Max Planck n’était pas qu’un simple physicien. C’est lui qui a enfreint les règles. Né à Kiel, en Allemagne, en 1858, il a grandi en étant à l’origine de la théorie quantique. Cette seule réalisation lui a valu le prix Nobel de physique en 1918. Elle a également modifié toute la trajectoire de la compréhension humaine.
Avant Planck, nous pensions savoir comment fonctionnait la matière. Nous ne l’avons pas fait. Son travail, aux côtés de la relativité d’Einstein, constitue l’épine dorsale de la science du XXe siècle. Ce ne sont pas seulement des concepts abstraits. C’est grâce à eux que nous disposons de l’électronique moderne, de l’énergie nucléaire et des appareils numériques que vous possédez probablement actuellement. Planck nous a forcé à admettre que le monde, à sa plus petite échelle, ne suit pas les règles que nous voyons dans la vie quotidienne.
Une vie de musique et de montagnes
Les premières années de Planck ont été définies par ordre. Il était le sixième enfant d’un éminent juriste. La famille appréciait l’érudition, la fiabilité et un profond dévouement à l’Église et à l’État. Ces valeurs lui sont restées fidèles.
À neuf ans, la famille déménage à Munich. Là, un professeur nommé Hermann Müller a suscité un intérêt pour la physique et les mathématiques. Mais Planck était bon en tout. A dix-sept ans, il doit choisir une voie. Il aurait pu poursuivre des études de philologie classique. Il aurait pu courir après la musique. Il a choisi la physique. Pourquoi? Parce qu’il a réalisé que son originalité était là.
Mais la musique ne l’a jamais quitté. Il avait un pitch absolu. Il jouait du piano quotidiennement. Schubert et Brahms étaient son réconfort. Il retrouve la sérénité au clavier.
Il aimait aussi le plein air. Longues promenades. Randonnées en montagne. Il l’a fait jusqu’à un âge avancé. Cela l’a gardé au sol.
Le chemin solitaire vers la brillance
L’université n’a pas été facile pour lui. Il entra à Munich en 1874. Le professeur de physique Philipp von Jolly ne l’encouragea guère. Il passa un an à Berlin de 1877 à 1878. Les conférences de géants comme Helmholtz et Kirchhoff ne le laissèrent pas impressionné.
Il n’a pas attendu qu’un professeur le sauve. Il a étudié de manière indépendante. Il s’est penché sur les travaux de Rudolf Clausius sur la thermodynamique. C’est là que l’accent est venu.
Il obtint son doctorat en juillet 1879. Il avait vingt et un ans. C’est jeune pour n’importe quel diplôme, encore moins pour un doctorat en physique théorique. L’année suivante, il termine son mémoire de qualification. Il est devenu Privatdozent, conférencier.
Les connexions ont aidé plus tard. Le réseau professionnel de son père lui assure un poste de professeur associé à l’Université de Kiel en 1885. Puis, en 1889, Kirchhoff décède. Planck a pris sa place à l’Université de Berlin. Il trouva finalement un mentor en la personne de Helmholtz.
En 1892, il était professeur titulaire. Il reste à Berlin pour le reste de sa vie active. Il n’avait que neuf doctorants. Mais ses conférences ? Ils étaient légendaires. Ils ont connu de nombreuses éditions et ont influencé d’innombrables esprits.
La recherche de la vérité absolue
Pourquoi l’a-t-il fait ? Ce n’était pas seulement pour la gloire. Planck croyait à quelque chose de profond. Il a écrit que le raisonnement humain reflète les lois des impressions que nous recevons du monde. Le raisonnement pur, pensait-il, pourrait débloquer le mécanisme de l’univers.
Il a décidé de devenir physicien théoricien avant même que ce domaine n’existe en tant que discipline distincte. Il considérait la poursuite des lois physiques comme la quête de quelque chose d’absolu. Pour lui, le monde extérieur était indépendant de l’homme.
“La quête des lois qui s’appliquent à cet absolu apparaît… comme la quête scientifique la plus sublime de la vie.”
Cette conviction l’a motivé. Cela l’a poussé à remettre en question le statu quo. Cela l’a amené à proposer que l’énergie n’est pas continue. Cela vient en morceaux. Quanta.
Cette idée semblait minime au début. Juste une solution mathématique à un problème de rayonnement du corps noir. Mais cela a ouvert une porte. Une porte que nous franchissons encore.
