Bohr

Niels Bohr est un physicien et philosophe de la physique, né le 7 octobre 1885 à Copenhague, au Danemark, et mort  le 18 novembre 1962 dans cette même ville. Il est l'un des fondateurs de la physique quantique. Le prix Nobel de physique, qui lui a été décerné en 1922, a récompensé ses contributions à la compréhension de la structure atomique et à « la radiation qu'ils émettent et absorbent ». Bohr a aussi joué un rôle important dans l'interprétation de la physique quantique, introduisant notamment le principe de compémentarité, qui stipule que certaines propriétés quantiques d'une particule ne peuvent pas être observées simultanément, mais surtout qui conduit son auteur à redéfinir la notion même de phénomène physique. Enfin, Bohr a été le théoricien de la fission nucléaire, et l'un des plus ardents promoteurs de l'utilisation de l'énergie nucléaire à de seules fins pacifiques.

Niels Bohr (1885-1962).

L'atome de Bohr.
Bohr a étudié la physique à l'université de Copenhague, où il a obtenu son doctorat en physique en 1911. Après ses études, il a voyagé à l'étranger et a travaillé avec  J.J. Thomson à Cambridge et Ernest Rutherford à Manchester. Des collaborations qui le conduisent à développer en 1913 son propre modèle planétaire de l'atome (On the Constitution of Atoms and Molecules, Philosophical Magazine, 26, 1). Dans ce modèle, dit atome de Bohr, basé sur celui de Rutherford, mais qui incorpore des idées de la physique quantique émergente, les électrons orbitent autour d'un noyau central et ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie discrets. Cette approche s'avèrera en mesure de rendre compte l'origine du système de raies spectrales émises par les atomes, ainsi que de leurs propriétés chimiques.

Le modèle atomique de Bohr était destiné à pallier les insuffisances du modèle d'atome proposé deux ans plus tôt par Rutherford. Dans ce modèle, l'atome est comme un système solaire en miniature, dans lequel des électrons de charge électrique négative sont en orbite autour d'un noyau massif de charge positive. L'inconvénient d'un tel atome était son instabilité-: selon les lois de l'électromagnétisme classique, les électrons auraient dû émettre un rayonnement en parcourant leur orbite; ils auraient donc perdu continûment de leur énergie, ce qui les aurait conduit à suivre une trajectoire de plus en plus resserrée autour du noyau pour finir par s'écraser sur celui-ci. (On aurait alors retrouvé le modèle du pudding aux raisins de Thomson, qui avait déjà montré son impossibilité).

Bohr va s'appuyer sur le modèle théorique Rutherford, mais va aussi s'employer à le concilier avec un résultat expérimental, exprimé par la formule de Balmer, qui relie entre elles les différences entre les valeurs des fréquences émises par l'atome d'hydrogène. Il constate ainsi qu'en en multipliant par la constante de Planck h  les fréquences apparaissant dans la formule de Balmer, ce qui revient à appliquer la relation E = hν, où E, l'énergie, est un terme qui se rapporte au caractère particulaire des phénomènes quantiques et ν, la fréquence se réfère à leur caractère ondulatoire, les différences entre fréquences de la formule de Balmer deviennent des différences entre énergies. Autrement dit, comprend Bohr, la formule de Balmer fait apparaître des bilans énergétiques. Tout va découler 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.

N. Bohr, vers l'époque où il élaborait sa théorie de l'atome. -«  Il est très vraissemblable que cette dernière sera encore, pendant longtemps, extrêmement utile au point de vue élémentaire ». Paul Dirac (Les principes de la mécanique 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 à laquelle est associée une certaine énergie à une orbite correspondant à une énergie supérieure, une énergie supplémentaire doit être apportée : l'électron absorbe cette énergie dans son saut quantique. A l'inverse, si l'électron saute sur une orbite d'énergie plus faible, l'énergie correspondant à cette transition devient disponible : l'électron émet de l'énergie lors de son saut. Or, puisque les niveaux d'énergie correspondant à chaque orbite sont quantifiés, l'énergie absorbée ou émise par chaque saut quantique est elle aussi nécessairement quantifiée. Elle ne peut prendre que des valeurs discrètes. L'atome ne peut donc absorber que des quantités bien définies d'énergie (sous forme de lumière ou d'un autre rayonnement électromagnétique) : ce sont des quanta d'énergie (ce qu'on appellera plus tard des photons). 

