Épisode 5 : 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 vite aux niveaux microscopiques (ceux des atomes) pour finir par raconter n’importe quoi !

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 est alors récent. Il a été énoncé en 1800 par Joe DALTON (le professeur, pas le brigand). L’idée de l’électron, quant à lui, est contemporaine de Planck.

On pense, dans ce début du XXème siécle, que la physique est bientôt achevée. Il ne reste (selon la célèbre formule de Lord Kelvin) que deux petits nuages. Le second, concerne les expériences qui ont permis de démontrer l’invariance de la vitesse de la lumière. Le premier nuage, celui qui va torturer Planck, est lié problème insoluble du rayonnement du corps noir ; un rayonnement qui refuse obstinément de se mettre en équation !

Le corps noir

Depuis longtemps, on a remarqué que la température d’un objet est reliée à sa couleur. Ainsi, les maîtres verriers, en observant la couleur du bain de verre fondu, peuvent-ils donner sa température. Cette relation est indépendante de la nature de l’objet. Elle fonctionne aussi bien pour du verre ou pour du bois. Or, la couleur est une longueur d’onde. Le rouge correspond aux longueurs d’onde importantes et le bleu, au contraire, aux courtes longueurs d’ondes.

Aussi, s’est-on attaché à construire une équation qui donnerai une relation entre la longueur d’onde et la température. Lord Rayleigh a 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 ne brulait pas instantanément. Il y avait donc un problème.

On donna un nom à ce problème : la catastrophe ultra-violette.

Naissance de la notion de quantas

Planck commence par tâtonner et trouve une loi empirique, une formule (fondée sur l’expérience) qui marche pour le rouge et le violet. Mais il ne l’explique pas. Il cherche encore. Il décide alors de réfléchir au fonctionnement de la matière. Il la représente sous la force de ressorts qui se tendent et se détendent. La longueur d’onde sera l’extension du ressort et la température l’énergie qu’il libère. Mais il s’aperçoit vite que, pour coller à sa formule, les ressorts ne peuvent pas s’étendre comme ils le souhaitent. Ils ne peuvent prendre que certaines longueurs. C’est comme s’ils passaient directement de 20 centimètres à 10 centimètres, en sautant les valeurs intermédiaires. Ce qui semble impossible pour nos ressorts de tous les jours semble une habitude dans le monde des atomes.

Les micro-ressorts de Planck libèrent leur énergie par paquets, par quantités, par quanta. La mécanique quantique était née.

Planck ne croit pas en sa découverte

Il n’aime pas cette idée de libération discontinue de l’énergie. C’est 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

Deux camps vont alors s’affronter, d’un côté Planck, Einstein et Schrödinger, de l’autre Bohr, Heisenberg et Born.

Les premiers croient au déterminisme, y compris au niveau des atomes. C’est-à-dire qu’il n’y a pas d’effet sans cause. Et la cause produira toujours les mêmes effets. On est dans la suite des théories posées par Aristote. Il n’y a pas de hasard.

Pour les seconds, le monde microscopique est déroutant. Un effet n’est pas forcément précédé d’une cause. Une même cause peut avoir des effets différents. Un objet quantique peut passer par plusieurs chemins pour atteindre une cible. Mieux, cet objet peut être à différents endroits à la fois ! Le hasard, dans le monde quantique, est roi.

Bien qu’étant les fondateurs de la mécanique quantique, EINSTEIN et Planck n’en démordront jamais. Il faudra attendre 1982 et les expériences d’Alain ASPCT pour départager les deux camps en faveur des seconds.

Postérité

C’est 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.

Sixième épisode : découverte du photon

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