L' (autre) EXPÉRIENCE FONDATRICE DE LA MÉCANIQUE QUANTIQUE 🧲 ⚛️

Bonjour à tous, aujourd’hui on va parler d’une expérience fondamentale de la mécanique

quantique, qui illustre à elle seule plusieurs aspects essentiels et contre-intuitifs du

monde quantique : il s’agit de l’expérience de Stern et Gerlach, du nom des deux physiciens

allemands qui l’ont réalisée pour la première fois il y a un siècle, en 1922.

Quand on pense aux expériences fondatrices de la mécanique quantique, on pense souvent

en premier aux expériences d’interférences avec des électrons, en utilisant les fentes

d’Young.

Et c’est vrai qu’elles permettent de capturer de façon très visuelle beaucoup d’aspects

de la mécanique quantique, d’ailleurs je vous renvoie à la vidéo que j’avais faite

sur ce sujet.

Mais l’expérience de Stern & Gerlach, dont on va parler aujourd’hui, est tout aussi

importante.

Et ce qui intéressant, c’est qu’elle permet d’illustrer certains phénomènes

quantiques sous un angle différent, et donc très complémentaire de ce qu’on peut voir

avec les expériences d’interférences.

Ce que je vais vous présenter ici est une version un peu idéalisée, modernisée, de

l’expérience, telle qu’on pourrait la refaire aujourd’hui avec des moyens expérimentaux

meilleurs que ceux dont disposaient les deux physiciens allemands il y a un siècle.

[DISPOSITIF Imaginez que l’on dispose d’une boite percée d’un petit trou, et que par

ce trou soit émis un faisceau de particules.

Dans l’expérience d’origine, il s’agissait d’atomes d’argent qui sortaient d’un

four, mais en fait la nature exacte des particules pourrait être différente.

Sur la trajectoire du faisceau, on va placer un champ magnétique bien uniforme, et derrière

un écran pour repérer à quel endroit viennent taper les particules.

Alors qu’est-ce qu’il va se passer ?

Vous savez peut-être qu’un champ magnétique ça agit sur les particules chargées.

Il y a une formule pour ça, qui exprime la force exercée, c’est la force de Lorentz.

Et on voit dans cette formule que si la particule n’est pas chargée, ben il n’y aura pas

de force, facile.

Si on fait comme Stern et Gerlach et qu’on utilise des atomes, qui sont donc globalement

neutres, le champ magnétique n’a pas d’effet, et donc toutes les particules viennent taper

au centre de l’écran qu’on a placé.

Ah oui je ne l’ai pas dit mais dans cette trajectoire on peut ignorer les effets de

la gravité.

Les particules dans le faisceau ont une vitesse importante, plusieurs centaines de mètres

par seconde, et donc elles sont à peine affectées le temps du trajet.]

Jusqu’ici rien d’incroyable, maintenant variante : on va utiliser un champ magnétique

qui n’est plus uniforme, mais qui est par exemple plus fort en haut qu’en bas, et

ce de façon progressive.

On parle d’un champ magnétique avec un gradient.

[DISPOSITIF Et là quand on fait l’expérience, première surprise, on constate que les particules

sont déviées par ce champ magnétique.

Si le champ magnétique est dirigé selon l’axe vertical, appelons-le l’axe Z, les

particules vont être déviées certaines vers le haut, d’autres vers le bas.]

A première vue ça peut paraitre étonnant.

On l’a dit les atomes sont neutres, on ne s’attend donc pas à ce qu’ils soient

sensibles au champ magnétique.

Pourquoi quand le champ magnétique n’est plus uniforme cela provoque une déviation

? Eh bien c’est ce qu’il se passerait si au lieu de balancer des atomes on balançait

des petits aimants.