De quoi la matière est-elle faite?

 Les philosophes de la Grèce antique s'interrogeaient déjà sur l'organisation de la matière. Pour Thalès, tout est eau alors que pour Héraclite le feu est l'élément primitif.  Pour Anaximandre, le monde infini contient en lui-même les contraires. La naissance est leur séparation, la mort, leur union. Au Vème siècle av. J.C., le philosophe Démocrite concevait la matière comme étant faite de particules très petites et indivisibles, qui se meuvent dans le vide. Il nomma ces particules des atomes.

 Mais les philosophes ne pouvaient avancer que des hypothèses purement imaginaires. A partir du XVIIIème siècle, l'expérimentation permettra le développement prodigieux des connaissances.

 Les résultats d'une longue enquête commencée par Faraday au début du XIXème siècle et poursuivie par de nombreux chercheurs, ont conduit les scientifiques à admettre que la matière, comme l'imaginait Démocrite, est bien composée d'atomes avant même que la première preuve expérimentale directe de sa structure granulaire soit faite à la fin du XIXème siècle. Les premières expériences sont réalisées avec un matériel simple, par des chercheurs isolés, dont les connaissances embrassaient l'ensemble du savoir de leur époque. Des instruments souvent très complexes et onéreux seront progressivement mis au point et utilisés par des équipes spécialisées. Les innovations techniques, les expériences et les observations qu'ils ont permis et permettront de réaliser donnent de la structure de la matière une conception qui évolue avec le temps.

L'atome de Bohr

 Toute matière, minérale ou organique, la plus petite parcelle qui soit, un grain de sable par exemple, est formée d'un assemblage d'atomes. Pour donner une idée de l'organisation des particules à cette échelle, imaginons que l'on puisse observer notre grain de sable avec un grossissement tel qu'il atteindrait un diamètre d’un million de kilomètres, trois fois la distance de la terre à la lune. Que verrait-on ? A première vue, rien. L'espace semblerait vide. Une observation plus attentive cependant nous permettrait de voir, par places, des petits "paquets" de 1 cm distants d'environ un kilomètre. Ce sont les noyaux des atomes.  Autour de chaque noyau, sur des orbites éloignées les unes des autres, tournent des particules minuscules, les électrons. Ce sont les premiers éléments des atomes qui ont été mis en évidence par Joseph John Thomson vers 1900.

 L'atome le plus simple est l'atome d'hydrogène. Il possède un électron. C'est une charge négative gravitant autour du noyau formé d'un proton qui est une charge positive. L'atome a donc au total une charge électrique neutre. Les autres éléments, beaucoup moins répandus, comprennent un nombre de plus en plus élevé d'électrons. L'atome naturel le plus complexe est celui de l'uranium. Il possède 92 électrons neutralisés dans le noyau par 92 protons. On ne trouve pas dans la nature d'atomes contenant plus de 92 protons. Les scientifiques ont pu en fabriquer (le plus lourd a 112 protons), mais ces atomes sont instables et la durée de leur existence est plus au moins longue.  .

 Le savant Niels Bohr suggéra, en 1913, que les électrons ne tournaient pas à n'importe quelle distance du noyau central mais étaient placés sur des orbites dont les rayons ont des proportions bien définies, chaque orbite ne pouvant recevoir qu'un nombre déterminé d'électrons. Lorsque l'électron reste sur une orbite il n'émet pas d'énergie. Si on lui en fournit sous forme d'un rayonnement de photons, qui sont les plus petites particules de lumière, il passe sur une orbite de niveau supérieur. Il émet de l'énergie s'il retombe sur un niveau inférieur. Fait étrange, ces passages d'une orbite à l'autre se font par saut, sans transition, comme si l'électron disparaissait.

