Louis De Broglie


Louis De Broglie

Louis de Broglie

Louis Victor de Broglie
Broglie Big.jpg
Naissance 15 août 1892
Dieppe (France)
Décès 19 mars 1987
Louveciennes (France)
Nationalité française
Champs Mathématiques, physique
Distinctions Prix Nobel de physique 1929

Louis Victor de Broglie, prince, puis duc de Broglie, né à Dieppe le 15 août 1892 et mort le 19 mars 1987 à Louveciennes, était un mathématicien, physicien et académicien français, lauréat, en 1929, du prix Nobel de physique pour sa « théorie sur la nature ondulatoire de l’électron ».

Sommaire

Biographie

Louis de Broglie (prononcer breuil bʁœj) est issu de la maison de Broglie. Comme tous les membres cadets mâles de cette famille, il porte d'abord le titre de prince de Broglie et c'est sous ce titre qu'il sera connu durant la plus grande partie de sa carrière. Ce n'est que le 14 juillet 1960, à la mort sans enfant de son frère aîné, le duc Maurice de Broglie, qu'il devient à son tour duc de Broglie à l'âge de 68 ans.

Il est licencié ès lettres à 18 ans en 1910 (en histoire) puis passe une licence de sciences en deux ans en 1913. Il fait son service militaire dès octobre 1913 au régiment des radiotélégraphistes du Mont-Valérien et est affecté durant la première Guerre mondiale à l’émetteur de radio de la tour Eiffel mis en place par le général Ferrié (sapeur en 1913 il termine la guerre avec la grade d'adjudant). Il est initié aux travaux de la physique moderne par son frère, Maurice de Broglie, secrétaire des rencontres Solvay. Si on se réfère à la biographie de Nobel[1], c’est à 32 ans, en 1924, huit ans après la fin de la Première Guerre mondiale, qu’il soutient une thèse de doctorat purement théorique devant un jury comprenant Paul Langevin et Jean Perrin. Quatre ans plus tard, cette thèse lui vaudra d’être nommé maître de conférences à la faculté des sciences de l’université de Paris (Institut Henri Poincaré), et d’être considéré comme « nobélisable » à 36 ans, et un an plus tard, en 1929, elle lui vaudra le prix Nobel de physique pour sa « découverte de la nature ondulatoire de l’électron », sa thèse théorique ayant été totalement confirmée par deux expérimentateurs américains Davisson et Germer qui ont observé la première diffraction d’électron par un cristal.

Cette expérience produisant des interférences d’électron confirma sans ambiguïté l’hypothèse de Broglie.

Ses travaux[2] sur la nature ondulatoire des électrons font de lui le physicien qui a associé une onde aux particules massiques.

En 1933, il obtient la chaire de théories physiques de l’Institut Henri-Poincaré, succédant à Léon Brillouin et est élu membre de l’Académie des sciences dont il devint secrétaire perpétuel en 1942.

Sous l'Occupation, il est membre du Conseil national instauré par Vichy.

Le 12 octobre 1944, Louis de Broglie est élu à l’Académie française, en même temps qu'André Siegfried et Louis Pasteur Vallery-Radot, à l'unanimité des 17 votants au fauteuil d'Émile Picard. Deux mois après la Libération de Paris, il s'agit de la première élection depuis l'invasion allemande. L'Académie, dont une douzaine de membres décédés n'ont pas été remplacés depuis quatre ans, dont plusieurs autres vivent en exil ou sont emprisonnés, ne peut réunir ce jour-là que dix-sept votants, soit trois de moins que le quorum exigé. Ces trois élections sont malgré tout considérées comme valables et les trois nouveaux académiciens pourront même prendre part aux élections suivantes avant d'avoir été reçus en séance solennelle. Sa réception officielle a lieu le 31 mai 1945, donnant l’occasion d’une scène inédite depuis trois siècles : l’accueil d’un académicien par son propre frère (le duc Maurice de Broglie).

Son œuvre est importante: il a écrit deux cents mémoires et quarante-cinq livres, dont des ouvrages de haute vulgarisation (Matière et Lumière, Sur les sentiers de la science, Certitudes et incertitudes de la science).

Il devient membre étranger de la Royal Society en 1953.

Principales théories

Matière et dualisme onde-corpuscule

Article détaillé : Hypothèse de De Broglie.

« L’idée fondamentale de [ma thèse de 1924] était la suivante : « Le fait que, depuis l’introduction par Einstein des photons dans l’onde lumineuse, l’on savait que la lumière contient des particules qui sont des concentrations d’énergie incorporée dans l’onde, suggère que toute particule, comme l’électron, doit être transportée par une onde dans laquelle elle est incorporée »… Mon idée essentielle était d’étendre à toutes les particules la coexistence des ondes et des corpuscules découverte par Einstein en 1905 dans le cas de la lumière et des photons. » « À toute particule matérielle de masse m et de vitesse v doit être "associée" une onde réelle » reliée à la quantité de mouvement par la relation :

\lambda = \frac{h}{p} = \frac {h}{{m}{v}} \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}

λ est la longueur d'onde, h la constante de Planck, p la quantité de mouvement, m la masse au repos, v sa vitesse et c la célérité de la lumière dans le vide.

Cette théorie posait les bases de la mécanique ondulatoire. Elle fut soutenue par Einstein, confirmée par les expériences de diffraction des électrons de Davisson et Germer, et surtout généralisée par les travaux de Schrödinger.