Les implications sont partout. Si l’énergie est quantifiée, alors les atomes se comportent différemment de ce que Newton imaginait. Les électrons ne tournent pas comme les planètes. Ils sautent. Ils existent en probabilités. Ce n’est pas seulement de la théorie. C’est la base du transistor. Le laser. Le scanner IRM.
Planck est mort à Göttingen en 1947. Mais la charpente qu’il a construite demeure. Nous vivons dans un monde quantique. Nous ne le voyons tout simplement pas toujours.
Pourquoi se fie-t-on encore à son saut initial ? Parce que chaque fois que nous repoussons les limites de la technologie, nous nous heurtons au même mur. Le mur qu’il a aidé à construire. La question n’est pas de savoir si sa théorie est correcte. Il s’agit de savoir jusqu’où nous pouvons aller avant que la prochaine découverte ne brise ce que nous pensons savoir. Et cette découverte attend déjà.
La quête d’une loi absolue
La relation de Max Planck avec les lois de la physique a commencé en classe. Déjà étudiant au Gymnasium, il fut frappé par une certitude précise : la conservation de l’énergie. La première loi de la thermodynamique semblait incassable. Au moment où il est arrivé à l’université, il ressentait la même chose à propos de la deuxième loi. L’entropie a toujours augmenté. C’était absolu.
C’est cette conviction qui a motivé sa thèse de doctorat à Munich. Cela l’a également conduit directement à la découverte du quantum d’action. Nous l’appelons maintenant la constante de Planck h. Nous étions en 1900.
Pour comprendre comment il en est arrivé là, il faut s’intéresser au problème du corps noir. Gustav Kirchhoff a défini cet objet en 1859. Un corps noir absorbe tous les rayonnements qui le frappent. Il renvoie tout. C’est un émetteur et un absorbeur parfaits. Il y a quelque chose de rigide et d’absolu dans son comportement.
Dans les années 1890, les scientifiques étaient obsédés par la cartographie de ce comportement. Ils voulaient la distribution spectrale de l’énergie. Ils avaient besoin d’une courbe montrant la quantité d’énergie qu’un corps noir émet à différentes fréquences pour une température définie. C’était un puzzle de chaleur rayonnante.
La loi de Vienne s’effondre
Planck s’est fortement appuyé sur le travail de Wilhelm Wien. Wien, travaillant au Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR) à Berlin-Charlottenbourg, avait élaboré une formule en 1896. Elle était élégante. Planck a essayé de le déduire de la deuxième loi de la thermodynamique. Il pensait pouvoir prouver que c’était fondamental.
Cela n’a pas fonctionné.
Les données fournies par les collègues de Planck au PTR racontent une tout autre histoire. Otto Richard Lummer. Ernst Pringsheim. Henri Rubens. Ferdinand Kurlbaum. Ces expérimentateurs disposaient de mesures précises. Ils ont montré que la loi de Wien fonctionnait bien aux hautes fréquences. Il a complètement échoué aux basses fréquences.
La courbe était fausse. La théorie était incomplète. Planck le savait avant une réunion de la Société allemande de physique le 19 octobre.
Le pari mathématique
Il avait un problème à résoudre. Il connaissait la relation mathématique entre l’entropie et l’énergie pour la région des hautes fréquences. La loi de Vienne s’y applique. Mais il savait également quelle devait être la relation dans la région des basses fréquences pour correspondre aux nouvelles données expérimentales.
Deux vérités différentes. Une réalité physique.
Il lui fallait combler le fossé. Le défi était simple dans son concept mais difficile à réaliser. Il lui fallait combiner ces deux expressions de la manière la plus simple possible. Il lui fallait une formule unique.
Il fallait relier directement l’énergie du rayonnement à sa fréquence.
“Planck a deviné qu’il devait essayer de combiner ces deux expressions de la manière la plus simple possible.”
Il n’a pas simplement modifié le modèle existant. Il en a construit un nouveau. Il a pris la limite des hautes fréquences et la limite des basses fréquences et les a forcés à parler la même langue. Le résultat a été une formule qui s’adapte aux données sur l’ensemble du spectre.
Il ne s’agissait pas simplement d’un ajustement de courbe. Il s’agissait d’un changement structurel dans la façon dont l’énergie était comprise. Les mathématiques nécessitaient une unité discrète. Un morceau. Un quantique.
La constante est sortie de l’équation. h.
Cela a tout changé.