A ce stade, Bohr n'a plus que quelques ajustements à opérer pour pouvoir retrouver la formule de Balmer à partir de son modèle. Des ajustements dont le sens va mûrir dans les l'esprit de Bohr, qui formulera en 1918, ce qui va être un des réquisits à la base de la physique quantique, et que l'on connaît sous le nom de principe de correspondance : les prédictions de toute théorie quantique doivent s'accorder avec les résultats expérimentaux  établis avec les instruments de la physique classique. Parce que, pourrait-on ajouter, les concepts de la physique classique (ceux qui sont issus d'expériences réalisées à notre échelle) sont le seuls dont nous disposons pour élaborer les concepts de  la physique quantique et valider leur pertinence.--

La rupture conceptuelle, opérée par Bohr en postulant la quantification de l'atome, a été immense. Elle a aussi montré immédiatement sa fécondité en permettant d'expliquer très simplement, et au moins qualitativement,  les spectres en émission ou en absorption des éléments chimiques. Chaque raie correspond à une fréquence particulière bien définie de la lumière émise (absorbée) par les atomes d'un élément donné, autrement dit à un quantum d'énergie qui est aussi le quantum d'énergie émis (ou absorbé) lors du saut d'un électron entre deux orbites. L'étude des spectres donne ainsi accès à l'architecture électronique des atomes (hors de portée de l'observation directe). Avec son modèle, Bohr lui-même va également pouvoir expliquer la classification périodique des éléments proposée sur des bases empiriques par Mendeleiev.

L'atome de Bohr, a permis des progrès majeurs dans la connaissance de la matière. Pourtant, malgré ses succès, cette théorie  ne pouvait pas expliquer la structure fine des spectres (en y regardant de plus près les raies sont composites), ni les interactions entre les électrons. Une partie de la solution viendra de Sommerfeld qui proposera un modèle d'atome très ressemblant à celui de Bohr, mais dans lequel les orbites des électrons sont supposées elliptiques et non plus circulaires. D'autres progrès seront encore accomplis avec le renoncement complet à la notion d'orbite électronique, remplacée par celle d'orbitale, qui relève du caractère probabiliste manifesté par les phénomènes à l'échelle de l'atome, et pour l'interprétation duquel la contribution de Bohr va encore être déterminante.

L'interprétation de Copenhague ne peut pas être considérée comme un corps de doctrine clairement établi. Elle correspond plutôt à une assertion  sur laquelle s'accordent ceux qui s'en réclament et qui leur sert de dénominateur commun : les phénomènes quantiques sont intrinsèquement probabilistes; il n'y a donc pas à chercher, comme le font par exemple De Broglie ou Einstein, "quelque chose" de plus profond, obéissant à des règles purement déterministes et qui expliquerait, par un effet statistique, la probabilité d'obtenir tel ou tel résultat lors d'une expérience. En ce sens la physique quantique peut être considérée comme une théorie complète du monde microscopique. Quelle que soit la position des uns et des autres, le point de départ de toute interprétation de la physique quantique reste ce qu'il est convenu d'appeler la dualité onde-corpuscule  : une même entité peut se comporter comme une onde ou comme un corpuscule selon les circonstances. Une notion héritée des travaux de De Broglie (1924).