Une structure qui se complique

 En février 1932, dans la revue Nature, Chadwick annonce sa découverte : le noyau qui semblait formé de protons en nombre égal à celui des électrons périphériques, est un espace où d'autres particules, sans charge électrique, les neutrons, sont également en mouvement. Les scientifiques pensaient alors que la matière, avec sa variété infinie d'apparences, était formée de 3 particules : l'électron, le proton et le neutron. Depuis, c'est près d'une centaine de particules de matière et d'antimatière qui ont été découvertes. 

 Les particules d'antimatière et les particules de matière ont les mêmes propriétés physiques, seule leur charge électrique est inversée. Lorsqu'elles se rencontrent, la matière et l'antimatière se transforment en énergie. L'antimatière est extrêmement rare. On ne la détecte que dans les rayons cosmiques formés essentiellement de protons et d'électrons de très haute énergie qui nous parviennent des confins de notre galaxie et dans les accélérateurs de particules. Ces outils des physiciens sont des tunnels en forme d'anneaux de plusieurs kilomètres de diamètre dans lesquels on fait le vide. On projette l'une contre l'autre, de plein fouet, des particules auxquelles on a fourni une énorme énergie et on observe la trace de celles qui naissent sous le choc. En septembre 1995, au Centre européen pour la recherche nucléaire (le CERN) à Genève, neuf atomes d'antihydrogène ont été créés. Leur existence a été brève - quarante milliardièmes de seconde environ - mais leur vitesse de déplacement étant proche de celle de la lumière, ces anti-atomes ont pu parcourir une dizaine de mètres et être détectés.  

 En 1988, le prix Nobel de physique fut attribué à trois américains Léon Lederman, Melvin Schwartz et Jack Steinberger pour leurs travaux sur des particules bien étranges, proches du néant, les neutrinos. Ils n'ont pas de charge électrique. Leur masse est très faible ou nulle. Leurs propriétés leur permettraient de traverser d'importantes épaisseurs de matière.

 Face à la complexité croissante des découvertes sur la structure de la matière, les physiciens ont d'abord effectué un classement des particules, puis ils ont souhaité et cherché une simplification. Toutes ne seraient-elles pas composées de quelques éléments fondamentaux, encore plus petits ? Ainsi a été postulée l'existence de 12 particules qui se répartissent en deux branches : six leptons dont font partie l'électron et le neutrino et six quarks baptisés poétiquement Up, Down, Strange, Charm, Beauty et Truth, détecté en 1995 après que les physiciens aient provoqué plus d'un milliard de collisions.

 Les quatre forces

 Les particules découvertes sont très nombreuses et pourtant les distances qui les séparent sont si grandes que, si nous pouvions discerner la construction de la matière au niveau moléculaire, nous serions pris de vertige devant le vide. Si toutes les particules de l'Univers étaient compressées, leur volume serait approximativement celui d'un paquet de sucre et pèserait quelque deux cents milliards de milliards de milliards de milliards de tonnes.  Pourquoi, si la matière est constituée essentiellement de vide, nous ne pouvons pas, comme le personnage d'un roman de Marcel Aymé, le Passe-Muraille, traverser les murs ?  C'est parce que des forces qui s'exercent entre les particules rendent celles-ci solidaires les unes des autres.

 L'aiguille aimantée qui s'oriente vers le pôle nord est placée dans cette direction par une force, la force magnétique. De fines feuilles de plastique, des débris de papier, de tissu se collent les uns aux autres attirés par la force électrique. Ces deux forces sont indissociables. Elles constituent la force électromagnétique qui maintient les électrons autour de leur noyau. C'est elle également qui assemble des atomes d'éléments différents pour construire des molécules puis des chaînes de molécules qui s'associeront pour former l'infinie variété des corps qui existent dans l'Univers.

 Des charges électriques contraires s'attirent. Elles se repoussent lorsqu'elles sont semblables. C'est le cas des protons positifs. La force nucléaire forte les maintient avec les neutrons dans le noyau, à condition que leur nombre soit dans des rapports bien déterminés. Si ces rapports ne sont pas respectés, le noyau instable explose : c'est la radioactivité.

