La science ne peut pas résoudre le mystère ultime de la nature. Et c'est parce que, en dernière analyse, nous sommes nous-mêmes une partie du mystère que nous essayons de résoudre.
Max Karl Ernst Ludwig Planck était un physicien théoricien allemand dont la découverte des quanta d'énergie lui a valu le prix Nobel de physique en 1918.
Planck a apporté de nombreuses contributions à la physique théorique, mais sa célébrité en tant que physicien repose principalement sur son rôle de fondateur de la théorie quantique, qui a révolutionné la compréhension humaine des processus atomiques et subatomiques. En 1948, l'institution scientifique allemande Kaiser Wilhelm Society, dont Planck a été deux fois président, a été renommée Max Planck Society MPS. La MPS comprend maintenant 83 institutions représentant un large éventail de directions scientifiques.
Carrière
Planck venait d'une famille traditionnelle et intellectuelle. Son arrière-grand-père et grand-père paternel étaient tous deux professeurs de théologie à Göttingen ; son père était professeur de droit à l'Université de Kiel et Munich. L'un de ses oncles était également juge.
Planck est né en 1858 à Kiel, Holstein, de Johann Julius Wilhelm Planck et de sa deuxième femme, Emma Patzig. Il a été baptisé avec le nom de Karl Ernst Ludwig Marx Planck ; parmi ses prénoms, Marx, une variante maintenant obsolète de Markus ou peut-être simplement une erreur pour Max, qui est en fait le diminutif de Maximilian, a été indiqué comme le « nom d'appellation ». Cependant, à l'âge de dix ans, il signait avec le nom Max et l'a utilisé pour le reste de sa vie.
Il était le 6e enfant de la famille, bien que deux de ses frères et sœurs provenaient du premier mariage de son père. La guerre était commune au cours des premières années de Planck et parmi ses plus anciens souvenirs figurait la marche des troupes prussiennes et autrichiennes à Kiel lors de la deuxième guerre de Schleswig en 1864. En 1867, la famille a déménagé à Munich, et Planck s'est inscrit à l'école Maximilians gymnasium, où il est tombé sous la tutelle de Hermann Müller, un mathématicien qui s'intéressait au jeune homme et lui a enseigné l'astronomie et la mécanique ainsi que les mathématiques. C'est auprès de Müller que Planck a d'abord appris le principe de conservation de l'énergie. Planck a obtenu son diplôme plus tôt, à l'âge de 17 ans. C'est ainsi que Planck a d'abord pris contact avec le domaine de la physique.
Planck avait du talent en matière de musique. Il a suivi des cours de chant et jouait du piano, de l'orgue et du violoncelle, et composait des chansons et des opéras. Cependant, au lieu de la musique, il a choisi d'étudier la physique.
Le professeur de physique de Munich Philipp von Jolly a déconseillé à Planck de se lancer dans la physique, en disant : « Dans ce domaine, presque tout a déjà été découvert, et tout ce qui reste est de combler quelques lacunes. » Planck a répondu qu'il ne souhaitait pas découvrir de nouvelles choses, mais seulement comprendre les fondamentaux connus du domaine, et a donc commencé ses études en 1874 à l'Université de Munich. Sous la supervision de Jolly, Planck a effectué les seules expériences de sa carrière scientifique, étudiant la diffusion de l'hydrogène à travers le platine chauffé, mais s'est orienté vers la physique théorique.
En 1877, il s'est rendu à l'Université Friedrich Wilhelms à Berlin pour un an d'études avec les physiciens Hermann von Helmholtz et Gustav Kirchhoff et le mathématicien Karl Weierstrass. Il a écrit que Helmholtz n'était jamais tout à fait préparé, parlait lentement, se trompait sans cesse et ennuyait ses auditeurs, tandis que Kirchhoff parlait dans des conférences soigneusement préparées qui étaient sèches et monotones. Il est vite devenu ami proche d'Helmholtz. Là, il a entrepris un programme d'étude largement autonome des écrits de Clausius, qui l'a amené à choisir la thermodynamique comme domaine.
En octobre 1878, Planck a réussi ses examens de qualification et en février 1879 a défendu sa dissertation, Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie Sur la deuxième loi de la thermodynamique. Il a brièvement enseigné les mathématiques et la physique à son ancienne école à Munich.
Vers 1880, Planck avait obtenu les deux plus hauts diplômes universitaires offerts en Europe. Le premier était un doctorat après avoir terminé son article détaillant sa recherche et sa théorie de la thermodynamique. Il a ensuite présenté sa thèse intitulée Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen États d'équilibre des corps isotropes à différentes températures, qui lui a valu une habilitation.
