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D'où vient la théorie quantique?
Tout a commencé, pas comme une idée loufoque,mais avec une lampe. Dans le début des années 1890s, l'office
Allemand des normes, demande à Max Planck de trouver une façon de rendre les lampes plus efficaces,
pour qu'elles éclairent un maximun en dépensant un minimum d'énergie.
La première tâche à laquelle Planck a du faire face était prévoir combien de lumière est émise par un filament chaud .
Il savait que la lumière consiste en ondes électromangétiques, chaque coleur correspondant à
une fréquence différente. Le but était d'assurer qu'un maximum de
lumière visible soit émise, et non pas dans l'ultraviolet ou infrarouge.
Il a essayé de trouver combien de lumière de chaque couleur un objet chaud émet, mais ses prévisions,
basées dans la théorie électromagnétique, étaient tojours en désaccord avec les expériences.
Dans qu'il aura appelé plus *** un “acte de désespoir,” il a jetté
la théorie par la fênetré et est réparti depuis les données expérimentales. Celles-ci l'ont pointé dans la diréction
d'une nouvelle règle de la physique: les ondes de lumière transportent de l'énergie seulement en paquets, la lumière à haute fréquence
consistant en grands paquets d'énergie et et celle à basse fréquence en petits paquets
d'énergie.
L'idée que la lumière vient en petit paquets, ou "quanta", peut sembler folle, et ça l'était à l'époque,
mais Einstein l'a très vite reliée à un problème plus familier: paratager.
Si on veut rendre un enfant heureux... on lui donne un biscuit! Mais s'il y a deux enfants, et qu'on a
qu'un biscuit, on arrivera qu'a les rendre heureux à moitié. Et s'il y a
quatre, huit ou cent soixante mil, ils seront pas du tout heureux
s'il doivent tous partager un seul biscuit.
En fait, si on a un nombre infini d'enfants dans une chambre, mais un nombre fini de biscuits
si on partage les biscuits de façon égale, chaque enfant n'aura qu'un morceau infinitésimalement petit
et aucun d'entre eux sera content. Et ils auront quand même mangé le biscuit!
La différence entre les ondes de lumière et les enfants est qu'il ne peut pas y avoir une infinité
d'enfants dans une chambre. Cependant, la lumière peut avoir n'importe quel taille, ce qui veut dire qu'on peut avoir de la lumière arbitrairement
petite, c'est-à-dire, on peut avoir une infinité d'ondes de lumière dans une chambre. Et alors les ondes
mangeraient tous les biscuits… Je veux dire, toute l'énergie.
Même que toutes ces ondes infinitésimales mises ensemble pourraient absorber un quantité illimitée
d'ènergie, et elles suceraient la chaleur de tout ce qu'on pourrait mettre dans la chambre… instantanément
ça glacerait un thé, le soleil, et même une supernova.
Heureusement, l'univers ne marche pas comme ça… car, comme Planck l'a déviné, les petites ondes à
haute fréquence peuvent seulement porter de l'énergie dans des paquets immenses. C'est comme des enfants têtus
qui acceptent que trente-sept biscuits, ou cent soixante-deux mille biscuits,
pas plus et pas moins. Parce qu'elles sont tellement chipoteuses, les ondes à haute fréquence perdent,
et la plupart de l'énergie est prise dans des petits paquets à basse fréquence, qui acceptent
de partager. Cette énergie moyenne contenue dans les paquets est en fait ce qu'on entend par
temperature.
Alors une temperature plus haute veut dire une énergie moyenne plus élevée, et selon la règle de Planck,
une lumière à fréquence plus haute est émise. C'est pour cette raison que quand on chauffe un objet il émet d'abord de la lumière
infrarouge, puis rouge, jaune, blanche, de plus en plus chaud jusqu'au bleu, violet, ultraviolet…
et ainsi de suite.
Plus précisement, la théorie quantique de Planck de la lumière têtue nous dit que les filaments incandescents
doivent être à une temperature de 3200 Kelvin pour que la plupart de la lumière soit émise
en tant qu'ondes visibles - plus chaud que ça, et on commencerait à bronzér à cause de la lumière ultraviolette.
En fait, nous étions face-à-face avec la physique quantique bien avant la première lampe et
les premiers bancs solaires: les humains font du feu depuis des milénaires, avec la couleur du feu
qui disait "quantum" depuis tojours.