Une brève histoire quantique de l’ampoule d’éclairage

Des ordinateurs d’une puissance inimaginable, des codes de cryptographie inviolables, des capteurs ultraprécis. La technologie quantique évoque des choses exotiques. Mais même si nous apprenons de nouvelles manières de maîtriser les propriétés quantiques de l’univers, la vérité est que le monde a toujours été quantique.

L’ampoule d’éclairage a beau être une icône d’une vieille invention, c’est une technologie quantique. Et son histoire peut être vue comme une histoire de la science, où de petits problèmes peuvent conduire à de grandes percées et où de petites observations réservées à des initiés peuvent avec le temps éclairer le monde entier.

L’ampoule d’éclairage et l’avènement du monde quantique

Les premières ampoules d’éclairage étaient incandescentes. C’est le mot que les physiciens emploient pour dire qu’elles émettent de la lumière parce qu’elles sont chaudes.

En fait, tous les objets chauds émettent de la lumière. Chauffez quelque chose — de l’ambre, du verre, de l’argile, de l’acier, le petit filament d’une ampoule d’éclairage, n’importe quoi — à 800 °C, et cette chose émettra de la lumière rouge. Chauffez-la à 1 100 °C, et elle émettra de la lumière jaune. Et à 1 300 °C, de la lumière blanche.

Pourquoi est-ce que tout objet chauffé à la même température émet une lumière de la même couleur? Les physiciens adorent les bonnes questions phénoménologiques, et celle-ci faisait fureur à la fin du XIX^e siècle.

Selon les meilleurs modèles scientifiques de l’époque, l’énergie de la lumière émise devait être également répartie sur toutes les fréquences. Cela semblait raisonnable, mais entraînait comme prédiction un non-sens. À mesure que les fréquences augmentent, elles sont plus rapprochées les unes des autres. Si chaque fréquence avait un quota égal d’énergie, la région des hautes fréquences aurait alors davantage d’énergie, au point où un simple grille-pain produirait une lumière ultraviolette aveuglante et des rayons X mortels.

Ce n’est pas ce qui se passe — tant mieux pour les amateurs de pain grillé, mais tant pis pour la physique du XIX^e siècle. Ce problème est connu sous le nom de catastrophe ultraviolette.

C’est là que Max Planck est entré en scène. Contrairement à la plupart des scientifiques d’exception, ce n’était pas un jeune penseur. Dans la quarantaine, il était titulaire d’un poste confortable à l’Université de Berlin et membre de l’Académie de Prusse. C’était un chef de file de la thermodynamique, branche de la physique qui définit la relation entre la chaleur et d’autres formes d’énergie. La catastrophe ultraviolette aurait dû entrer dans son domaine de compétence, mais comme tous les autres scientifiques, Planck n’arrivait pas à concevoir un modèle qui puisse fonctionner.

Comme tous les autres, il s’est débattu avec ce problème pendant des années. Planck s’était bâti une carrière en clarifiant les subtilités du second principe de la thermodynamique, selon lequel l’entropie augmente toujours. Planck croyait que ce second principe était rigoureusement valable dans toutes les circonstances, mais à l’époque tous n’étaient pas de cet avis.

Ludwig Boltzmann avait élaboré un modèle de la chaleur dans les gaz où il découpait ceux-ci en molécules, puis considérait leur position et leur vélocité moyennes en utilisant des statistiques. Il avait même écrit une version statistique du second principe de la thermodynamique, dans laquelle l’entropie augmente en moyenne, mais peut diminuer momentanément en raison de fluctuations temporaires. Planck n’aimait pas ce modèle. Il n’était même pas convaincu de l’existence d’atomes et de molécules.

C’est donc probablement en désespoir de cause que Planck s’est tourné vers la méthode de Boltzmann pour s’attaquer à la catastrophe ultraviolette. Comme Boltzmann avait découpé les gaz en atomes, Planck a découpé l’énergie en paquets, puis il a utilisé la méthode statistique de Boltzmann pour calculer jusqu’à quel point ces paquets pouvaient être petits. Il s’avéra que ces paquets devaient en effet avoir une taille minimale.

