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Max Planck, le père de la physique quantique

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Max Planck

Grâce à ses travaux sur les corps noirs, Max Planck a marqué l’Histoire en devenant le précurseur de la physique quantique. Ses découvertes ont permis de poser les bases de l’une des plus grandes révolutions de l’histoire de la physique. Pour comprendre, comment il en est arrivé là, Études Tech retrace son parcours.

Les premiers pas de Max Planck dans le monde de la physique

Max Planck

Max Karl Ernst Ludwig Planck naît le 23 avril 1858 au sein de l’actuelle Allemagne. Enfant, il est très bon dans deux domaines : la musique et les mathématiques. Avant de rentrer à l’université, il doit faire un choix entre ses deux passions et il choisit les mathématiques, puis la physique. Max Planck est un élève brillant qui suit un bon cursus scolaire. Il obtient son doctorat en 1879 avec une thèse portant sur l’expérience de la diffusion de l’hydrogène à travers une platine chauffée. Une fois son diplôme en poche, il enseigne la physique à l’université de Munich, puis ensuite à Kiel.

Planck s’affirme comme un expert de la thermodynamique, c’est-à-dire qu’il étudie les liens entre chaleur, température, travail et énergie. Tu ne le sais peut-être pas, mais en physique la couleur joue un rôle important pour déterminer la température d’un corps. Plus il se rapproche du blanc, plus la température est élevée. Cependant, les calculs de l’époque se trouvent confrontés à un problème. Lorsqu’ils appliquent strictement leurs calculs, ils en arrivent à la conclusion qu’un être humain devrait briller dans le noir. Or, tu l’as sans doute déjà remarqué, tu ne brilles pas dans le noir (dommage). Donc il y a un problème.

Max Planck et les corps noirs

Deux contradictions insurmontables

Max Planck a cherché une explication aux caractéristiques particulières émises par un corps chauffé, autrement dit le rayonnement des corps noirs. Un corps noir est un corps absorbant tous les rayons électromagnétiques, de fait, il ne renvoie pas la lumière. C’est pourquoi, il est totalement noir. C’est l’inverse d’un miroir, qui lui renvoie la lumière, c’est pour cela que tu peux y voir ton reflet.

Quand un corps noir est suffisamment chauffé, il est capable d’émettre un rayonnement. Celui-ci varie selon la température à laquelle le corps est chauffé. Par exemple, si tu chauffes une barre en métal à 600 degrés Celsius, elle devient rouge et si tu augmentes à 2 000°C, la barre devient blanche. Au-dessus de cette température, on ne peut plus apercevoir la couleur du corps parce qu’il entre dans le domaine de l’ultraviolet et l’être humain y est insensible. C’est le même cas de figure, si tu refroidis la barre en métal à une température inférieure à 600°C sauf que cette fois-ci, l’objet entre dans le domaine de l’infrarouge, mais le résultat est le même, l’œil humain y est insensible.

Deux lois vont tenter de trouver une explication à ce phénomène : la première, c’est la loi de Wien qui va produire des résultats convaincants dans le cas de l’étude de l’ultraviolet, mais des résultats erronés dans le cas du calcul des infrarouges. Le second principe pour tenter de résoudre ce problème, c’est la loi de Rayleigh – Jeans. Pour celle-ci, c’est l’inverse, elle fonctionne très bien pour les grandes longueurs d’ondes donc pour les faibles fréquences. Le problème apparaît lorsqu’il s’agit de mesurer les faibles longueurs d’ondes. En effet, leur théorie pose souci parce qu’elle signifierait que, face à un feu de cheminée, un être humain devrait se désintégrer à cause de la quantité d’énergie dégagée par ledit feu. Tu l’auras compris, nous sommes donc face à deux contradictions et Max Planck va élucider ce mystère. Il va émettre une théorie faisant coïncider la loi de Wilhelm Wien et celle de Rayleigh – Jeans

La constante de Planck

Max Planck se pose sur le problème en 1900. Pour l’élucider, il s’appuie sur ses connaissances en thermodynamique, en électromagnétisme et en physique. La théorie en vigueur, à ce moment-là, disait que le spectre du rayonnement des trous noirs est continu. Max Planck vient casser cette théorie, en y ajoutant une nouvelle constante que la postérité qualifiera de « Constante de Planck ». Le physicien émet l’idée que l’échange d’énergie qui se fait entre la matière du corps noir et son rayonnement ne peut se faire que par petits paquets qualifiés de Quanta. En clair, si un atome émettait ou absorbait de la lumière, son énergie ne changerait que par petits paquets indivisibles. Cette théorie marque la naissance de la physique quantique, mais elle pose problème à Max Planck. En effet, celui-ci est non-atomiste, c’est-à-dire qu’il ne croit pas aux atomes. Dans sa perspective, il pense que la matière est infinie. Pour reprendre un exemple émis par un savant Grec du nom de Démocrite pendant l’Antiquité, Max Planck pense qu’une pomme peut être coupée à l’infini dans la mesure où l’on possède un couteau suffisamment fin pour le faire. Max Planck se retrouve donc tiraillé entre ses convictions et la réalité du terrain.

