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Bohr

Niels Bohr est un physicien et philosophe de la physique, n√© le 7 octobre 1885 √† Copenhague, au Danemark, et mort  le 18 novembre 1962 dans cette m√™me ville. Il est l'un des fondateurs de la physique quantique. Le prix Nobel de physique, qui lui a √©t√© d√©cern√© en 1922, a r√©compens√© ses contributions √† la compr√©hension de la structure atomique et √† ¬ę la radiation qu'ils √©mettent et absorbent ¬Ľ. Bohr a aussi jou√© un r√īle important dans l'interpr√©tation de la physique quantique, introduisant notamment le principe de comp√©mentarit√©, qui stipule que certaines propri√©t√©s quantiques d'une particule ne peuvent pas √™tre observ√©es simultan√©ment, mais surtout qui conduit son auteur √† red√©finir la notion m√™me de ph√©nom√®ne physique. Enfin, Bohr a √©t√© le th√©oricien de la fission nucl√©aire, et l'un des plus ardents promoteurs de l'utilisation de l'√©nergie nucl√©aire √† de seules fins pacifiques.
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Niels Bohr.
Niels Bohr (1885-1962).

L'atome de Bohr.
Bohr a √©tudi√© la physique √† l'universit√© de Copenhague, o√Ļ il a obtenu son doctorat en physique en 1911. Apr√®s ses √©tudes, il a voyag√© √† l'√©tranger et a travaill√© avec  J.J. Thomson √† Cambridge et Ernest Rutherford √† Manchester. Des collaborations qui le conduisent √† d√©velopper en 1913 son propre mod√®le plan√©taire de l'atome (On the Constitution of Atoms and Molecules, Philosophical Magazine, 26, 1). Dans ce mod√®le, dit atome de Bohr, bas√© sur celui de Rutherford, mais qui incorpore des id√©es de la physique quantique √©mergente, les √©lectrons orbitent autour d'un noyau central et ne peuvent occuper que des niveaux d'√©nergie discrets. Cette approche s'av√®rera en mesure de rendre compte l'origine du syst√®me de raies spectrales √©mises par les atomes, ainsi que de leurs propri√©t√©s chimiques.

Le mod√®le atomique de Bohr √©tait destin√© √† pallier les insuffisances du mod√®le d'atome propos√© deux ans plus t√īt par Rutherford. Dans ce mod√®le, l'atome est comme un syst√®me solaire en miniature, dans lequel des √©lectrons de charge √©lectrique n√©gative sont en orbite autour d'un noyau massif de charge positive. L'inconv√©nient d'un tel atome √©tait son instabilit√©-: selon les lois de l'√©lectromagn√©tisme classique, les √©lectrons auraient d√Ľ √©mettre un rayonnement en parcourant leur orbite; ils auraient donc perdu contin√Ľment de leur √©nergie, ce qui les aurait conduit √† suivre une trajectoire de plus en plus resserr√©e autour du noyau pour finir par s'√©craser sur celui-ci. (On aurait alors retrouv√© le mod√®le du pudding aux raisins de Thomson, qui avait d√©j√† montr√© son impossibilit√©).

Bohr va s'appuyer sur le mod√®le th√©orique Rutherford, mais va aussi s'employer √† le concilier avec un r√©sultat exp√©rimental, exprim√© par la formule de Balmer, qui relie entre elles les diff√©rences entre les valeurs des fr√©quences √©mises par l'atome d'hydrog√®ne. Il constate ainsi qu'en en multipliant par la constante de Planck h  les fr√©quences apparaissant dans la formule de Balmer, ce qui revient √† appliquer la relation E = hőĹ, o√Ļ E, l'√©nergie, est un terme qui se rapporte au caract√®re particulaire des ph√©nom√®nes quantiques et őĹ, la fr√©quence se r√©f√®re √† leur caract√®re ondulatoire, les diff√©rences entre fr√©quences de la formule de Balmer deviennent des diff√©rences entre √©nergies. Autrement dit, comprend Bohr, la formule de Balmer fait appara√ģtre des bilans √©nerg√©tiques. Tout va d√©couler de ce constat.