Carrière universitaire
Avec l'accomplissement de sa thèse d'habilitation, Planck est devenu un Privatdozent allemand non rémunéré, un rang universitaire comparable à celui de maître de conférences/professeur assistant à Munich, attendant d'être nommé à un poste universitaire. Bien qu'il ait d'abord été ignoré par la communauté universitaire, il a poursuivi ses travaux dans le domaine de la théorie de la chaleur et a découvert l'un après l'autre le même formalisme thermodynamique que Gibbs sans en être conscient. Les idées de Clausius sur l'entropie ont joué un rôle central dans son travail.
En avril 1885, l'Université de Kiel a nommé Planck professeur associé de physique théorique. D'autres travaux sur l'entropie et son traitement, en particulier appliqués en chimie physique, ont suivi. Il a publié son Traité de thermodynamique en 1897. Il a proposé une base thermodynamique pour la théorie de la dissociation électrolytique de Svante Arrhenius.
En 1889, il a été nommé successeur du poste de Kirchhoff à l'Université Friedrich-Wilhelms à Berlin – vraisemblablement grâce à l'intervention d'Helmholtz – et en 1892, il est devenu professeur titulaire. En 1907, Planck s'est vu proposer le poste de Boltzmann à Vienne, mais a refusé pour rester à Berlin. En 1909, en tant que professeur à l'Université de Berlin, il a été invité à devenir le Ernest Kempton Adams Lecturer in Theoretical Physics à l'Université Columbia à New York. Une série de ses conférences ont été traduites et co-publiées par le professeur de l'Université Columbia A. P. Wills. Il a pris sa retraite de Berlin le 10 janvier 1926 et a été remplacé par Erwin Schrödinger.
Famille
En mars 1887, Planck a épousé Marie Merck 1861–1909, sœur d'un camarade de classe, et a déménagé avec elle dans un appartement en sous-location à Kiel. Ils avaient quatre enfants : Karl 1888–1916, les jumeaux Emma 1889–1919 et Grete 1889–1917, et Erwin 1893–1945.
Après l'appartement à Berlin, la famille Planck a vécu dans une villa à Berlin-Grunewald, Wangenheimstrasse 21. Plusieurs autres professeurs de l'Université de Berlin vivaient à proximité, notamment le théologien Adolf von Harnack, qui est devenu un ami proche de Planck. Bientôt, la maison Planck est devenue un centre social et culturel. De nombreux scientifiques bien connus, tels qu'Albert Einstein, Otto Hahn et Lise Meitner, étaient des visiteurs fréquents. La tradition d'interprétation conjointe de musique avait déjà été établie dans la maison d'Helmholtz.
Après plusieurs années heureuses, en juillet 1909, Marie Planck est décédée, probablement de la tuberculose. En mars 1911, Planck a épousé sa deuxième femme, Marga von Hoesslin 1882–1948 ; en décembre, son cinquième enfant Hermann est né.
Pendant la Première Guerre mondiale, le deuxième fils de Planck Erwin a été fait prisonnier par les Français en 1914, tandis que son fils aîné Karl a été tué au combat à Verdun. Grete est décédée en 1917 en donnant naissance à son premier enfant. Sa sœur est décédée de la même manière deux ans plus tard, après avoir épousé le veuf de Grete. Les deux petites-filles ont survécu et ont été nommées d'après leurs mères. Planck a enduré ces pertes avec stoïcisme.
En janvier 1945, Erwin, auquel il était particulièrement attaché, a été condamné à mort par le Volksgerichtshof nazi en raison de sa participation à la tentative échouée d'assassiner Hitler en juillet 1944. Erwin a été exécuté le 23 janvier 1945.
Professeur à l'Université de Berlin
En tant que professeur à l'Université Friedrich-Wilhelms à Berlin, Planck a rejoint la Société physique locale. Il a écrit plus tard à ce sujet : « À cette époque, j'étais essentiellement le seul physicien théoricien là-bas, d'où les choses n'étaient pas faciles pour moi, car j'ai commencé à mentionner l'entropie, mais ce n'était pas tout à fait à la mode, car c'était considéré comme un fantôme mathématique ». Grâce à son initiative, les différentes Sociétés physiques locales d'Allemagne ont fusionné en 1898 pour former la Société allemande de physique Deutsche Physikalische Gesellschaft, DPG ; de 1905 à 1909, Planck en était le président.
