Louis de Broglie - Louis de Broglie

Louis de Broglie
Broglie Big.jpg
Broglie en 1929
Née ( 1892-08-15 )15 août 1892
Dieppe , France
Décédés 19 mars 1987 (1987-03-19)(94 ans)
Louveciennes , France
Nationalité français
mère nourricière Université de Paris
(ΒΑ en histoire, 1910 ; licence en sciences, 1913 ; doctorat en physique, 1924)
Connu pour Nature ondulatoire des électrons
Théorie de De Broglie–Bohm
longueur d'onde de Broglie
Récompenses Prix ​​Nobel de Physique (1929)
Médaille Henri Poincaré (1929) Prix
Albert Ier de Monaco (1932)
Médaille Max Planck (1938)
Prix ​​Kalinga (1952)
Carrière scientifique
Des champs La physique
Établissements Université de Paris (Sorbonne)
Thèse Recherches sur la théorie des quanta  (1924)
Conseiller de doctorat Paul Langevin
Doctorants Cécile DeWitt-Morette
Bernard d'Espagnat
Jean-Pierre Vigier
Alexandru Proca
Marie-Antoinette Tonnelat

Louis Victor Pierre Raymond, 7ème duc de Broglie ( / d ə b r ɡ l i / , également des États - Unis : / d ə b r ɡ l Ï , d ə b r ɔɪ / , Français:  [də bʁɔj] ou [də bʁœj] ( écouter )A propos de ce son ; 15 août 1892 - 19 mars 1987) était un physicien et aristocrate français qui a apporté des contributions révolutionnaires à la théorie quantique . Dans sa thèse de doctorat de 1924, il postula la nature ondulatoire des électrons et suggéra que toute matière a des propriétés ondulatoires . Ce concept est connu sous le nom d'hypothèse de Broglie, un exemple de dualité onde-particule , et constitue une partie centrale de la théorie de la mécanique quantique .

De Broglie a remporté le prix Nobel de physique en 1929, après la première démonstration expérimentale du comportement ondulatoire de la matière en 1927.

Le modèle d' onde pilote de 1925 et le comportement ondulatoire des particules découvert par de Broglie ont été utilisés par Erwin Schrödinger dans sa formulation de la mécanique ondulatoire . Le modèle d'onde pilote et son interprétation ont ensuite été abandonnés, au profit du formalisme quantique , jusqu'en 1952 où il a été redécouvert et amélioré par David Bohm .

Louis de Broglie était le seizième membre élu pour occuper le siège 1 de l' Académie française en 1944, et a été secrétaire perpétuel de l' Académie française des sciences . De Broglie est devenu le premier scientifique de haut niveau à demander la création d'un laboratoire multinational, une proposition qui a conduit à la création de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire ( CERN ).

Biographie

Origine et éducation

François-Marie, 1er duc de Broglie (1671-1745) ancêtre de Louis de Broglie et maréchal de France sous Louis XIV de France

Louis de Broglie appartenait à la célèbre famille aristocratique de Broglie , dont les représentants occupèrent pendant plusieurs siècles des postes militaires et politiques importants en France. Le père du futur physicien, Louis-Alphonse-Victor, 5e duc de Broglie , était marié à Pauline d'Armaille, la petite-fille du général napoléonien Philippe Paul, comte de Ségur . Ils eurent cinq enfants ; en plus de Louis, il s'agit de : Albertina (1872-1946), par la suite marquise de Luppé ; Maurice (1875-1960), par la suite un célèbre physicien expérimental ; Philippe (1881-1890), décédé deux ans avant la naissance de Louis, et Pauline, comtesse de Pange (1888-1972), devenue écrivaine célèbre. Louis est né à Dieppe en Seine-Maritime. En tant que plus jeune enfant de la famille, Louis a grandi dans une relative solitude, lisait beaucoup et aimait l'histoire, en particulier la politique. Dès sa plus tendre enfance, il avait une bonne mémoire et pouvait lire avec précision un extrait d'une production théâtrale ou donner une liste complète des ministres de la IIIe République française . Pour lui était prédit un grand avenir en tant qu'homme d'État.

De Broglie avait prévu une carrière dans les sciences humaines et a obtenu son premier diplôme en histoire. Par la suite, il s'est tourné vers les mathématiques et la physique et a obtenu un diplôme en physique. Avec le déclenchement de la Première Guerre mondiale en 1914, il propose ses services à l'armée dans le développement des communications radio.

