Catastrophe ultraviolette

En 1900, le physicien britannique William Thomson, dit Lord Kelvin, déclarait : « La beauté et la clarté de la théorie dynamique, qui décrit la chaleur et la lumière comme formes de mouvement, sont aujourd’hui assombries par deux nuages. » Les deux nuages en question portaient l’un sur la détection de l’éther lumineux (on supposait alors l’existence de l’éther, une substance solide et élastique dans laquelle baignait l’univers) et l’autre sur la partition de l’énergie au travers de l’expérience du corps noir.

Du premier nuage, Lord Kelvin concluait qu’il était plus dense qu’il n’y paraissait (« I am afraid we must still regard Cloud No. I. as very dense. ») ; quant au deuxième nuage, il suggérait simplement de l’oublier en réfutant les résultats des travaux publiés à l’époque.

L’expérience du corps noir (un objet idéal qui absorberait parfaitement tout rayonnement reçu) était un casse-tête pour tous les physiciens d’alors. On partait d’une observation simple, faite depuis que les forges et les fours des boulangers existent: un corps prend une couleur rouge, puis jaune, puis blanche selon la température à laquelle il est chauffé.

Là où les choses se sont compliquées, c’est lorsque les scientifiques ont essayé de traduire ce phénomène en formule mathématique. Avec les connaissances de la fin du XIXème siècle, on arrivait à décrire précisément les émissions d’énergie jusqu’à un certain niveau de température et de fréquence lumineuse, mais ça ne marchait plus du tout au delà. Selon la théorie, le rayonnement ultraviolet d’un simple feu de cheminée devait tendre vers l’infini et tout griller aux alentours, d’où l’expression de catastrophe ultraviolette.

Comme ce n’était pas le cas dans la réalité, il fallait donc changer les termes de l’équation et c’est Max Planck, physicien théoricien enseignant à Berlin, qui allait s’atteler à la tâche.

Au terme de recherches éreintantes de plusieurs mois, Max Planck finit par commettre un « acte de désespoir ».

Lui qui ne croit pas dans l’existence de particules formant la matière, encore moins dans la vertu des probabilités à expliquer l’infiniment petit, en vient à faire appel à l’une et aux autres, car, après avoir épuisé toutes les possibilités, il ne lui reste plus que cette seule et unique solution. Dès lors, ses calculs fonctionnent parfaitement à tous les niveaux de rayonnement.

Il conclut ainsi que l’énergie produite à l’intérieur du corps noir est libérée, non pas de manière continue comme on le croyait jusque là, mais en petits paquets d’énergie qui seront baptisés plus tard des quanta (les quanta de lumière ne seront nommés photons qu’en 1926). Cette énergie est le produit de la fréquence du rayonnement émis par un nombre, toujours le même, nommé constante de Planck. La constante de Planck est notée h, lettre qui aurait été choisie parce qu’étant l’initiale soit du terme allemand Hilfsgröße (grandeur auxiliaire) soit de Hilfe ! (à l’aide !).

C’est donc malgré lui que Planck jette les fondements de la physique quantique, nom tiré des quanta qu’il a découverts. Planck publie les résultats de ses travaux quelques mois après la déclaration de Lord Kelvin, en se cantonnant à l’aspect théorique et sans rentrer dans une interprétation qu’il sait contraire à ses convictions. Cependant, Albert Einstein saisit l’importance de ces découvertes et s’en sert pour former ses propres théories. Il publiera en 1905 un article sur l’effet photo-électrique, confirmant les hypothèses de Planck et concluant à la nature corpusculaire de la lumière.

La même année, Einstein publie trois autres articles, dont l’un apporte une solution brillante au premier « nuage » de Lord Kelvin en proposant la théorie de la relativité restreinte. Celle-ci conclut entre autres choses que l’éther est une notion arbitraire et inutile, remettant en cause rien moins que la physique de Newton.

Christophe Mayca

30 mars 2015