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20 avril 2009 1 20 /04 /avril /2009 07:36

L'Histoire de l'électron.

par Gérard Borvon





Thomson et la découverte de l'électron.


Joseph John Thomson (1856-1940) est né près de Manchester. Après ses premières années de scolarité dans cette ville il rejoint le Trinity College à Cambridge où il effectue de brillantes études de mathématiques appliquées à la physique. Nourri des théories de Maxwell, qui a été son professeur, il imagine, dès 1883, un modèle présentant l'atome sous la forme de tourbillons d'éther entrelacés. L'année suivante il est nommé professeur de physique expérimentale à Cambridge et placé à la tête du "Cavendish Laboratory" dans lequel, avant lui, Maxwell et Rayleigh avaient développé de rigoureuses pratiques expérimentales liées à la détermination des standards nécessaires au développement de l'industrie électrique comme, par exemple, la détermination de la valeur de l'ohm étalon initiée par le congrès international des électriciens de 1881.


J.J. Thomson est, quant à lui, plutôt attiré par la physique théorique. Ses premières réflexions sur la structure des atomes l'amènent à orienter le laboratoire vers l'étude des décharges électriques dans les gaz, étude dans laquelle son compatriote Crookes s'était déjà illustré. Le sujet de la nature des "rayons cathodiques" est alors l'objet de controverses entre les physiciens britanniques qui les considèrent comme constitués de particules chargées et les physiciens allemands qui y voient des ondes électromagnétiques se propageant dans l'éther. Héritier, à la fois, de Crookes et de Maxwell, Thomson se place ainsi au centre du conflit.


Son laboratoire développe un équipement et des savoir-faire appropriés : pompes à vide puissantes, tubes à vide de formes diverses... Quand, en décembre 1895, Röntgen annonce sa découverte des rayons X, les chercheurs qui y travaillent sont en mesure, non seulement de la vérifier, mais aussi d'imaginer des développements immédiats. Dès janvier 1896 ils constatent que les rayons X ionisent les gaz qu'ils traversent; ils peuvent donc, à présent, se dispenser des tubes à vide et travailler sur des gaz ionisés à la pression atmosphérique.


Parmi ses collaborateurs Thomson compte de précieux expérimentateurs comme Ernest Rutherford ou Charles Thomson Rees Wilson qui a mis au point une "chambre à condensation" dans laquelle de fines gouttelettes de brouillard se forment autour des particules de gaz ionisé. La mesure de leur vitesse de chute dans un champ électrique permettra d'en mesurer la charge et la masse.


En 1897, Thomson publie un article, devenu célèbre qui fait le point sur leurs premiers travaux. Après Perrin en 1895, il y décrit les rayons cathodiques comme formés de "corpuscules" arrachés aux atomes. Mesurant le rapport de leur masse à leur charge, il estime qu'ils ont une masse deux mille fois plus petite que celle de l'atome d'hydrogène et qu'ils sont animés d'une vitesse de l'ordre de 200 kilomètres par seconde. Plus tard le physicien allemand Emil Wiechert estimera cette vitesse entre le dixième et le cinquième de la vitesse de la lumière soit entre 30 000 kilomètres et 60 000 kilomètres par seconde. Par ailleurs la chambre de Wilson sera mise à contribution pour confirmer la faible masse de ces particules et mesurer leur charge électrique. Ces "corpuscules" seront plus tard désignés par le nom d'électrons, un terme initialement créé par le physicien irlandais George Johnstone Stoney pour désigner "l'atome d'électricité" intervenant dans les électrolyses.


Ces "électrons" ont cependant du mal à s'imposer tant leurs propriétés semblent extraordinaires. Un article de la revue "La Nature", daté de 1898, estime que leur énergie pour un seul gramme de matière rayonnée serait équivalente à celle de "10 000 trains de cent tonnes marchant à près de 100 kilomètres-heure". Pour la première fois les atomes révèlent la formidable réserve d'énergie que recèle leur structure. La conviction du monde scientifique sera finalement acquise quand on mettra en évidence l'existence de ces mêmes électrons dans l'effet photo-électrique puis dans le rayonnement radioactif.


