Un siècle de quanta

E. Pringshein remettaient en cause, au moins pour les faibles fréquences, la validité de la loi de Wien. John Rayleigh, s'appuyant sur la théorie des électrons de Lorentz, proposa une nouvelle formule pour le spectre du corps noir, fondée sur la physique classique, mais cette formule ne s'accordait avec l'expérience que pour les basses fréquences !

Pour résoudre ces difficultés, le 19 octobre 1900, Max Planck présenta à la Société de Physique de Berlin une première ébauche: Sur une amélioration de la loi de Wien. Il tenait compte de nouveaux résultats expérimentaux obtenus, pour les très basses fréquences, par ses collègues H. Rubens et F. Kurlbaum et proposait une approche semi-empirique combinant la formule de Wien et celle de Rayleigh. Il obtenait ainsi un très bon accord avec l'expérience. Puis, le 14 décembre 1900, sa nouvelle théorie faisait l'objet d'une communication intitulée : Sur une théorie de la loi de distribution du spectre normal. Il y présentait la formule que l'on appelle aujourd'hui la loi du rayonnement de Planck. À partir de ses idées de 1897, et par un raisonnement thermodynamique, il calculait l'entropie de ses oscillateurs. Pour établir cette théorie, Planck avait dû abandonner l'hypothèse classique selon laquelle l'énergie d'un oscillateur est susceptible de changements continus. Il avait, au contraire, postulé que cette énergie ne varie que par des multiples entiers d'une énergie minimale.

Dans cette formule, n?est un nombre entier, v est la fréquence eth est une constante ad hoc, devenue par la suite constante universelle. Un oscillateur de fréquence n?émet une énergie minimale égale à hv. La quantité h (la constante de Planck) a les dimensions d'une énergie divisée par une fréquence: c'est ce que l'on nomme une action. Au départ, Planck pensait sans doute pouvoir faire tendre n vers l'infini et h vers zéro, ce qui lui aurait permis de rejoindre la théorie classique'. Malheureusement, cela conduisait à une " catastrophe ultraviolette " consistant en l'apparition, dans le calcul, de termes infinis. Il fallait donc garder à h une valeur non nulle bien que très petite. Cela revenait à introduire de la discontinuité dans un phénomène jusqu'alors considéré comme continu. La théorie de la lumière avait été élaborée tout au long du XIXe siècle et sa nature ondulatoire, appuyée sur les phénomènes d'interférence et de diffraction, semblait hors de doute. Dans la théorie de Planck, l'énergie échangée par les oscillateurs est distribuée sous forme de quanta hv, entités minimales insécables.

"C'était un acte de désespoir. Pendant six ans je m'étais battu avec la théorie du corps noir. Je devais trouver une explication théorique à n'importe quel prix, mais sans renoncer au caractère intangible des deux principes de la thermodynamique. " Pendant plusieurs années, il fit " de vaines tentatives pour ajuster le quantum élémentaire d'action, d'une manière ou d'une autre, au cadre de la physique classique".

Il expliquait de cette façon pourquoi l'apparition de l'effet photo-électrique (arrachement d'électrons sous l'impact de rayons lumineux) est liée non pas à l'intensité de la lumière qui le produit mais à sa fréquence. Sa formule faisait intervenir la constante de Planck.