La constante de Planck est une notion clé dans le domaine de la physique quantique. Son introduction au début du XXe siècle a eu un impact considérable sur la physique. Elle a notamment joué un rôle fondamental dans notre compréhension des phénomènes microscopiques. Cependant, comment a-t-elle réellement contribué à façonner la physique moderne et quelles sont ses implications quant aux technologies existantes et en développement ?
La mécanique quantique est la branche de la physique qui décrit le comportement des particules aux échelles atomique et subatomique. Elle révèle des phénomènes surprenants où les lois classiques de la physique ne suffisent plus à tout expliquer. Au cœur de cette révolution scientifique réside le concept de quantification, selon lequel certaines grandeurs physiques, comme l’énergie ou le moment cinétique, ne peuvent adopter que des valeurs discrètes, appelées « quanta ».
Ce postulat marque une rupture avec la vision classique selon laquelle l’énergie est une variable continue. Toutefois, cette remise en cause concerne principalement l’émission et l’absorption de l’énergie par les systèmes quantiques, et non l’énergie en général, qui demeure continue dans d’autres contextes, comme en mécanique classique et en relativité.
Cette nouvelle approche a été initiée en 1899 par le physicien allemand Max Planck, alors qu’il cherchait à résoudre le problème du rayonnement du corps noir, un objet idéal absorbant l’intégralité du rayonnement électromagnétique incident avant de le réémettre sous forme de rayonnement thermique.
Pour expliquer ce phénomène, Planck a formulé l’hypothèse que l’énergie n’est pas émise ou absorbée de manière continue, mais par paquets discrets : les quanta. L’énergie de ces derniers est directement proportionnelle à la fréquence du rayonnement, une relation exprimée par la constante de Planck, notée « h ». Cette constante fondamentale définit ainsi l’échelle du quantum d’action et régit notamment l’émission et l’absorption des photons.
Une constante au cœur des fondements de la physique moderne
La constante de Planck joue un rôle clé tant dans la structure du rayonnement électromagnétique que dans la nature même de notre réalité physique. Elle permet notamment de calculer l’énergie des photons à partir de leur fréquence, selon la célèbre équation : E = hf. Ici, E représente l’énergie, f la fréquence et h la constante de Planck, dont la valeur est de 6,626 x 10-34 joule-seconde (J.s).
Cette constante est un pilier de plusieurs concepts essentiels de la mécanique quantique, tels que le principe d’incertitude, la dualité onde-particule et la quantification des niveaux d’énergie atomiques. S’appuyant sur les travaux de Planck, le physicien Werner Heisenberg a ainsi formulé le principe d’incertitude, selon lequel il est impossible de connaître simultanément et avec une précision absolue la position et la quantité de mouvement d’une particule. Autrement dit, plus la mesure de l’un de ces paramètres est précise, plus l’autre devient incertaine, remettant en cause le déterminisme de la physique classique.
La constante de Planck joue également un rôle fondamental dans la dualité onde-particule, phénomène selon lequel les particules peuvent se comporter à la fois comme des ondes et comme des corpuscules. En effet, la relation de De Broglie, qui établit une correspondance entre la longueur d’onde et la quantité de mouvement d’une particule, fait directement intervenir la constante de Planck, illustrant ainsi son rôle clé dans cette propriété.
Sa fiabilité et son universalité ont conduit à l’adoption de la constante de Planck comme référence pour la redéfinition du kilogramme en 2019. Lisez cet article pour en savoir plus sur les rôles essentiels de la constante de Planck en physique quantique.
Un révolutionnaire malgré lui-même
Il est frappant de constater que Max Planck lui-même n’a pas immédiatement adhéré aux implications profondes de sa découverte. À l’origine, l’introduction des quanta ne représentait pour lui qu’une astuce mathématique destinée à résoudre le problème du rayonnement du corps noir. Ce n’est que grâce aux travaux ultérieurs d’Albert Einstein sur l’effet photoélectrique et au modèle atomique de Niels Bohr que la notion de quantification de l’énergie a été pleinement acceptée.
En 1905, Einstein a ainsi démontré que la lumière pouvait être interprétée comme un flux de particules – les photons, chacun portant une énergie proportionnelle à sa fréquence, conformément à la relation établie par Planck. Cette découverte, qui a constitué l’une des premières preuves expérimentales de la nature quantifiée de l’énergie, a été confirmée par les expériences de Robert Millikan sur l’effet photoélectrique.
Le modèle atomique de Bohr, introduit en 1913, a renforcé cette approche en postulant que les électrons ne peuvent occuper que certaines orbites spécifiques au sein de l’atome. Tout changement d’orbite s’accompagne alors de l’absorption ou de l’émission d’un quantum d’énergie, selon une quantification directement issue des travaux de Planck.
Un socle pour les technologies de demain
Les implications de la constante de Planck ne se limitent pas à la théorie : elles ont ouvert la voie à des avancées technologiques majeures. Les semi-conducteurs, les lasers ou encore la spectroscopie doivent leur développement aux principes de la mécanique quantique.
En spectroscopie, l’étude des spectres lumineux émis ou absorbés par les atomes permet d’obtenir des informations précieuses sur la composition chimique des objets observés. Cette technique est aujourd’hui utilisée aussi bien en astronomie que dans le domaine médical, notamment pour le diagnostic de maladies via l’analyse de spectres infrarouges.
L’imagerie par résonance magnétique (IRM), qui repose sur la résonance magnétique nucléaire, est une autre application clé des principes quantiques, exploitant les propriétés des noyaux atomiques dans un champ électromagnétique pour générer des images d’une grande précision.
Enfin, en informatique quantique, la manipulation des qubits repose directement sur les principes de superposition et d’intrication quantique. Si la quantification de l’énergie introduite par Planck a marqué le début de la physique quantique, les qubits exploitent ces concepts plus larges pour effectuer des calculs exponentiellement plus rapides que ceux des ordinateurs classiques. Ainsi, bien qu’abstraite, la constante de Planck est un pilier de la physique moderne.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]