Werner Heisenberg

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Werner Heisenberg à 32 ans, année où il reçut son prix Nobel

Werner Karl Heisenberg (prononcé comme vernère karl haïzennberg), né le 5 décembre 1901 à Würtzburg, en Bavière, et mort le 1er février 1976 (à 75 ans) à Munich, était un physicien (prix Nobel de physique) allemand. Il est célèbre pour ses travaux en physique quantique, notamment ses relations d'incertitude (aussi appelées inégalités de Heisenberg) qui disent qu'on ne peut pas connaître précisément à la fois la vitesse et la position d'une particule (1927).

Il a été l'élève de Niels Bohr, Max Born et David Hilbert et a travaillé avec Pascual Jordan et Wolfgang Pauli.

Enfance et études[modifier | modifier le wikicode]

Werner Heisenberg est né à Würtzburg, en Bavière, un état du sud de l'Allemagne, dans une famille aisée : il est le fils d'August Heisenberg, professeur de grec à l'université de Munich, et de sa femme Anna Wecklein. Il entre à l'école primaire de Würtzburg à 5 ans et est toujours premier de la classe, notamment en mathématiques et en sciences.

En 1910, sa famille déménage à Munich ; il entre en 1911 au lycée Maximilian où il découvre et entretient sa passion des mathématiques. Il étudie seul la théorie de la relativité d'Einstein et apprend le piano. C'est l'époque de la Première Guerre mondiale.

En 1920, il finit le lycée et décide d'étudier la physique théorique (plutôt que les mathématiques) à l'université de Munich. Entre 1922 et 1923, il se rend à Göttingen pour étudier la physique des particules en tant qu'assistant personnel de Max Born et les mathématiques auprès de David Hilbert.

Il décroche son doctorat en 1923, mais avec « seulement » un C (la meilleure note étant A, la pire F) en raison de l'incompatibilité qui existe entre lui et l'un des membres de son jury, Wilhelm Wien.

Entre 1924 et 1925, grâce à la fondation Rockefeller, il étudie la mécanique quantique naissante à Copenhague avec Niels Bohr, qui est l'une des figures de la mécanique quantique telle qu'on la connaît aujourd'hui.

Travaux académiques[modifier | modifier le wikicode]

La mécanique des matrices[modifier | modifier le wikicode]

Heisenberg et Bohr

Lorsque Heisenberg entre à l'Université, Niels Bohr travaille sur la première « version » de la mécanique quantique. Celle-ci repose sur le modèle de Bohr, qui considère que l'atome est composé d'un noyau atomique autour duquel orbitent (c'est-à-dire tournent périodiquement) des électrons, un peu comme un modèle de Rutherford quantifié. On sait aujourd'hui que cette représentation est fausse1 : en effet, le fait que l'électron tourne autour du noyau contredit les inégalités que Heisenberg énoncerait sept ans plus tard. En attendant, d'autres phénomènes mal expliqués par la théorie de Bohr indiquent que celle-ci a besoin d'être remplacée. Heisenberg retourne à Göttingen pour développer une mécanique quantique qui n'a pas besoin que l'électron tourne autour du noyau de son atome.

Il y parvient en 1925 mais les mathématiques qu'il a dû écrire pour y parvenir lui semblent si étranges (les multiplications qu'il utilise, notamment, ne sont pas commutatives) qu'il demande à Max Born de vérifier son travail. Celui-ci se rend compte que Heisenberg a en fait travaillé avec des matrices, ce qui donne naissance à une conception nouvelle de la mécanique quantique, la « mécanique des matrices », détachée du modèle de Bohr et qu'Albert Einstein trouve absurde2.

