Thèse de doctorat : Mathématiques : Paris, Faculté des sciences : 1840. / Titre provenant de l'écran-titre.

Ce mémoire examine de façon critique les réflexions apportées par Louis de Broglie (1892-1987) à la compréhension du passage de la mécanique classique à la mécanique quantique. Après avoir cerné la dichotomie onde-corpuscule instaurée en mécanique classique par la théorie corpusculaire newtonienne et ondulatoire maxwellienne, nous examinons comment, selon de Broglie, la coexistence ou la corrélation des ondes et des corpuscules dans la matière a permis de dépasser cette contradiction et de fonder la mécanique ondulatoire et quantique sur de nouvelles bases. Suite à la présentation de la synthèse broglienne de la mécanique ondulatoire, il ressort de cette analyse que le passage de la mécanique classique à la mécanique quantique résulte de l’évolution du concept de matière. L’onde et le corpuscule de la mécanique classique cèdent désormais la place à la « particule-quanton ». À partir de ce monisme quantique, nous avons analysé, dans la dernière partie de ce travail, les implications épistémologiques de la philosophie scientifique de de Broglie. L’intervention du quantum d’action ayant remis en cause les fondements de la mécanique classique, la modification de ces principes a pour corollaire la crise de l’objectivité mécanique et l’échec du mécanisme classique. / This Master’s thesis critically examines the reflections brought by Louis de Broglie (1892-1987) to the understanding of the transition from classical to quantum mechanics. Afterhaving identified the wave-corpuscule dichotomy established in classical mechanics by Newtonian and Maxwellian corpuscular and wave theory, we examine how, according to de Broglie, the coexistence or correlation of waves and corpuscles in matter made it possible to overcome this contradiction and to base wave and quantum mechanics on new foundations. Following the presentation of the broglian synthesis of wave mechanics, it emerges from this analysis that the transition from classical to quantum mechanics results from the evolution ofthe concept of matter. The wave and corpuscle of classical mechanics are now giving way to the “quantum particle”. From this quantum monism, we have analyzed, in the last part of this work, the epistemological implications of de Broglie's scientific philosophy. The intervention of the quantum of action having called into question the foundations of classical mechanics, the modification of these principles has as a corollary the crisis of mechanical objectivity and the failure of the classical mechanism.

Le terme « chaos ondulatoire » désigne l'étude du comportement des ondes dans des sys- tèmes fermés dont la limite géométrique des rayons exhibe une dynamique chaotique. Cette dernière est révélée notamment par l'extrême instabilité de trajectoires que sont les orbites pé- riodiques. Comment les ondes se comportent-elles dans un système dont la limite géométrique suit une dynamique chaotique ? Dans certaines conditions particulières, elles peuvent figer le développement de la dynamique chaotique et concentrer leur énergie le long d'orbites pério- diques instables, donnant lieu à l'existence de modes singuliers, les « Scars », présentant des surintensités localisées le long de ces trajectoires. Le travail présenté dans cette thèse résulte d'une volonté de contrôler activement les modes d'un système chaotique, dans le but de faire émerger expérimentalement les modes scar. Nous introduisons un milieu à gain dans une fibre optique multimode à section transverse chaotique, système privilégié pour l'étude du chaos ondulatoire. La localisation spatiale de ce gain nous permet de contrôler l'émergence d'une fa- mille de « scars » en les amplifiant sélectivement. Nous présentons des simulations numériques validant le processus physique d'amplification, suivies d'une étude expérimentale démontrant l'amplification sélective de modes « scar » dans une fibre optique multimode.

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et expérimentale de la phase des ondes sismiques et des ultrasons se propageant dans les milieux d´esordonnés. La théorie des distributions et des corrélations des dérivées spatiales et temporelles de la phase est développée dans l'hypothèse d'un champ scalaire analytique gaussien et circulaire. Ces fonctions statistiques permettent de caractériser les diffuseurs dans les deux dispositifs expérimentaux au coeur de cette thèse. D'une part, les fluctuations temporelles de la phase d'ultrasons sont utilisées pour sonder la dynamique d'une suspension de billes millimétriques sur des échelles de temps allant de la milliseconde à la seconde. D'autre part les fluctuations spatiales de la phase donnent une caractérisation de la diffusion multiple des ondes de flexion dans une plaque de Plexiglas perforée aléatoirement. Le comportement asymptotique en loi de puissance des distributions des dérivées de la phase d´emontre les propri´et´es gaussiennes des codas dans ces deux dispositifs. L'étude de la coda de s´eismes régionaux en Californie ont permis de proposer une application à la détermination du libre parcours moyen des ondes sismiques dans la croûte terrestre : il est montré que c'est la seule échelle caractéristique de la fonction de corrélation de la dérivée spatiale de la phase.