 Peu d'éléments sont indéfiniment stables. Certains se sont désintégrés très vite, à la naissance de l'Univers. D'autres vivront des milliards d'années. La force nucléaire faible provoque cette désintégration.

 Les planètes du système solaire, les étoiles, sont constituées de l'agglomération d'atomes. Leur masse énorme permet à une quatrième force, la gravitation, de se manifester, opposée à celle créée par le mouvement de ces corps massifs acquis à leur origine. Leur action place les planètes en orbite autour de notre soleil, les étoiles autour du centre de leur galaxie, les galaxies étant elles-mêmes en mouvement les unes par rapport aux autres.

 Ces quatre forces sont le ciment de l'Univers. Elles donnent à la matière sa cohésion. 

La lumière

 Quoi de plus naturelle et de plus simple que la lumière qui nous éclaire ? Celle du soleil, de l'ampoule électrique ? Et pourtant, ce phénomène se révèle encore bien mystérieux. "Nous saurions beaucoup de choses si nous savions ce qu'est un rayon lumineux " affirmait Louis de Broglie, prix Nobel de physique en 1929. Aujourd'hui, tout le mystère n'est pas complètement résolu.

 Aristote pensait que les objets exposés à une source de lumière devenaient instantanément lumineux. Vingt siècles plus tard, Descartes défendait encore la propagation instantanée de la lumière. En 1676, l'astronome danois Olaüs Römer prouva, par ses observations, que la lumière voyage à une vitesse finie qu'il évalua être proche de 300 000 km par seconde.

 Cette vitesse, pour nous, est fantastique. En une seconde, la lumière parcourt une distance égale à 7,5 fois le tour de la Terre. Mais elle ne nous parvient du soleil, dont la distance moyenne à la terre est environ de 150 millions de km, qu'après 8 minutes. L'étoile la plus proche du Soleil, Proxima, nous apparaît telle qu'elle était il y a 4,2 années, la galaxie la plus proche, Andromède, telle qu'elle était il y a 2,3 millions d'années et les quasars, points lumineux aux confins de l'Univers, tels qu'ils étaient il y a une dizaine de milliards d'années, quand le Soleil et la Terre n'étaient pas encore nés. Regarder de plus en plus loin, avec les télescopes, c'est remonter de plus en plus dans le passé.

 La lumière, onde ou flot de corpuscules ?

 Isaac Newton avançait que la lumière est constituée de corpuscules. Il expliquait par exemple le phénomène de réflexion sur un miroir par le fait que ces corpuscules qui la constituent rebondissent sur sa surface. Il énonça l'ensemble de ses vues dans son traité l'Optique publié en 1703. Son contemporain Christian Huyghens  soutenait de son côté que la lumière est une sorte d'onde. Il expliquait sa théorie dans son Traité de la lumière publié en 1691.

 Si l'on jette une pierre dans un étang, des vagues se propagent à la surface de l'eau. On peut suivre du regard leur mouvement et avoir ainsi l'exemple d'une onde. Une onde, comme le mouvement de la vague, transmet une énergie, une information, qui se déplace depuis le point de chute de la pierre sur toute la surface de l'étang. Le support de l'onde, ici l'eau, est l'agent de transmission. Un bouchon flottant sur l'eau n'est pas transporté par l'onde d'un bout à l'autre de l'étang. L'eau ne se déplace pas horizontalement. L'onde seule se déplace et entraîne le bouchon dans un mouvement vertical plus ou moins important selon le volume et le poids de la pierre jetée. Par moments, le bouchon est au sommet de la vague puis il descend dans un creux. La mesure de la valeur maximum de ce mouvement est l'amplitude de l'onde, la distance entre deux crêtes, sa longueur.

 La théorie corpusculaire de Newton a d'abord supplanté la théorie ondulatoire. Mais, en 1804, le physicien anglais Thomas Young publia les résultats d'une expérience qui le rendit célèbre.