Rayonnements cathodiques, rayons X, radioactivité, découverte des électrons... cette fin de 19ème siècle ne peut que susciter l'enthousiasme des jeunes générations de chercheurs. Le Français Paul Langevin était l'un des ces jeunes physiciens à avoir rejoint le Cavendish Laboratory en l'année 1897. Dans une préface à la traduction française de "Electricité et Matière" (Paris, Gauthier-Villars, 1922) publié par Thomson en 1903, il témoigne :


" Le moment était particulièrement favorable. Dans ce milieu d'étudiants, venus vers le jeune maître de toutes les parties du monde, s'accomplissait avec enthousiasme l'exploration du nouveau domaine des ions et des électrons, ouvert par la découverte des rayons cathodiques et des rayons de Röntgen et que devait féconder de manière si prodigieuse celle du radium, poursuivie en silence cette même année, par M. et Mme Curie, dans les vieux laboratoires de l'Ecole de Physique et Chimie."


L'électron et l'atome, de Thomson à Rutherford.

 

         Ayant découvert l'électron, Thomson imagine un modèle d'atome souvent désigné sous le terme de "pudding". Il est constitué d'une sphère de matière positive, relativement peu dense, dans laquelle se déplaceraient des électrons soumis à la fois à leur propre répulsion et à l'attraction des différentes parties de la sphère positive.


L'ensemble est, cependant, loin de l'image statique d'un gâteau truffé de grains de raisin. Les électrons se déplacent dans cette sphère à des vitesses prodigieuses. En effet, tout apport d'énergie à l'atome doit se traduire, sous forme d'énergie cinétique, par une accélération du mouvement des électrons pouvant aller jusqu'à provoquer leur expulsion à des vitesses proches de celle de la lumière.


Proposition après proposition, Thomson s'attache à expliquer par son modèle beaucoup des propriétés connues des gaz ionisés et de leur émission lumineuse. Pendant plus de dix ans, ce modèle sera perfectionné avant que son ancien élève Rutherford vienne en proposer un autre dont le succès sera tel qu'il occupe encore une place essentielle dans la représentation que se font nos contemporains de la structure d'un atome.


Ernest Rutherford (1871-1937) est le fils d'immigrés écossais installés en Nouvelle Zélande. Il fait ses études dans son pays natal où il s'intéresse, en particulier, à la détection des ondes hertziennes. Profitant d'une bourse d'études, il rejoint J.J. Thomson au Cavendish Laboratory de Cambridge en 1895 et participe avec lui à l'étude des gaz ionisés.


En 1898, il se voit proposer une chaire à l'Université Mc Gill de Montréal. Peu de temps auparavant Becquerel avait découvert les "rayons uraniques". Rutherford s'empare du sujet et étudie le pouvoir ionisant du rayonnement et son pouvoir de pénétration à travers des plaques métalliques de différentes épaisseurs. Comme Pierre et Marie Curie, il distingue deux rayonnements distincts. L'un, peu pénétrant et très ionisant, qu'il désigne comme "rayonnement α". L'autre, plus pénétrant et moins ionisant, le "rayonnement β".


Marie Curie avait déjà imaginé que le rayonnement α était constitué de particules massives perdant rapidement leur énergie en traversant la matière. Rayleigh puis Crookes avaient constaté que ce rayonnement était constitué de particules chargées d'électricité positive. Rutherford était lui-même arrivé indépendamment à la même conclusion.  Il montrera ultérieurement que ces particules sont des noyaux d'hélium résultant d'une "transmutation" du corps radioactif les produisant. Leur énergie cinétique est prodigieuse. A masse égale, Rutherford, les estimera à 600 millions de fois celle d'une balle de fusil sortant du canon  avec une vitesse de 1 kilomètre par seconde.