En 1925; Schrödinger avait proposé une équation prenant en compte à la fois la dualité onde-corpuscule et les contraintes énergétiques auxquelles est soumise un système quantique. La solutions de l'équation, appelée fonction d'onde, et ordinairement notée Ψ, était une entité mathématique supposée rendre compte de la manière dont le système étudié se comportait, mais qui ne renvoyait à rien d'observable ou de mesurable directement. Born avait cependant montré que le carré du module d'une fonction d'onde, soit |Ψ|², donnait accès à la probabilité d'observer la propriété ou le phénomène concerné par cette fonction (Règle de Born). Autrement dit, la dualité onde-cospuscule avait pour conséquence directe la nécessité de penser les phénomènes quantiques en termes de probabilités. Mais comment aller plus loin?

Une réponse, donnée par Heisenberg, dans un article de 1927, sera la suivante : la dualité onde-particule implique que que l'on ne puisse mesurer simultanément, avec la même précision, certaines paires de grandeurs, dites conjuguées  (relations d'indétermination ). Si l'on mesure avec une très grande précision l'une d'elles, un grand flou apparaît sur la valeur de l'autre et l'on peut seulement calculer la probabilité d'ene mesurer une valeur donnée. Heisenberg substitue ainsi à la causalité déterministe de la physique classique une forme de causalité probabiliste inhérente à 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 caractère probabiliste de la mécanique quantique qu'il propose. Pour Heisenberg, si l'on connaît présisément, par exemple, la position d'un électron à un instant donné, lui attribuer une vitesse bien définie à ce même instant n'a tout bonnement pas de sens, car la mesure d'une propriété d'un système quantique le perturbe au point de perdre toute détermination de la propriété qui lui est associée (Le microscope de Heisenberg). Les propriétés des particules ne sont pas déterminées avant une mesure. 
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Einstein et Bohr, en 1930 à Bruxelles.  - «  Einstein et ses héritiers, dans la mesure où leur pensée était dépourvue de mesquinerie, ont donc été par nature et non par accident les interlocuteurs privilégiés de Bohr, les sources de progrès décisifs dans la compréhension de la pensée bohrienne, difficile par sa profondeur et sa nouveauté radicale. Mais cet éclairage d'une doctrine par son antagonisme n'a rien d'une idylle. Einstein n'a pas compris Bohr. »  François Lurçat (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'où la nécessité d'élaborer un nouveau concept, propre à la physique quantique, et qui sera celui de complémentarité (complémentarité de phénoménologie corpusculaire et de la phénoménologie ondulatoire, pour commencer), et qui apparut pour la première fois lors d'un Congrès de physique qui s'est tenue à Côme en septembre 1927:

« Dans une conférence faite à cette occasion, écrira Bohr,  je défendis le point de vue que l'on peut définir par le concept de «-complémentarité » et qui permet de rendre compte des traits d'individualité caractéristiques des phénomènes quantiques, et de clarifier en même temps les particularités du problème de l'observation en ce domaine de l'expérience. Dans ce but, il importe de façon décisive de reconnaître que, [c'est Bohr qui souligne] d'aussi loin que les phénomènes puissent transcender le domaine des explications de la physique classique, la description de tous les résultats d'expérience doit être exprimée en termes classiques. La raison en est simple par le mot d'« expérience » [experiment], nous nous référons à une situation où nous pouvons dire à d'autres hommes ce que nous avons fait et ce que nous avons appris; il en résulte que la description du dispositif expérimental et des résultats des observations doit être exprimée en un langage dénué d'ambiguïté, se servant convenablement de la terminologie de la physique classique. » (N. Bohr, Discussion avec Einstein sur des problèmes épistémologiques de la physique atomique, 1949, in Physique atomique et connaissance humaine, 1961).