C’était — et c’est encore — la solution de la catastrophe ultraviolette : l’énergie n’est pas également répartie entre toutes les fréquences, parce qu’on ne peut pas la répartir de manière uniforme. Aux échelles très petites, elle se présente en paquets que Planck a appelés des quantums — le mot latin quantum signifie paquet. Ce fut le début de la mécanique quantique.

Chaque fois que vous allumez une ampoule à incandescence, vous éclairez le pont entre le XIX^e siècle et l’ère quantique.

Les lampes fluorescentes : de nouvelles raies de lumière

Les lampes fluorescentes incarnent un principe quantique totalement différent : celui des raies spectrales. Lorsque la lumière traverse un prisme de verre, elle est décomposée en ce que la plupart d’entre nous appelons un arc-en-ciel et que les scientifiques appellent un spectre. Au début du XIX^e siècle, un jeune opticien du nom de Joseph von Fraunhofer étudiait cet effet lorsqu’il a découvert une chose qui allait infléchir le cours de la science pour les siècles à venir.

La succession d’événements qui a permis à Fraunhofer de faire sa découverte est si improbable qu’on dirait un conte de fées. Benjamin d’une famille de verriers, Joseph est devenu orphelin à l’âge de seulement 11 ans. Ses tuteurs l’ont envoyé en apprentissage dans une prestigieuse fabrique de vases et de miroirs décoratifs. Mais le jeune Joseph détestait sa situation parce qu’elle n’était pas intéressante sur le plan scientifique et qu’il n’avait pas le droit de poursuivre ses études ou de lire des ouvrages d’optique. Cela aurait pu être la fin de l’histoire — encore un esprit talentueux victime de la pauvreté et de la malchance —, mais l’atelier où il travaillait s’est effondré… alors qu’il était à l’intérieur.

Il se trouve que nul autre que le prince Maximilien IV de Bavière a participé au sauvetage de Joseph. Grâce au soutien du prince Maximilien, l’adolescent a pu quitter l’atelier et acheter de nouveaux outils. Fraunhofer est devenu chercheur, producteur de lentilles de télescope et expert de la réfraction de la lumière.

Pour faciliter ses recherches, Fraunhofer a inventé un réseau de diffraction qui séparait les couleurs d’une manière plus fiable qu’un prisme. Il voulait produire de manière constante une couleur précise, afin de pouvoir en étudier la diffraction dans divers types et formes de verre. Mais en cartographiant les couleurs de la lumière solaire, il a découvert quelque chose de totalement nouveau : une série de raies sombres, réparties sur le spectre comme un code à barres imprimé sur un arc-en-ciel. Ces raies ont pris plus tard le nom de raies de Fraunhofer.

Comme la plupart des verriers, Fraunhofer est mort jeune, empoisonné par les toxines des métaux lourds qu’il manipulait. Mais les raies de Fraunhofer lui ont survécu. Elles ont fait l’objet d’études rigoureuses et, en 1860, Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen en ont finalement percé le secret. Ils ont découvert que lorsque la lumière traverse un gaz qui contient par exemple du fer, le gaz absorbe certaines bandes précises de lumière bleue et verte, ce qui crée des raies noires dans le spectre. Si l’on brûle le même gaz, on obtient des raies de ces mêmes couleurs. Chaque élément possède ainsi un code à barres — un ensemble de raies spectrales — qui lui est propre.

Tout d’un coup, on pouvait se servir des raies spectrales pour déterminer la composition d’objets, y compris celle du Soleil! Mais il a fallu encore 50 ans et une révolution scientifique avant de comprendre pourquoi chaque élément possède un code à barres de raies spectrales qui lui est propre.

