Max Planck évite la catastrophe ultraviolette avec les quanta . par Sylvain Rakotoarison samedi 21 avril 2018

« L’œuvre que [Max Planck] a accomplie est de celles qui assurent à leur auteur une gloire immortelle et, si quelque cataclysme ne vient pas anéantir notre civilisation, les physiciens des siècles à venir parleront toujours de la constante de Planck et ne cesseront de répéter avec admiration le nom de celui qui a révélé aux hommes l’existence des quanta. » (Louis de Broglie, Prix Nobel de Physique 1929).

L’année 2018 pourrait être une année Planck pour au moins deux raisons. La première, le cent soixantième anniversaire de la naissance de Max Planck, ce lundi 23 avril 2018 (il est né le 23 avril 1858 à Kiel, dans la future Allemagne), et la seconde, c’est le centenaire de son Prix Nobel de Physique. À cause de la guerre, le Prix Nobel de Physique 1918 ne fut attribué que… l’année suivante, le 13 novembre 1919 et fut remis au lauréat le 1er juin 1920. Il a eu ce Prix Nobel quand il avait une soixantaine d’années, mais il aurait pu le recevoir dès la création de ce prix, lorsqu’il avait une quarantaine d’années (il était déjà proposé au Nobel en 1907 et 1908).

Après des études scientifiques à Berlin (où il fut l’élève de Gustav Kirchhoff et Hermann von Helmholtz), Max Planck a soutenu en 1878 (il avait 20 ans) sa thèse de doctorat sur le second principe de la thermodynamique (sur l’entropie), et en 1881, son habilitation à diriger les recherches sur d’autres travaux en thermodynamique. Après quelques années difficiles pour trouver un poste, il fut nommé professeur de physique théorique d’abord à l’Université de Kiel en 1885 puis à l’Université Humboldt de Berlin en 1892 jusqu’à sa retraite en 1932.

Avant même de recevoir le Nobel, Max Planck fut honoré par plusieurs reconnaissances, comme son élection à l’Académie royale des sciences et des lettres de Berlin en 1894 (il fut même le secrétaire perpétuel de son comité de physique en 1912). En 1913, il fut recteur de l’Université de Berlin. À partir de 1930, il fut le président de la très influente Kaiser-Wilhelm Gesellschaft (Institut Empereur Guillaume) qui a été renommée après la Seconde Guerre mondiale (le 11 novembre 1946) Max-Planck Gesellschaft (Institut Max-Planck), qui est une importante institution de recherche en Allemagne, qui, en 2016, regroupe quatre-vingt-six instituts de recherche fondamentale (il faut imaginer une sorte de CNRS, certes multidisciplinaire mais uniquement pour les sciences « dures »).

Ses responsabilités universitaires illustrent la vocation très pédagogique de Max Planck, celle de transmettre aux étudiants. Il a d’ailleurs dirigé la thèse de deux futurs Prix Nobel de Physique, notamment Max von Laue (soutenance en 1903), connu pour la diffraction des rayons X par les cristaux, ce qui permet de déterminer la structure cristallographique des matériaux (avec les rayons Laue).

Max Planck a également pris le temps de rédiger des manuels de physique de manière claire et didactique qui sont des références pédagogiques : « Le Principe de conservation de l’énergie » (1887), « Précis de thermochimie » (1893), « Cours de thermodynamique » (1897), « Cours sur la théorie du rayonnement thermique » (1906).

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À la fin du XIXe siècle, la science physique était dans une situation presque reine : avec l’équation de Newton sur la gravitation universelle et l’équivalence force et masse fois accélération, avec les quatre équations de Maxwell pour l’électromagnétisme, les scientifiques devaient pouvoir décrire la réalité avec une précision extraordinaire, grâce à leurs équations spatiales et temporelles. La thermodynamique aussi était déjà bien développée et avec la physique statistique de Botzmann, on pouvait décrire le comportement d’un gaz. L’idée atomiste venait alors de se développer. Cela pouvait d’ailleurs donner une idée un peu hautaine de la science qui pouvait tout.

