Sciences

Le facteur anormal de l'électron ou la précision du diable

Dossier - Mécanique quantique : fondements et applications
DossierClassé sous :physique , mécanique quantique , théorie quantique

-

Le physicien Claude Aslangul explique les fondements des grands principes de la mécanique quantique, de la fonction d’onde au chaos en passant par l’effet Mössbauer. Les outils mathématiques indissociables de ces découvertes seront aussi abordés.

  
DossiersMécanique quantique : fondements et applications
 

L'électron possède un moment magnétique (il n'est pas le seul) dont l'origine est longtemps restée très énigmatique, mais qui s'est révélé être lié à un moment cinétique propre (le spin), qu'il ne faut surtout pas se figurer comme la rotation de l'électron sur lui-même (ce que l'on a cru un bref moment) — d'ailleurs, un point qui tourne sur lui-même, c'est idiot.

Cette relation entre moment cinétique et moment magnétique est universelle et se trouve déjà au cœur des théories classiques du magnétisme — dans la mesure où on admet qu'elles tiennent debout (ce n'est pas le cas : là encore, sans le cadre quantique, point de magnétisme ; passons). Le petit souci est que, pour l'électron, il y a un léger désaccord numérique : dans les bonnes unités, au lieu de trouver qu'un certain nombre (appelons-le ge) vaut 1, on a commencé par observer 2, un détail vite réglé par Thomas (précession de Thomas), puis par Dirac dans sa théorie relativiste de 1928.

De gauche à droite, les trois prix Nobel de physique en 1965. Leurs travaux ont permis à l'électrodynamique quantique relativiste de Dirac, Fermi, Heisenberg et Pauli de se libérer des difficultés dans lesquelles elle s'embourbait, et de devenir la théorie physique la plus précise connue de l'humanité. © Nobel Media AB

En réalité, des mesures ultérieures plus précises ont montré que ce n'était pas exactement 2, mais un peu plus. Comme le 2 ne fait pas de doute, on a pris l'habitude de mesurer cette différence par la quantité ae = (ge-2)/2, qui est donc un nombre voisin de zéro, mais pas nul. L'explication de cet écart relève de l'électrodynamique quantique, une théorie qui quantifie matière et rayonnement sur un pied d'égalité — ce que ne fit pas Dirac — et permet de comprendre un phénomène aussi banal, mais essentiel, comme l'émission spontanée d'un atome.

Que disent les mesures de l'anomalie ae, qui ont su atteindre une extraordinaire précision ? Elles donnent la valeur 0,0011596521811. Maintenant, que trouve-t-on par des calculs chevelus impossibles à faire sans une machine ? Un article assez récent fournit la valeur 0,00115965218279. Doit-on ajouter quelque chose ?