui gouverne l’évolution des ondes de Broglie, ne croyait pas, lui non plus, aux sauts quantiques et il devait écrire un jour que « l’idée qu’un processus physique puisse consister en de continuels transferts de parcelles d’énergie par bonds d’un microsystème à un autre, ne peut guère passer, lorsqu’on y songe sérieusement, que pour une métaphore parfois commode. » Et il reprochait aux théories quantiques de ne s’intéresser qu’aux états stationnaires dans lesquels, disait-il, il ne se passe rien et d’être muettes au sujet des autres, qui sont ceux où il se passe quelque chose.

On voit que quelques-uns des plus grands physiciens du siècle ont pensé, dès l’origine de la théorie, que la description des transitions quantiques en tant que processus physiques se déroulant dans l’espace et dans le temps (et d’ailleurs où se dérouleraient-ils ?) constituait un problème d’importance fondamentale pour la compréhension de la microphysique. (…) »

Eftichios Bitzakis dans « Physique et Matérialisme » :

« La microphysique est liée au quantum élémentaire d’action d’où son caractère quantique (discontinu). L’action, l’énergie, les orbites électroniques autour du noyau, l’énergie même du noyau, l’énergie des molécules, du réseau cristallin, les valeurs du moment cinétique, du spin, etc., sont profondément marquées par la discontinuité liée à la constante universelle de Planck. Pourtant la continuité n’a pas été chassée de la microphysique : elle se manifeste, comme l’autre aspect de la discontinuité, à la structure des particules, aux relations entre les champs et les particules, et pendant les transitions quantiques qui sont des processus et non pas des sauts instantanés… Le discontinu apparaît dans tous les cas comme plus fondamental et plus général que le continu. Mais la physique du discontinu met en relief, elle-même, plusieurs liens entre le continu et le discontinu. Les deux pôles de la contradiction constituent, là aussi, une unité. Ainsi, les particules quantiques se comportent comme des ondes-particules. Même si l’on n’accepte pas la dualité onde-corpuscule, les phénomènes ondulatoires manifestés en microphysique ne permettent pas un rejet formel de la continuité. De l’autre côté, les champs et les particules sont inséparables.

On dit que la transition d’un état quantique à un autre est un saut discontinu qui se réalise instantanément. Pourtant, cette affirmation ne démontre que les limites du formalisme actuel, qui décrit des états et peut calculer les probabilités de transition, mais ne peut pas décrire les processus dans l’espace et le temps. La nouvelle mécanique est en principe quantique. A son niveau pourtant une dialectique concrète du continu et du discontinu nous manque encore….

La première forme de la mécanique quantique, la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie, est sortie d’une synthèse de deux principes contradictoires, l’un relatif au mouvement des particules et l’autre relatif au mouvement des ondes. Dès sa naissance, cette discipline est donc marquée par la dualité onde-corpuscule

La synthèse des propriétés corpusculaires et ondulatoires est exprimée, selon Louis de Broglie, par le principe suivant de la mécanique ondulatoire :

« Le carré du module de la fonction complexe phi mesure en chaque point et à chaque instant la probabilité pour qu’une observation permette de localiser le corpuscule en ce point à cet instant. » (dans « Eléments de la théorie des quanta et de la mécanique ondulatoire »)

La probabilité de présence est liée à l’aspect corpusculaire, et le théorème d’Ehrenfest nous dit comment cet aspect n’est pas perdu dans la synthèse onde-particule. Selon ce théorème, le centre de gravité du fluide de probabilité attaché à un corpuscule de masse m, se déplace dans l’espace comme le ferait, d’après la dynamique classique, un point matériel de masse m, soumis à la valeur moyenne de la force.

Plus généralement, les lois de la mécanique quantique sont invariantes par rapport à la symétrie onde-corpuscule. Cette invariance est l’une des expressions de l’unité des contraires au niveau des lois quantiques.

Selon la théorie quantique des champs aussi, la particule est considérée comme une entité qui occupe une région très petite de l’espace. Dans cette région il y a une haute concentration de matière, qui correspond à la particule. Mais cette particule n’est plus la particule classique, car elle est liée de façon intrinsèque avec son champ ainsi qu’avec les champs des interactions…

Les « particules » sont transformées, dans des conditions appropriées, en « champs » (proton + antiproton en plusieurs pions, etc.), mais les « champs » se transforment aussi en particules. Ainsi un photon se transforme en couple proton-antiproton, etc…

