Qui est considéré comme le père de la physique quantique ?

Max Planck est souvent considéré comme le père de la physique quantique, non parce qu’il aurait à lui seul fondé toute la discipline, mais parce qu’il a introduit en 1900 une idée décisive : dans certaines interactions, l’énergie n’est pas échangée de manière continue, mais par petites quantités discrètes appelées quanta. Cette hypothèse est née d’un problème précis de physique classique, celui du rayonnement du corps noir. Elle a ensuite servi de point de départ aux travaux d’Albert Einstein et d’autres chercheurs qui ont construit la théorie quantique moderne.

Le problème du rayonnement du corps noir

Un corps chauffé émet un rayonnement dont la répartition dépend de sa température. À la fin du XIXe siècle, les physiciens savaient mesurer ce rayonnement, mais les théories classiques ne parvenaient pas à en rendre correctement compte sur l’ensemble du spectre. La formule issue de la physique classique conduisait notamment à prévoir une énergie qui devenait excessive aux hautes fréquences, une difficulté connue sous le nom de catastrophe ultraviolette. En cherchant une expression mathématique conforme aux résultats expérimentaux, Planck fit l’hypothèse que les échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement s’effectuaient par éléments discrets. Pour un oscillateur de fréquence donnée, l’énergie échangée pouvait être considérée comme un multiple de hν, où ν est la fréquence et h une nouvelle constante, aujourd’hui appelée constante de Planck. Cette hypothèse lui permit d’établir une loi décrivant correctement le rayonnement du corps noir.

Une hypothèse d’abord prudente

La portée de cette proposition ne fut pas immédiatement interprétée comme une rupture complète avec la physique classique. Planck l’envisagea d’abord comme un moyen théorique de résoudre le problème du rayonnement, et il resta longtemps prudent face à l’idée d’une discontinuité fondamentale de l’énergie. En 1905, Albert Einstein franchit une étape supplémentaire en proposant que la lumière elle-même puisse être décrite, dans certaines situations, comme constituée de quanta d’énergie. Cette conception l’aida à expliquer l’effet photoélectrique, phénomène dans lequel la lumière peut arracher des électrons à un matériau. Par la suite, les travaux de Niels Bohr, de Louis de Broglie, de Werner Heisenberg, d’Erwin Schrödinger et de nombreux autres physiciens transformèrent l’hypothèse initiale de Planck en une théorie générale de la matière et du rayonnement.

Un titre qui désigne une œuvre fondatrice

Dire que Planck est le « père de la physique quantique » constitue donc une manière de souligner le caractère fondateur de son travail, et non de lui attribuer seul la création de la mécanique quantique. Sa contribution essentielle est d’avoir montré que la description du rayonnement exigeait l’introduction d’une échelle d’action élémentaire et d’échanges d’énergie discrets. La constante de Planck occupe toujours une place centrale dans les équations de la physique quantique. Il faut toutefois éviter d’en déduire que toutes les grandeurs physiques sont systématiquement discrètes : la quantification dépend du système étudié et de la grandeur considérée. L’importance historique de Planck réside surtout dans le fait que son hypothèse de 1900 a ouvert une brèche dans la conception classique de la continuité et fourni le point de départ d’une nouvelle description du monde microscopique.