Le seul « truc » qui « clochait » à partir des années 1880, pointé du doigt par Kelvin, ce fut le rayonnement du corps noir. Un corps noir est un corps qui émet un rayonnement dont la longue d’onde ne dépend que de la température à laquelle il se trouve, c’est donc un modèle parfait. Cette longueur d’onde évolue en fonction de la température (diminue à mesure que la température monte). Autrement dit, le corps change de couleur (la longueur d’onde du rayonnement). Ainsi, le fer est rouge à 600°C puis blanc à 2 000°C. Wien a montré en 1896, que cette longueur d’onde était inversement proportionnelle à la température, et Rayleigh en 1900 que la puissance dissipée par le rayonnement était proportionnelle à la température et inversement proportionnelle au carré de la longueur d’onde.

Le problème, c’était que lorsque la température était supérieure à 5 000 K, autrement dit, que la longueur d’onde correspondait au bleu et en dessous, dans le domaine de l’ultraviolet (énergie élevée), la loi de Rayleigh-Jeans n’était plus valable. Ce que Paul Ehrenfest a appelé la « catastrophe ultraviolette » dans le joli langage des physiciens et que Kelvin a qualifié le 27 avril 1900 d’être l’un des « deux petits nuages dans le ciel serein de la physique théorique » (n’imaginant pas un instant que ces petits nuages fussent à l’origine de la bouleversante et irréversible tempête quantique !).

En clair, la physique de l’époque (dite physique classique) était impeccablement bien huilée, tout fonctionnait, sauf ce petit truc de rien du tout qui n’allait pas. Genre, un fil qu’il fallait tirer pour savoir où il menait. Max Planck a fait partie de ces physiciens qui ont voulu tirer ce fil. Et cela a déclenché une véritable révolution scientifique.

La découverte théorique de Planck date de l’année 1900. Ses travaux ont été présentés à Berlin lors de séminaires scientifiques le 19 octobre 1900 et le 14 décembre 1900 à la Société allemande de physique et ils furent publiés dans les Annalen der Physik, vol. 4, 1901, p. 553, avec la date du 7 janvier 1901 sous le titre : « On the Law of the Energy Distribution in the Normal Spectrum » (« Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum »).

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Pour éviter la catastrophe ultraviolette, il fallait modifier la loi de Rayleigh-Jeans qui est basée sur la thermodynamique de l’époque. Max Planck a donc cherché à proposer une autre théorie que la thermodynamique. Il a formulé la loi de Planck de manière empirique, pour que ça « marchât ». Tout reposait sur un postulat, que la nature était discontinue. C’était un élément fondamental et révolutionnaire.

Les énergies émises ou absorbées par le photon sont ainsi considérées comme des multiples d’une énergie minimale que Max Planck a exprimé le 14 décembre 1900 de manière simple : E = h n, c’est-à-dire que cette énergie est proportionnelle à la fréquence. En d’autres termes, que le h est une constante, qui s’appela constante de Planck et qui fut, par la suite, l’une des valeurs fondamentales de la physique moderne (sa valeur est environ 6,626×10-34 Js).

Ce furent Rutherford et Geiger qui firent les premières expériences pour confirmer l’idée théorique de Planck et évaluer expérimentalement la valeur de la charge électronique (eux avait trouvé comme valeur 4,65×10-10 esu et Planck avait calculé 4,69×10-10 esu avec sa théorie qui venait de trouver là sa première et décisive confirmation). Max Planck a raconté cette découverte lors de sa conférence du Prix Nobel le 2 juin 1920.

Cette énergie minimale est appelée « quantum » : les états d’énergie ne sont donc plus continus mais discontinus, le photon « sautant » d’un état énergétique à un autre. Cette idée particulièrement saugrenue et révolutionnaire de la discontinuité (et finalement aussi révolutionnaire que la découverte de la structure de la matière en atomes puis les atomes en protons, neutrons et électrons, les deux premiers eux-mêmes composés de quarks) est la base historique de la physique quantique.