Pour Bohr, on se trompe lorsqu'on cherche à décrire simplement un phénomène microscopique avec les mots et les concepts qui s'appliquent à la description d'un phénomène macroscopique. Mais on se trompe tout autant en renonçant à notre capacité à connaître quelque chose de l'échelle microscopique, comme le font les positivistes et instrumentalistes (opérationnalistes), de Heisenberg, Pauli, Dirac à 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, à l'opposé d'un renoncement à une partie du réel (parce qu'il échapperait à nos instruments de mesure), est plutôt une l'affirmation que les phénomènes de déploient à toutes ses échelles, même si les physiciens accèdent à leur expression seulement à l'échelle humaine. Envisagés à partir de l'acte irréversible de mesure et de la définition de toutes les conditions dans lesquelles celle-ci s'effectue, les phénomènes physiques peuvent apparaître comme complémentaires à notre échelle (et ne seraient contradictoires, donc, que si on les considérait seulement selon les modalités propres à seule échelle). L'irréversibilité du processus dans son entièreté (et non pas seulement la perturbation subie par le système quantique de la part de l'instrument) explique alors, par la perte d'information qu'elle signifie, le caractère 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.

« [...] Dans une large mesure, note Bernard d'Espagnat (A la Recherche du réel, 1981), Bohr a par là défait ce que Copernic avait fait. Il a replacé l'homme au centre de sa propre représentation de l'univers d'où Copernic l'avait chassé. »

De gauche à droite:  Bohr, Heisenberg et Pauli, en 1937.

La fission du noyau atomique et ses conséquences.
Dans les années 1930, Bohr a commencé à s'intéresser à la structure du noyau atomique et à l'énergie de liaison qui assure sa stabilité. Les questions que soulève la diffusion des neutrons (lents) par un noyau atomique vont lui être l'occasion de proposer une théorie lourde conséquences. Il montre ainsi que l'on doit aborder le problème 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 à des fragments du noyau (= des noyaux d'éléments plus légers) et à des neutrons, qui en percutant à leur tour d'autres noyaux, reproduiront ce double processus. On a là la première théorie des réactions nucléaires en chaîne, celles qui sont au coeur de l'explosion des bombes nucléaires comme de celles à l'origine de la production d'énergie par les réacteurs nucléaires. En 1939, Bohr publie ainsi, avec Wheeler, un article fondateur sur la théorie de la fission nucléaire.

La bombe nucléaire.
C'est donc assez naturellement qu'au début de la Seconde Guerre mondiale, Bohr se trouve mêlé de diverses manières aux projets de réalisation de la première bombe nucléaire à fission. Contacté par Heisenberg,  qui cherche à l'impliquer dans le développement de la Bombe nucléaire nazie, décline la proposition.  En septembre 1943, les persécutions visant les Juifs commencent au Danemark occupé. Bohr, à la fois de mère juive et soupçonné d'entretenir déjà des liens avec les physiciens développant la Bombe alliée, est informé de l'imminence de son arrestation. Aidé par la Résistance danoise, il parvient alors à s'enfuir. La nuit du 29 septembre 1943, il traverse sur un bateau de pêcheurs le détroit de l'Öresund et atteint la Suède, pays neutre. Dans ce pays, Bohr continué à collaborer avec les chercheurs alliés, mais commence aussi discuter de ce que devra être le contrôle international de l'énergie nucléaire après la guerre.

Bohr quittera bientôt la Suède pour la Grande-Bretagne et les Etats-Unis (1944), où sont déjà réfugiés Einstein et Pauli, parmi d'autres physiciens, et où il rejoint le Comité consultatif sur l'uranium (Uranium Committee), un groupe de scientifiques créé pour conseiller le gouvernement américain sur les recherches nucléaires. A ce titre, il participe (sous le pseudonyme de Nicholas Baker) au projet Manhattan qui vise à développer une bombe nucléaire à fission aux Etats-Unis. Il collabore également à son équivalent britannique, nommé Tube Alloys. Mais son engagement reste limité : ses réserves sur l'utilisation de l'arme nucléaire suscitent la méfiance des autorités politiques. Ses rencontres avec Churchill, puis, en compoagnie d'Oppenheimer rallié à ses idées, avec Truman, ne feront que confirmer sa marginalisation.
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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.