Deux théories du spectre de l’hydrogène

La théorie spectrale quantique du spectre de l’hydrogène avec ses sauts quantiques et ses orbites quantiques suppose des lois de la nature particulières au microcosme complètement différentes de celles du macrocosme. Mais n’y aurait-il pas moyen d’interpréter ce spectre en gardant au microcosme le même déterminisme que celui du macrocosme? C’est ce pari qu’essaie de relever la théorie spectrale néoclassique. Comparons donc brièvement ces deux théories :

L’année 1885 fut une année importante pour l’analyse spectrale. Ångström identifia les fréquences des quatre raies visibles du spectre de l’hydrogène que Balmer réussit à interpréter à partir d’une formule où les nombres entiers dictaient les fréquences de ces quatre raies. En 1888, Rydberg et Ritz généralisèrent la formule de Balmer de façon à tenir compte d’autres séries spectrales que celle du spectre visible de l’hydrogène, autres séries régies, elles aussi, par les nombres entiers, ce qui nous a donné la formule de Rydberg-Ritz.

La théorie quantique

C’est pour interpréter cette formule que Bohr a imaginé ses fameux « sauts quantiques » émetteurs ou absorbeurs de photons, qui se font entre les orbites quantiques concentriques autour du noyau atomique auxquelles Schrödinger a associé plus tard une onde qui se répartit tout le long de l’orbite, vibrant transversalement un peu comme une corde de guitare. C’est cette onde qui explique la présence des nombres entiers du fait que, pour ne pas interférer avec elle même, elle doit être stationnaire, ce qui la limite aux fréquences harmoniques, se divisant en 1, 2, 3, 4, etc. ventres vibratoires, mais jamais 1 ¾, 3 ½, etc. La corde de guitare réagit de la même façon et le spectre du son de la guitare ne contient que des fréquences ayant des rapports entre elles correspondant à des nombres entiers.

Mais il y a une différence fondamentale entre la corde de guitare et les orbites quantiques, c’est que la corde de guitare offre un support physique auquel les ondes peuvent s’accrocher et c’est ce qui explique que la corde ne peut vibrer qu’en fonction de ses fréquences harmoniques, la même section de la corde ne pouvant se mouvoir dans deux directions opposées en même temps. Mais les orbites quantiques et leurs ondes associées n’ont rien à quoi s’accrocher, comme autrefois les épicycles du système géocentrique de Ptolémée. De plus, pour que les ondes associées aux différentes orbites quantiques puissent correspondre aux nombres entiers à partir de l’interprétation des harmoniques, il faudrait que la longueur de la circonférence des différentes orbites successives soit toujours la même, comme la longueur de la corde de guitare, ce qui suppose que le rayon des orbites quantiques soit lui aussi toujours le même. Autrement dit, toutes ces orbites doivent être exactement à la même distance du noyau. Mais alors, que reste-t-il des multiples orbites concentriques de l’atome quantique, et de là, des sauts quantiques? Comment un saut pourrait-il se produire entre deux orbites ayant le même rayon? De plus, ceci rend caduque l’interprétation des saturations de couches électroniques expliquant le concept de valence de la chimie moderne puisque toutes ces couches n’en seraient en fait qu’une seule!

La théorie néoclassique

La physique néoclassique remplace le saut quantique par le « saut thermique » qui est un saut qui se fait entre les différents états vibratoires harmoniques des particules. La particule fournit aux ondes de ces états vibratoires un support physique auquel s’accrocher, le corps de la particule constituant de la matière, comme la corde de guitare. Ces ondes ne peuvent vibrer qu’en fonction de la même série harmonique, la longueur de la circonférence de la particule étant toujours la même, qu’importe l’harmonique sur laquelle vibre cette particule, ce qui cette fois ne pose aucun problème conceptuel. Les vibrations de la particule entrainent « l’espace réel », milieu de propagation de la lumière, à vibrer lui aussi autour d’elle, et plus la particule vibre sur une haute harmonique, plus l’espace réel vibre rapidement, réagissant à cette accélération comme un fluide, c’est-à-dire en se décompressant.

Les différentes harmoniques des états vibratoires de la particule correspondent à ses niveaux d’énergie thermique. L’électron périphérique de l’atome d’hydrogène, responsable de son spectre, saute d’une harmonique à l’autre sous l’effet de la chaleur, ce qui, en produisant une variation brusque de la densité de l’espace réel autour de lui, produit des ondes de choc dans cet espace réel en le compressant ou le décompressant selon le sens du saut, ondes de choc correspondant toujours au même « paquet discret d’énergie » pour les sauts impliquant les mêmes harmoniques, et qui constituent de la lumière d’une fréquence donnée, et ceci explique tout aussi bien la formule de Rydberg-Ritz, de même que la formule des quanta « E = n h f » de Planck que les sauts quantiques, mais avec l’incroyable avantage d’interpréter ces formules en conservant au microcosme les mêmes lois de la nature que celles du macrocosme. Ceci constitue une grande unification entre ces deux mondes que la physique moderne n’a pas réussi à faire, ce qui est certainement un plus pour l’interprétation néoclassique.

Le rasoir d’Ockham

Selon la physique néoclassique, la lumière est donc simplement constituée d’ondes mécaniques se propageant dans l’espace réel, ce qui est bien différent des photons de la théorie quantique. Mais comment alors expliquer la polarisation de la lumière, l’effet photoélectrique, l’effet Compton, et la pixellisation des plaques photographiques irradiées par une lumière très faible? Toutes ces questions sont légitimes et trouvent une réponse dans le chapitre XXI « La lumière » de mon livre, mais demandent de longues démonstrations qui débordent le cadre de ce court article. Mais si on analyse bien les deux explications du spectre de l’hydrogène présentées dans cet article, la simplicité, le naturel et le côté concret de la théorie néoclassique devraient l’emporter sur le surréalisme et l’incohérence de la théorie quantique, et si on se fie au rasoir d’Ockham, la théorie néoclassique risque beaucoup plus de correspondre à la réalité que la théorie quantique. Comme quoi les mathématiques ne suffisent pas toujours pour confirmer une théorie, comme semblent l’affirmer les théoriciens quantiques. Encore faut-il que cette théorie soit plausible! Ceci montre aussi qu’une nouvelle théorie n’a pas toujours à faire des prédictions différentes de ses rivales pour qu’on la préfère. Elle n’a qu’à être plus plausible![i]

Jean-Paul Ledoux

www.physiqueneoclassique.com

[i] Pour en savoir plus sur la théorie spectrale néoclassique, voir le chapitre XXII « Le spectre des éléments » de mon livre « La Physique néoclassique : Une nouvelle approche de la physique ».