 L'expérience des deux fentes

 Le dispositif utilisé par Young était simple. Devant une surface plane percée de deux fentes, proches l'une de l'autre, est située une source lumineuse. Derrière cette surface est placé un écran. Lorsque la lumière traverse les deux fentes et rencontre l'écran, on observe sur celui-ci une série de raies verticales, alternativement sombres et claires. Thomas Young appela ce phénomène interférences lumineuses. Il en tira la conclusion que la lumière se propage comme une onde.

 L'idée de Young fut d'abord tournée en ridicule. Les travaux entrepris par Augustin Fresnel à partir de 1815 permirent de conforter cette théorie et d'expliquer tous les aspects du comportement ondulatoire de la lumière.

 Dans la deuxième moitié du XIXème siècle, James Clerk Maxwell montra que les phénomènes de l'électricité et du magnétisme pouvaient se comprendre à partir de quatre équations et que ces équations admettent des solutions qui correspondent à des ondes combinant un champ électrique et magnétique se propageant à la vitesse de la lumière. Dès lors, celle-ci fut identifiée à une onde électromagnétique ne différant des autres ondes (comme les ondes radio par exemple) que par leur fréquence  - le nombre de vibrations par seconde -  beaucoup plus élevée. 

L'éther, support de l'onde lumineuse ?

 A la surface de l'étang, l'eau est le support qui transmet le mouvement ondulatoire de la vague. Puisque la lumière est une onde électromagnétique, quel élément permet à cette onde de se propager ? On fit appel à une substance appelée "éther" qui devait être présente partout dans l'espace. 

 En 1887, Albert Michelson et Edward Morley firent une expérience très minutieuse. Si la Terre se déplace dans cette substance appelée éther, la vitesse de la lumière mesurée dans la direction du soleil, devrait être plus élevée que celle mesurée dans une direction perpendiculaire, de même qu'à la surface de l'étang, si l'on se dirige vers le point de chute de la pierre les vagues avancent plus rapidement vers nous que si on se déplace dans une direction perpendiculaire. A leur grande surprise, Michelson et Morley trouvèrent deux valeurs exactement identiques. Il y eut, entre 1887 et 1905, plusieurs tentatives pour expliquer les résultats de cette expérience. Un Irlandais George Fitzgerald avança une explication qui parut scandaleuse : la pression du vent d'éther comprime la matière. Un physicien hollandais, Lorentz, exprima cette hypothèse en termes mathématiques. Sa formulation devint célèbre sous le nom de "transformation de Lorentz".

Les quanta d'énergie

 Jusqu'en 1900, les physiciens pensaient que les électrons émettent leur énergie régulièrement jusqu'à ce qu'ils soient épuisés. En 1901, le physicien allemand Max Planck introduit l'idée qu'ils émettent ou absorbent de l'énergie par paquets qu'il appela «quanta» . Il découvre aussi la constante qui porte son nom. On emploie ce nombre pour calculer la taille des paquets d'énergie de chaque fréquence.

 A la même époque, Einstein, étudiant le phénomène le  plus mystérieux de la physique de cette époque, l'effet photoélectrique, propose un retour à la théorie corpusculaire. Il avance que l'échange d'énergie - ou interaction - entre un rayonnement lumineux et les électrons de la matière se fait par processus élémentaires indivisibles où le rayonnement apparaît comme constitué de corpuscules, les photons. Un photon est un quantum de lumière. Chaque photon possède une énergie proportionnelle à la fréquence qui lui est associée.

 Albert Einstein fait remarquer également que l'idée d'éther est inutile pourvu que l'on abandonne l'idée de temps absolu. Ce qui signifiait qu'une durée mesurée sur terre n'a pas la même valeur que celle qui pourrait être mesurée par un observateur - imaginaire évidemment -  placé à un autre point de l'Univers. et soumis à une vitesse de déplacement différente, hypothèse qui avait déjà été formulée par le mathématicien français Henri Poincaré. Einstein n'était pas sans pressentir à cette époque de profonds bouleversements qui devaient être une véritable révolution dans le monde scientifique.

