Le forgeron, le cordonnier et le chasseur de papillons

Les chercheurs ne sont pas toujours contents de ce qu’ils trouvent, loin de là. Et pourtant en général ils sont bien obligés de faire avec ! La première moitié du XXe siècle est particulièrement symptomatique d’une révolution déclenchée malgré eux par les plus grands physiciens.

Et la grande crise naît d’une simple observation, que connaissent tous les forgerons: prenez un barreau en fer, et chauffez-le. Il va devenir rouge sombre, puis rouge orangé, de plus en plus jaune, puis de plus en plus blanc, presque bleuté. Vers l’année 1900, c’est en s’attaquant à ce simple petit problème que Max Planck, la quarantaine, professeur à l’Université de Berlin, va bien malgré lui mettre sens dessus dessous la physique si bien construite par ses prédécesseurs tout au long du XIXe siècle.

planck

Chauffés à blanc

On chauffe le métal: c’est de la thermodynamique. Il rayonne de la lumière: c’est de l’électromagnétisme. Or la thermodynamique et l’électromagnétisme sont les deux grandes réussites de la physique du XIXe siècle. En 1895, les théories dans ces deux domaines ont atteint leur pleine maturité, et ont été confrontées avec succès à tous les résultats expérimentaux. Tous ? Presque… reste ce petit problème du rayonnement du corps noir, autrement dit le changement de couleur d’un corps avec sa température, que l’Allemand Wilhelm Wien a récemment décrit expérimentalement avec précision [1]. Mais puisqu’il ne s’agit que de thermodynamique et d’électromagnétisme, il ne devrait y avoir aucune difficulté…

Sauf que Planck bute désespérément sur les calculs… pas moyen d’expliquer les résultats expérimentaux. Pas moyen, sauf à adopter un artifice de calcul qui n’a rien de réaliste: il est obligé de supposer que les petits oscillateurs de son modèle sont quantifiés, c’est-à-dire que leurs fréquences ne peuvent prendre que certaines valeurs autorisées. Jamais personne n’a osé faire pareille supposition en physique. Planck assure ses collègues que ce n’est qu’une astuce mathématique dont on trouvera rapidement moyen de se passer [2]. Il passera le reste de sa carrière à tenter, en vain, de les persuader de ne pas utiliser son quantum. Pour lequel il obtiendra pourtant le prix Nobel en 1918 ! Et les uns après les autres, tous les fondateurs de la mécanique quantique regretteront un jour ou l’autre la tournure de ce qu’ils ont eux-même enclenché… mais sans jamais pouvoir revenir en arrière.

Le doigt dans l’engrenage

Et il n’aura pas fallu longtemps: dès 1905 (son annus mirabilis), Einstein franchit déjà le Rubicon. Il affirme, lui, que la lumière est réellement constituée de quanta insécables (qu’on baptisera ensuite « photons ») [3]. C’est fait: l’artifice mathématique s’est changé en réalité physique. Pourtant, en 1912, devant la confusion qu’a engendrée son geste audacieux, il écrit à son ami Heinrich Zangger:

«Plus la théorie quantique a du succès, plus elle paraît stupide.».

En 1913, l’Allemand Arnold Sommerfeld et le Danois Niels Bohr (Nobel 1922) utilisent à leur tour des « niveaux d’énergie » quantifiés pour expliquer les raies d’absorption dans les spectres lumineux. Dans une métaphore plus tardive, Bohr avouera que ce faisant, il n’avait pas vraiment prévu de chambouler toute la physique:

«La belle palette de couleurs sur l’aile d’un papillon est très intéressante, mais personne ne croyait qu’on puisse arriver au fondement de la biologie à partir des couleurs d’une aile de papillon».

Quand les physiciens aimeraient changer de métier

Résultat: 25 ans après que Planck a introduit le quantum pour la première fois, la belle physique du XIXe siècle qui semblait si bien marcher a été complètement chamboulée, et personne n’y comprend plus rien. En 1924, Einstein écrit à Max Born:

«Je trouve très intolérable l’idée qu’un électron exposé à un rayonnement choisisse de sa propre initiative non seulement le moment où il sautera, mais aussi sa direction. Dans ce cas, j’aimerais mieux être cordonnier ou même employé dans une maison de jeux que physicien».

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Même Wolfgang Pauli (Nobel 1945), pourtant le premier à imaginer la première vraie propriété quantique, le spin, n’arrive plus à suivre: en 1925 il écrit à Kronig

«En ce moment, la physique est à nouveau très confuse; en tout cas, c’est trop compliqué pour moi, et je voudrais bien être acteur de cinéma ou quelque chose dans ce goût-là et n’avoir jamais entendu parler de physique».

En 1926, Erwin Schrödinger (Nobel 1933), qui a laissé son nom à l’équation fondamentale de la mécanique quantique, se plaint à Bohr des conclusions que Heisenberg (Nobel 1932) en a tirées:

«Si toutes ces fichues histoires de saut quantique devaient vraiment perdurer, je regretterais d’avoir touché à la théorie des quanta».

D’ailleurs entre l’Allemand et l’Autrichien, l’inimitié est réciproque: en 1926, Heisenberg écrit à Pauli:

«Plus je pense à la portion physique de la théorie de Schrödinger, plus je la trouve répugnante. Ce qu’écrit Schrödinger sur la possibilité de visualisation de sa théorie « n’est probablement pas tout à fait exact », en d’autres termes, c’est des foutaises».

Finalement, et beaucoup plus tard, c’est le prix Nobel Richard Feynman qui résumera le mieux la situation:

«Si vous pouvez l’éviter, ne vous demandez pas constamment « mais comment peut-il en être ainsi ? » Personne ne sait comment il peut en être ainsi».


 Aller plus loin

  • Les débuts de la mécanique quantique, et les débats qui ne cessèrent de l’accompagner, sont restitués de manière très accessible dans Le grand roman de la physique quantique, de Manjit Kumar (JC Lattès).
  • Les prémices du débat Bohr-Einstein à Bruxelles en 1927: Photo de classe.

[1] On parle beaucoup (à juste titre) de la façon dont la recherche fondamentale irrigue la recherche appliquée. On oublie souvent de mentionner le chemin inverse: le fait qu’au même moment se développe l’industrie des ampoules électriques à incandescence n’est sûrement pas étranger à l’intérêt soudain des physiciens pour l’émission de chaleur et de lumière par les corps portés à haute température !
[2] Ce n’est d’ailleurs pas la première fois qu’une révolution naît d’un soi-disant « artifice mathématique »: c’est aussi ce qu’invoquait Copernic pour justifier son idée de mettre le Soleil au centre…
[3] C’est ce qui lui vaudra son prix Nobel en 1921.

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