Chapitre III. Notions de Physique Microscopique.

A l’aube du XXème siècle, un certain nombre de paradoxes étaient mis en évidence dans les théories classiques qui traitent des objets macroscopiques comme de systèmes dans lesquels l’énergie est distribuée continûment. La résolution de ces paradoxes fait l’objet de la mécanique quantique qui permet d’appréhender les phénomènes physiques à l’échelle de l’infiniment petit. Par ailleurs, la thermodynamique statistique avait émergé à la fin du XIXème siècle, avec la théorie des gaz parfaits de Maxwell-Boltzmann, afin de traiter les grands ensembles pour lesquels on ne saurait résoudre simultanément toutes les équations du mouvement. La prise en compte des effets quantiques dans le traitement statistique au sens de la thermodynamique a alors permis de rendre compte de la plupart des phénomènes observés par exemple à basse température.

Ce chapitre doit être compris comme un ‘recueil de recettes’, car nous n’avons pas le temps de rendre compte de toute la généralité de ces deux formidables caisses à outils que sont la mécanique quantique et la physique statistique quantique. Je présenterai seulement les concepts nécessaires pour le chapitre IV.

I. L’approche quantique.

1. Introduction.

Le point de départ de la mécanique quantique est la dualité onde-particule énoncée par Louis de Broglie (prix Nobel de physique 1929). Une particule, grain de matière et/ou d’énergie, se comporte également comme une onde, pour donner lieu par exemple à des phénomènes d’interférences et de diffraction. En effet, les travaux d’Einstein portant sur l’effet photoélectrique et qui lui ont valu le prix Nobel de physique en 1921, avaient montré que la lumière est constituée de grains d’énergie (des quanta / un quantum), particules immatérielles : les photons. Ils ne peuvent avoir une masse, car ils ont la vitesse de la lumière, c. Leur énergie n’est pas proportionnelle à leur masse, mais à leur fréquence, via une