Louis de Broglie - Définition

Distinctions et récompenses

• Élevé, en 1961, à la dignité de grand-croix de la Légion d'honneur
• Commandeur des Palmes académiques

Principales théories

Matière et dualisme onde-corpuscule

« 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 :

où 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 une approche statistique, de Broglie a étendu la dualité onde-corpuscule à tous les corpuscules (et aux cristaux qui révèlent des effets de diffraction), et a 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 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 principes extrêmaux de la physique : les principes de Fermat, de Maupertuis et de Carnot.

Dans ces travaux, l’action devient une sorte d’opposé de l’entropie, par une équation qui relie les deux seules dimensions universelles, de la forme :

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.