Le principe d'incertitude[modifier | modifier le wikicode]

Werner Heisenberg vers 1927
Erwin Schrödinger en 1933

En 1926, Heisenberg commence à donner des cours en physique théorique (à l'université de Copenhague, sous la direction de Niels Bohr). À cette époque, Erwin Schrödinger formule sa propre « mécanique des ondes » : c'est une théorie concurrente de la mécanique des matrices qui ne remet pas en cause les orbites du modèle de Bohr (alors que, pour les partisans de la mécanique des matrices, ces orbites sont inutiles et donc n'existent pas) et n'utilise pas de notions d'algèbre aussi avancées (que Schrödinger trouve difficiles et obscures) : les physiciens de l'époque se partagent entre ces deux visions. Un peu plus tard la même année, Schrödinger prouve que la mécanique des matrices et celle des ondes sont en réalité équivalentes. Heisenberg, lui, n'aime pas la mécanique des ondes (qui dit que tout est onde) car il est attaché au modèle des particules.

Paul Dirac et Pascual Jordan écriront finalement les équations qui unifient ces deux interprétations différentes et fondent la mécanique quantique moderne, mais Heisenberg y découvre un « problème » étrange : lorsqu'on tente de calculer à la fois la vitesse et la position d'une particule subatomique, des imprécisions apparaissent systématiquement, et elles ne sont pas dues à une erreur dans les équations mais à la structure même de la mécanique quantique. Il formalise et, en février 1927, publie sa découverte : c'est le principe d'incertitude, aussi appelé inégalités de Heisenberg en son honneur. Il accède à cette époque à son premier emploi en tant que véritable professeur : il enseigne la physique théorique à l'université de Leipzig. En 1929, il donne des conférences aux États-Unis, en Inde et au Japon pour présenter l’interprétation de Copenhague, c'est-à-dire la vision de la mécanique quantique qu'il partage notamment avec Bohr, Pauli et Born, contrairement à celles de Schrödinger et d'Einstein.

La Seconde Guerre mondiale et la fission nucléaire[modifier | modifier le wikicode]

En 1932, Werner Heisenberg est nominé pour le prix Nobel de physique ; il le recevra en 1933, l'année où Adolf Hitler devient chancelier de la république de Weimar puis Führer du Troisième Reich.

Heisenberg, qui n'est ni juif ni nazi, reste en Allemagne, apparemment par patriotisme et pour protéger les avancées scientifiques récentes (mécanique quantique et théorie de la relativité) face aux nazis qui trouvent que c'est « de la physique juive » (« juif » est chez eux un terme péjoratif). Il est lui-même directement et violemment attaqué par un journal nazi dans un article intitulé „Weiße Juden“ in der Wissenschaft où il est qualifié de traître et menacé d'internement en camp de concentration (ce qu'il parvient à éviter grâce à des relations familiales). Cela l'empêchera de remplacer son ancien professeur Arnold Sommerfeld à l'université de Munich.

Entre-temps, Heisenberg, Pauli et leurs étudiants ont travaillé à intégrer la toute nouvelle mécanique quantique, que Bohr et eux considéraient à tort comme pratiquement complète, au reste de la physique, donnant ainsi naissance à ce qu'on appelle la théorie quantique des champs : il s'agit de décrire précisément les différentes interactions fondamentales (champs) dans le cadre de la mécanique quantique (ce qui n'est aujourd'hui toujours pas réussi pour la gravitation). Munis de cette théorie, qui est désormais la base de la physique des hautes énergies, ils ont modernisé de nombreux domaines de la physique, dont la cristallographie, l'étude des rayons cosmiques et celle des radiations nucléaires. Ils forment l'élite de la recherche scientifique allemande sur la fission nucléaire récemment découverte. Il est nommé professeur de physique à l'université de Berlin en 1941 et directeur par intérim de l’Institut Kaiser-Wilhelm de physique3 où il peut utiliser la « tour des éclairs » (Turm der Blitze), un ancêtre des accélérateurs de particules modernes.

À la fin de la Seconde Guerre mondiale, en 1946, il reprend l’Institut de physique de Göttingen qui sera renommé deux ans plus tard Institut Max-Planck de physique et deviendra une branche de la société Max-Planck pour le développement des sciences (nommée en l'honneur du physicien allemand Max Planck).

Timbre allemand pour le centenaire de Heisenberg. On y lit : « Fondateur de la mécanique quantique » puis « relation d'incertitude de Heisenberg ».

Voir aussi[modifier | modifier le wikicode]

Sources[modifier | modifier le wikicode]

Références[modifier | modifier le wikicode]


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