Les cavités micro-ondes quasi-2D constituent des systèmes expérimentaux modèles du chaos ondulatoire. À température ambiante, ces cavités présentent une dissipation ohmique entraînant des pertes que l'on retrouve, avec des origines physiques diverses, dans tous les systèmes ondulatoires. Notre étude se concentre sur l'impact des pertes sur les propriétés de ces systèmes. Après une brève introduction au chaos ondulatoire, nous décrivons en détails l'ensemble du dispositif expérimental. Nous développons ensuite le calcul complet de la matrice de diffusion et aboutissons à une description en termes de résonances discrètes. Les paramètres caractéristiques de chaque résonance sont extraits de nos mesures par une procédure d'ajustement originale. L'analyse de ces paramètres nous permet de vérifier la validité de notre description et de mettre en évidence, pour la première fois, une relation entre les largeurs des résonances dues aux pertes et la partie imaginaire de la fonction d'onde.

Quel que soit le type d'onde étudié, on peut classer les systèmes ondulatoires complexes essentiellement en deux catégories, et ceci malgré la différence entre les équations d'ondes qui les régissent. On a d'une part ceux pour lesquels la géométrie des bords induit la complexité : on parle alors de chaos ondulatoire. On a d'autre part les systèmes rendus complexes du fait des hétérogénéités du milieu conduisant à un régime de diffusion multiple. L'utilisation des cavités micro-ondes bidimensionnelles (2D) comme système de base pour étudier ces deux régimes permet de réaliser des expériences modèles à l'échelle macroscopique. Dans le régime du chaos ondulatoire, nous étudions, pour la première fois dans une expérience, le cas d'une cavité rectangulaire perturbée par un défaut métallique quasi-ponctuel. En nous appuyant sur une approche semi-classique, basée sur la notion d'orbites périodiques, nous mettons en évidence, pour la première fois, les contributions des orbites diffractives dans les spectres de longueurs. L'utilisation de milieux désordonnés diélectriques fortement diffusifs ouverts, permet d'observer la localisation d'Anderson 2D par l'étude des modes localisés. Nous décrivons dans le détail le dispositif expérimental ainsi que le protocole suivi pour remonter à la représentation spatiale d'un mode localisé. Nous prouvons, pour la première fois expérimentalement, que les largeurs spectrales de ces modes localisés, liées aux fuites de l'énergie par les bords du système, décroissent exponentiellement avec la taille du système. Nous montrons, en outre, que cette décroissance exponentielle est contrôlée par les plus grandes longueurs de localisation.

La dynamique de la stratosphère au printemps et en été reste à ce jour largement inexplorée. Or dans les contextes actuels du recouvrement de la couche d'ozone et de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre, une amélioration de la compréhension des processus dynamiques contrôlant la stratosphère s'avère nécessaire, afin de mieux appréhender l'évolution du climat dans le futur. Des observations satellitaires récentes du printemps/été arctique ont montré l'existence de phénomènes de transport irréversibles depuis les régions tropicales vers la région arctique. Cependant, les mécanismes associés à ces évènements restent mal connus. Ce travail de thèse consiste en l'analyse dynamique et climatologique de ces phénomènes, afin d'évaluer les mécanismes responsables de leur développement et de leur fréquence d'apparition. Une attention particulière est donnée aux rares évènements, où la signature de l'intrusion persiste dans une anomalie anticyclonique jusqu'en été, soit plusieurs mois après son établissement en région polaire. Les données des instruments satellitaires MLS/Aura et MIPAS/ENVISAT, de l'instrument ballon SPIRALE, et le modèle d'advection MIMOSA ont permis d'identifier, caractériser et quantifier ces évènements. L'analyse des conditions dynamiques a été faite à partir des données météorologiques réanalysées de L'ECMWF. Enfin, le développement d'un algorithme de détection systématique de ces intrusions a permis d'en établir une climatologie entre les années 1980 et 2011. Parmi les résultats majeurs de cette étude, il apparaît que la fréquence de ces évènements, contrôlés par l'activité ondulatoire, a fortement augmenté depuis les années 2000. Nous montrons aussi que leur développement au printemps est fortement lié à l'évolution dynamique de la stratosphère durant l'hiver et au régime de circulation intertropicale.

