Physique

Les pères de la mécanique quantique : 1900, Max Planck découvre la notion de quanta

Max PLANCK : Découverte de la notion de quanta (1900)

Si l’on doit désigner le père-des-pères de la mécanique quantique, Max Planck fait l’affaire. Rappelons que cette mécanique est apparue vers 1900, lorsque l’on s’aperçut des limites de la mécanique de Newton ; une mécanique qui marchait fort bien à notre échelle (ou plus précisément à l’échelle des pommes), mais s’essoufflait au niveau microscopique (ceux des atomes), pour finir par raconter n’importe quoi !


LES PÈRES DE LA MÉCANIQUE QUANTIQUE

 MAX PLANCK ET LES QUANTA

Planck est né à Kiel, près de Strasbourg, au milieu du XIXème siècle, dans une famille garnie de curés et de professeurs de droit. Il hésita longtemps, mais ce fut bien la physique qui l’entraîna à Munich, puis à Berlin. Il commença par se faire connaitre en rejetant les principes naissants de ses précurseurs, en réfutant notamment l’idée selon laquelle la matière pouvait être discontinue. Rappelons que le concept d’atome était alors récent. Il avait été énoncé en 1800 par Joe DALTON (le professeur, pas le brigand). L’idée de l’électron, quant à lui, était contemporaine de Planck. On pensait, dans ce début du XXème siécle, que la physique était bientôt achevée. Il ne restait (selon la célèbre formule de Lord Kelvin) que deux petits nuages. Le second cumulo-nimbus concernait les résultats surprenants des expériences qui avaient permis de démontrer l’invariance de la vitesse de la lumière. Nous en reparlerons. Le premier, celui qui allait torturer Planck, était lié au problème insoluble du rayonnement du corps noir : un rayonnement qui refusait obstinément de se mettre en équations !

Le corps noir

Depuis longtemps, on avait remarqué que la température d’un objet était liée à sa couleur. Ainsi, les maîtres verriers, en observant la couleur du bain de verre fondu, pouvaient-ils donner sa température ! Cette relation était indépendante de la nature de l’objet. Elle fonctionnait aussi bien pour du verre ou pour du bois. Or, la couleur est une longueur d’onde. Le rouge correspond aux longueurs d’ondes importantes et le bleu, au contraire, aux courtes longueurs d’ondes. Aussi, s’était-on attaché à construire une équation qui donnerait une relation entre la longueur d’onde et la température. Lord Rayleigh avait trouvé une solution pour le rouge et Wien pour le bleu. Mais lorsque l’on utilisait la loi de Rayleigh pour le bleu, voire le violet, on obtenait des températures infinies ! Or, il était bien évident que devant un four, même avec des couleurs bleues, on n’était pas instantanément carbonisés par des températures infinies. Il y avait donc un problème. On donna un nom à ce problème : la catastrophe ultra-violette.

Naissance de la notion de quanta

Planck commença par tâtonner et trouva une loi empirique, une formule (fondée sur l’expérience) qui marchait pour le rouge et le violet. Mais il ne l’expliquait pas. Il chercha encore. Il décida alors de réfléchir au fonctionnement de la matière. Il la représenta sous la force de ressorts qui se tendaient et se détendaient. La longueur d’onde serait l’extension du ressort et la température l’énergie qu’il libèrerait. Mais il s’aperçut vite que, pour coller à sa formule, les ressorts ne pouvaient pas s’étendre comme ils le souhaitaient. Les ressorts ne pouvaient prendre que certaines longueurs. C’était comme s’ils passaient directement de 20 centimètres à 10 centimètres, en sautant les valeurs intermédiaires. Ce qui semblait impossible pour nos ressorts de tous les jours semblait une habitude commune dans le monde des atomes. Les micro-ressorts de Planck libéraient leur énergie par paquet, par quantités, par quanta. La mécanique quantique était née.

Planck ne crût pas en sa découverte

Planck n’aimait pas cette idée de libération discontinue de l’énergie. C’était comme si son radiateur pouvait libérer 10°C ou 20 °C mais jamais 15 °C ! EINSTEIN n’y croira pas non-plus. Il fera pourtant lui-aussi le même constat (discontinuité) en expliquant l’effet photo-électrique.

La guerre Bohr Einstein

Les travaux de Planck allaient conduire à l’élaboration d’une nouvelle physique : la mécanique quantique. Une mécanique dans la quelle le hasard avait sa place ! Une révolution ! Deux camps allaient alors s’affronter :

  • d’un côté Planck, Einstein et Schrödinger ;
  • de l’autre Bohr, Heisenberg et Born.

Les premiers croyaient au déterminisme (défini par Laplace), y compris au niveau des atomes. C’était-à-dire qu’il n’y avait pas d’effet sans cause. Et une cause devait produire toujours les mêmes effets. On était encore dans la suite des idées posées par Aristote et reprises par Descartes puis Newton :  Il n’y avait pas de hasard. Pour les seconds, au contraire, le hasard entrait en grande pompes dans l’édifice de la physique. Un effet n’était pas forcément précédé d’une cause. Et une même cause pouvait avoir des effets différents. Un objet quantique pouvait passer par plusieurs chemins pour atteindre une cible. Mieux, cet objet pouvait être à différents endroits à la fois ! Bien qu’étant les pères fondateurs de la mécanique quantique, EINSTEIN et Planck ne seront jamais convaincus par les théories qu’ils avaient pourtant contribuer à établir . Il fallu attendre 1982 et les expériences d’Alain ASPECT pour départager les deux camps en faveur des seconds. EINSTEIN avait tort ; Dieu jouait bien aux dés !

Postérité

Ce fut à partir de ses travaux que la véritable révolution de la physique prendra son envol. Planck donnera son nom à une constante (h), un mur (10E-43 secondes), un institut de physique, un projet international (la mesure du rayonnement de l’univers), un satellite, un observatoire. Il sera prix Nobel de physique.

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