Selon la théorie des quanta élaborée en 1900 par Max Planck, l'énergie rayonante
possède, comme la matière, une structure discontinue : elle ne peut exister que
sous la forme de "quanta" de valeur E = hf, où h est la "constante de Planck"
(6,622606993x10^-34 J.s) et f (ou "nu") la fréquence du rayonnement.
Cette formule réalise la synthèse d'une notion mécanique, l'énergie E, et d'une
notion ondulatoire, la fréquence f, en une notion nouvelle, spécifiquement
quantique.
Initialement introduite par Planck pour résoudre le problème spécifique du
rayonnement du corps noir (h pour Hilfe, "au secours !" en Allemand), la
relation de Planck est étendue à tous les quanta de lumière par Albert Einstein
en 1905, qui conclut qu'un tel quantum est détectable expérimentalement par
l'effet photoélectrique, ce que fera Robert Millikan en 1916 en effectuant la
première mesure directe de h.
Louis de Broglie explicitera ensuite le lien entre l'action et la constante de
Planck, et étendra la relation de Planck à toute particule.
Enfin, Werner Heisenberg mettra en évidence le rôle de h dans toute mesure
physique à travers les relations d'incertitude, qui traduisent la limitation
que la nature quantique impose à notre perception du monde.
Max Planck a aussi fait intervenir la constante h dans la formule donnant
l'énergie E d'un oscillateur quantique de période T : E = h / T
La constante de Planck intervient aussi dans les inégalités de Heisenberg :
si, sur un ensemble de particules préparées de manière identique, on effectue
sur la moitié d'entre elles une série de mesures de leur position, et une série
de mesure de leur vitesse sur l'autre moitié, ces deux valeurs seront
statistiquement dispersés. Le principe de Heisenberg énonce que :
( dispersion / impulsion ) x ( dispersion / position ) >= h / 4
Enfin, le modèle atomique de Bohr est quantifié au moyen de la constante de
Planck. Les niveaux d'excitation des électrons correspondent à des orbites
énergiquement stables. Lorsqu'un électron passe d'un état E2 à un état E1,
il émet un photon dont l'énergie est : E2 - E1 = hf
(ou f est la fréquence du rayonnement).
En 1900, Max Planck se rend compte qu'il est possible d'utiliser la constante
de Planck h, la vitesse de la lumière c et la constante de gravitation G pour
définir les unités d'un système de mesure s'appliquant à trois dimensions
fondamentales : la masse, la longueur et le temps, à partir desquelles toutes
les autres unités peuvent être dérivées. Il définit ainsi :
- la "masse de Planck" Mp = racine(hc/G) = 5,56x10^-5 g
- la "longueur de Planck" Lp = racine(Gh/c^3) = 4,13x10^-33 m
- le "temps de Planck" Tp = racine(Gh/c^5) = 1,38x10^-43 s
??? durée minimale pour qu'un échange d'énergie puisse de produire ???
Ces unités signalent l'échelle où gravitation et physique quantique deviennent
de même amplitude - on parle d'"énergie de Planck" (10^19 GeV) ; elles sont
donc très adaptées à la cosmologie primordiale et l'étude des trous noirs.
Dans ces unités, la valeur numérique de c, h et G est 1 ; les lois
fondamentales de la physique y prennent donc des formes plus simples et sans
coefficients arbitraire. L'étalon de mesure serait un trou noir microscopique
dont la longueur d'onde quantique serait égale à son rayon.
Notons qu'il est tout aussi possible de définir un "système de Bohr" basé sur
la masse m et la charge e de l'électron et la constante de Planck h :
Mb = m ; Lb = h²/me² ; Tb = h^3/(me^4)
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