Service militaire

Après ses études, Louis de Broglie en tant que simple sapeur rejoint les forces du génie pour effectuer le service obligatoire. Tout a commencé au Fort du Mont Valérien , mais bientôt, à l'initiative de son frère, il est détaché auprès du Service des communications sans fil et travaille à la Tour Eiffel , où se trouve l'émetteur radio. Louis de Broglie resta au service militaire tout au long de la Première Guerre mondiale , traitant de questions purement techniques. En particulier, avec Léon Brillouin et son frère Maurice, il a participé à l'établissement de communications sans fil avec les sous-marins. Le prince Louis est démobilisé en août 1919 avec le grade d' adjudant . Plus tard, le scientifique a regretté d'avoir dû passer environ six ans loin des problèmes fondamentaux de la science qui l'intéressaient.

Carrière scientifique et pédagogique

Sa thèse de 1924 Recherches sur la théorie des quanta (Recherche sur la théorie des quanta) a introduit sa théorie des ondes électroniques . Cela comprenait la théorie de la dualité onde-particule de la matière, basée sur les travaux de Max Planck et Albert Einstein sur la lumière. Cette recherche a abouti à l' hypothèse de de Broglie affirmant que toute particule ou objet en mouvement avait une onde associée . De Broglie a ainsi créé un nouveau domaine de la physique, la mécanique ondulatoire, ou mécanique ondulatoire, unissant la physique de l'énergie (onde) et de la matière (particule). Pour cela, il a remporté le prix Nobel de physique en 1929.

Plus tard dans sa carrière, de Broglie a travaillé à développer une explication causale de la mécanique ondulatoire, en opposition aux modèles entièrement probabilistes qui dominent la théorie de la mécanique quantique ; il a été affiné par David Bohm dans les années 1950. La théorie est depuis connue sous le nom de théorie de De Broglie-Bohm .

En plus des travaux strictement scientifiques, de Broglie a pensé et écrit sur la philosophie des sciences , y compris la valeur des découvertes scientifiques modernes.

De Broglie est devenu membre de l' Académie des sciences en 1933, et a été le secrétaire perpétuel de l'académie à partir de 1942. Il a été invité à rejoindre Le Conseil de l'Union catholique des scientifiques français , mais a refusé parce qu'il n'était pas religieux. Le 12 octobre 1944, il est élu à l' Académie française , en remplacement du mathématicien Émile Picard . En raison des décès et des emprisonnements de membres de l'Académie pendant l'occupation et d'autres effets de la guerre, l'Académie n'a pas pu réunir le quorum de vingt membres pour son élection ; en raison des circonstances exceptionnelles, cependant, son élection à l'unanimité par les dix-sept membres présents a été acceptée. Lors d'un événement unique dans l'histoire de l'Académie, il est reçu comme membre par son propre frère Maurice, élu en 1934. L' UNESCO lui décerne le premier prix Kalinga en 1952 pour son travail de vulgarisation scientifique, et il est élu membre étranger de la Royal Society le 23 avril 1953.

Louis est devenu le 7e duc de Broglie en 1960 à la mort sans héritier de son frère aîné, Maurice, 6e duc de Broglie , également physicien.

En 1961, il reçoit le titre de Chevalier de la Grand-Croix dans la Légion d'honneur . De Broglie a été nommé conseiller auprès du Haut-Commissariat à l'énergie atomique en 1945 pour ses efforts visant à rapprocher l'industrie et la science. Il fonde un centre de mécanique appliquée à l' Institut Henri Poincaré , où sont menées des recherches sur l'optique, la cybernétique et l'énergie atomique. Il a inspiré la formation de l' Académie internationale des sciences moléculaires quantiques et a été l'un des premiers membres. Ses obsèques ont eu lieu le 23 mars 1987 en l'église Saint-Pierre-de-Neuilly.

Louis ne s'est jamais marié. A sa mort à Louveciennes , il fut remplacé comme duc par un cousin éloigné, Victor-François, 8e duc de Broglie .