 Je suis convaincu que la prochaine phase dans le développement de la physique nous amènera à une théorie de la lumière susceptible d'être interprétée comme une sorte de fusion des théories ondulatoires et corpusculaires. (Propos d'Einstein en 1909, cités par Abraham Pais dans Subtle is the Lord)

 Ce fut peut-être l'hypothèse la plus audacieuse du siècle.

 Principe de complémentarité

 Joseph John Thomson avait photographié les trajectoires d'électrons traversant un dispositif appelé "chambre de Wilson", On constate, en réalisant cette expérience, que l'électron est une particule qui laisse une trace de son passage.

 L'expérience de Young a été réalisée avec un faisceau d'électrons. L'une des deux fentes, la gauche, par exemple. est d'abord fermée. Un électron est envoyé. Il passe par la seule fente ouverte, à droite, et rencontre l'écran. Connaissant son origine et sa direction, il est possible de prédire exactement le point d'impact sur l'écran. La fente de gauche est ensuite ouverte et on suit la trajectoire d'un nouvel électron envoyé dans la direction de la fente de droite restée également ouverte. Ce deuxième électron devrait heurter l'écran au même endroit que le premier. Or ce n'est pas du tout ce qui se passe. Le deuxième électron vient frapper l'écran à un autre endroit.

 L'expérience est poursuivie. Les électrons sont expédiés un par un, sans viser l'une ou, l'autre fente. Au bout d'un certain temps, on constate que l'accumulation des impacts des électrons sur l'écran reforme progressivement la trame d'interférence. (d'après Conversations avec le Sphinx, Les paradoxes en physique, Etienne Klein, Albin Michel)  .

 Les expériences conduisaient donc les physiciens à une constatation surprenante : les électrons, reconnus être des particules, produisent aussi des interférences, phénomène propre aux ondes. Et la lumière, qui donne lieu au phénomène d'interférence particulier aux ondes est, dit Einstein, constituée de particules, les photons. Des expériences renouvelées par la suite des centaines de fois ont abouti à la conclusion que, selon la façon dont l'expérience est conduite, la lumière se comporte comme une onde ou comme un flot de particules. En 1927, le physicien danois Niels Bohr, prix Nobel de physique, énonça le principe de complémentarité pressenti par Einstein. La lumière a une double nature, corpusculaire et ondulatoire.

 Il n'y a là de contradiction, explique-t-il, que si on suppose la réalité physique entièrement exprimée par l'image de l'onde ou celle de la particule. Il faut comprendre qu'on a affaire à deux phénomènes différents pour exprimer les phénomènes lumineux. Il est nécessaire d'user de deux langages différents mais il n'y a là rien de contradictoire.

 C'est une conclusion paradoxale dans notre système de logique, comme si on reconnaissait que le bouchon qui est un objet flottant à la surface de l'étang pouvait être assimilé à l'onde qui se propage. Cette contradiction a du être admise et élargie en vérité scientifique : dans la structure subatomique de la matière, une particule peut se comporter comme une onde, une onde peut se comporter comme une particule. C'est une constatation déroutante mais la nature est ainsi faite.  L'emploi du mot "particules" dans le modèle de l'atome est une impropriété si l'on donne à ce mot le sens de "grains" infiniment petits. La première image de l'atome, le modèle de Bohr, semblable à un système planétaire en miniature, utile encore dans certains cas pour les physiciens et utilisée par simplification, est donc une image fausse.

 Le modèle quantique de l'atome.

 L'image de l'atome, inspirée du modèle planétaire, posait d'ailleurs un problème important. Si les électrons tournent autour du noyau sous l'effet des forces électromagnétiques, ils devraient progressivement perdre leur énergie et tomber sur le noyau. Or l'atome est stable. La notion de quantification va apporter une explication à ce fait. La répartition des électrons dans l'atome obéit à des règles strictes.