Ces projectiles vaudront à Rutherford sa plus célèbre découverte en 1911. Il est alors revenu en Angleterre et est professeur à l'université de Manchester. L'expérience qu'il réalise, en compagnie de Hans Geiger et Ernest Marsden, consiste à bombarder une mince feuille d'or par des particules α devant un écran fluorescent.


Si on s'en tient au modèle de Thomson, d'un atome plein d'une matière positive peu dense, ces particules devraient traverser l'obstacle sans pratiquement être déviées. Or si c'est le cas pour la majorité d'entre elles, une faible proportion (moins de 1 sur 10 000) est déviée, et parfois très fortement. Certaines particules semblent même rebondir vers l'arrière. On prête à Rutherford des phrases traduisant son étonnement : "c'est comme si un boulet de canon rebondissait sur une feuille de papier de soie" aurait-il dit.


Pour interpréter ce phénomène Rutherford imagine un noyau très dense de matière positive où serait concentrée l'essentiel de la masse des atomes. Autour de ce centre positif très attractif, les électrons tournent comme des satellites autour d'un astre central. Plus tard on comprendra que ce noyau est lui-même composé de particules positives, les protons, et de particules neutres, les neutrons. Le modèle "planétaire" de l'atome est né.


Dans notre imagerie contemporaine, ce modèle est resté très populaire. L'atome c'est ce noyau granulaire entouré d'électrons. On le trouve encore, ainsi représenté, dans de très sérieuses publications de vulgarisation scientifique ou sur des sites internet très visités et très bien référencés.


Pourtant Rutherford lui-même savait qu'il souffrait d'un grave défaut. Maxwell avait montré que tout électron subissant une accélération rayonnait de l'énergie, or un électron tournant autour d'un noyau est accéléré vers le centre en permanence. L'énergie qu'il rayonne est telle qu'il devrait être ralenti et tomber sur le noyau en un temps infime.


Dès 1913 Niels Bohr proposait un autre modèle qui répondait mieux à cette objection. Mais avant cette date Planck et Einstein avaient fait naître le photon.


Planck, Einstein et la naissance du photon.


         Avant d'arriver à ce nouveau modèle il nous faut revenir à l'étude de la lumière avec une question : comment la matière, c'est-à-dire l'atome, produit-elle un rayonnement lumineux ?


La question trouve des réponses inédites à partir des années 1880. On sait depuis longtemps que le fer chauffé passe du rouge sombre au blanc éclatant, au fur et à mesure que sa température augmente. A basse température le rayonnement existe également, mais sans être visible à l'œil : c'est l'infrarouge. Il en est de même à très haute température avec l'ultraviolet.


Une loi lie donc la longueur d'onde de la lumière émise et la température du corps émetteur : la longueur d'onde de la vibration lumineuse diminue quand la température augmente. Ou encore : la fréquence de la lumière émise croît avec la température (rappelons que la longueur d'onde d'une radiation, λ, est liée à sa fréquence, ν, et à la vitesse de la lumière, c, par la relation λ = c/ ν).


         En juin 1900, le physicien anglais John Rayleigh montre que la puissance de la lumière rayonnée est proportionnelle à la température absolue du corps et inversement proportionnelle au carré de la longueur d'onde (si P est cette puissance et K une constante, la relation peut s'écrire : P=K.T/ λ2). Hélas, si cette loi se vérifie pour les longueurs d'onde jusqu'au bleu, elle donne des résultats bien trop élevés pour les courtes longueurs d'onde. Avec cette loi, la puissance rayonnée dans l'ultraviolet extrême tendrait même vers l'infini. C'est ce qu'avec humour les physiciens appelleront la "catastrophe ultraviolette".


         En décembre de la même année, le physicien allemand Max Planck, risque une proposition hardie : il postule que les fréquences ν des rayonnements correspondant à une émission d'énergie E, donnée, ne sont pas toutes possibles. Il existe une constante h telle que le rapport E/ν est égal à un nombre entier de fois h. Toute autre vibration est interdite. La formule E=h.ν, si riche et si simple à la fois, est devenue une des grandes formules de la physique.


