Planck n'a jamais voulu inventer le quantum

Max Planck n'était pas un révolutionnaire. Il venait d'une famille de juristes et de pasteurs, il croyait à l'ordre, à la continuité, à la physique de Newton et de Maxwell. Quand il a trouvé, à la fin de l'année 1900, l'idée qui allait tout casser, il a cru à un artifice de calcul qu'on corrigerait plus tard. Il a mis des années à admettre que c'était vrai.

Un problème de four

Le problème qu'il essaie de résoudre a l'air technique. Un corps chauffé émet de la lumière, rouge d'abord, puis orange, puis blanche. Les physiciens veulent la formule exacte qui lie la température et la couleur, pour un corps idéal qu'ils appellent le corps noir. L'enjeu est aussi industriel : les compagnies d'électricité veulent des ampoules qui éclairent plus en chauffant moins.

La physique classique propose une formule, et cette formule est absurde. Elle prédit que tout corps chaud devrait rayonner une énergie infinie dans l'ultraviolet. Un four domestique devrait vous tuer. Ehrenfest appellera ça, plus tard, la catastrophe ultraviolette. Les mesures, elles, donnent une belle courbe en cloche qui ne correspond à aucune théorie.

L'acte de désespoir

Planck travaille sur ce problème depuis cinq ans. En octobre 1900, il trouve d'abord une formule qui colle aux mesures, par tâtonnement, sans savoir pourquoi elle marche. Puis il cherche à la justifier. Et il n'y arrive qu'à une condition : supposer que l'énergie n'est pas échangée de façon continue, comme un robinet qui coule, mais par paquets, par multiples entiers d'une quantité minimale. Cette quantité dépend de la fréquence de la lumière, multipliée par une constante toute petite qu'il note h. Il présente le résultat le 14 décembre 1900.

Il écrira trente ans plus tard, dans une lettre : « C'était un acte de désespoir. Il fallait trouver une interprétation théorique à tout prix, aussi élevé soit-il. » Pour lui, les paquets d'énergie sont une astuce mathématique. L'énergie, bien sûr, reste continue. On trouvera bien un moyen de faire tendre h vers zéro.

Un jeune inconnu le prend au mot

En 1905, un employé du bureau des brevets de Berne, Albert Einstein, 26 ans, publie un article où il prend l'idée au sérieux. Si l'énergie lumineuse va par paquets, ce n'est pas seulement dans les échanges avec la matière : la lumière elle-même est faite de grains. Ça explique l'effet photoélectrique, ce phénomène où un métal éclairé émet des électrons, mais seulement si la lumière est assez bleue, quelle que soit son intensité. Une lumière rouge très forte ne fait rien. Une lumière violette très faible arrache des électrons tout de suite.

Planck trouve ça exagéré. En 1913, quand il recommande Einstein pour l'Académie de Prusse, il demande qu'on lui pardonne d'avoir « parfois manqué la cible dans ses spéculations, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière ». C'est l'hypothèse qui vaudra à Einstein le Nobel de 1921.

Une vérité scientifique nouvelle ne triomphe pas en convainquant ses adversaires, mais parce que ses adversaires finissent par mourir et qu'une nouvelle génération grandit qui lui est familière.

Max Planck, Autobiographie scientifique, 1948

Ce qu'il avait trouvé sans le vouloir

La constante h est aujourd'hui l'une des constantes fondamentales de l'univers. Elle fixe la taille du grain du monde. Depuis 2019, c'est même elle qui définit le kilogramme. Rien de ce que Planck espérait ne s'est produit : h ne tend pas vers zéro, l'énergie n'est pas continue, et la physique qu'il aimait s'est arrêtée à l'échelle de l'atome.

Planck a reçu le prix Nobel en 1918. Il a continué à chercher, pendant des années, une manière de sauver la continuité. Il a fini par accepter. Il y a quelque chose d'assez beau dans cette histoire : la révolution quantique n'a pas été lancée par quelqu'un qui voulait renverser la physique, mais par quelqu'un qui voulait la sauver, et qui a eu l'honnêteté de suivre son calcul là où il ne voulait pas aller.