La genèse du concept de champ quantique

Centre Koyré, 12, rue Colbert, 75002 Paris, France

Résumé

Nous présentons une étude historique des origines d'un concept devenu essentiel dans la physique moderne des particules : le concept de champ quantique. Deux jeunes théoriciens franchirent les premières étapes : Pascual Jordan quantifia le champ électromagnétique en 1925 grâce aux règles formelles de la mécanique des matrices naissante, et Paul Dirac quantifia le système complet charges + champ en 1927. Au moyen de l'équation de l'électron de Dirac (1928) et de l'idée de Jordan d'ondes de matière quantifiées (deuxième quantification), Werner Heisenberg et Wolfgang Pauli donnèrent en 1929-1930 une extension de la théorie du rayonnement de Dirac et la preuve de son invariance relativiste. Pendant ce temps Enrico Fermi découvrit indépendamment une formulation plus élégante et plus pédagogique. Pour apprécier le degré de nécessité historique de la quantification des champs et la valeur des critiques contemporaines à cette approche, nous avons dû analyser quelques points de l'histoire de l'ancienne théorie du rayonnement. Nous présentons les divers arguments quelque provisoires, naïfs ou faux qu'ils puissent sembler aujourd'hui. Ainsi nous espérons brosser un tableau plus vivant de notions menacées d'hermétisme si l'on oublie leurs fondements historiques.

Abstract

This is a historical study of the roots of a concept which has proved to be essential in modern particle physics : the concept of quantum field. The first steps were accomplished by two young theoreticians : Pascual Jordan quantized the free electromagnetic field in 1925 by means of the formal rules of the just discovered matrix mechanics, and Paul Dirac quantized the whole system charges + field in 1927. Using Dirac's equation for electrons (1928) and Jordan's idea of quantized matter waves (second quantization), Werner Heisenberg and Wolfgang Pauli provided in 1929-1930 an extension of Dirac's radiation theory and the proof of its relativistic invariance. Meanwhile Enrico Fermi discovered independently a more elegant and pedagogical formulation. To appreciate the degree of historical necessity of the quantization of fields, and the value of contemporaneous critics to this approach, it was necessary to investigate some of the history of the old radiation theory. We present the various arguments however provisional or naïve or wrong they could be in retrospect. So we hope to contribute to a more vivid picture of notions which, once deprived of their historical setting, might seem abstruse to the modern user.