La Physique Quantique

4. Le spin. Bosons et Fermions. Le principe de Pauli

Résumé des épisodes précédents : Le prof Schrödinger pense avoir trouvé un moyen de « désintriquer » mon chaton qui sest mystérieusement dédoublé. Pour cela, il doit faire une montagne de calculs...)

Cest un cri de désespoir de Schrödinger qui me réveilla en sursaut.

- Ach ! Teufel ! Donnerwetter ! Che ny arrive pas ! Il y a quelque chose que che ne gomprends pas !

Pour quil se laisse aller ainsi à son accent allemand, la situation devait être grave. Jouvris les yeux, et découvris le prof, debout, se tenant la tête à deux mains. Par terre, un amoncellement de feuilles de papier froissés, couverts de signes mathématico-cabalistiques sétalait à ses pieds.

- Doc, que se passe-t-il ?

- Il se passe que mes calculs démontrent que le principe dexclusion de Pauli empêche les deux chats de refusionner !

- Ah ? Et cest quoi, ça, le principe dexclusion de Pauli ?

- Cest celui qui interdit à deux fermions de se trouver au même endroit en ayant exactement les mêmes propriétés.

- Voilà que vous recommencez à parler chinois.

Schrödinger eut lair surpris.

- Vous nallez pas me dire que vous navez jamais entendu parler des bosons et des fermions ?

- Eh bien Non.

- Tous les objets matériels, les particules, les atomes, etc., peuvent être classés en deux catégories. Ceux qui ont un spin demi-entier, ce sont les fermions. Et ceux qui ont un spin entier, ce sont les bosons.

- Là, cest du japonais. Cest quoi, le spin ?

- Le spin, mon jeune ami, est la plus mystérieuse quantité de la théorie quantique.

Cest sûr, ça maidait beaucoup.

- Bon, et alors ?

- To spin, en anglais, ça veut dire « tourner sur soi-même ».

- Comme nos deux chats ?

Je désignai les deux chatons qui continuaient à tourner lentement sur eux même, indifférents aux balles de ping-pong, pardon, de ping-ping, qui vrombissaient autour deux.

- Ya, exactement ! Le spin est une quantité qui mesure lénergie de rotation dune particule sur elle-même. Mais le spin est en réalité un vecteur, qui pointe dans le sens de laxe de rotation. Imaginez un proton, par exemple. Il tourne sur lui-même, comme une toupie. Il faut imaginer le spin comme un vecteur, une flèche imaginaire issue du centre du proton. La longueur du vecteur est proportionnelle à la vitesse de rotation. La direction du vecteur est celle de laxe de rotation.

Je tentai dimaginer ce quil me décrivait.

- Je vois, dis-je. Mais en quoi est-ce si mystérieux ?

- Il se trouve que le spin est, comme toutes les valeurs représentant une énergie, quantifié.

- Quantifié ?

- Toutes les énergies sont quantifiées. Cest cela qui a donné son nom à la théorie quantique.

- Et ça veut dire quoi, quantifié ?

- Ça veut dire que les valeurs que peut prendre lénergie ne sont pas continues. Elles doivent être des multiples entiers dune minuscule énergie fondamentale. Cette énergie est une constante physique que lon désigne habituellement par la lettre h. Cest le physicien Max Planck qui a découvert cela, en 1900. En son honneur, on appelle cette unité dénergie fondamentale la constante de Planck.