La mécanique quantique considère les transitions comme phénomènes se réalisant dans un temps nul. Or cette conception est le point faible de la théorie actuelle : ces phénomènes sont en réalité des processus irréversibles qui ont une épaisseur temporelle non nulle. La microphysique décrit plutôt des situations stationnaires que des transitions pendant lesquelles la dissymétrie donne naissance à des états et à des êtres nouveaux. Or la connaissance des phénomènes de transition va inaugurer un nouveau chapitre de la physique…

L’impasse de l’interprétation orthodoxe de la mécanique quantique provient exactement du fait qu’elle ne peut pas intégrer dans sa structure les concepts de qualité et de transformation qualitative… Les processus de la nature sont en général irréversibles. La dissymétrie est donc la caractéristique fondamentale de l’évolution qui se réalise par la négation de ce qui existe et par son intégration dans un état supérieur (ou inférieur)… L’évolution est le produit des luttes de la symétrie et de la dissymétrie et c’est un processus asymétrique qui est le processus dominant. (…) »

Heisenberg dans « La partie et le tout, le monde de la physique atomique » :

« Schrödinger : « Vous devez comprendre, Bohr, que toute cette idée des sauts quantiques conduit nécessairement à des absurdités. Elle contient l’affirmation selon laquelle, à l’état stationnaire de l’atome, l’électron circule tout d’abord périodiquement selon une orbite quiconque, sans rayonner. Il n’existe aucune explication pouvant justifier le fait qu’il ne rayonne pas ; selon la théorie de Maxwell, il devrait le faire. Puis après, l’électron sauterait de cette orbite à une autre, et rayonnerait au cours de ce saut. Cette transition doit-elle s’effectuer progressivement ou brusquement ? Si c’est progressivement, l’électron doit également changer progressivement de fréquence et d’énergie. Alors, on ne comprend pas comment il peut encore exister des fréquences précises pour les lignes spectrales. Si au contraire la transition s’effectue brusquement, pour ainsi dire par un bond, on peut certes arriver, en utilisant l’image eisnteinienne des quanta de lumière, à obtenir la fréquence correcte de la lumière, mais il faut alors se demander comment l’électron se déplace au cours du saut. Pourquoi n’émet-t-il pas alors un spectre continu de rayonnement, comme l’exigerait la théorie des phénomènes électromagnétiques ? Et par quelles lois son mouvement est-il déterminé lors du saut ? J’en conclus que toute cette idée des sauts quantiques ne peut être qu’absurde. »
Bohr : « Oui, ce que vous dites est parfaitement juste. Mais cela ne prouve pas qu’il n’existe pas de sauts quantiques. Cela prouve seulement que nous ne pouvons pas nous les représenter ; autrement dit que les concepts visuels à l’aide desquels nous décrivons les faits de la vie quotidienne et les expériences de la physique antérieure ne sont pas suffisants pour représenter ce qui se passe lors du saut quantique. Ceci n’est pas tellement étrange, si l’on considère que les processus dont il s’agit ici ne peuvent pas ête l’objet de notre expérience directe, que nous ne les connaissons qu’indirectement, et qie par conséquent nos concepts n’y sont pas adaptés. » (…)
Schrödinger : « S’il existe des électrons dans l’atome, et si ces électrons sont des particules – comme nous l’avons imaginé jusqu’ici – ils doivent se mouvoir d’une certaine façon. Pour l’instant, je ne m’attache pas à décrire ce mouvement de façon précise ; mais, en fin de compte, il doit tout de même être possible de savoir un jour comment ils se comportent à l’état stationnaire ou lors de la transition entre un état et un autre. Cependant, le formalisme mathématique de la mécanique quantique permet de se rendre compte qu’il n’existe pas de réponse raisonnable à ces questions. Mais dès lors que nous sommes prêts à modifier notre image des électrons, c’est-à-dire à nous persuader que les électrons n’existent pas en tant que particules, mais seulement sous forme d’ondes électroniques ou ondes de matière, tout est changé. Nous ne sommes plus surpris dans ce cas par les fréquences précises des oscillations. L’émission de lumière devient tout aussi compréhensible que l’émission d’ondes radio par l’antenne d’un émetteur, et les contradictions qui paraissaient auparavant insolubles disparaissent. »
Bohr : « Non, malheureusement, ce n’est pas exact. Les contradictions ne disparaissent pas, elles se déplacent seulement. Par exemple, vous parlez de l’émission de rayonnement par l’atome, ou d’une façon plus énérale de l’interaction de l’atome avec le champ de radiation envoronnant ; et vous croyez que l’hypothèse selon laquelle il existe des ondes de matière, mais non des sauts quantiques, suffit à éliminer les difficultés. Mais pensez seulement à l’équilibre thermodynamique entre l’atome et le chap de radiation, par exemple à la dérivation einsteinienne de la loi de Planck. Pour cette dérivation, il est essentiel que l’énergie de l’atome prenne des valeurs discontinues, et varie à l’occasion de façon discontinue ; les valeurs discontinues des fréquences des oscillations propres ne sont pas suffisantes. Vous ne pouvez tout de même pas sérieusement prétendre remettre en question tous les fondements de la théorie quantique. » (…) Schrödinger : « Je ne vois pas pourquoi il ne serait pas permis d’espérer que l’application de la théorie des ondes de matière à la thermodynamique conduise en fin de compte également à une explication satisfaisante de la formule de Planck ; il est certain qu’une telle explication sera quelque peu différente des interprétations antérieures. »
Bohr : « Non, on ne peut pas espérer cela. Car nous savons déjà depuis vingt-cinq ans ce que signifie la formule de Planck. Et d’autre part, nous voyons les discontinuités, les « bonds » dans les phénomènes atomiques de façon très directe, par exemple sur un écran à scintillations ou dans une chambre de Wilson. Nous voyons un éclair se manifestant brusquement sur l’écran, ou encore le passae brusque d’un électron à travers la chambre de Wilson. Vous ne pouvez pas tout simplement ignorer ces phénomènes discontinus, et faire comme s’ils n’existaient pas. »
Schrödinger : « Si ces damnés sauts quantiques devaient subsister, je regretterais de m’être occupé de théorie quantique. »