 Les électrons ont des énergies quantiques bien déterminées qui correspondent à des couches. Les électrons qui ont le plus bas niveau d'énergie sont sur la première couche, notée K. Ces électrons sont les plus liés au noyau. La deuxième couche est notée L, la troisième,M, la quatrième,N. Chaque couche possède un nombre précis de cases quantiques que remplissent les électrons. La couche K a une seule case quantique, les couches L, M, N en ont 4. Dans chaque case peuvent prendre place deux électrons au maximum. La couche K ne peut accueillir que deux électrons au maximum, les couches L, M, N peuvent en accueillir 8. Les électrons occupent prioritairement les couches de plus basse énergie. Lorsqu'une couche est pleine, on la dit saturée. Comme les électrons émettent ou échangent leur énergie par paquets (les quanta), s'ils passent d'une couche à l'autre, ils le font par saut et non progressivement.

 Le nombre de protons du noyau détermine les propriétés chimiques de l'atome. Ainsi l'hydrogène a 1 proton, le carbone 6, l'oxygène 8, Le dernier atome naturel, l'uranium a 92 protons. D'autres éléments possédant jusqu'à 111 protons peuvent être synthétisés par réactions nucléaires. 

 Si le nombre de protons détermine les propriétés chimiques de l'atome, ce sont les électrons de la dernière couche occupée qui interagissent avec les électrons de la dernière couche des atomes voisins pour former des molécules.

 Lorsque la dernière couche d'un atome est saturée, aucune liaison n'est possible avec un atome voisin. Mais lorsqu'elle ne l'est pas et que des cases ne sont pas toutes garnies de deux électrons, une association est alors possible. Ainsi sont créés des composés moléculaires. Dans la molécule d'eau par exemple, l'atome d'oxygène, qui possède dans la dernière couche deux cases ne contenant chacune qu'un électron, forme une liaison avec un atome d'hydrogène (un seul électron dans une case) et une autre liaison avec un autre atome d'hydrogène. L'eau est un composé moléculaire formé de deux atomes d'hydrogène associés à un atome d'oxygène. Or les propriétés de l'eau sont différentes de celles de l'hydrogène et de celles de l'oxygène. Ce fait remarquable - les propriétés du tout sont différentes de celles des parties qui le constituent - va permettre à l'univers de s'enrichir de corps nouveaux, d'évoluer vers une complexité croissante.

 Un atome peut mettre également en commun son ou ses électrons avec un atome identique. Deux atomes d'oxygène peuvent par exemple s'associer. Trois atomes d'oxygène forment l'ozone, composé naturel de la stratosphère.

 Principe d'incertitude

 Dans le monde macroscopique, celui qui nous entoure à notre échelle de grandeur, nous pouvons mesurer la vitesse et préciser la position de tout mobile. C'est un simple procédé de calcul. Ceci est impossible à l'échelle subatomique. La vitesse et la position d'une "onde-particule" ne peuvent être mesurées simultanément, avec précision. aussi perfectionné que soit l'instrument de mesure. Si la position d'un électron est mesurée avec précision, son mouvement reste imprécis. Inversement, si l'on observe sa vitesse, c'est la position qui reste floue.  C'est le principe d’incertitude énoncé par le physicien allemand Werner Heisenberg. Cela ne vient pas du fait que les instruments de mesure ne sont pas assez sensibles, ou qu'il n'est pas encore possible, avec les connaissances actuelles, d'effectuer les calculs. Cette indétermination, que les physiciens nomment le flou quantique, est une propriété fondamentale de la nature. Werner Heisenbergh a pu préciser que le produit de l'incertitude sur la mesure de la vitesse par l'incertitude sur la mesure de la position est toujours supérieur à une valeur très petite. Dans le calcul de cette valeur figure la constante de Planck qui revient très souvent dans les formules en mécanique quantique. 

Il faut donc se rendre à cette évidence : il y aura toujours une part de hasard dans le destin des atomes dont les constituants sont ondes ou particules selon la méthode choisie pour mener l'observation.

RETOUR ACCUEIL