Il publie ses résultats en 1900, d’une manière assez particulière. Il dit que sa théorie fonctionne et qu’elle est avérée, mais que lui n’y croit pas, il a du mal à maîtriser ce qu’il propose et il laissera les scientifiques qui vont le suivre notamment un certain Albert Einstein approfondir davantage sa théorie. Malgré tout, il reçoit le prix Nobel de physique en 1918, ce qui est plutôt une belle récompense quand on sait qu’à la base, il n’était que très moyennement convaincu par sa théorie. Néanmoins, au fur et à mesure des années, Max Planck va reconnaître que sa perception non-atomiste du monde était erronée même s’il ne se penche pas davantage sur le sujet.

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Max Planck : Un précurseur

Si Max Planck exerce avant l’âge d’or des physiciens mené par Albert Einstein, Niels Bohr, Max Born ou encore Werner Heisenberg, cela ne l’empêche pas de rentrer en contact avec eux. C’est notamment Einstein qui va approfondir les travaux sur la physique quantique de Planck. Ce dernier, de son côté, est l’un des premiers à reconnaître l’importance de la théorie de la relativité émise par Einstein en 1905. Il use de son influence pour que cette théorie soit rapidement admise surtout en Allemagne. Lorsqu’il devient doyen de l’université de Berlin, Planck fait venir Einstein et les deux scientifiques deviennent des amis proches.

À la fin des années 20, un groupe de physiciens, avec à leur tête Bohr et Heisenberg, met au point l’interprétation de Copenhague qui vient compléter les recherches de Planck en physique quantique. Cette interprétation offre un cadre conceptuel pour comprendre le comportement des particules subatomiques (les électrons et les photons) qui se comportent différemment par rapport aux connaissances en physique traditionnelle.

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Max Planck et le nazisme

La relation entre Hitler et la physique

Durant la Première Guerre mondiale, Max Planck s’affiche en bon patriote en soutenant le régime en place, mais tout va changer pendant l’entre-deux-guerres avec la montée du nazisme. En effet, Planck plaide en faveur des recherches fondamentales, ce qui l’oppose directement à Hitler. Plus largement, Hitler ne s’est jamais réellement intéressé à la physique. Pour lui, c’est une science de « Juif blanc ». Cette réflexion, en plus d’être dépourvue de sens, va réellement porter préjudice à l’Allemagne. Avant son arrivée au pouvoir, l’Allemagne était la nation la plus développée lorsqu’il s’agissait de physique avec de nombreux prix Nobel à son actif. Cependant, dans les années 30 et 40, un déclin progressif va se mettre en place. À cause de sa politique antisémite hitlérienne, de nombreux scientifiques quittent l’Allemagne pour rejoindre les États-Unis, aidés pour certains par Robert Oppenheimer, le père de la bombe atomique. De fait, cela vient renforcer considérablement le rôle des États-Unis en matière de physique, ce qui va s’avérer déterminant durant la Seconde Guerre mondiale.

Adolf Hitler s’intéresse à la physique uniquement s’il peut y avoir un enjeu militaire. Par conséquent, lorsqu’Otto Hahn découvre la fission de l’atome en 1938 et qu’Hitler entend qu’il est possible de créer l’arme la plus puissante jamais vue, la bombe atomique, il investit énormément pour qu’elle soit développée. Or, les scientifiques allemands ne parviennent pas à la mettre sur pieds et ils préfèrent concevoir des ébauches qui vont ensuite donner les centrales nucléaires. Hitler, désintéressé, met fin aux subventions, ce qui montre bien tout son dédain pour la physique.

Une relation ambiguë avec le nazisme

Pour en revenir à Max Planck, lors de l’exode massif des scientifiques vers les États-Unis, il fait le choix de rester en Allemagne et critique vivement la décision d’Einstein disant que cela porte atteinte aux scientifiques Juifs qui restent. Planck entretient ensuite une relation assez ambiguë avec le nazisme. Il ne le soutient pas mais ne s’y oppose pas non plus. En 1933, il rencontre Hitler pour défendre ses collègues Juifs, sans pour autant convaincre le Führer. Lors de plusieurs discours, il fait référence aux recherches de ses camarades juifs, sans mentionner leur nom. Par la suite, il sera contraint de soutenir le régime Nazi pendant ses prises de parole publiques. En 1938, il quitte ses fonctions officielles.

Sa relation compliquée avec le nazisme empire lorsque son fils est accusé de conspirer contre Hitler. Il est exécuté, puis la maison et la bibliothèque de Max Planck sont incendiées, victimes d’un bombardement aérien.

Max Planck meurt le 4 octobre 1947 à 89 ans à Göttingen, laissant derrière lui une empreinte indélébile dans le monde de la physique. Pour lui rendre hommage, la plus haute distinction allemande en physique est nommée « la médaille Planck ».

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