Le révolutionnaire réticent et la naissance de Quanta
Max Planck a regardé son équation et a vu un miracle. Pour la communauté scientifique, la loi des radiations de Planck était incontestable. Cela correspond parfaitement aux données. Mais dans sa tête, ce n’était qu’une supposition. Une intuition heureuse. Si la physique voulait prendre cela au sérieux, Planck devait prouver que ce n’était pas un hasard. Il devait le déduire des premiers principes.
Le 14 décembre 1900, il l’avait fait. Le coût était élevé.
Pour que les mathématiques fonctionnent, Planck a dû tuer sa croyance la plus chère. Il avait toujours considéré que la deuxième loi de la thermodynamique était une règle absolue et inviolable de la nature. Il lui fallait désormais adopter l’interprétation controversée de Ludwig Boltzmann : la deuxième loi est statistique. Il s’agit de probabilités, pas de certitudes.
Pire encore, il devait supposer que l’énergie ne coulait pas comme l’eau. Il est arrivé en morceaux. Planck a proposé que les oscillateurs d’un corps noir ne puissent absorber et réémettre de l’énergie qu’en quantités discrètes. Quanta. Chaque paquet d’énergie (h ν) était proportionnel à sa fréquence. En répartissant statistiquement ces paquets discrets sur tous les oscillateurs, il a finalement dérivé la formule sur laquelle il était tombé deux mois plus tôt.
Les implications étaient stupéfiantes. Il a utilisé sa nouvelle formule pour calculer les constantes fondamentales. Sa valeur pour h (constante de Planck) était de 6,55 × 10⁻²⁷ erg-seconde. Proche du 6,626 × 10⁻²⁷ moderne. Il a également déterminé la constante de Boltzmann, le nombre d’Avogadro et la charge de l’électron.
Un numéro a tout changé. h n’était pas nul. C’était petit, mais ça existait.
Cela signifiait que le monde microscopique ne pouvait pas être décrit par la mécanique classique. Le monde fluide et continu de Newton était un mensonge à l’échelle atomique. Une révolution était en marche.
Einstein entre dans le vide
Le concept des quanta de Planck se heurtait à tous les éléments de la physique établie. Il ne voulait pas enfreindre les règles. Il y a été contraint par la logique. Les historiens le qualifient de révolutionnaire réticent. Il n’a pas encore vu l’image complète.
Il a fallu des années pour que les conséquences se fassent sentir. Albert Einstein a fait le gros du travail.
En 1905, Einstein affirmait que la lumière elle-même était constituée de quanta. Il les appelait des quanta de lumière. Nous les appelons désormais photons. Il ne se souciait pas du fait que Planck pensait que l’absorption d’énergie était quantifiée, mais que l’émission pouvait quand même être continue. Einstein est allé plus loin. Il a suggéré que le rayonnement lui-même était granulaire.
En 1907, Einstein prouva la généralité de cette hypothèse. Il l’a utilisé pour expliquer pourquoi les chaleurs spécifiques des solides changeaient avec la température. La physique classique a échoué là-bas. La théorie quantique a fonctionné.
Puis vint 1909. Einstein introduisit la dualité onde-particule dans le discours dominant. La matière et l’énergie n’étaient pas seulement l’une ou l’autre. Ils l’étaient tous les deux.
La Conférence Solvay et le tournant
Octobre 1911. Bruxelles. La première conférence Solvay.
Planck et Einstein étaient là. Les sceptiques aussi. Les débats ont été intenses. Ils ont poussé Henri Poincaré à trouver une preuve mathématique. Il a livré. Il montra que la loi des rayonnements de Planck nécessitait nécessairement l’introduction de quanta.
La preuve a fait changer d’avis. James Jeans, un fervent physicien classique, a finalement rejoint le camp quantique. Le barrage s’est rompu.
Niels Bohr a ajouté à cet élan en 1913. Sa théorie quantique de l’atome d’hydrogène a fourni la preuve structurelle que les atomes n’étaient pas de simples petits systèmes solaires. C’étaient des systèmes quantifiés.
Ironiquement, Planck fut l’un des derniers résistants. Il a eu du mal à revenir à la théorie classique. Il ne l’a pas fait par méchanceté ou par ignorance. Il l’a fait pour tester la nouvelle idée. En luttant si durement, il s’est convaincu de sa nécessité.
L’opposition à l’hypothèse quantique de la lumière d’Einstein de 1905 persistait. Beaucoup refusaient d’accepter que la lumière soit constituée de particules. Ils attendaient une preuve définitive. Ils l’ont obtenu grâce à l’effet Compton en 1922.