Comme la matière, l'émission d'énergie est donc discontinue et la physique s'enrichit d'une nouvelle constante : la constante de Planck (h=6,62.10-34 joule.seconde).


         Le pas définitif sera franchi par Einstein en 1905. Employé du bureau des brevets de Berne, âgé de 26 ans, il publie cette année là quatre mémoires qui, pour deux d'entre eux, provoquent une véritable révolution. Le quatrième, sur "L'électrodynamique des corps en mouvement", pose les bases de la relativité restreinte.


Dès l'introduction Einstein y expose que "l'introduction d'un "éther lumineux" devient superflue " dans la mesure où sa conception "ne fait aucun usage d'un "espace absolu au repos". L'éther de Faraday, de Maxwell, de Hertz a vécu ses derniers moments.


 La dernière partie de l'exposé est une application à l'étude de la "dynamique de l'électron". Ses résultats amèneront à une conséquence jugée "très intéressante" par l'auteur, à savoir que "la masse d'un corps est la mesure de sa capacité d'énergie", ce qu'il traduisait par la fameuse formule écrite aujourd'hui sous la forme e=mc2 établissant la relation entre la  masse m d'un corps, sa "capacité d'énergie" e et la vitesse de la lumière c.


La masse et l'énergie devenaient ainsi deux attributs indissociables de la matière et Einstein ne doutait pas que cela puisse être rapidement vérifié. "Il n'est pas impossible, écrivait-il, qu'une vérification de la théorie ne puisse être effectuée avec des corps dont la capacité d'énergie est au plus haut degré variable (par exemple les sels de radium)".          Deux ans plus tôt, le 16 mars 1903, était présentée à la séance hebdomadaire de l'Académie des Sciences, une communication de Pierre Curie et Albert Laborde sur la chaleur dégagée spontanément par les sels de radium. "Nous avons constaté que les sels de radium dégagent de la chaleur de façon continue" écrivaient-ils. Ayant mesuré cette chaleur émise, il trouvaient que 1gramme de radium dégageait "une quantité de chaleur qui est de l'ordre de 100 petites calories par heure". Ils émettaient alors l'hypothèse d'une "transformation interne" de l'atome de radium qui mettrait en jeu une énergie "extraordinairement grande" tout en admettant que ce dégagement d'énergie pouvait aussi s'expliquer par l'utilisation d'une "énergie extérieure de nature inconnue".


L'hypothèse d'Einstein de la transformation de la masse en énergie permettait de trancher : l'émission d'énergie par le radium résultait bien d'une transformation interne qui s'accompagnait d'une lente perte de masse.


Avec la dualité masse-énergie, Einstein, en proposait une autre d'une autre nature : la dualité onde-particule.


Son premier mémoire portait sur la nature discontinue du rayonnement lumineux du corps noir mise en évidence par Planck. Einstein proposait tout simplement et tout radicalement d'abandonner l'image classique d'une onde lumineuse étendue adoptée alors par tous les physiciens, pour celle de particules de lumière, des quanta : "lors de la propagation d'un rayon lumineux émis par une source ponctuelle, l'énergie n'est pas distribuée de façon continue sur des espaces de plus en plus grands, mais est constitué d'un nombre fini de quanta d'énergie localisés en des points de l'espace, chacun se déplaçant, sans se diviser" écrivait-il. Pour résumer : partant de l'hypothèse de Planck, Einstein propose de considérer qu'une lumière monochromatique de fréquence ν est formée de corpuscules porteurs d'une quantité fixée d'énergie, un "quantum", de valeur e = h.ν.


Cette hypothèse pouvait, par exemple,  expliquer une particularité encore inexpliquée de l'effet photoélectrique découvert par Hertz en 1887.


