Max Planck: Autobiographie scientifique

Max Planck: Autobiographie scientifique

Cet éminent scientifique allemand est à mon avis trop méconnu en France, je voulais donc lui consacrer un billet ici suite à la lecture de son autobiographie scientifique, rédigée à la fin de sa vie en 1945 (il avait alors 87 ans). 

Max Planck : ce nom n’évoque peut être pas grand-chose pour la majorité des français mais il est pourtant l’un des plus grands physiciens du 20^ème siècle. Prix Nobel de physique en 1918, c’est lui qui posa la première brique de la physique quantique : le quantum élémentaire d’action.

Max Planck nous raconte dans son autobiographie ses études à Munich puis à Berlin et comment il en est arrivé à choisir la physique théorique comme domaine de prédilection (il hésita longtemps entre la musique et la science). La physique théorique était une discipline peu développée à cette époque où l’expérimentation était presque la seule manière de faire de la science. Il s’orienta rapidement lors de son doctorat à Berlin sur la thermodynamique qui le passionnait depuis ses lectures de Rudolf Clausius au sujet du second principe de la thermodynamique et d’une grandeur thermodynamique appelée Entropie. L’entropie est une grandeur physique ne pouvant qu’augmenter dans le temps et représentant le désordre microscopique (voir mon billet précédent sur la thermodynamique). Cet Entropie était en quelque sorte le cheval de bataille de Planck ; il écrit à ce sujet :

« Cependant, j’étais si profondément convaincu de l’importance de la tâche que je m’étais moi-même imposée, que de telles expériences ne pouvaient me détourner de poursuivre mes études sur l’entropie, notion que je regardais à coté de l’énergie comme la propriété la plus importance des systèmes physiques. »

A Berlin, il côtoyait les plus grands physiciens allemands de la fin du 19^ème siècle comme Helmholtz et Kirchhoff mais ces derniers n’apportaient que peu de crédit à ce que le jeune Max Planck considérait  comme primordial. On sent bien à travers ses écrits que l’incompréhension de ses pairs était douloureuse pour lui : 

« C’est une des plus pénibles expériences de ma vie scientifique tout entière, que j’aie bien rarement -  et en fait, je pourrais dire que je n’aie jamais – réussi à obtenir l’assentiment universel  pour un résultat nouveau, dont je pouvais démontrer la vérité par une décisive, encore que simplement théorique, démonstration. [ …] Tous mes excellents arguments tombaient dans des oreilles sourdes.»

Après quelques années, la théorie de la chaleur au sens de Clausius que Planck défendait (c'est-à-dire différente de la théorie purement mécanique) fut enfin reconnue grâce à Boltzmann. Planck nous confie que :

« Une vérité nouvelle en science n’arrive jamais à triompher en convaincant les adversaires et en les amenant à voir la lumière, mais plutôt parce que finalement ces adversaires meurent et qu’une nouvelle génération grandit, à qui cette vérité est familière. »

C’est une réflexion un peu sévère pour la science que Planck mène ici mais l’histoire des sciences ne peut que lui donner raison.

En cette fin de 19^ème siècle, Planck était en quelque sorte le « théoricien » de Berlin qu’on utilisait pour résoudre différents problèmes physiques. Il travailla notamment en acoustique sur l’étude des gammes musicales en essayant de comprendre pourquoi la gamme tempérée est plus plaisante à l’oreille que la gamme naturelle. Il apporta également sa contribution en électricité mais c’est en 1900, alors qu’il essayait depuis plusieurs années de résoudre un problème qui le tenait à cœur sur le spectre thermique des éléments appelé le rayonnement du corps noir, que Planck apporta une importante nouveauté à la Science…  Je ne vais pas vous détailler ici le problème du corps noir (voir ce billet qui explique tout ça) mais simplement vous expliquer la démarche de Planck.

Statue de Max Planck à l’Université Humboldt de Berlin (photo personnelle)

Planck était toujours intimement convaincu que la piste à suivre pour expliquer le rayonnement du corps noir était une explication à travers l’entropie (toujours elle) contrairement à tous les scientifiques de l’époque qui se concentraient sur la température. Après maints efforts et échecs, Planck trouve une formulation mathématique semblant expliquer le rayonnement du corps noir dans toutes les gammes d’énergies et de fréquences (jusqu’à présent, tous les modèles fonctionnaient dans des cas précis mais jamais partout). Pour cela, il introduisit dans son équation une nouvelle constante universelle qu’il appela h et qui représentait une quantité d’action élémentaire indivisible.

« D’autre part, s’agissant de la grandeur W, je trouvais que pour l’interpréter comme une probabilité ainsi qu’il convenait, il était nécessaire d’introduire une constante universelle, que j’appelai h. Comme elle avait les dimensions d’une action (une énergie multiplier par un temps), je lui donnai le nom de quantum élémentaire d’action. »

Au début, Planck qui était plutôt conservateur, tenta de faire disparaitre ce quantum élémentaire d’action qui n’avait alors pas de signification physique dans le cadre de la physique classique et qui se révélait plus encombrant qu’autre chose. Mais en vain. Cette constante était nécessaire pour que les équations restent en accord avec les observations et Max Planck dû se rendre à l’évidence :

« L’échec de toutes mes tentatives pour sauter l’obstacle me rendit bientôt évident le rôle fondamental joué par le quantum élémentaire d’action dans la Physique atomique, et que son apparition ouvrait une ère nouvelle dans les sciences de la nature. »

Max Planck et Albert Einstein en 1929 à Berlin

Cette constante deviendra par la suite la fameuse constante de Planck qui donnera naissance quelques années plus tard à la théorie des quanta (la future physique quantique) avec les contributions de Niels Bohr, Erwin Schrödinger et Louis de Broglie. Cinq ans plus tard, un certain Albert Einstein réutilise la théorie des quanta pour expliquer l’effet photoélectrique : la fameuse constante de Planck h multipliée par la fréquence d’une onde électromagnétique représentera alors un « grain de lumière » qui prendra le nom de photon. Planck fut d’ailleurs un des premiers défenseurs de la Relativité d’Einstein et n’hésitera pas à comparer les deux théories :

« La vitesse de la lumière est à la théorie de la Relativité ce que le quantum élémentaire d’action est à la théorie des quanta : c’est son centre absolu. »

Voilà, j’espère que Max Planck vous est désormais un peu plus familier et je vous recommande vivement la lecture de son autobiographie scientifique. Au passage, Max Planck a laissé son nom non seulement à une constante universelle et à une loi physique mais également à un institut de recherche fondamentale allemand. Aujourd’hui, l’Institut Max Planck est un des plus prestigieux laboratoires de recherche du monde et emploie environ 13000 personnes. De plus, 17 prix Nobel ont été décernés à des chercheurs de cet institut depuis sa création en 1948, juste après la mort de Max Planck (a titre de comparaison, la France a récoltée 7 Nobel en physique depuis 1948).

Par Benjamin Bradu