Bohr admet pour commencer que des règles différentes s'appliquent à l'échelle atomique et imagine que, contrairement à ce que laisse penser la physique classique, il existe des orbites particulières autour du noyau sur lesquelles les électrons peuvent circuler sans émettre de rayonnement et donc sans perdre d'énergie. Seules certaines orbites (circulaires comme dans le modèle de Rutherford), dites orbites stationnaires, sont permises pour les électrons.

Niels Bohr vers 1910.
N. Bohr, vers l'√©poque o√Ļ il √©laborait sa th√©orie de l'atome. -¬ę  Il est tr√®s vraissemblable que cette derni√®re sera encore, pendant longtemps, extr√™mement utile au point de vue √©l√©mentaire ¬Ľ. Paul Dirac (Les principes de la m√©canique quantique, 1930).
Les électrons peuvent cependant passer d'une orbite à une autre. Des transitions entre les orbites, qui se produisent de manière instantanée, et qu'on a coutume d'appeler des sauts quantiques. Voilà une autre idée révolutionnaire à laquelle Bohr sait donner une signification très féconde. Il postule ainsi que chaque orbite stationnaire correspond à un niveau d'énergie spécifique de l'atome, selon qu'il est occupé ou non par un électron donné. Si bien que le saut d'un niveau à un autre de l'électron considéré va se traduire par une augmentation ou une diminution de l'énergie de l'atome.

Pour passer d'une orbite √† laquelle est associ√©e une certaine √©nergie √† une orbite correspondant √† une √©nergie sup√©rieure, une √©nergie suppl√©mentaire doit √™tre apport√©e : l'√©lectron absorbe cette √©nergie dans son saut quantique. A l'inverse, si l'√©lectron saute sur une orbite d'√©nergie plus faible, l'√©nergie correspondant √† cette transition devient disponible : l'√©lectron √©met de l'√©nergie lors de son saut. Or, puisque les niveaux d'√©nergie correspondant √† chaque orbite sont quantifi√©s, l'√©nergie absorb√©e ou √©mise par chaque saut quantique est elle aussi n√©cessairement quantifi√©e. Elle ne peut prendre que des valeurs discr√®tes. L'atome ne peut donc absorber que des quantit√©s bien d√©finies d'√©nergie (sous forme de lumi√®re ou d'un autre rayonnement √©lectromagn√©tique) : ce sont des quanta d'√©nergie (ce qu'on appellera plus tard des photons). 

A ce stade, Bohr n'a plus que quelques ajustements √† op√©rer pour pouvoir retrouver la formule de Balmer √† partir de son mod√®le. Des ajustements dont le sens va m√Ľrir dans les l'esprit de Bohr, qui formulera en 1918, ce qui va √™tre un des r√©quisits √† la base de la physique quantique, et que l'on conna√ģt sous le nom de principe de correspondance : les pr√©dictions de toute th√©orie quantique doivent s'accorder avec les r√©sultats exp√©rimentaux  √©tablis avec les instruments de la physique classique. Parce que, pourrait-on ajouter, les concepts de la physique classique (ceux qui sont issus d'exp√©riences r√©alis√©es √† notre √©chelle) sont le seuls dont nous disposons pour √©laborer les concepts de  la physique quantique et valider leur pertinence.--

La rupture conceptuelle, op√©r√©e par Bohr en postulant la quantification de l'atome, a √©t√© immense. Elle a aussi montr√© imm√©diatement sa f√©condit√© en permettant d'expliquer tr√®s simplement, et au moins qualitativement,  les spectres en √©mission ou en absorption des √©l√©ments chimiques. Chaque raie correspond √† une fr√©quence particuli√®re bien d√©finie de la lumi√®re √©mise (absorb√©e) par les atomes d'un √©l√©ment donn√©, autrement dit √† un quantum d'√©nergie qui est aussi le quantum d'√©nergie √©mis (ou absorb√©) lors du saut d'un √©lectron entre deux orbites. L'√©tude des spectres donne ainsi acc√®s √† l'architecture √©lectronique des atomes (hors de port√©e de l'observation directe). Avec son mod√®le, Bohr lui-m√™me va √©galement pouvoir expliquer la classification p√©riodique des √©l√©ments propos√©e sur des bases empiriques par Mendeleiev.

