Max Planck, 1858 - 1947.
Si Albert Einstein aura révolutionné notre façon de voir l'espace-temps à l'échelle astronomique, Max Planck aura fait de même à l'échelle sub-atomique ! Par ses travaux en thermodynamique et sur le spectre du corps noir, il détermine sa fameuse Constante de Planck et nous ouvre les portes d'un monde alors insoupsonné ... La physique quantique est née !
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Enfance et études de Max Planck
Max Planck, physicien allemand, est né le 23 Avril 1858 à Kiel, capitale du Schleswig-holstein, issu d’une famille nombreuse (il en est le sixième enfant) de la haute bourgeoisie allemande. Willem Planck, son père, est professeur de Droit à l’université de la ville, puis à Munich en 1867. C’est là que le jeune Max entame ses études secondaires.
Il hésite alors entre se consacrer à la science ou à la musique. En 1874, il a fait son choix et entame des études de mathématiques et de physique à l’université. Il obtient son baccalauréat à dix-sept ans et trois ans plus tard, il part pour Berlin afin d’y apprendre sous la direction de Helmholtz et de Kirchhoff.
Max Planck est déçu des cours qu’on lui administre et prend la décision de travailler en solitaire, par la lecture et l’étude. En 1880, il soutient sa thèse de doctorat sur la théorie de la chaleur : le second principe de la thermodynamique, les états d’équilibre des corps isotropes aux différentes températures. C’est une réussite et on lui accorde d’enseigner à l’université.
Max Planck devient professeur de physique théorique
Il devient donc dans un premier temps professeur adjoint à Munich, puis à Kiel. En 1885, il est nommé professeur extraordinaire de physique théorique à l’université de sa ville natale. Quatre ans plus tard, à la mort de Kirchhoff, et sur recommandation de Helmholtz, il est appelé à l’université de Berlin, où il poursuit ses travaux en thermodynamique, en électromagnétisme et en physique statistique. Il y passera quarante années … Planck est partisan de la théorie de la chaleur nous l’avons vu, néanmoins il rejette le modèle atomiste des gaz de Maxwell et Boltzmann. Pour lui, la théorie atomique s’effondrera à terme en faveur de l’hypothèse de la matière continue.
Recherches en thermodynamique
Etude du corps noir
Travaillant à formuler avec exactitude le second principe de la thermodynamique, il s’intéresse dès 1894 à l’équilibre entre le flux continu du rayonnement électromagnétique et un « corps noir » constitué de « caisses de résonance » absorbant et émettant (le noir de carbone, absorbant 97% du rayonnement, se rapproche de cet idéal). Planck se rend compte que le rayonnement émis par le corps noir peut absorber de façon égale toutes les radiations, quelle qu’en soit la fréquence. Il veut démontrer les spectres expérimentaux d’intensité du rayonnement du corps noir, mais il échoue partiellement, ce qui le conduit à adopter les méthodes statistiques de Boltzmann.
Lorsqu’on porte le corps noir à une certaine température, l’émission et l’absorption se fait de façon discontinue, par « quanta ». De fait, après avoir subdivisé le continuum des énergies accessibles aux résonateurs en éléments de taille fixée (la taille des éléments d’énergie de Boltzmann était arbitraire), il calcule statistiquement l’entropie. Le problème se résout en imaginant l’énergie électromagnétique portée par des grains, de telle façon que l’énergie soit proportionnelle à la fréquence du rayonnement.
La Constante de Planck
En Octobre 1900, il découvre ainsi la loi spectrale du rayonnement thermique dans le vide. Pour simplifier, il émet l’hypothèse qu’il n’existe que des niveaux d’énergie déterminés par une constante universelle, le quanta énergétique. Ce que nous connaissons aujourd’hui sous le nom de Constante de Planck. L’équation résultante s’écrit e=hv. La dimension des éléments d’énergie e dépend de la constante universelle h et de la fréquence v du rayonnement. La constante de Planck vaut 6.626x10puissance-34 J.s.
Naissance d'une nouvelle physique : la physique quantique
Devant l’importance de la découverte, Planck recule dans un premier temps, en pensant aux conséquences d’un tel impact sur la pensée physique de l’époque. C’est le 14 Décembre 1900 qu’il fait part de sa découverte à la société de physique de Berlin. Il ne se doute alors pas qu’il vient d’inventer une nouvelle branche de la physique : la physique quantique.