Cependant cette généralisation était statistique et n’était pas approuvée par de Broglie, qui disait « que la particule doit être le siège d’un mouvement périodique interne et qu’elle doit se déplacer dans son onde de façon à rester en phase avec elle, [fait] ignoré des physiciens quantistes actuels [qui ont] le tort de considérer une propagation d’onde sans localisation de particule, ce qui était tout à fait contraire à mes idées primitives. »

Notons que, du point de vue philosophique, cette théorie des ondes de matière est ce qui a le plus contribué à ruiner l’atomisme de jadis. À l’origine, de Broglie pensait qu’une onde réelle (c’est-à-dire ayant une interprétation physique directe) était associée aux particules. Il s’est avéré que l'aspect ondulatoire de la matière est formalisé par une fonction d'onde gouvernée par l’équation de Schrödinger qui est une pure entité mathématique ayant une interprétation probabiliste, sans support d’éléments physiques réels. Cette fonction d’onde donne à la matière les apparences d’un comportement ondulatoire, sans pour autant faire intervenir des ondes physiques réelles. Cependant, de Broglie est revenu vers la fin de sa vie à une interprétation physique directe et réelle des ondes de matière, à la suite des travaux de David Bohm. La théorie de de Broglie-Bohm est aujourd’hui la seule interprétation donnant un statut réel aux ondes de matière et respectant les prédictions de la théorie quantique. Mais présentant un certain nombre de problèmes de fond, et n’allant pas plus loin dans ses prédictions que l’interprétation de Copenhague, elle est peu reconnue par la communauté scientifique.

Non nullité et variabilité de la masse

Point important, chez de Broglie le neutrino et le photon ont tous deux une masse au repos non nulle quoique très faible. La masse non tout à fait nulle du photon s’impose par la cohérence de sa théorie. Accessoirement ce rejet de l’hypothèse d’un photon de masse nulle lui permettait de douter de l’hypothèse de l’expansion de l’univers.

Également il considère que la masse propre des particules n’est pas constante mais variable, chaque corpuscule pouvant être représenté comme une machine thermodynamique équivalent à une intégrale cyclique d’Action.

Généralisation du principe de la moindre action

Dans la seconde partie de sa thèse de 1924, de Broglie a utilisé l’équivalence du principe mécanique de la moindre action avec le principe optique de Fermat : « Le principe de Fermat appliqué à l’onde de phase est identique au principe de Maupertuis appliqué au mobile ; les trajectoires dynamiques possibles du mobile sont identiques aux rayons possibles de l’onde ». Cette équivalence avait été remarquée par Hamilton un siècle auparavant, et publiée par celui-ci vers 1830, à une époque où aucune expérience ne justifiait de remettre en cause les principes fondamentaux de la Physique pour la description des phénomènes atomiques.

Jusqu’à ses derniers travaux, il paraît être le physicien qui a le plus poursuivi cette dimension d’Action dont Max Planck, au début du XX e siècle, avait montré qu’elle est finalement la seule unité universelle (avec sa dimension d’entropie).

Dualité des lois de la nature

Loin de prétendre faire « disparaître la contradiction » comme Max Born croyait y parvenir avec l’artifice statistique, de Broglie a non seulement étendu la dualité onde-corpuscule à tous les corpuscules (et même aux cristaux qui révèlent des effets de diffraction), mais aussi étendu le principe de dualité aux lois de la nature.

Ses derniers travaux font de la Thermodynamique et de la Mécanique deux grands systèmes de lois, à l’œuvre en même temps, et qu’il réunit en un seul système : « Quand Boltzmann et ses continuateurs ont développé leur interprétation statistique de la Thermodynamique, on a pu considérer la Thermodynamique comme une branche compliquée de la Dynamique. Mais, avec mes idées actuelles, c’est la Dynamique qui apparaît comme une branche simplifiée de la Thermodynamique. Je pense que, de toutes les idées que j’ai introduites en théorie quantique dans ces dernières années, c’est cette idée-là qui est, de beaucoup, la plus importante et la plus profonde. »

Cette conception paraît correspondre à la dualité continu–discontinu, sa Dynamique pouvant être la limite de sa Thermodynamique quand des enchaînements aux limites continues sont postulés. Elle est aussi proche de celle de Leibniz, qui posait la nécessité de "principes architectoniques" pour compléter le système des lois mécaniques.

Cependant il y a chez lui moins dualité, au sens d’opposition, que synthèse (l’une est la limite de l’autre) et l’effort de synthèse est constant chez lui, déjà dans sa toute première formule, où le premier membre appartient à la mécanique et le second à l’optique :

mc2 = hν

Théorie neutrinienne de la lumière

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

Elle 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 une masse au repos non nulle quoique très faible.

La thermodynamique cachée

La dernière grande idée de de Broglie est la Thermodynamique cachée de la particule isolée. C’est une tentative de réunir les trois grands principes extrêmaux de la physique : les principes de Fermat, de Maupertuis et de Carnot.

Dans ces travaux ultimes, l’Action devient une sorte d’opposé de l’entropie, par une équation qui relie des deux seuls dimensions universelles, de la forme :

{Action\over h} = -{Entropie\over k}

Conséquence de grande portée, cette théorie rapporte l’indétermination quantique à des écarts autour des extrema de l’Action, écarts correspondant à des diminutions de l’entropie.

Décorations

Références

Voir aussi

Liens externes

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Maurice, duc de Broglie
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Précédé de :
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Prix Nobel de physique
1929
Suivi de :
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Précédé de :
Émile Picard
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