L'atome de Bohr, a permis des progr√®s majeurs dans la connaissance de la mati√®re. Pourtant, malgr√© ses succ√®s, cette th√©orie  ne pouvait pas expliquer la structure fine des spectres (en y regardant de plus pr√®s les raies sont composites), ni les interactions entre les √©lectrons. Une partie de la solution viendra de Sommerfeld qui proposera un mod√®le d'atome tr√®s ressemblant √† celui de Bohr, mais dans lequel les orbites des √©lectrons sont suppos√©es elliptiques et non plus circulaires. D'autres progr√®s seront encore accomplis avec le renoncement complet √† la notion d'orbite √©lectronique, remplac√©e par celle d'orbitale, qui rel√®ve du caract√®re probabiliste manifest√© par les ph√©nom√®nes √† l'√©chelle de l'atome, et pour l'interpr√©tation duquel la contribution de Bohr va encore √™tre d√©terminante.

L'Ecole de Copenhague et la théorie quantique.
En 1916, Bohr est retourn√© au Danemark et a √©t√© nomm√© professeur de physique th√©orique √† l'Universit√© de Copenhague, o√Ļ il a fond√© en 1920 l'Institut de physique th√©orique (auj. l'Institut Bohr), vite devenu un centre de recherche majeur dans le domaine de la physique th√©orique. Bohr y sera l'animateur d'un courant de physiciens (connu sous le nom d'Ecole de Copenhague), √† l'origine d'une interpr√©tation de l'origine du caract√®re probabiliste de la th√©orie quantique. Parmi eux, on rencontre notamment Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli et Max Born
L'interpr√©tation de Copenhague ne peut pas √™tre consid√©r√©e comme un corps de doctrine clairement √©tabli. Elle correspond plut√īt √† une assertion  sur laquelle s'accordent ceux qui s'en r√©clament et qui leur sert de d√©nominateur commun : les ph√©nom√®nes quantiques sont intrins√®quement probabilistes; il n'y a donc pas √† chercher, comme le font par exemple De Broglie ou Einstein, "quelque chose" de plus profond, ob√©issant √† des r√®gles purement d√©terministes et qui expliquerait, par un effet statistique, la probabilit√© d'obtenir tel ou tel r√©sultat lors d'une exp√©rience. En ce sens la physique quantique peut √™tre consid√©r√©e comme une th√©orie compl√®te du monde microscopique. Quelle que soit la position des uns et des autres, le point de d√©part de toute interpr√©tation de la physique quantique reste ce qu'il est convenu d'appeler la dualit√© onde-corpuscule  : une m√™me entit√© peut se comporter comme une onde ou comme un corpuscule selon les circonstances. Une notion h√©rit√©e des travaux de De Broglie (1924).

En 1925; Schr√∂dinger avait propos√© une √©quation prenant en compte √† la fois la dualit√© onde-corpuscule et les contraintes √©nerg√©tiques auxquelles est soumise un syst√®me quantique. La solutions de l'√©quation, appel√©e fonction d'onde, et ordinairement not√©e ő®, √©tait une entit√© math√©matique suppos√©e rendre compte de la mani√®re dont le syst√®me √©tudi√© se comportait, mais qui ne renvoyait √† rien d'observable ou de mesurable directement. Born avait cependant montr√© que le carr√© du module d'une fonction d'onde, soit |ő®|¬≤, donnait acc√®s √† la probabilit√© d'observer la propri√©t√© ou le ph√©nom√®ne concern√© par cette fonction (R√®gle de Born). Autrement dit, la dualit√© onde-cospuscule avait pour cons√©quence directe la n√©cessit√© de penser les ph√©nom√®nes quantiques en termes de probabilit√©s. Mais comment aller plus loin?