David Ritz Finkelstein dans « Le vide » ouvrage collectif dirigé par Edgar Gunzig et Simon Diner :

« La physique quantique traite de choses (...) qui subissent des transitions de phase. »

Niels Bohr dans « Physique atomique et connaissance humaine » :

« Le point de départ fut ici ce qu’on appelle le postulat quantique, selon lequel tout changement dans l’énergie d’un atome est le résultat d’une transition complète entre deux états stationnaires. En admettant en outre que toute réaction radiative atomique fait intervenir l’émission ou l’absorption d’un seul quantum de lumière, les valeurs de l’énergie des états stationnaires purent être déterminés à partir du spectre. »

Niels Bohr dans son article suite à la conférence de Côme de septembre 1927, publié dans Nature le 14 avril 1928 :

« L’objectif principal de cet article est de montrer que cette notion de complémentarité est essentielle pour une interprétation cohérente des méthodes quantiques théoriques... Les deux représentations de la nature de la lumière doivent plutôt être considérées comme des tentatives différentes d’interprétation de faits expérimentaux dans lesquels les limites des concepts classiques sont exprimées d’une façon complémentaire… Ici encore (cette fois dans la matière), nous n’avons pas affaire à des images contradictoires, mais complémentaires des phénomènes qui, ensemble seulement, permettent une généralisation naturelle du mode de perception classique... Cette situation met en évidence de façon frappante le caractère complémentaire de la description des phénomènes atomiques, qui apparait comme une conséquence inévitable du contraste entre le postulat quantique, et la distinction entre objet et dispositif de mesure inhérente à l’idée même d’observation... Pour résumer, on pourrait dire que les concepts d’état stationnaire et de processus individuel de transition, dans leur propre domaine d’application, possèdent à peu près autant ou aussi peu de "réalité" que l’idée même de particules individuelles. Dans les deux cas nous avons affaire à une exigence de causalité complémentaire à la description spatio-temporelle, dont l’application adéquate est seulement limitée par les possibilités restreintes de définition et d’observation. »

Heisenberg dans « Physique et Philosophie :

« Nous ne pouvons complètement objectiver le résultat d’une observation, nous ne pouvons décrire ce qui ‘‘se produit’’ entre cette observation et la suivante… En conséquence, la transition entre le ’’possible’’ et le ’’réalisé’’ se produit pendant l’acte d’observation… Nous devons nous souvenir que ce que nous observons n’est pas la nature en elle-même mais la nature soumise à notre méthode de questionnement. »