C’est donc la naissance de la théorie des quantum, et Planck en est le père. Si Planck est le fondateur de la théorie quantique, il faudra attendre 1927 et le principe d’« incertitude » d’Heisenberg, qui feront apparaître la constante de Planck comme l’expression quantitative d’une limite fondamentale imposée à la détermination des couples de variables qui définissent l’état d’un système en physique classique.
Elle emboîte le pas à toute la physique moderne.
Ce sont précisément les travaux de Planck qui mettront Einstein sur la voie, pour établir sa théorie de la relativité restreinte et de sa célèbre équation E=mc², en 1905. Les travaux d’Einstein (relativité restreinte puis générale), de Bohr (création du modèle de l’atome en 1913) et de Louis de Broglie (élaboration de la mécanique ondulatoire) conduisent les physiciens à considérer que le rayonnement électromagnétique et les orbites électroniques autour du noyau sont quantifiés selon des expressions similaires à celles des éléments d’énergie de Planck.
Max Planck, prix Nobel de physique
En 1912, Max Planck devient secrétaire perpétuel du comité de physique de l’académie de Prusse. Il reçoit pour son œuvre le prix Nobel de physique en 1919. On fonde alors la médaille « Max Planck » de physique, qui lui est conjointement attribuée avec Einstein en 1929. L’année suivante, à la mort de von Harnack, Planck devient président de la société Kaiser-Wilhelm. Dans le même temps, il rédige toujours des traités de physique théorique, et travaille également sur des ouvrages de vulgarisation réputés pour leur accessibilité.
Son attachement au nationalisme le pousse à se rapprocher du nazisme en 1933. Dès 1938, il regrettera ses opinions et prendra même ouvertement partie en faveur de collègues juifs, célébrant leurs mérites.
Max Planck meurt le 4 octobre 1947 à Göttingen.
Hommages de ses confrères
Planck aura été reconnu par les plus grands scientifiques, même avant sa mort. Einstein dit de lui qu’il fut « un homme à qui il a été donné de doter le mode d’une grande idée créatrice. »
Quant à Louis de Broglie, il affirme : « l’œuvre qu’il 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. ».
Le mur de Planck
Planck est également connu pour avoir donné son nom au célèbre « mur de Planck », ou « temps de Planck » …
Afin de connaître l’origine de l’univers, les physiciens s’affairent à remonter le temps afin d’arriver à l’instant zéro, aussi parfois appelée « singularité initiale », dans le but de percer le « mystère » du Big bang, de nos orgines .
Un mur de nos connaissances
Le mur de Planck, c’est le moment, dans la création de l’univers, où les connaissances humaines en terme de physique s’arrêtent. Il correspond à 10-43 secondes après l’instant zéro. Il représente également à la plus petite distance entre deux points dans l’univers : 10-33 cm. A cette « époque », où la gravitation et les autres forces ne forment qu’une intéraction unique, règnent une température et une densité quasi-infinie ; le temps se déforme et se courbe lui aussi quasi infiniment, il accélère, décélère et se replie sur lui-même en même « temps » que l’espace. Mais nous reviendrons en détails sur ce point dans le chapitre consacré à l’Univers et au Big-bang.
La genèse de l'Univers, toujours au centre des préoccupations
Ce thème des premiers instants de l’Univers est plus que jamais au cœur des préoccupations des physiciens. C’est pourquoi, à l’été 2008, le satellite Planck a été lancé dans le but d’étudier encore plus précisément le rayonnement de fond cosmologique. 1000 fois plus précis que COBE et 30 fois plus précis que WMAP, il sera en charge d’étudier minutieusement les moindres anisotropies de ce rayonnement primordiale, émis dans la toute prime jeunesse de notre Univers, 300 000 ans seulement après le Big-Bang.
Muni de deux caméras basse fréquence (0.3 et 10mm de longueur d’onde), Planck étudiera ce rayonnement micro-onde dans un domaine de longueur d’onde assez peu exploré jusqu’à présent.
Planck a été lancé par la fusée Ariane, en compagnie du télescope spatial Herschel.
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