Une r√©ponse, donn√©e par Heisenberg, dans un article de 1927, sera la suivante : la dualit√© onde-particule implique que que l'on ne puisse mesurer simultan√©ment, avec la m√™me pr√©cision, certaines paires de grandeurs, dites conjugu√©es  (relations d'ind√©termination ). Si l'on mesure avec une tr√®s grande pr√©cision l'une d'elles, un grand flou appara√ģt sur la valeur de l'autre et l'on peut seulement calculer la probabilit√© d'ene mesurer une valeur donn√©e. Heisenberg substitue ainsi √† la causalit√© d√©terministe de la physique classique une forme de causalit√© probabiliste inh√©rente √† la physique quantique. Ce n'est donc plus un mode d'emploi de la fonction d'onde que livre le physicien, c'est une explication physique de l'origine du caract√®re probabiliste de la m√©canique quantique qu'il propose. Pour Heisenberg, si l'on conna√ģt pr√©sis√©ment, par exemple, la position d'un √©lectron √† un instant donn√©, lui attribuer une vitesse bien d√©finie √† ce m√™me instant n'a tout bonnement pas de sens, car la mesure d'une propri√©t√© d'un syst√®me quantique le perturbe au point de perdre toute d√©termination de la propri√©t√© qui lui est associ√©e (Le microscope de Heisenberg). Les propri√©t√©s des particules ne sont pas d√©termin√©es avant une mesure. 
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Einstein et Bohr, en 1930 √† Bruxelles.  - ¬ę  Einstein et ses h√©ritiers, dans la mesure o√Ļ leur pens√©e √©tait d√©pourvue de mesquinerie, ont donc √©t√© par nature et non par accident les interlocuteurs privil√©gi√©s de Bohr, les sources de progr√®s d√©cisifs dans la compr√©hension de la pens√©e bohrienne, difficile par sa profondeur et sa nouveaut√© radicale. Mais cet √©clairage d'une doctrine par son antagonisme n'a rien d'une idylle. Einstein n'a pas compris Bohr. ¬Ľ  Fran√ßois Lur√ßat (Niels Bohr, 1990).

Bohr, premier lecteur et analyste de l'article de Heisenberg, ne peut que le suivre dans son raisonnement mathématique, qui donne au passage pour la première fois une formulation quantitative de son principe de correspondance. Il est également d'accord avec lui sur le caractère nécessairement probabiliste de toute approche des phénomènes quantiques (on l'a dit, c'est le mantra de l'Ecole de Copenhague), mais la conclusion qu'il en tire sur la signification physique de ces résultats est différente. Il lui semble nécessaire d'aller plus loin encore dans l'élucidation des rapports entre les résultats de la physique classique et ceux de la physique quantique. De fait, le point de départ de l'interprétation probabiliste de la physique quantique - la dualité onde-corpuscule, qu'il a pourtant utilisé pour élaborer son modèle d'atome - le dérange depuis le début. Bohr n'aime pas cette idée qu'un particule puisse être à la fois une onde et un corpuscule. Ces termes sont contradictoires parce qu'ils procèdent de l'application de concepts propres à la physique classique en dehors de son domaine de validité.

D'o√Ļ la n√©cessit√© d'√©laborer un nouveau concept, propre √† la physique quantique, et qui sera celui de compl√©mentarit√© (compl√©mentarit√© de ph√©nom√©nologie corpusculaire et de la ph√©nom√©nologie ondulatoire, pour commencer), et qui apparut pour la premi√®re fois lors d'un Congr√®s de physique qui s'est tenue √† C√īme en septembre 1927:

¬ę Dans une conf√©rence faite √† cette occasion, √©crira Bohr,  je d√©fendis le point de vue que l'on peut d√©finir par le concept de ¬ę-compl√©mentarit√© ¬Ľ et qui permet de rendre compte des traits d'individualit√© caract√©ristiques des ph√©nom√®nes quantiques, et de clarifier en m√™me temps les particularit√©s du probl√®me de l'observation en ce domaine de l'exp√©rience. Dans ce but, il importe de fa√ßon d√©cisive de reconna√ģtre que, [c'est Bohr qui souligne] d'aussi loin que les ph√©nom√®nes puissent transcender le domaine des explications de la physique classique, la description de tous les r√©sultats d'exp√©rience doit √™tre exprim√©e en termes classiques. La raison en est simple par le mot d'¬ę exp√©rience ¬Ľ [experiment], nous nous r√©f√©rons √† une situation o√Ļ nous pouvons dire √† d'autres hommes ce que nous avons fait et ce que nous avons appris; il en r√©sulte que la description du dispositif exp√©rimental et des r√©sultats des observations doit √™tre exprim√©e en un langage d√©nu√© d'ambigu√Įt√©, se servant convenablement de la terminologie de la physique classique. ¬Ľ (N. Bohr, Discussion avec Einstein sur des probl√®mes √©pist√©mologiques de la physique atomique, 1949, in Physique atomique et connaissance humaine, 1961).
Pour Bohr, on se trompe lorsqu'on cherche √† d√©crire simplement un ph√©nom√®ne microscopique avec les mots et les concepts qui s'appliquent √† la description d'un ph√©nom√®ne macroscopique. Mais on se trompe tout autant en renon√ßant √† notre capacit√© √† conna√ģtre quelque chose de l'√©chelle microscopique, comme le font les positivistes et instrumentalistes (op√©rationnalistes), de Heisenberg, Pauli, Dirac √† de Von Neumann,  par exemple, et en se contentant de mesurer et de calculer. On pourrait dire (en  paraphrasant Heidegger dans sa critique du cogito), que pour Bohr, la mesure est toujours essentiellement la mesure de quelque chose.

Ainsi, la position de Bohr, √† l'oppos√© d'un renoncement √† une partie du r√©el (parce qu'il √©chapperait √† nos instruments de mesure), est plut√īt une l'affirmation que les ph√©nom√®nes de d√©ploient √† toutes ses √©chelles, m√™me si les physiciens acc√®dent √† leur expression seulement √† l'√©chelle humaine. Envisag√©s √† partir de l'acte irr√©versible de mesure et de la d√©finition de toutes les conditions dans lesquelles celle-ci s'effectue, les ph√©nom√®nes physiques peuvent appara√ģtre comme compl√©mentaires √† notre √©chelle (et ne seraient contradictoires, donc, que si on les consid√©rait seulement selon les modalit√©s propres √† seule √©chelle). L'irr√©versibilit√© du processus dans son enti√®ret√© (et non pas seulement la perturbation subie par le syst√®me quantique de la part de l'instrument) explique alors, par la perte d'information qu'elle signifie, le caract√®re probabiliste de la physique quantique.

Bohr parle à ce sujet de l'individualité ou de l'indivisibilité (il a hésité sur le terme) des phénomènes. Le phénomène qu'il étudie n'est pas indifférent de l'instrument qui l'enregistre, et il n'est pas indifférent non plus que l'auteur (profond et méticuleux), du principe de correspondance soit aussi celui du principe de complémentarité.

¬ę [...] Dans une large mesure, note Bernard d'Espagnat (A la Recherche du r√©el, 1981), Bohr a par l√† d√©fait ce que Copernic avait fait. Il a replac√© l'homme au centre de sa propre repr√©sentation de l'univers d'o√Ļ Copernic l'avait chass√©. ¬Ľ
Bohr, Heisenberg et Pauli.
De gauche √† droite:  Bohr, Heisenberg et Pauli, en 1937.

La fission du noyau atomique et ses conséquences.
Dans les ann√©es 1930, Bohr a commenc√© √† s'int√©resser √† la structure du noyau atomique et √† l'√©nergie de liaison qui assure sa stabilit√©. Les questions que soul√®ve la diffusion des neutrons (lents) par un noyau atomique vont lui √™tre l'occasion de proposer une th√©orie lourde cons√©quences. Il montre ainsi que l'on doit aborder le probl√®me en deux temps : le premier est la capture du neutron par le noyau et le second est, dans certains cas, la fracture du noyau que cet apport rend instable et qui donne naissance √† des fragments du noyau (= des noyaux d'√©l√©ments plus l√©gers) et √† des neutrons, qui en percutant √† leur tour d'autres noyaux, reproduiront ce double processus. On a l√† la premi√®re th√©orie des r√©actions nucl√©aires en cha√ģne, celles qui sont au coeur de l'explosion des bombes nucl√©aires comme de celles √† l'origine de la production d'√©nergie par les r√©acteurs nucl√©aires. En 1939, Bohr publie ainsi, avec Wheeler, un article fondateur sur la th√©orie de la fission nucl√©aire.