Louis de Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« M. Bohr est parvenu en 1916 à combler, au moins partiellement, cette lacune en suivant une méthode très originale et même quelque peu déconcertante, qui consiste essentiellement en ceci : malgré l’échec de la théorie électromagnétique classique dans le domaine atomique, on cherche néanmoins à établir une certaine correspondance entre le phénomènes quantiques et les formules de l’électromagnétisme de façon à pouvoir comprendre pourquoi la théorie électromagnétique fournit une bonne représentation des faits à grande échelle. (…) En d’autres termes, d’après la théorie quantique, l’émission des raies spectrales d’un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés. Il est donc assurément difficile de trouver deux conceptions plus différentes l’une de l’autre que la conception classique et celle de la théorie quantique et l’on peut au premier abord se demander légitimement si aucun pont ne pourra être construit pour les relier. (…) On s’aperçoit que cette correspondance, si toutefois elle est réalisable, ne peut être que de nature statistique. En effet, une correspondance avec l’image classique ne peut évidemment s’établir qu’en considérant simultanément l’émission de toutes les raies spectrales ; or, du point de vue quantique pour lequel l’émission de chaque quantum de radiation monochromatique est un acte individuel, cela n’est possible qu’en considérant un ensemble d’atomes de même nature en très grand nombre, ensemble où se produisent constamment des transitions de toutes sortes accompagnées de l’émission de diverses raies spectrales de l’élément considéré. D’autre part, on ne peut introduire dans la théorie quantique la notion indispensable d’intensité des diverses raies qu’en se plaçant également du point de vue statistique. L’atome quantifié, en effet, quand il subit une transition, émet un seul quantum, une seule unité, de radiation monochromatique ; pour un tel acte individuel d’émission, il ne saurait être question de l’intensité du rayonnement. Pour pouvoir définir une intensité, il faut donc encore considérer un ensemble d’un grand nombre d’atomes de même nature. (…) La nature essentiellement discontinue de la quantification, exprimée par l’apparition dans les formules de nombre entiers, les nombres quantiques, présentait un étrange contraste avec la nature continue des mouvements envisagés par la dynamique ancienne, newtonienne ou einsteinienne. »

Jean-Paul Auffray dans « L’atome » :

« Richard Feynman demandait à son fils : « Lorsqu’un atome fait une transition d’un état à un autre, il émet un photon. D’où vient le photon ? » (…) Dans la terminologie de Feynman, le quantum est un photon virtuel. »

D. W. Sciama dans « The philosophy of vacuum » :

« Un électron, qu’il soit libre ou lié, est toujours le sujet de forces stochastiques produites par les fluctuations du vide dans le champ électromagnétique, et il en résulte qu’il exécute un mouvement brownien. (…) le fameux Lambshift entre les énergies des électrons s et p de l’atome d’hydrogène. Welton (1948) montra que le shift provenait d’effets induits par le mouvement brownien. (…) Si un atome est dans un état excité, on peut s’attendre à ce qu’il subisse une transition vers un état fondamental, en émettant en même temps un ou plusieurs quanta de radiation. (…) L’atome qui est à son état fondamental y est maintenu en émettant et recevant continuellement des radiations d’énergie de la part des fluctuations du champ électromagnétique du vide (…) De ce point de vue, l’atome d’hydrogène a un état stable de base qui fait que l’électron ne tombe pas sur le proton seulement parce qu’il pompe de l’énergie du champ électromagnétique du vide. (…) Nous devrions considérer le Lamb Shift et la chute spontanée de l’atome vers son état de base comme une manifestation des fluctuations du vide. »

Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Fargue dans « L’objet quantique » :

« L’hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n’évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s’élever progressivement au dessus de la Terre vers n’importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l’une à l’autre. (...) Einstein avait émis en 1905, à, partir des travaux de Planck, une hypothèse encore plus paradoxale que la sienne : il suppose que si les atomes absorbent et émettent l’énergie lumineuse par paquets, par quanta, c’est que ces quanta se trouvent déjà dans la lumière autrement dit les ondes lumineuses continues transportent leur énergie sous forme discontinue, concentrée dans des corpuscules de lumière, qu’on appelle photons. »
« La microphysique actuelle est essentiellement fondée sur la description minutieuse des états stationnaires (appelés aussi états quantiques), tandis qu’au sujet des transitions, on fait seulement des calculs statistiques. (...) Mais la transition elle-même, en tant que processus individuel, n’est pas décrite. De ce fait, on n’explique pas comment se maintiennent les états stationnaires, car pour expliquer leur étonnante stabilité, il faudrait comprendre ce qui se passe quand un système s’écarte d’un état stationnaire sous l’effet d’une perturbation (...) »
« La théorie des quanta s’est développée simultanément de deux manières différentes. La première consiste à mettre en avant l’existence d’états discontinus dans le monde microphysique et de transitions entre ces états. La seconde consiste plutôt à mettre en avant le fait que les propriétés corpusculaires et ondulatoires (…) se trouvent mêlées l’une à l’autre dans tous les domaines. Les deux façons s’imbriquent donc étroitement. (…) Planck introduisit dans la physique un élément de discontinuité, là où la continuité semblait devoir régner. D’après lui, un atome ne pouvait absorber petit à petit, continûment, de l’énergie lumineuse : il ne pouvait le faire que par paquets, par quanta, dont la valeur extrêmement petite, mais quand même finie, était déterminée par une constante qu’il désigna par h : la célèbre constante de Planck. (…) L’hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n’évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s’élever progressivement au dessus de la terre vers n’importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l’une à l’autre. »

