L’intervention du quantum d’action et le retour à la conception granulaire de la lumière

Au début du XXe _{siècle, l’étude de la lumière a permis de pénétrer les arcanes de la matière.}

La théorie ondulatoire étant sous l’égide des ondes, les physiciens constatèrent de manière imprévue l’intrusion des quanta de lumière dans le rayonnement continu des ondes électromagnétiques de Maxwell. Les résultats expérimentaux de la physique prouvent que dans le déplacement ou le mouvement d’une onde, il existe des grains d’énergie ou photon. Ce nouveau phénomène, dû à l’intrusion des quanta de lumière dans le mouvement continu des ondes, permit d’établir la dualité onde-corpuscule.

La théorie des quanta remonte à Max Planck et sera développée par Einstein, Bohr, Heisenberg, de Broglie, etc. En effet à la fin du XIXe siècle, les physiciens essayaient de comprendre le spectre du rayonnement des corps [noir] en se fondant sur la physique statistique et l’électrodynamique classique. Des hypothèses contradictoires ont été émises par Wien et Rayleigh qui ont établi la loi de la répartition spectrale du rayonnement thermodynamique à partir des principes de l’électrodynamique. Cette loi formulée n’avait cependant pas reçu de confirmation expérimentale. C’est Planck qui à la fin du siècle, réussit à trouver une loi de rayonnement complètement en accord avec les mesures expérimentales. Il déclare dans Initiation à la physique ce qui suit :

Mon but, depuis longtemps, était d’arriver à résoudre le problème de la répartition de l’énergie dans le spectre normal de l’émission thermique. Depuis que Gustav Kirchoff avait montré que la structure du rayonnement émis à l’intérieur d’une enceinte close, formée par un nombre quelconque de corps, dont la température est uniforme, est complètement indépendante de la nature de ces corps, on savait qu’il existe une fonction universelle reliant entre elles températures et longueurs d’onde, et que pour la détermination de cette fonction, les propriétés spéciales d’aucune substance n’entrent pas en ligne de compte. Il était donc naturel de penser que la découverte de cette fonction remarquable serait susceptible de permettre d’élucider plus à fond la nature des relations existants entre l’énergie et la température, or, c’est le problème fondamental de la thermodynamique. Et par la suite de toute la physique moléculaire. L’unique moyen pour arriver à résoudre ce problème consiste à choisir parmi tous les corps (…) un de ceux dont nous connaissons le pouvoir d’absorption et le pouvoir

d’émission et à calculer ensuite la structure de l’échange d’énergie thermique dont ce corps est le siège quand le régime stationnaire est établi. D’après la loi de Kirchoff, la structure de cet état stationnaire doit être tout à fait indépendante de la nature du corps choisi64.

À partir de ce constat selon lequel la loi de la répartition formulée par les théoriciens présente des difficultés pour une confirmation expérimentale, il s’attache à trouver les lois de l’absorption et de l’émission du rayonnement. Pour y arriver, il a dû supposer que la lumière, et donc le rayonnement électromagnétique en général, n’était pas absorbée et émise de manière continue, mais de façon discontinue. Partant de là il a formulé une nouvelle loi de la répartition spectrale du rayonnement thermique en introduisant l’idée du « quantum d’action ». Le quantum d’action, c’est l’affirmation selon laquelle quand on descend à l’échelle atomique, les mesures effectuées sont influencées par des perturbations65_{. Ces}

perturbations recouvrent des valeurs numériques, très petites par rapport à nos unités usuelles, mais dont la constante de Planck permet de mesurer la grandeur. Planck, introduisit donc dans la physique une nouvelle constante h, ayant une valeur approximative de 6,55.10-

27_{. Cette découverte par Planck le poussa à déduire que l’énergie se regroupe en paquet, les}

« quanta », ce qui revient à affirmer pour la lumière l’existence de particules. Cette hypothèse a reçu une confirmation expérimentale.

Par ailleurs, l’hypothèse de Planck a permis de résoudre le problème du corps noir. En effet, les travaux sur le rayonnement noir d’équilibre thermodynamique avaient pris pour point de départ que ce rayonnement était de nature ondulatoire. Mais l’hypothèse de Planck permet d’assimiler le rayonnement noir à un gaz de « photon ». Par exemple, le fer rougit quand on le chauffe, puis devient blanc. Le métal émet donc de la lumière dont la couleur (c’est-à-dire la longueur d’onde) varie avec la température. En étudiant le rayonnement émis par un corps noir, c’est-à-dire par une petite boîte parfaitement fermée, percée d’un trou, on avait découvert que l’énergie émise par ce trou présente un maximum pour une certaine longueur d’onde, qui ne dépend ni de la température des parois intérieures du corps du matériau qui la constitue66.

64 _{M. Planck., Initiation à la physique, Paris, Flammarion, 1941, p. 68.} 65 _{L. de Broglie., Continu et discontinu en physique moderne, op.cit., p. 68.}

En effet, l’action des quanta existe dans les phénomènes macroscopiques ils interviennent en grand nombre, mais sont si petits que l’observation ne pourra pas les distinguer. La physique macroscopique s’est ainsi développée avec un grand succès en ignorant l’existence du quantum d’action et en considérant l’espace et le temps, comme pouvant servir à une description complète et précise des phénomènes dynamiques. L’action du quantum dans la mécanique classique échappe à l’appareil de mesure de tout observateur, parce que « la valeur numérique du quantum d’action est très petite par rapport aux unités de mesure habituelles, on y passe sensiblement comme si le quantum d’action n’existait pas »67_{. Mais, en étudiant}

le phénomène à petite échelle, comme le cas des atomes, les physiciens ont su qu’ils étaient nécessaires de tenir compte du quantum d’action. C’est pourquoi de Broglie affirme qu’ignorer l’existence des quanta, c’est mal comprendre la nature profonde des phénomènes physiques. C’est en ce sens qu’il écrit ce qui suit : « Malgré l’importance et l’étendue des progrès accomplis par la physique dans les derniers siècles, tant que les physiciens ont ignoré l’existence des quanta, ils ne pouvaient rien comprendre à la nature intime et profonde des phénomènes, car, sans quanta, il n’y aurait ni lumière ni matière [et] s’il m’est permis de paraphraser un texte évangélique, on peut dire que rien de ce qui a été fait n’a été fait sans eux »68. L’observation de la structure discontinue des grains d’énergie dans le rayonnement des ondes électromagnétiques qui a conduit indubitablement a un retour à la conception corpusculaire de la lumière, a été corroborée par un autre phénomène physique : la découverte de l’effet photoélectrique.