The introduction of the notion of wave function in quantum mechanics was historically done in a progressive manner, beginning with the original idea of “pilot wave” introduced by de Broglie and finishing with the interpretation of Copenhagen School. One returns here to the historical sources of this concept in order to know better its evolution along history. One believes that this method will allow understanding better the importance of the right interpretation of quantum mechanics. This study has also an educational objective in the sense that it will allow to discuss the opportunity of introducing the teaching of science history in the university programs for the future physicians, engineering physicians and teachers in high schools.
The introduction of the notion of wave function in quantum mechanics was historically done in a progressive manner, beginning with the original idea of “pilot wave” introduced by de Broglie and finishing with the interpretation of Copenhagen School. One returns here to the historical sources of this concept in order to know better its evolution along history. One believes that this method will allow understanding better the importance of the right interpretation of quantum mechanics. This study has also an educational objective in the sense that it will allow to discuss the opportunity of introducing the teaching of science history in the university programs for the future physicians, engineering physicians and teachers in high schools.
L'avenement de la physique moderne (i.e. la physique a partir du debut du 20eme siecle) a necessite la revision de concepts fondamentaux de la physique newtonienne. Ainsi, l'emergence de la theorie de la relativite a necessite une refonte des concepts d'espace et de temps et la mecanique quantique a apporte un nouveau eclairage sur les notions de determinisme, de causalite et de separabilite. Ces considerations font que la mecanique quantique et la relativite heurtent le bon sens et, en tout cas, presentent des problemes de comprehension pour les etudiants. Notre experience d'enseignement de ces matieres nous a montre que la transposition du savoir a enseigner est, pour une bonne part, la cause de ces difficultes. En plus, les programmes donnent trop de priorite au formalisme mathematique, au detriment de la discussion des principes sur lesquels reposent les theories en question. Dans le but d’etablir un diagnostic precis des obstacles rencontres par les etudiants, nous avons elabore un questionnaire que nous avons soumis a plusieurs echantillons d’etudiants de 3eme et 5eme annees de licence a l’E.N.S.-Kouba (Alger). Nous partons de l’hypothese que ces obstacles sont dus essentiellement a une comprehension insuffisante des principes et concepts de base de la physique quantique (nous n’avons pas inclus la relativite dans la presente etude). Nous pensons que l'incorporation dans les programmes d'elements d'histoire des sciences et d'epistemologie de la physique serait susceptible de rendre plus efficace l'enseignement de la physique moderne dans le cycle considere.
The founding fathers of quantum mechanics had already perceived the essence of the difficulties of quantum mechanics; today, after almost a century, the discussions are still lively and, if some very interesting new aspects have emerged, at a deeper level the questions have not changed so much. What is more recent, nevertheless, is a general change of attitude among physicists: until about 1970 or 1980, most physicists thought that the essential questions had been settled, and that “Bohr was right and proved his opponents to be wrong”. This was probably a consequence of the famous discussions between Bohr, Einstein, Schrödinger, Heisenberg, Pauli, de Broglie, and others (in particular at the Solvay meetings [1–3], where Bohr's point of view had successfully resisted Einstein's extremely clever attacks). The majority of physicists did not know the details of the arguments. They nevertheless thought that the standard “Copenhagen interpretation” had clearly emerged from the infancy of quantum mechanics as the only sensible attitude for good scientists. This interpretation includes the idea that modern physics must contain indeterminacy as an essential ingredient: it is fundamentally impossible to predict the outcome of single microscopical events; it is impossible to go beyond the formalism of the wave function (or its generalization, the state vector ∣ψ) and complete it.
Quantum mechanics began in very early twentieth century when Max Planck found the expression for black body thermal radiation in which the emitted light was not a continuum as postulated by classical physics. Erwin Schrodinger applied his equation to solve the quantum harmonic oscillator, the quantum rigid rotor, and a hydrogen-like atom. Pertaining to the solution of the Schrodinger equation to hydrogen atoms are the quantum numbers. C. K. Ingold’s overview of Schrodinger wave mechanics: “What can be known about an electron, considered as a particle, is of a statistical nature, and is summarized in the behavior of a wave. When considering singlet substances, the normal Zeeman Effect occurs, providing the discrete values of the orbital angular momentum. In an attempt to rationalize the anomalous Zeeman effect, W. Pauli proposed the fourth degree of freedom of the electron which he called “two-valuedness not describable classically”.