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Planck considérait initialement cette relation comme un moyen commode et empirique pour décrire au mieux la réalité expérimentale (observée) du rayonnement d’un corps noir. Il n’était pas allé, de lui-même, jusqu’au bout de la logique en évoquant la quantification des énergies et de la matière. Ce fut Albert Einstein qui est allé dans ce sens de l’interprétation avec l’effet photoélectrique (1905), confirmant la nature corpusculaire de la lumière (le photon) en complément de sa nature ondulatoire (largement développée au XIXe siècle).

En quelques sortes, Max Planck a été le grand-père de la physique quantique. Plus grand-père que père, car il n’a pas osé, à l’époque, aller aussi loin que l’autre génération, celle des Einstein et surtout BohrDirac, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, De Broglie, Compton, etc. qui se sont engouffrés dans cette nouveauté révolutionnaire de la discontinuité de la matière. Pour faire un mauvais jeu de mots, on pourrait dire que Planck était un planqué. Il a découvert une particularité tellement formidable qu’il ne voulait pas y croire.

Grand-père aussi par l’âge, car il avait vingt et un ans de plus qu’Einstein, par exemple. Lorsque dans les années 1910 et 1920, les jeunes « physiciens quantiques » recevaient leur Prix Nobel avant même la soutenance de leur doctorat, avant leur 30-35 ans, Max Planck était déjà âgé d’une soixantaine d’années. Ce fut lui qui organisa le premier congrès Solvay en novembre 1911 qui a réuni tous les grands physiciens du monde (dont Marie Curie), congrès qui se sont perpétués.

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Musicien, Planck composa quelques morceaux de musique et joua du piano parfois accompagné du violoniste Albert Einstein. On peut imaginer ce que pouvait représenter de tels « concerts » ! La musique, moteur de la physique et surtout, des mathématiques.

Planck a tenu de nombreuses conférences sur la science mais aussi sur ses implications philosophiques, s’est opposé à la pensée d’Ernst Mach et a exprimé sa foi en un Dieu (qui ne serait pas celui des chrétiens) : « Nous devons supposer, derrière cette force, l’existence d’un Esprit conscient et intelligent. Cet Esprit est la matrice de toute matière. » (conférence sur la nature de la matière, à Florence, 1944). Il fit des conférences jusqu’en 1946 (sa dernière conférence a porté sur les faux problèmes de la science). Malgré la montée du nazisme puis la guerre, Planck est resté toujours à Berlin, parfois avec une attitude ambiguë avec le pouvoir hitlérien (il considérait que la meilleure façon de résister était de faire partie des rouages). Il tenta en vain de soutenir ses collègues physiciens juifs (Einstein s’exila à Princeton).

Son quatrième enfant Erwin Planck (1893-1945) fut un homme très influence de la République de Weimar entre les deux guerres, ami de Kurt von Schleicher, il fut Secrétaire d’État du gouvernement de Franz von Papen en 1932. Résistant contre le régime nazi, il fut pendu le 23 janvier 1945 pour avoir été impliqué dans le complot contre Hitler lors de l’attentat du 20 juillet 1944.

Réfugié à Göttingen avec sa famille pour se protéger des bombardements alliés, Max Planck, quant à lui, est mort le 4 octobre 1947 à l’âge de 89 ans.

Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (21 avril 2018)
http://www.rakotoarison.eu

Pour aller plus loin :
Document à télécharger : sa publication du 7 janvier 1901, « On the Law of the Energy Distribution in the Normal Spectum », qui fit naître la physique quantique.
Max Planck.
Stéphane Hawking.
Georg Cantor.
Jean d’Alembert.
David Bohm.
Marie Curie.
Jacques Friedel.
Albert Einstein.
La relativité générale.
Bernard d’Espagnat.
Niels Bohr.
Paul Dirac.
Olivier Costa de Beauregard.
Alain Aspect.

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