Activité scientifique

Physique des rayons X et effet photoélectrique

Les premiers travaux de Louis de Broglie (début des années 1920) ont été réalisées dans le laboratoire de son frère aîné Maurice et traité les caractéristiques de l' effet photoélectrique et les propriétés des rayons X . Ces publications examinaient l'absorption des rayons X et décrivaient ce phénomène à l'aide de la théorie de Bohr , appliquaient les principes quantiques à l'interprétation des spectres de photoélectrons et donnaient une classification systématique des spectres de rayons X. Les études des spectres de rayons X étaient importantes pour élucider la structure des couches électroniques internes des atomes (les spectres optiques sont déterminés par les couches externes). Ainsi, les résultats d'expériences menées avec Alexandre Dauvillier, ont révélé les insuffisances des schémas existants de répartition des électrons dans les atomes ; ces difficultés ont été éliminées par Edmund Stoner . Un autre résultat fut l'élucidation de l'insuffisance de la formule de Sommerfeld pour déterminer la position des raies dans les spectres de rayons X ; cet écart a été éliminé après la découverte du spin de l'électron. En 1925 et 1926, le physicien de Léningrad Orest Khvolson nomma les frères de Broglie pour le prix Nobel pour leurs travaux dans le domaine des rayons X.

Dualité matière et onde-particule

L'étude de la nature du rayonnement X et la discussion de ses propriétés avec son frère Maurice, qui considérait ces rayons comme une sorte de combinaison d'ondes et de particules, a contribué à la prise de conscience de Louis de Broglie de la nécessité de construire une théorie liant les représentations des particules et des ondes. . De plus, il connaissait les travaux (1919-1922) de Marcel Brillouin , qui proposaient un modèle hydrodynamique d'un atome et tentaient de le relier aux résultats de la théorie de Bohr. Le point de départ des travaux de Louis de Broglie était l'idée d'A. Einstein sur les quanta de lumière . Dans son premier article sur ce sujet, publié en 1922, le scientifique français considérait le rayonnement du corps noir comme un gaz de quanta de lumière et, à l'aide de la mécanique statistique classique, dérivait la loi du rayonnement de Wien dans le cadre d'une telle représentation. Dans sa publication suivante, il tenta de concilier le concept de quanta de lumière avec les phénomènes d'interférence et de diffraction et arriva à la conclusion qu'il fallait associer une certaine périodicité aux quanta. Dans ce cas, les quanta de lumière ont été interprétés par lui comme des particules relativistes de très petite masse.

Il restait à étendre les considérations ondulatoires à toutes les particules massives et, à l'été 1923, une percée décisive se produisit. De Broglie a exposé ses idées dans une courte note "Ondes et quanta" ( français : Ondes et quanta , présenté lors d'une réunion de l'Académie des sciences de Paris le 10 septembre 1923), qui a marqué le début de la création de la mécanique ondulatoire. Dans cet article, le scientifique a suggéré qu'une particule en mouvement d'énergie E et de vitesse v est caractérisée par un processus périodique interne avec une fréquence , où est la constante de Planck . Pour concilier ces considérations, fondées sur le principe quantique, avec les idées de relativité restreinte, de Broglie a été contraint d'associer une "onde fictive" à un corps en mouvement, qui se propage avec la vitesse . Une telle onde, qui a plus tard reçu le nom de phase, ou onde de Broglie , dans le processus de mouvement du corps reste en phase avec le processus périodique interne. Après avoir examiné le mouvement d'un électron sur une orbite fermée, le scientifique a montré que l'exigence d'accord de phase conduit directement à la condition quantique de Bohr-Sommerfeld , c'est-à-dire à quantifier le moment cinétique. Dans les deux notes suivantes (rapportées aux réunions du 24 septembre et du 8 octobre, respectivement), de Broglie est arrivé à la conclusion que la vitesse de la particule est égale à la vitesse de groupe des ondes de phase, et la particule se déplace le long de la normale aux surfaces de phase égale. Dans le cas général, la trajectoire d'une particule peut être déterminée en utilisant le principe de Fermat (pour les ondes) ou le principe de moindre action (pour les particules), ce qui indique un lien entre l'optique géométrique et la mécanique classique.

Cette théorie a jeté les bases de la mécanique ondulatoire. Elle a été soutenue par Einstein, confirmée par les expériences de diffraction électronique de GP Thomson et Davisson et Germer, et généralisée par les travaux de Schrödinger .

Cependant, cette généralisation était statistique et n'a pas été approuvée par de Broglie, qui a dit « que la particule doit être le siège d'un mouvement périodique interne et qu'elle doit se déplacer en onde pour rester en phase avec elle a été ignoré par le de vrais physiciens [qui ont] tort de considérer une propagation d'onde sans localisation de la particule, ce qui était tout à fait contraire à mes idées originales."