La bombe nucléaire.
C'est donc assez naturellement qu'au d√©but de la Seconde Guerre mondiale, Bohr se trouve m√™l√© de diverses mani√®res aux projets de r√©alisation de la premi√®re bombe nucl√©aire √† fission. Contact√© par Heisenberg,  qui cherche √† l'impliquer dans le d√©veloppement de la Bombe nucl√©aire nazie, d√©cline la proposition.  En septembre 1943, les pers√©cutions visant les Juifs commencent au Danemark occup√©. Bohr, √† la fois de m√®re juive et soup√ßonn√© d'entretenir d√©j√† des liens avec les physiciens d√©veloppant la Bombe alli√©e, est inform√© de l'imminence de son arrestation. Aid√© par la R√©sistance danoise, il parvient alors √† s'enfuir. La nuit du 29 septembre 1943, il traverse sur un bateau de p√™cheurs le d√©troit de l'√Ėresund et atteint la Su√®de, pays neutre. Dans ce pays, Bohr continu√© √† collaborer avec les chercheurs alli√©s, mais commence aussi discuter de ce que devra √™tre le contr√īle international de l'√©nergie nucl√©aire apr√®s la guerre.

Bohr quittera bient√īt la Su√®de pour la Grande-Bretagne et les Etats-Unis (1944), o√Ļ sont d√©j√† r√©fugi√©s Einstein et Pauli, parmi d'autres physiciens, et o√Ļ il rejoint le Comit√© consultatif sur l'uranium (Uranium Committee), un groupe de scientifiques cr√©√© pour conseiller le gouvernement am√©ricain sur les recherches nucl√©aires. A ce titre, il participe (sous le pseudonyme de Nicholas Baker) au projet Manhattan qui vise √† d√©velopper une bombe nucl√©aire √† fission aux Etats-Unis. Il collabore √©galement √† son √©quivalent britannique, nomm√© Tube Alloys. Mais son engagement reste limit√© : ses r√©serves sur l'utilisation de l'arme nucl√©aire suscitent la m√©fiance des autorit√©s politiques. Ses rencontres avec Churchill, puis, en compoagnie d'Oppenheimer ralli√© √† ses id√©es, avec Truman, ne feront que confirmer sa marginalisation.
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Bohr et Oppenheimer en 1954.
Bohr et Oppenheimer en 1954. - L'amiti√© des deux physiciens remontait aux ann√©es 1920. Pendant la Guerre, Oppenheimer √©tait mal inform√© sur le r√īle de Heisenberg dans la pr√©paration de la Bombe nazie. Ce fut Bohr qui l'alerta de sa place v√©ritable au coeur de l'effort allemand pour la mise au point de cette arme, et du danger que cela repr√©sentait.

Bohr et l'AIEA.
Après la guerre, Bohr est retourné à Copenhague et a repris ses activités académiques. Il a continué à diriger l'Institut Bohr, mais a surtout déployé des efforts pour promouvoir l'utilisation pacifique de l'énergie nucléaire et la réglementation de développement et de la prolifération des technologies nucléaires. Il a ainsi été un des plus actifs promotteurs de l'établissement, au sein de l'ONU, de l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) en 1957. Il a notamment contribué à en élaborer les principes et les objectifs lors de la conférence Atoms for peace, qui s'est tenue à Genève en 1955, en marge de l'Assemblé générale des Nations Unies. Nommé conseiller principal de l'AIEA, en reconnaissance de son expertise et de son engagement éthique, Bohr a consacré ses dernières années à plaider en faveur de la coopération internationale, de la transparence et de la diffusion des informations pour faciliter une utilisation pacifique et bénéfique de l'énergie nucléaire.

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Dictionnaire biographique
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