La dynamique de la stratosphère au printemps et en été reste à ce jour largement inexplorée. Or dans les contextes actuels du recouvrement de la couche d’ozone et de l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre, une amélioration de la compréhension des processus dynamiques contrôlant la stratosphère s’avère nécessaire, afin de mieux appréhender l’évolution du climat dans le futur. Des observations satellitaires récentes du printemps/été arctique ont montré l’existence de phénomènes de transport irréversibles depuis les régions tropicales vers la région arctique. Cependant, les mécanismes associés à ces évènements restent mal connus. Ce travail de thèse consiste en l’analyse dynamique et climatologique de ces phénomènes, afin d’évaluer les mécanismes responsables de leur développement et de leur fréquence d’apparition. Une attention particulière est donnée aux rares évènements, où la signature de l’intrusion persiste dans une anomalie anticyclonique jusqu’en été, soit plusieurs mois après son établissement en région polaire. Les données des instruments satellitaires MLS/Aura et MIPAS/ENVISAT, de l’instrument ballon SPIRALE, et le modèle d’advection MIMOSA ont permis d’identifier, caractériser et quantifier ces évènements. L’analyse des conditions dynamiques a été faite à partir des données météorologiques réanalysées de L’ECMWF. Enfin, le développement d’un algorithme de détection systématique de ces intrusions a permis d’en établir une climatologie entre les années 1980 et 2011. Parmi les résultats majeurs de cette étude, il apparaît que la fréquence de ces évènements, contrôlés par l’activité ondulatoire, a fortement augmenté depuis les années 2000. Nous montrons aussi que leur développement au printemps est fortement lié à l’évolution dynamique de la stratosphère durant l’hiver et au régime de circulation intertropicale. / The stratosphere dynamics remains largely unexplored in summer and spring. In the context of the ozone layer recovery and the increasing of greenhouse gases emissions, efforts must be provided to improve our knowledge of the dynamical processes driving the stratosphere. Such improvements would lead to better future climate trends estimates. Recently, spring and summer satellites observations revealed occurrences of irreversible air masses transport from the tropics to the Arctic region. However, the associated mechanisms are poorly understood. The present work consists of dynamical and climatological analyses of these events in order to identify their causes and their occurrence frequency. In particular, we focused on the sporadic events, where the intrusion signal persists several months in the polar region, trapped within an anticyclonic anomaly before disappearing in summer. We used MLS/Aura and MIPAS/ENVISAT satellites data, the SPIRALE balloon borne data and the results of the advection model MIMOSA to identify, characterize and quantify these events. Stratospheric dynamical conditions are investigated using the reanalyses data of the ECMWF. Finally, a systematic algorithm to detect low-latitude intrusions has been developed and applied on MIMOSA results to perform a climatology between 1980 and 2011 The results suggest that the frequency of these events, driven by the planetary wave activity, is increasing since the 21st century. Furthermore, their occurrence in spring appears to depend on the stratospheric dynamical evolution during winter and on the tropical region dynamical regime.