Depuis ce temps on sait que la lumière ultraviolette a la propriété d'extraire des corpuscules chargés d'électricité négative, des électrons, de la surface d'un métal. Le nombre d'électrons, ainsi arrachés, est proportionnel à l'énergie du rayonnement incident. Par contre leur énergie cinétique ne dépend que de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Plus elle est courte et plus les électrons sont rapides. Il existe d'ailleurs une limite supérieure des longueurs d'onde à partir de laquelle une lumière, même intense, ne produit aucun effet. Ce mode de transfert d'énergie entre lumière et électrons est impossible à expliquer avec les concepts classiques. L'hypothèse des quanta, par contre, peut y répondre.


Un de ces "quanta" de lumière, que l'on appellera plus tard "photons", rencontrant l'électron d'un atome du métal lui communique son énergie. Celle-ci provoque l'expulsion de cet électron, le surplus d'énergie se manifestant sous forme de l'énergie cinétique acquise par l'électron.


Les photons d'une radiation de fréquence trop faible, donc de trop grande longueur d'onde, ne seraient pas suffisamment énergétiques pour, simplement, extraire un électron, d'où l'absence d'effet observé.


Alors qu'avec Fresnel, la théorie ondulatoire de la lumière s'était imposée, alors que Maxwell avait mis en évidence le caractère  électromagnétique de cette onde, Einstein revient donc à un modèle granulaire de la lumière tel que l'avait imaginé Newton. Il faut noter que c'est pour cette hypothèse des photons et non pas pour son travail sur la relativité, trop longtemps ignoré, que Einstein reçoit le prix Nobel de physique en 1922.


La question se posait donc à nouveau : quelle est donc la nature réelle de la lumière. Onde ou particule ? Onde et particule ? Ni onde, ni particule ?  Le débat anime encore la physique contemporaine.


L'atome de Bohr.


Les hypothèses de Planck et Einstein sont mises à profit par Niels Bohr (1885-1962), jeune physicien danois qui a fréquenté le laboratoire de Rutherford à Cambridge. Reprenant le modèle planétaire de ce dernier il postule que les électrons ne peuvent circuler autour du noyau que sur des orbites circulaires de rayons déterminés dont la valeur est liée à la constante de Planck. Chaque orbite possible correspond à un "niveau d'énergie" de l'électron. Il peut passer à une orbite supérieure par l'absorption d'un photon d'énergie correspondant à l'écart entre les deux niveaux. Il peut émettre un photon, c'est-à-dire une radiation lumineuse de fréquence donnée, en passant d'un niveau à un niveau inférieur.


Progressivement, pour rendre compte des propriétés de la lumière émise ou absorbée, le modèle se perfectionne et l'électron se voit attribuer d'autres qualités, comme le "spin" supposé décrire le sens d'une rotation de l'électron sur son axe.


Sur le plan pratique le modèle de Bohr sera un outil utile au développement de l'électronique, que ce soit à travers ses premiers pas au moyen des multiples lampes à vide ou ensuite avec les semi-conducteurs. L'optique lui sera également redevable avec la mise au point de techniques comme celle du "pompage optique" débouchant sur la construction des lasers. L'histoire de l'électronique et celle de la "photonique", mériteraient d'être développées, nous ne l'aborderons pas ici. Chacune de ces matières nécessiterait à elle seule un ouvrage.


L'existence de l'électron semble donc parfaitement établie par les multiples applications sur lesquelles débouche sa théorie. Cependant ce modèle d'électrons sautant d'une façon instantanée d'une orbite à l'autre en émettant un rayonnement lumineux s'accorde mal avec celui d'un projectile matériel répondant aux lois de la dynamique newtonienne.


D'autre part la dualité onde-particule de la lumière fait toujours débat dans les années 1920, époque où un jeune physicien français cherche un sujet de thèse.


Louis de Broglie et la nature ondulatoire de l'électron.


         "1905 ! Pendant cette année cruciale dans l'histoire de la physique, par un coup de maître dont il n'existe sans doute pas d'autre exemple dans l'histoire de la science, Albert Einstein, alors jeune employé de vingt-six ans à l'office des brevets de Berne, introduit coup sur coup dans la théorie physique deux idées fondamentales qui vont entièrement  changer le cours de son évolution : celle de la relativité de l'espace temps et celle des quanta de lumière". La phrase est de Louis de Broglie ( Le dualisme des ondes et des corpuscules dans l'œuvre de Albert Einstein, lecture faite à l'Académie des sciences, 1955).


