L’étude du corps noir établit le caractère oscillatoire du rayonnement électromagnétique, alors que des expériences sur les interférences et la diffraction pouvaient déjà le laisser penser.

Dés lors, divers travaux tentent d’apporter une formulation exacte à la densité spectrale d’énergie du rayonnement.

Planck révolutionne la physique en introduisant le concept de discrétisation et en permettant dans le cadre de la courbe empirique du corps noir de concilier les résultats à haute (Wien) et basse fréquence (Rayleigh-Jeans).

Einstein reprend des considérations thermodynamiques et démontre grâce à un calcul sur l’entropie la quantification de la radiation électromagnétique (prix Nobel).

Plusieurs expériences mettent en évidence la dualité onde-corpuscule des photons :

• l’effet photoélectrique
• l’émission spontanée qui propose une nouvelle approche de la loi de Planck
• l’effet Compton qui confirme le plus directement le caractère corpusculaire de la radiation

Nous constatons donc que :

• l’aspect corpusculaire ou quantique du photon intervient lorsqu’il y a échange d’énergie entre matière et rayonnement
• l’aspect ondulatoire se manifeste dans les phénomènes d’interférences et de diffraction
• ces deux aspects coexistent toujours mais ne se manifestent jamais simultanément !

Ceci dit, aucun modèle à l’époque ne propose une description de l’atome. Balmer, de manière empirique, puis Bohr par une série de postulats (notion d’orbite libre circulaire de l’électron, états discrétisés, quantification de l’énergie de l’atome, introduction du " premier " nombre quantique dans le cadre du moment angulaire électronique, processus de translation entre niveaux d’énergie et fréquence associée, …), proposent une théorie de l’atome, mais elle ne s’applique qu’à l’hydrogène ! D’autre part, la notion de trajectoire de Bohr est incompatible avec la physique de l’infiniment petit …

De Broglie généralise alors la dualité onde-corpuscule à toute particule matérielle.

La mécanique quantique se base donc sur cette généralisation et pose ses premiers principes en associant la mesure d’un état d’une particule à une densité de probabilité.

Les autres grands principes sont :

• superposition : l’état d’une particule est la combinaison linéaire de tous les états possibles pour cette particule
• complémentarité (Bohr) : principe de dualité
• correspondance (Bohr) : les résultats classiques découlent des résultats quantiques dans une certaine limite
• incertitude (Heisenberg) : nous ne pouvons déterminer avec précision à la fois la position et la vitesse d’une particule
• réduction (Von Neumann) : juste après la mesure , le système est dans l’état donné par la mesure

Afin de donner la représentation mathématique d’une fonction d’onde censée contenir toute l’information (densité de probabilité de présence, phase), les physiciens introduisent la notion de paquet d’ondes.

Ainsi, Schrödinger pose son équation (qui sera généralisée plus tard dans le cadre relativiste par Pauli et Dirac). Celle-ci permet d’associer à une fonction d’onde et donc à la combinaison linéaire de ses états, les énergies correspondantes.

De nombreuses expériences confirment les calculs quantiques :

• la mise en évidence de la quantification des niveaux d’énergie
• la même démonstration dans le cadre de l’oscillateur harmonique
• l’effet tunnel (désintégration a et possibilité de présence d’une particule dans une région impossible d’un point de vue classique)
• Stern-Gerlach : quantification du moment magnétique

Feynman proposa un autre cadre conceptuel de la mécanique quantique en s’appuyant sur l’équation de diffusion qui régit la marche aléatoire ; pour lui, une particule quantique se trouve dans toute une série d’états possibles ; l’état classique n’est qu’une possibilité parmi une infinité (principe de non-localité).

Cela étant, beaucoup de zones d’ombres entourent la mécanique quantique :

• Pourquoi au moment d’une observation, l’équation de Schrödinger cesse-t-elle d’être valable ? (Von Neumann)
• quel est le processus qui semble lier le destin de deux particules identiques lors d’un événement commun ? (paradoxe EPR)
• la mécanique quantique est axiomatique (Schrödinger non démontrée) : existe-t-il une physique qui puisse concilier celle-ci avec la relativité ? (relativité d’échelle, supercordes)