En 1913 — presque 100 ans après la cartographie des raies de Fraunhofer —, Niels Bohr a présenté le premier modèle quantique de l’atome. Selon ce modèle, les électrons font des « sauts quantiques » d’un niveau d’énergie à un autre, émettant ou absorbant du même coup de la lumière de certaines longueurs d’onde. Cet ensemble de niveaux d’énergie et de transitions de l’un à l’autre donne à chaque élément le jeu de raies spectrales qui lui est propre.

Ce code à barres est donc quantique, ce qui nous ramène à l’éclairage fluorescent. Dans une lampe fluorescente, une source produit un rayonnement ultraviolet. L’intérieur de la lampe possède un revêtement de phosphore qui, en absorbant ce rayonnement ultraviolet, fait sauter ses électrons de plusieurs crans à des niveaux d’énergie très élevés. Lorsque les électrons redescendent de ces niveaux d’énergie, ils émettent un ensemble de différentes couleurs de lumière, qui ajoutées les unes aux autres forment une lumière blanche.

Chaque fois que vous allumez une lampe fluorescente, vous utilisez une technologie dont les racines remontent à un jeune chercheur méticuleux qui avait remarqué quelque chose d’étonnant.

DEL : Racines et branches quantiques

En 1900, Planck a émis l’hypothèse que la lumière vient en paquets appelés quantums. En 1905, Einstein a défini comment les électrons peuvent absorber ou émettre de tels paquets de lumière par le truchement de l’effet photoélectrique. En 1916, Bohr a réuni ces 2 idées pour créer le premier modèle quantique de l’atome. Ensemble, ces 3 découvertes forment ce que l’on appelle l’« ancienne mécanique quantique ».

La physique était sens dessus dessous, mais elle n’était pas la seule. De 1914 à 1918, le monde occidental a été plongé dans la Première Guerre mondiale. L’un des soldats participant à cette guerre était un étudiant français issu d’une famille aristocratique, Louis Victor Pierre Raymond de Broglie, qui allait devenir le 7^e duc de Broglie. Lorsque la guerre a éclaté, il s’est joint à l’armée française et est devenu radiotélégraphiste, posté à la tour Eiffel — point de repère doublé d’une tour de transmission.

Le jeune Louis — et peut-être avec lui la physique — a eu la chance d’éviter l’horreur des tranchées. Il a fini par bien connaître les ondes radio et leurs problèmes techniques. Il a eu le temps et la possibilité de faire des lectures sur la physique moderne et d’apprendre que la lumière peut être à la fois une particule et une onde.

De Broglie a survécu à la guerre et s’est mis à l’étude de la physique. Dans une thèse de doctorat révolutionnaire, il a affirmé que, tout comme la lumière peut avoir les propriétés corpusculaires de la matière, la matière — plus précisément les électrons – peut avoir les propriétés ondulatoires de la lumière.

La matière, une onde? Étonnant mais vrai. La nouvelle mécanique quantique était née. Les choses se sont ensuite développées rapidement : Dirac et son équation d’onde; Heisenberg et Schrödinger avec leur formulation de la mécanique ondulatoire; Bloch et sa théorie quantique de l’état solide, sur laquelle Schottky a fondé ses modèles des étranges propriétés conductrices et isolantes de matériaux maintenant appelés semiconducteurs.

Puis des ingénieurs (et d’autres physiciens) ont exploité les propriétés quantiques des semiconducteurs pour concevoir divers dispositifs, dans une vague d’innovation qui a duré des décennies. L’un de ces dispositifs est la diode électroluminescente, en abrégé DEL.

Les lampes à DEL se situent à l’extrémité d’une branche du grand arbre de l’innovation technologique enraciné dans la physique théorique. Les racines de cet arbre ont elles aussi de profondes ramifications, faites de scientifiques célèbres ou obscurs, de moments de génie et de petites observations. Les dispositifs d’éclairage ne sont pas seuls : presque toute la technologie du siècle dernier est issue de la recherche fondamentale — recherche dont les bénéfices ne sont au départ ni évidents ni immédiats.

Nous savons tout cela. Mais il est parfois intéressant de réfléchir à l’histoire de la science qui est au bout de nos doigts lorsque nous allumons une lampe.