         Louis de Broglie (1892-1987) a été initié à la physique et aux théories de Einstein par son frère Maurice. Engagé comme radiotélégraphiste pendant la guerre 1914-1918, il revient travailler au laboratoire de son frère alors tourné vers l'étude des rayons X et l'effet photoélectrique, étude dans laquelle le problème des ondes et des corpuscules l'interpelle sans arrêt. Puisque l'onde lumineuse peut être également décrite sous forme de particules, pourquoi des particules ne pourraient-elles pas être décrites par une onde ?


Dans l'année 1923, puis dans sa thèse présentée en 1924, il franchit le pas et établit une corrélation, faisant intervenir la constante de Planck, entre le mouvement d'un corpuscule, par exemple un électron, et la propagation d'une onde. Pour résumer : l'électron peut être décrit comme une onde !


Parmi les applications de cette hypothèse il imagine d'emblée l'explication des orbites des atomes de Bohr : ce sont des états stationnaires d'ondes associées aux électrons de l'atome.


         Sa thèse laisse l'essentiel du monde scientifique dubitatif, à part Einstein à qui Langevin l'a communiquée et qui publie une note la concernant dans les Comptes rendus de l'Académie des Sciences de Berlin.


Mais l'histoire rebondit. Au printemps de 1926, De Broglie reçoit de Erwin Schrödinger, physicien autrichien alors professeur à Zurich, la copie de l'article qu'il allait publier après la lecture de ses travaux. Il y énonce l'équation, restée célèbre, d'une onde qui permet de décrire le comportement d'un électron isolé mais aussi d'expliquer le spectre lumineux de chaque atome tant en ce qui concerne la longueur d'onde des radiations émises que leur intensité.


Avec Einstein les ondes lumineuses étaient devenues des particules, avec De Broglie et Schrödinger les particules matérielles deviennent des ondes.  Le symbole alchimiste du dragon qui se mord la queue semble inspirer les physiciens.


En 1927 une expérience menée par deux chercheurs américains, Davisson et Germer, vérifie la validité de la théorie ondulatoire : des électrons réfléchis par la surface d'un cristal de nickel donnent, sur une plaque photographique, des figures d'interférence analogues à celle obtenues avec des rayons X. Les électrons se sont donc bien comportés comme une onde.


Onde ou particule ? Werner Heisenberg, jeune physicien allemand de 26 ans décide de ne plus donner de l'atome une image matérielle. Ce qu'on en connaît, ce sont les valeurs des fréquences et les intensités des raies lumineuses émises ou absorbées par l'atome. Il décide de présenter ces valeurs dans des tableaux de chiffres, des "matrices", dont il maîtrise parfaitement la théorie mathématique. Il obtient ainsi des prévisions qui correspondent parfaitement avec les résultats expérimentaux.


Cette "mécanique quantique" sans particules ni ondes annonce bien d'autres surprises.


Quand l'incertitude devient un principe.


         L'un des résultats de cette mécanique matricielle est présenté comme le "principe d'incertitude" ou plutôt "d'indétermination". Il s'énonce généralement en disant qu'il n'est pas possible de donner, à la fois, la position et la vitesse d'une particule. Il en résulte une description "probabiliste" de la matière quand on l'observe au niveau de l'infiniment petit. La notion même de particule n'y a plus de sens pas plus que celles de vitesse ou de position.


Ce principe jette le trouble dans le milieu scientifique. Louis de Broglie en prend connaissance peu de temps avant le mois d'octobre 1927, date à laquelle doit se tenir le 5ème Conseil Solvay (du nom du mécène qui accueille depuis 1911 l'élite des physiciens mondiaux).  Ce " 5ème Conseil", consacré au thème électrons et photons, est resté célèbre. Les débats y sont vifs. Face à Bohr, Heisenberg et Born, de Broglie défend sa "mécanique ondulatoire" : les particules existent réellement et sont "guidées" par l'onde décrite par ses équations. Schrödinger, de son côté, privilégie l'onde : la particule n'existe pas. Là où le sens commun imagine une particule on trouve, en réalité, le maximum correspondant à l'addition d'ondes multiples, celles-ci s'annulant de part et d'autre de ce pic.


