La Lettre de l'Académie des sciences n°35-36

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La Lettre
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Tous les efforts des plus grands physiciens de l’époque pour
comprendre ces observations avaient échoué, et Planck
dut avoir recours à une hypothèse radicale : les échanges
d’énergie entre lumière et matière se font non pas de façon
continue, comme l’électrodynamique classique le décrit,
mais par grains élémentaires d’énergie proportionnelle à la
fréquence de la lumière.
C’est une hypothèse encore plus révolutionnaire que va
faire Einstein dans un article de 1905 : non seulement
les échanges entre lumière et matière se font de façon
discontinue, par paquets élémentaires, mais le rayonnement
lui-même est formé de grains élémentaires d’énergie, des
LichtQuanten, dont la valeur Eq s’exprime à l’aide de la
constante h introduite par Planck, et est proportionnelle à
la fréquence ν de la lumière (Eq = hν ). L’année 1905 est une
année miraculeuse pour Einstein, qui vient de découvrir la
relativité restreinte, ce qui l’amène à conclure que les quanta
de lumière ont également une quantité de mouvement,
qui vaut p = hν /c. Cette hypothèse des quanta de lumière
est reçue négativement par les physiciens de l’époque
(voir l’excellent livre « Einstein and the quantum », par A.
Douglas Stone, Princeton University Press, 2013). Il faut
bien dire que mis à part quelques observations de Hertz
sur l’effet photoélectrique, peu de faits expérimentaux
requièrent la quantification du rayonnement. Il faudra quinze
ans pour que le grand expérimentateur Millikan fasse des
mesures précises de l’effet photoélectrique qui confirment,
en contradiction avec son intuition initiale, la justesse de
l’hypothèse d’Einstein. Et c’est en particulier pour cette
explication de l’effet photoélectrique qu’Einstein recevra le
prix Nobel de 1921.
La réticence des physiciens face aux quanta de lumière
d’Einstein est facile à comprendre. Le 19e siècle avait vu le
triomphe du modèle ondulatoire de la lumière, développé par
Young et Fresnel, contre le modèle corpusculaire de Newton,
qui prévalait depuis plus d’un siècle. Étudiant les phénomènes
d’interférence, de diffraction, de double réfraction, ils avaient
montré qu’on ne peut les interpréter qu’en admettant que la
lumière est une onde. La nature de cette onde est encore