Planck a commencé un cours de six semestres de conférences sur la physique théorique, « sec, quelque peu impersonnel » selon Lise Meitner, « n'utilisant aucune note, ne faisant jamais d'erreurs, ne faisant jamais de faux pas ; le meilleur conférencier que j'aie jamais entendu » selon un participant anglais, James R. Partington, qui poursuit : « Il y avait toujours beaucoup de monde debout autour de la salle. Comme la salle de conférences était bien chauffée et plutôt confinée, certains auditeurs tombaient de temps à autre par terre, mais cela ne dérangeait pas la conférence. » Planck n'a pas établi une véritable « école » ; le nombre de ses étudiants diplômés était d'environ 20, parmi eux :
- 1897 Max Abraham 1875–1922
- 1903 Max von Laue 1879–1960
- 1904 Moritz Schlick 1882–1936
- 1906 Walther Meissner 1882–1974
- 1907 Fritz Reiche 1883–1960
- 1912 Walter Schottky 1886–1976
- 1914 Walther Bothe 1891–1957
Rayonnement du corps noir
En 1894, Planck a dirigé son attention vers le problème du rayonnement du corps noir. Le problème avait été énoncé par Kirchhoff en 1859 : « Comment l'intensité du rayonnement électromagnétique émis par un corps noir un absorbeur parfait, également connu sous le nom de radiateur de cavité dépend-elle de la fréquence du rayonnement c'est-à-dire la couleur de la lumière et la température du corps ? ». La question avait été explorée expérimentalement, mais aucun traitement théorique n'était d'accord avec les valeurs expérimentales. Wilhelm Wien a proposé la loi de Wien, qui prédisait correctement le comportement à hautes fréquences, mais échouait à basses fréquences. La loi de Rayleigh–Jeans, une autre approche du problème, était en accord avec les résultats expérimentaux à basses fréquences, mais créait ce qui était plus tard connu sous le nom de « catastrophe ultraviolette » à hautes fréquences. Cependant, contrairement à de nombreux manuels, ce n'était pas une motivation pour Planck.
La première solution proposée par Planck au problème en 1899 découlait de ce que Planck appelait le « principe de désordre élémentaire », qui lui a permis de dériver la loi de Wien à partir d'un certain nombre d'hypothèses sur l'entropie d'un oscillateur idéal, créant ce qui était désigné comme la loi de Wien–Planck. Il a bientôt été constaté que les preuves expérimentales ne confirmaient pas du tout la nouvelle loi, à la frustration de Planck. Planck a révisé son approche, dérivant la première version de la célèbre loi du rayonnement du corps noir de Planck, qui décrivait bien le spectre du corps noir observé expérimentalement. Elle a d'abord été proposée lors d'une réunion de la DPG le 19 octobre 1900 et publiée en 1901. Cette première dérivation n'incluait pas la quantification de l'énergie et n'utilisait pas la mécanique statistique, à laquelle il était réticent. En novembre 1900, Planck a révisé cette première approche, s'appuyant sur l'interprétation statistique de Boltzmann de la deuxième loi de la thermodynamique comme moyen d'acquérir une compréhension plus fondamentale des principes derrière sa loi du rayonnement. Comme Planck était profondément sceptique quant aux implications philosophiques et physiques d'une telle interprétation de l'approche de Boltzmann, son recours à celle-ci était, comme il l'a dit plus tard, « un acte de désespoir ... J'étais prêt à sacrifier n'importe laquelle de mes convictions antérieures sur la physique ».
L'hypothèse centrale de sa nouvelle dérivation, présentée à la DPG le 14 décembre 1900, était la supposition, maintenant connue sous le nom de postulat de Planck, que l'énergie électromagnétique ne pouvait être émise que sous forme quantifiée, en d'autres termes, l'énergie ne pouvait être qu'un multiple d'une unité élémentaire :
où h est la constante de Planck, également connue sous le nom de quantum d'action de Planck introduite déjà en 1899, et ν est la fréquence du rayonnement. Notez que les unités élémentaires d'énergie discutées ici sont représentées par hν et non simplement par ν. Les physiciens appellent maintenant ces quanta des photons, et un photon de fréquence ν aura sa propre énergie spécifique et unique. L'énergie totale à cette fréquence est alors égale à hν multiplié par le nombre de photons à cette fréquence.
Au début, Planck considérait que la quantification était seulement « une hypothèse purement formelle ... en réalité, je n'y ai pas beaucoup réfléchi ... » ; aujourd'hui, cette hypothèse, incompatible avec la physique classique, est considérée comme la naissance de la physique quantique et le plus grand accomplissement intellectuel de la carrière de Planck. Ludwig Boltzmann avait discuté dans un article théorique en 1877 de la possibilité que les états énergétiques d'un système physique puissent être discrets. La découverte de la constante de Planck lui a permis de définir un nouvel ensemble universel d'unités physiques telles que la longueur de Planck et la masse de Planck, toutes basées sur des constantes physiques fondamentales sur lesquelles une grande partie de la théorie quantique est basée. En reconnaissance de la contribution fondamentale de Planck à une nouvelle branche de la physique, il a reçu le prix Nobel de physique pour 1918, qu'il a effectivement reçu en 1919.
Par la suite, Planck a essayé de saisir le sens des quanta d'énergie, mais sans succès. « Mes tentatives infructueuses de réintégrer le quantum d'action dans la théorie classique se sont étendues sur plusieurs années et m'ont causé beaucoup de problèmes. » Même plusieurs années plus tard, d'autres physiciens comme Rayleigh, Je
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