Le conflit oppose surtout Bohr à Einstein qui refuse une physique livrée au hasard.


La particule "quantique", photon ou électron, est en effet un être difficilement saisissable. Elle n'est plus ni une onde ni un corpuscule. Elle n'est pas même une onde et une particule à la fois, c'est un "quanton". Cet être de la nouvelle physique peut, dans certaines conditions, se manifester comme un projectile de la mécanique classique, dans d'autres comme une onde, sans être jamais, pour autant, ni l'un ni l'autre.


Le quanton, photon ou électron, possède, par exemple, le don d'ubiquité. Il peut être en différents lieux au même moment.


On se souvient de la démonstration de la nature ondulatoire de la lumière par l'expérience des fentes de Young. De la lumière monochromatique émise par une source unique arrive sur deux fentes parallèles. Les deux faisceaux ainsi obtenus se combinent pour laisser la trace, sur un écran, de bandes alternativement sombres et claires résultant de l'interférence de ce que la physique classique ne peut imaginer autrement que sous forme d'ondes.


Utilisons maintenant une source lumineuse suffisamment faible pour émettre photon après photon. Le résultat est le même. Les photons, dont les impacts successifs sont visibles sur la plaque réceptrice, sont allés se placer sur l'une des franges lumineuses prévues par la théorie ondulatoire. C'est comme si chacun d'entre eux était  passé par les deux fentes à la fois. L'expérience menée sur des électrons amène aux mêmes observations.


Le quanton peut manifester également la propriété de "non-séparabilité" ou "d'intrication". Il peut se combiner à un autre quanton pour donner un être unique aux propriétés inédites.


En 1982 est réalisée par le physicien français Alain Aspect une expérience devenue historique illustrant ce principe.


En produisant l'émission de photons "jumeaux" dont l'un des paramètres, leur "polarisation", devait avoir pour chacun une valeur identique, il montrait que c'était la détection de l'un d'entre eux qui décidait immédiatement de la valeur du paramètre de l'autre. Il prouvait ainsi que, avant la détection, les deux particules ne faisaient qu'une entité unique que seule la mesure distinguait ensuite. Et ceci même si les particules étaient très éloignées au moment de la détection.


Transmettre ce savoir aux non-spécialistes n'est pas chose aisée. Une image est parfois utilisée pour illustrer l'ubiquité quantique de la matière au niveau atomique : celle du poisson quantique dans un étang.


Une truite est lâchée dans un étang que des pêcheurs répartis sur la berge tentent de capturer. A un moment, l'un d'entre eux y parvient. Le pêcheur classique dira : "la truite était là où je l'ai prise". Le pêcheur quantique dira : "avant que je la prenne, la truite occupait tout l'étang. Chacun avait les mêmes chances de la capturer. Elle ne s'est concrétisée qu'au moment où je l'ai prise".


Quant au principe de "non-séparabilité" : si ce sont deux poissons qui ont été jetés dans cette mare le pêcheur quantique considèrera qu'ils s'y sont dilués pour se combiner en une seule entité. A nouveau, c'est au moment de la prise que le poisson capturé deviendra réel laissant l'autre identité au poisson restant.


On peut s'interroger sur ce type d'images. Aident-elles vraiment à la compréhension du phénomène ou suggèrent-elles, par l'irrationalité du propos, que la physique "quantique" est un monde magique auquel n'ont accès que les initiés ?


Ces images ne prétendent pas à une valeur didactique, elles cherchent d'abord à marquer, de façon quelque peu provocatrice, la rupture avec la vision classique des lois de la nature.


Et l'électricité, l'électron, la charge électrique dans tout cela ?