Au-delà de la théorie de l’onde pilote : non-linéarité et procéssus hors d’équilibre en mécanique quantique La mécanique quantique a modifié notre façon d'interpréter ce que jadis l'on appelait communément "réalité physique". A titre d'exemple, selon l'interprétation standard de la mécanique quantique (dite interprétation probabiliste de Copenhague) les propriétés d’un objet quantique n'ont pas de réalité physique, du moins, pas avant que l’observateur ne les mesure. De plus, tout semble se passer comme s'il y avait un indéterminisme intrinsèque à la dynamique quantique qui ne permettrait pas de prédire avec certitude le résultat d'une mesure. Dès lors, plusieurs interprétations physiques et philosophiques ont vu naissance afin de décrire (notre connaissance de) cette réalité.C'est au cours de la conférence de Solvay en 1927 que Louis de Broglie, un opposant à l'interprétation probabiliste, proposa une solution alternative qui permettait d'une part de restaurer le déterminisme (ainsi que le réalisme) et d'autre part de remettre au premier plan la notion de trajectoire. Par la suite cette théorie fut redécouverte et complétée par David Bohm pour donner naissance à la théorie connue aujourd'hui sous l'appellation de théorie de l'onde pilote. John Bell a dit à propos de cette interprétation : " En 1952, l'impossible a été rendu possible. C'était dans l'article de David Bohm. Bohm a montré explicitement comment une description indéterministe pouvait être transformée en théorie déterministe."Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse s'inscrivent dans la continuité de la vision de de Broglie et consistent en deux parties, chacune d'elles ayant pour but de répondre à une problématique particulière. Dans la première, on considère deux formalismes du type onde pilote, une version déterministe (dynamique de de Broglie-Bohm chapitre 2) ainsi qu'une de ses extensions stochastiques (dynamique de Bohm-Hiley-Nelson chapitre 3). On s'attardera notamment sur l’émergence de la probabilité quantique à partir de ces dynamiques dans l’approche dite du "Quantum Non-Equilibrium". Cette approche permet entre autres de s'affranchir du statut axiomatique de la distribution de probabilité mais aussi de la justifier par des arguments similaires à ceux que l'on retrouve en mécanique statistique. Parmi ces arguments on retrouvera à titre d’exemple la notion d’ergodicité, de chaos, de mixing ainsi que d’autres propriétés qui feront l’objet d’une étude approfondie (chapitre 4). En particulier, l’émergence de l’équilibre s'accompagne d'un processus de relaxation que nous allons caractériser dans chacune de ces dynamiques (dans le chapitre 3 nous dériverons un théorème H qui décrit quantitativement ce processus dans le cas stochastique). Par ailleurs, nous nous efforcerons, dans une approche phénoménologique, d’appliquer ces théories quantiques d'onde pilote à la dynamique macroscopique des gouttes d'huile rebondissantes dans un bain (chapitre 5).La deuxième problématique quant à elle, repose sur une hypothétique généralisation non-linéaire de la mécanique quantique. En particulier, nous considérerons l'équation de Schrodinger Newton comme une première proposition a cette généralisation. Cette équation non-linéaire découle d’une approximation semi-classique de la gravité et a été entre autres proposée par Roger Penrose pour expliquer le collapse de la fonction d’onde. Nous montrerons dans un premier temps comment le programme de la double solution de Louis de Broglie se développe dans ce contexte (chapitre 6). Par la suite nous verrons comment tester cette généralisation non-linéaire par deux propositions expérimentales (chapitre 7). En particulier, l’une de ces propositions nous conduira à étudier des effets de décohérence lors du refroidissement laser (Doppler cooling, chapitre 8). Pour cela on utilisera le modèle de Ghirardi–Rimini–Weber (GRW) comme modèle de décohérence. Ce qui nous permettra par la suite de généraliser les résultats obtenus auparavant par GRW dans leur modèle.
Nous proposons une grille de lecture de la mécanique quantique correspondant aux spécifications de la théorie de la double solution de Louis de Broglie. Le principe est de considérer l’évolution d’un système quantique sous la forme de deux fonctions d’onde : une fonction d’onde externe correspondant à l’évolution de son centre de masse et une fonction d’onde interne correspondant à l’évolution de ses variables internes dans le référentiel du centre de masse. La décomposition mathématique exacte n’est possible que dans certains cas car de nombreuses interactions relient ces deux parties. En outre, ces deux fonctions d’onde vont avoir des sens et des interprétations différentes.La fonction d’onde externe pilote le centre de masse du système quantique : elle correspond à l’onde pilote de Broglie. Elle découle mathématiquement de la convergence, lorsque l’on fait tendre la constante de Planck ~ vers zéro, du carré du module et de la phase de la fonction d’onde externe vers une densité et une action classique vérifiant les équations statistiques d’Hamilton-Jacobi. Cette interprétation explique tous les résultats de mesure, comme les expériences d’interférences, de mesure du spin (Stern et Gerlach) et de non-localité (EPR-B).Pour la fonction d’onde interne, plusieurs interprétations sont possibles : celle de l’onde pilote peut s’appliquer en cascade à la fonction d’onde interne. Cependant l’interprétation proposée par Erwin Schrödinger au congrès Solvay de 1927 et restreinte à la fonction d’onde interne est également envisageable. Pour Schrödinger, les particules sont étendues et le carré du module de la fonction d’onde (interne) d’un électron correspond à la densité de sa charge dans l’espace. Nous présentons les nombreux arguments en faveur de cette interprétation, qui comme celle de l’onde pilote est réaliste et déterministe.Nous montrons que cette double interprétation est une grille de lecture pour mieux comprendre les débats sur les interprétations de la mécanique quantique et de revoir les relations entre gravité et mécanique quantique.