L'usure ondulatoire des rails associée aux vibrations de torsion des essieux de métro a été mise en évidence il y a près d'un demi siècle. L'utilisation d'absorbeurs dynamiques comme solution potentielle à ce problème a été suggérée pour la première fois dans le projet américain du TCRP "Rail Corrugation Mitigation in Transit" en 1998. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet européén "Wheel-rail CORRUGATION in Urban transport", a pour objectif de concevoir un absorbeur dynamique et d'étudier son influence sur la réduction de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion. Dans le cadre de ce travail, d'autres types d'usure ondulatoire ont également été traités par des absorbeurs dynamiques. Les trois premiers chapitres de cette thèse sont dédiés à la description des différents types d'usure ondulatoire et à la présentation des méthodes de prédiction. La méthode de dimensionnement des absorbeurs dynamiques est présentée au chapitre 4, ainsi que quelques perspectives de leur efficacité à réduire l'usure ondulatoire. Dans le chapitre 5, un tronçon réel du RER parisien a été étudié. D'une part les prédictions obtenues par différentes méthodes ont été comparées aux mesures sur site. D'autre part, le bénéfice résultant de l'utilisation d'un absorbeur dynamique a été étudié numériquement. Dans le chapitre 6, le cas de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion a été étudié spécifiquement. Un absorbeur dynamique a été développé pour réduire ce type d'usure ondulatoire. Son efficacité a été évaluée théoriquement et numériquement, avec un modèle multi-corps flexible du véhicule et de la voie. Dans le chapitre 7, un absorbeur dynamique visant à réduire les vibrations de torsion d'un essieu de métro à échelle réduite a été construit au laboratoire. Son efficacité a été validée expérimentalement en reproduisant les conditions d'apparition des vibrations de torsion de l'essieu sur le banc d'essais du Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'INRETS. La correspondance entre les prédictions d'usure à échelle réduite et à échelle réelle a été établie. Une demande de brevet a été déposée par le Laboratoire des Structures Actives pour ce système (N° 06120344.4).

Unique français parmi les fondateurs de la mécanique quantique, Louis de Broglie est une figuremajeure de l’histoire de la physique française du XXème siècle. Il devient grâce à son prix Nobel dephysique en 1929 le personnage central de la physique théorique française. Dans les récits usuelsportant sur la physique française du XXème siècle, la mécanique quantique est décrite comme s’étanttrès lentement diffusée en France, et il est souvent admis que peu de physiciens de ce pays l’utilisèrentavant la fin de la seconde guerre. De Broglie est souvent désigné comme le grand responsable de cetétat de fait et est dépeint comme un représentant type d’une pratique de physique théorique obsolète.De plus, son rôle institutionnel et sa responsabilité dans l’isolationnisme français sont dénoncés.Le but de ce travail est, premièrement, d’éclairer les modalités de la diffusion de la mécaniquequantique en France et le rôle de Louis de Broglie dans ce processus. Ce faisant, mon propos apporterade fortes nuances aux habituels récits portant sur cet aspect de l’histoire de la physique française duXXème siècle. Deuxièmement, je montrerai que l’essor de domaines tels que la physique des particules,la physique du solide et la physique nucléaire après la seconde guerre mondiale introduit unchangement dans les pratiques des jeunes théoriciens par rapport aux pratiques qui régnaient autour deLouis de Broglie. Je serai alors en mesure d’expliquer pourquoi l’héritage de Louis de Broglie au seinde la physique française de la seconde moitié du XXème siècle est si peu revendiqué, tout en évitant detomber dans le piège des jugements rétrospectifs et péjoratifs. / As the only Frenchman among the founding fathers of quantum mechanics, Louis de Broglie has agreat importance in the XXth French physics. With the prestige from the Nobel Prize in 1929, deBroglie became the main characters of the French theoretical physics community since the 30’s andgreat responsibilities on its evolution were entrusted to him. In the usually story of the XXth Frenchphysics, quantum mechanics, which is the core of theoretical physics since 1925, is said to have spreadslowly in France and French theorists who really used it were few before WWII. This story goes on,saying that de Broglie was the principal guilty of this state of fact. In this story, the discoverer ofwave-particle duality of matters becomes a representative of old-fashioned theorists who practice anaive kind of picture-based physics. Furthermore, his institutional action and his responsibility in theisolation of French physics are stigmatized.The aim of this work is, firstly, to throw light on the modality of the diffusion of quantummechanics in France and the role of de Broglie in this process, both on the intellectual and theinstitutional side. Secondly, it will be shown that progress in the area of particle physics, solid statephysics and nuclear physics after WWII introduce a shift in the practice of many young theoristsrelative to the way of practice theoretical physical inside de Broglie’s group. We will thus be able tounderstand why the legacy of Louis de Broglie is not claimed in contemporary French theoreticalphysics without falling into the trap of a retrospective and pejorative assessment of the career of themost famous French theorist of the XXth century.