D'un point de vue philosophique, cette théorie des ondes de matière a grandement contribué à la ruine de l'atomisme du passé. À l'origine, de Broglie pensait que l'onde réelle (c'est-à-dire ayant une interprétation physique directe) était associée aux particules. En fait, l'aspect ondulatoire de la matière a été formalisé par une fonction d'onde définie par l' équation de Schrödinger , qui est une entité mathématique pure ayant une interprétation probabiliste, sans le support d'éléments physiques réels. Cette fonction d'onde donne une apparence de comportement ondulatoire à la matière, sans faire apparaître de véritables ondes physiques. Cependant, jusqu'à la fin de sa vie, de Broglie revient à une interprétation physique directe et réelle des ondes de matière, à la suite des travaux de David Bohm . La théorie de Broglie-Bohm est aujourd'hui la seule interprétation donnant un véritable statut aux ondes de matière et représentant les prédictions de la théorie quantique.

Conjecture d'une horloge interne de l'électron

Dans sa thèse de 1924, de Broglie conjecturait que l'électron a une horloge interne qui fait partie du mécanisme par lequel une onde pilote guide une particule. Par la suite, David Hestenes a proposé un lien vers le zitterbewegung qui a été suggéré par Erwin Schrödinger .

Alors que les tentatives de vérification de l'hypothèse de l'horloge interne et de mesure de la fréquence d'horloge ne sont pas encore concluantes, les données expérimentales récentes sont au moins compatibles avec la conjecture de de Broglie.

Non nullité et variabilité de la masse

Selon de Broglie, le neutrino et le photon ont des masses au repos non nulles, bien que très faibles. Qu'un photon ne soit pas tout à fait sans masse est imposé par la cohérence de sa théorie. Incidemment, ce rejet de l'hypothèse d'un photon sans masse lui a permis de douter de l'hypothèse de l'expansion de l'univers.

De plus, il croyait que la vraie masse des particules n'est pas constante, mais variable, et que chaque particule peut être représentée comme une machine thermodynamique équivalente à une intégrale cyclique d'action.

Généralisation du principe de moindre action

Dans la seconde partie de sa thèse de 1924, de Broglie utilise l'équivalence du principe mécanique de moindre action avec le principe optique de Fermat : « Le principe de Fermat appliqué aux ondes de phase est identique au principe de Maupertuis appliqué au corps en mouvement ; les trajectoires dynamiques possibles de le mobile sont identiques aux rayons possibles de l'onde." Cette équivalence avait été signalée par Hamilton un siècle plus tôt, et publiée par lui vers 1830, à une époque où aucune expérience ne démontrait l'implication des principes fondamentaux de la physique dans la description des phénomènes atomiques.

Jusqu'à son dernier ouvrage, il apparaît comme le physicien qui recherche le plus cette dimension de l'action dont Max Planck , au début du XXe siècle, avait montré la seule unité universelle (avec sa dimension d'entropie).

Dualité des lois de la nature

Loin de prétendre faire disparaître « la contradiction » que Max Born pensait pouvoir réaliser par une approche statistique, de Broglie étendit la dualité onde-particule à toutes les particules (et aux cristaux qui révélaient les effets de la diffraction) et étendit le principe de dualité à les lois de la nature.

Ses derniers travaux ont fait un seul système de lois à partir des deux grands systèmes de la thermodynamique et de la mécanique :

Lorsque Boltzmann et ses continuateurs ont développé leur interprétation statistique de la thermodynamique, on aurait pu considérer la thermodynamique comme une branche compliquée de la dynamique. Mais, avec mes idées réelles, c'est la dynamique qui semble être une branche simplifiée de la thermodynamique. Je pense que, de toutes les idées que j'ai introduites dans la théorie quantique ces dernières années, c'est cette idée qui est, de loin, la plus importante et la plus profonde.

Cette idée semble correspondre à la dualité continue-discontinue, puisque sa dynamique pourrait être la limite de sa thermodynamique lorsque des transitions vers des limites continues sont postulées. Elle est aussi proche de celle de Leibniz , qui posait la nécessité de « principes architectoniques » pour compléter le système des lois mécaniques.

Or, selon lui, il y a moins de dualité, au sens d'opposition, que de synthèse (l'une est la limite de l'autre) et l'effort de synthèse est constant selon lui, comme dans sa première formule, dans laquelle le premier membre concerne la mécanique et la seconde l'optique :

Théorie des neutrinos de la lumière

Cette théorie, qui date de 1934, introduit l'idée que le photon équivaut à la fusion de deux neutrinos de Dirac .