« Le rassemblement d’un grand nombre de bosons sur une même onde cohérente peut constituer un phénomène brutal qui se produit soudainement, au dessus d’un certain seuil de température (généralement très bas), qui s’appelle (...) la « condensation de Bose ». (...) Cette condensation appartient à la classe des transitions de phase parmi lesquels on peut citer des exemples courants de transitions qui peuvent se produire à des températures ordinaires, comme la solidification d’un liquide, ou la condensation d’une vapeur. »

David Ritz Finkelstein dans « L’éther adamantin », article de « Le vide », ouvrage collectif présenté par Edgard Gunzig et Isabelle Stengers :

« Les photons ne sont pas complètement descriptibles et subissent des transitions spontanées dans le vide. »

Claude Delmas dans « La bombe atomique » :

« Admettant que les phénomènes physiques se déroulaient dans l’espace à trois dimensions tel qu’il est défini par la géométrie euclidienne, adoptant presque sans discussion la notion de temps absolu de Newton, (la physique) représentait l’évolution du monde par des équations différentielles ou aux dérivées partielles qui traduisaient la continuité de cette évolution et son caractère inéluctable. Max Planck changea toute cette orientation. L’une des idées maîtresse était celle d’une sorte de discontinuité générale et essentielle des processus naturels. Contrairement au vieil adage de Leibniz, la nature apparaissait comme effectuant sans cesse des sauts, les transitions quantiques, où l’action varie d’un quantum. La représentation traditionnelle des phénomènes par des équations différentielles s’en trouvait profondément ébranlée, et avec elle la conception des faits observables qui, du point de vue mathématique, était fondée sur l’unicité des solutions des équations différentielles ou aux dérivées partielles quand on connaît certaines données initiales. »

« Entre le temps et l’éternité » d’Ilya Prigogine et Isabelle Stengers :

« Pour expliquer les transitions électroniques spontanées qui confèrent à tout état excité un temps de vie fini, Dirac avait dû faire l’hypothèse d’un champ induit par l’atome et entrant en résonance avec lui. Le système fini que représente l’atome isolé n’est donc qu’une abstraction. L’atome en interaction avec son champ est, lui, un « grand système quantique », et c’est à son niveau que se produit la « catastrophe de Poincaré ». L’atome en interaction avec le champ qu’il induit ne constitue pas, en effet, un système intégrable et ne peut donc pas plus être représenté par l’évolution de fonction d’onde qu’un système classique caractérisé par des points de résonance ne peut être caractérisé par une trajectoire. C’est là la faille que recélait l’édifice impressionnant de la mécanique quantique. »

Gilles Cohen-Tannoudji dans "La Matière-espace-temps" :

« En électrodynamique quantique, la force élémentaire entre deux particules de matière est décrite par le diagramme de Feynman d’échange d’un photon virtuel. Mais les transitions virtuelles introduisent des corrections radiatives (purement quantiques) qui peuvent être évaluées grâce à la théorie de la renormalisation. Ces corrections sont interprétées physiquement comme une polarisation du vide : le photon virtuel se matérialise en une paire électron-positron qui s’annihile pour redonner un photon virtuel. Cette polarisation du vide produit un effet d’écran : un électron numéro deux « voit » une charge électrique de l’électron numéro un « écrantée » par la polarisation du vide. C’est d’ailleurs dans cet effet d’écran que réside l’essentiel de la renormalisation : la charge « nue » de l’électron est infinie, c’est la polarisation du vide par les paires électron-positron (qui vivent le temps des transitions virtuelles) qui écrante, renormalise cette charge et en fait une charge physique, finie, effective, dépendant de la résolution. En électrodynamique quantique donc, le vide est assimilé à un milieu diélectrique, polarisable par les fluctuations quantiques, capable d’écranter la charge électrique. La charge renormalisée décroît quand la distance croît. »

La discontinuité et la physique quantique

Les discontinuités révolutionnaires de la matière

Le quanta ou la mort programmée du continu en physique

Les conceptions quantiques

Réflexions sur la philosophie de Bohr, Heisenberg et Schrödinger

Bohr et les transitions quantiques

Heurs et malheurs de la physique quantique

Mécanique quantique

Un exemple de transition quantique, l’effet Zeeman

Une transition quantique observée pour la première fois

La réduction du paquet d’ondes, un exemple de saut quantique

Diversité et caractère dialectique des sauts quantiques