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Il y a cent ans, Max Planck fondait la physique quantique et découvrait un nouveau monde

Physicien allemand né à Kiel en 1858 et mort à Göttingen en 1947, Max Planck étudie la physique à Munich et à Berlin, où il est l'élève de Helmholtz et de Kirchhoff, et obtient son doctorat en 1879 ; sa thèse porte sur le deuxième principe de la thermodynamique ( le fameux principe d'entropie de Carnot), domaine de la physique qui le captivera tout au long de sa vie ; généralisant le principe de Nernst, il montre que l'entropie d'un corps pur en équilibre au zéro absolu est nulle. Planck enseigne à Munich (1880-1885), à Kiel (1887-1889), puis à l'université de Berlin. À partir des expériences effectuées par Heinrich Rubens, Otto Lummer et Ernst Pringsheim concernant les radiations thermiques, Planck construit une théorie du rayonnement du corps noir qui fait intervenir les échanges d'énergie entre rayonnement et matière, non pas de façon continue mais par des sauts d'amplitude finie : les quanta d'énergie. Le 14 décembre 1900, à Berlin, Planck présente ses travaux lors d'une conférence à la Société allemande de physique ; " Ce jour peut être considéré comme la date de naissance de la physique quantique ", devait-il rapporter, quelques mois plus tard, dans les Annales de physique - une des publications de physique les plus importantes de l'époque. Son hypothèse sur la discontinuité de l'énergie et sa théorie quantique lui valent, en 1918, le prix Nobel de physique. Pourtant, Planck lui-même accepta difficilement le désaccord qui existait entre sa théorie quantique et la physique classique ; c'est en cherchant, en vain, durant plusieurs années, à expliquer d'un point de vue purement classique la loi d'émission du corps noir qu'il acquit la conviction que l'explication ne pouvait être formulée que dans le cadre d'une théorie quantique. Le modèle des quanta ne tarda pas à être validé par l'explication de l'effet photoelectique, fournie par Einstein en 1905, et par la théorie de la structure atomique de Niels Bohr en 1913. Le développement de la physique quantique a nécessité l'introduction d'une constante universelle, appelée constante de Planck, notée h et égale à 6,626 075 5 × 10-34 J ? s. Cette constante traduit le fait qu'un oscillateur de fréquence naturelle v ne peut recevoir ou céder de l'énergie que par paquets (ou quanta) d'énergie de valeur hv. Cette constante a pour dimension celle d'un moment cinétique, ou action ; elle est également appelée quantum fondamental d'action. En 1905, Einstein, étudiant l'effet photoelectique pour lequel on observait un seuil d'énergie minimale, étendit la quantification au rayonnement lui-même, considérant que les quanta d'énergie étaient portés par des particules de lumière, les photons dont l'existence fut confirmée expérimentalement par l'observation de l'effet Compton (1923). Parallèlement, les développements de la théorie atomique et de la spectroscopie avaient abouti à la définition d'un modèle planétaire de l'atome, dont la stabilité ne pouvait être expliquée qu'en admettant que les états électroniques étaient quantifiés suivant des lois bien déterminées (modèle de Bohr-Sommerfeld). La quantification a donc été introduite en physique pour pallier les insuffisances des théories classiques dans le domaine de la microphysique. Mais cette première théorie quantique se révéla elle-même insuffisante, par exemple pour rendre compte des spectres d'atomes plus complexes que l'atome d'hydrogène, ou pour justifier la validité de la loi de Coulombà l'intérieur de l'atome. Une étape fondamentale fut franchie, en 1924, grâce aux travaux de louis de Broglie, qui considéra que la dualité onde-particule établie pour la lumière devait être étendue à toute la matière : à tout corpuscule, il convient d'associer une onde, définie par la relation : , où g est la longueur d'onde, h la constante de Planck, m la masse du corpuscule, v sa vitesse ; cette hypothèse fut confirmée expérimentalement, en 1927, par Clinton Davisson et Lester Germer, qui montrèrent qu'on pouvait obtenir, avec des faisceaux d'électrons, des phénomènes de diffraction semblables à ceux de la lumière, dont les paramètres correspondaient à ceux calculés par la théorie de Louis de Broglie. Cette mécanique ondulatoire réalisait une synthèse cohérente des points de vue corpusculaire et ondulatoire, incompatibles en physique classique ; elle permettait aussi de retrouver par le calcul les paramètres (nombres quantiques) introduits empiriquement dans l'ancienne théorie des quanta. Simultanément, Heisenberg formula la mécanique matricielle, dans laquelle les grandeurs physiques sont représentées par des matrices. Erwin Schrodinger développa un formalisme permettant d'unifier les deux points de vue en formulant l'équation générale des ondes en présence d'un potentiel (1925). En 1928, Paul Dirac obtint l'équation d'onde relativiste décrivant l'électron et tenant compte du spin, et fonda la mécanique quantique relativiste. Depuis, la physique quantique a connu un développement considérable, aussi bien en ce qui concerne la théorie fondamentale (méthodes mathématiques, recherches concernant la quantification de l'espace , du temps de la gravitation) que les domaines d'application , où ses succès et ses multiples perspectives d'application, cryptologie quantique, electronique quantique, démontrent que la physique quantique reste une des plus extraordinaires création conceptuelle de l'histoire des sciences ainsi qu'un cadre théorique incontournable pour le XXI eme siècle naissant.

Brève rédigée par @RT Flash

New York Times :

http://www.nytimes.com/2000/12/12/science/12QUAN.html?pagewanted=1

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