Il montre que le mouvement du centre de gravité de ces deux particules obéit aux équations de Maxwell, ce qui implique que le neutrino et le photon ont tous deux des masses au repos non nulles, bien que très faibles.

Thermodynamique cachée

L'idée finale de De Broglie était la thermodynamique cachée des particules isolées. C'est une tentative de réunir les trois principes les plus éloignés de la physique : les principes de Fermat, Maupertuis et Carnot .

Dans cette œuvre, l' action devient une sorte d'opposé de l' entropie , à travers une équation qui met en relation les deux seules dimensions universelles de la forme :

En conséquence de son grand impact, cette théorie ramène le principe d'incertitude aux distances autour des extrema d'action, distances correspondant à des réductions d'entropie .

Honneurs et récompenses

Publications

Ondes et mouvements , 1926
  • Recherches sur la théorie des quanta ( Recherches sur la théorie quantique ), Thèse, Paris, 1924, Ann. de Physique (10) 3 , 22 (1925).
  • Introduction à la physique des rayons X et gamma ( Introduction à la physique des rayons X et rayons gamma ), avec Maurice de Broglie , Gauthier-Villars, 1928.
  • Ondes et mouvements (en français). Paris : Gauthier-Villars. 1926.
  • Rapport au 5ème Conseil de Physique Solvay ( Rapport pour le 5ème Congrès de Physique Solvay ), Bruxelles, 1927.
  • Mécanique ondulatoire (en français). Paris : Gauthier-Villars. 1928.
  • Recueil d'exposés sur les ondes et corpuscules . Paris : Librairie scientifique Hermann et C.ie. 1930.
  • Matière et lumière ( Matière et Lumière ), Paris : Albin Michel, 1937.
  • La Physique nouvelle et les quanta ( Nouvelle Physique et Quanta ), Flammarion, 1937.
  • Continu et discontinu en physique moderne ( Continu et discontinu in Modern Physics ), Paris : Albin Michel, 1941.
  • Ondes, corpuscules, mécanique ondulatoire ( Ondes, Corpuscles, Wave Mechanics ), Paris : Albin Michel, 1945.
  • Physique et microphysique ( Physique et Microphysique ), Albin Michel, 1947.
  • Vie et œuvre de Paul Langevin ( La vie et les œuvres de Paul Langevin ), Académie française des sciences, 1947.
  • Optique électronique et corpusculaire ( Electronic and Corpuscular Optics ), Herman, 1950.
  • Savants et découvertes ( Scientifiques et découvertes ), Paris, Albin Michel, 1951.
  • Une tentative d'interprétation causale et non linéaire de la mécanique ondulatoire : la théorie de la double solution. Paris : Gauthier-Villars, 1956.
    • Traduction française : Mécanique des ondes non linéaire : une interprétation causale. Amsterdam : Elsevier, 1960.
  • Nouvelles perspectives en microphysique ( Nouvelles perspectives en microphysique ), Albin Michel, 1956.
  • Sur les sentiers de la Science ( Sur les chemins de la science ), Paris: Albin Michel, 1960.
  • Introduction à la nouvelle théorie des particules de M. Jean-Pierre Vigier et de ses collaborateurs , Paris : Gauthier-Villars, 1961. Paris : Albin Michel, 1960.
    • Traduction anglaise : Introduction à la théorie de Vigier des particules élémentaires , Amsterdam : Elsevier, 1963.
  • Étude critique des bases de l'interprétation actuelle de la mécanique ondulatoire , Paris : Gauthier-Villars, 1963.
    • Traduction anglaise : L'interprétation actuelle de la mécanique des ondes : une étude critique , Amsterdam, Elsevier, 1964.
  • Certitudes et de la Science incertitudes ( Certitudes et Incertitudes des sciences ). Paris : Albin Michel, 1966.
  • avec Louis Armand, Pierre Henri Simon et autres. Albert Einstein . Paris : Hachette, 1966.
    • Traduction française : Einstein. Peebles Press, 1979.
  • Recherches d'un demi-siècle ( Recherches d'un demi-siècle ), Albin Michel, 1976.
  • Les Heisenberg et d'incertitudes l'interprétation de la mécanique probabiliste ondulatoire ( Heisenberg incertitude et mécanique ondulatoire d'interprétation probabiliste ), Gauthier-Villars, 1982.

Les références

Liens externes

noblesse française
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Duc de Broglie
1960-1987
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