Le vieux monde avait disparu. Le nouveau était désordonné, contre-intuitif et indéniablement réel. Nous vivons toujours dans l’équation que Planck avait trop peur pour croire.
Le poids de l’autorité dans un monde qui s’assombrit
Max Planck avait 42 ans lorsqu’il a changé la physique pour toujours. La découverte de 1900 qui lui a valu le prix Nobel de 1918 n’a pas conduit à des avancées plus révolutionnaires. Il n’a pas arrêté de contribuer. Il a continué à travailler à un niveau élevé dans les domaines de l’optique, de la thermodynamique, de la mécanique statistique et de la chimie physique. Il fut également le premier physicien de renom à soutenir publiquement la relativité restreinte d’Einstein en 1905.
« La vitesse de la lumière est à la théorie de la relativité… ce que le quantum élémentaire d’action l’est à la théorie quantique ; elle en est le noyau absolu. »
Ce n’était pas seulement un soutien poli. Planck a compris l’ADN structurel des deux théories. En 1914, lui et Walther Hermann Nernst avaient réussi à recruter Einstein à Berlin. Après la Première Guerre mondiale, Max von Laue, l’élève préféré de Planck, le rejoignit également. Lorsque Planck prit sa retraite en 1928, Erwin Schrödinger prit sa place. Pendant un bref instant, Berlin fut la capitale incontestée de la physique théorique. Puis la nuit tomba en janvier 1933.
La bataille pour la réalité objective
Après sa retraite, l’orientation de Planck a changé. Il a écrit moins sur les équations que sur la philosophie, l’esthétique et la religion. Il s’est violemment opposé à la nouvelle orthodoxie quantique. Bohr, Born et Heisenberg construisaient une vision statistique indéterministe de l’univers. Planck détestait ça. Cela violait ses intuitions les plus profondes.
Il croyait que l’univers physique existait indépendamment de l’observation humaine. L’observateur et l’observé n’étaient pas inextricablement liés. Ce n’était pas seulement une préférence académique. C’était une position morale sur le fonctionnement de la réalité.
Son influence n’était pas seulement théorique. En tant que secrétaire permanent de l’Académie prussienne des sciences de 1912 à 1938 et président de la Société Kaiser Wilhelm (aujourd’hui Société Max Planck) de 1930 à 1937, il détenait un pouvoir immense. Mais son autorité ne venait pas des titres. Cela venait de la force morale. Son équité et son intégrité étaient incontestables parmi les physiciens allemands.
Lorsque les nazis se sont soulevés, Planck n’a pas fui. Il s’est adressé directement à Hitler pour tenter de renverser la politique raciale. Il est resté en Allemagne pour récupérer ce qu’il pouvait de la physique allemande. Un autre homme serait peut-être parti. La volonté de Planck était indomptable.
La tragédie comme moteur de l’endurance
Planck avait besoin de ce stoïcisme. Sans une profonde conviction philosophique et religieuse, il aurait rompu bien avant la fin. Les tragédies ont commencé tôt.
En 1909, sa première épouse, Marie Merck, décède après 22 ans de mariage. Elle était la fille d’un banquier munichois. Planck s’est retrouvé avec deux fils et des filles jumelles. Le fils aîné, Karl, fut tué au combat en 1916. L’année suivante, sa fille Margarete mourut en couches. En 1919, son autre fille, Emma, subit le même sort.
La Seconde Guerre mondiale a porté le coup final. Sa maison berlinoise a été détruite par les bombes en 1944. Son plus jeune fils, Erwin, a été impliqué dans la tentative d’assassinat du 20 juillet 1944 contre Hitler. La Gestapo l’exécuta au début de 1945. Cet acte impitoyable détruisit la volonté de vivre de Planck.
À la fin de la guerre, des officiers américains emmenèrent Planck et sa seconde épouse, Marga von Hoesslin (mariée en 1910, avec qui il eut un fils), à Göttingen. Il y meurt en 1947. Il avait 89 ans. James Franck décrit la mort comme venant à lui « comme une rédemption ».
Ce n’était pas une défaite. C’était une sortie d’un monde qui avait brisé son cœur et sa maison. La science est restée. Le quantum d’action a perduré. Mais l’homme qui défendait la réalité objective contre le chaos de son temps a finalement trouvé sa propre forme d’équilibre. Les équations sont toujours là. La tragédie fait désormais partie des archives.