         Dans le vocabulaire quantique le mot "électricité" semble être relégué dans les oubliettes de l'histoire. 


On y trouve encore l'électron qui n'est plus ni une onde ni un corpuscule mais un "quanton". Si on continue à désigner ses propriétés par des termes issus de la mécanique des objets étendus comme ceux de position, de vitesse, de quantité de mouvement, d'énergie... ces mots n'ont plus le même sens et ne se maintiennent que faute d'en avoir trouvé de mieux adaptés.


         L'univers des quantons est très peuplé. Le photon, le neutron et le proton, éléments constitutifs du noyau de l'atome sont des quantons. Protons et neutrons, particules sages dont le nom évoque encore des propriétés physiques classiques, sont eux-mêmes constitués de quantons bien plus exotiques : les quarks.


Leur nom ne doit rien à l'univers des sciences, il marque même une rupture avec tout ce qui pourrait rappeler le "concret". Le physicien Gell-Mann l'a trouvé dans un roman de James Joyce, Finnegans Wake (le rêve de Finnegan). Il figure dans la phrase "Three quarks for Muster Mark"  chantée par un chœur d'oiseaux de mer et qui pourrait se traduire par trois "railleries" pour Monsieur Mark. Pour aller plus loin dans la dérision, les six quarks se voient attribuer des "saveurs" : down, up, strange, charm, bottom, top. A l'étrangeté, le charme, la beauté des quarks, s'ajoute leur "couleur" : rouge, vert, bleu.


Un tel vocabulaire peut faire apparaître le monde des physiciens quantiques comme un monde où on s'amuse entre initiés. La science quantique n'y est plus figurative, elle est devenue un art abstrait.


Mais un savoir scientifique non partagé est-il viable ?


 "...notre responsabilité de physiciens dépasse nos seules tâches professionnelles", déclare Jean-Marc Lévy-Leblond.  "...l'intérêt bien compris de l'entreprise scientifique, dit-il, exige que ses protagonistes partagent leur savoir avec les profanes. Mais comment pouvons-nous espérer faire correctement comprendre les concepts délicats et les expériences ingénieuses que nous élaborons si nous sommes désinvoltes dans leur formulation au point de ne pas les comprendre véritablement nous-mêmes ? "  (Jean-Marc Lévy-Leblond, Mots & maux de la physique quantique, article écrit pour la Revue Internationale de Philosophie, Bulletin de l'Union des Physiciens, Juillet-Août 1999).


         Pour autant l'auteur milite pour un vocabulaire qui mette en évidence "la spécificité et l'originalité" des concepts quantiques et "leur différence d'avec les notions communes". Cette exigence linguistique est, pour lui, la seule façon de "mener une vulgarisation efficace". La quantique attend son Lavoisier.


Que deviennent les termes de quantité d'électricité et de charge électrique dans cette optique ? Le mot électricité ne désigne plus un fluide. Comme aux premiers temps de son histoire, il est redevenu, au mieux, un qualificatif désignant, comme la gravité, une des propriétés de la matière.


La charge de l'électron est devenue un simple chiffre qui indique l'intensité avec laquelle cette particule peut intervenir dans une interaction électromagnétique. La valeur absolue de la "charge" de l'électron (1,6.10-19C) reste la référence, même si le mot "charge" lui-même n'a plus aucun sens. D'autres quantons sont dotés d'un "nombre de charge", positif ou négatif, représentant une fraction de cette charge. Les quarks, par exemple sont dotés des charges - 1/3 pour trois d'entre eux et + 2/3 pour les trois autres. Ajoutons que chaque particule se voit associée à une antiparticule de charge opposée et dont la rencontre lui serait fatale. Ainsi l'électron est associé au positon (ou positron), particule de même masse et de charge positive. Imaginé par Dirac en 1928, il fut ensuite observé dans le rayonnement cosmique et dans les processus d'émission radioactive.


Nous n'en dirons pas plus sur la physique quantique. Peut-être en avons-nous déjà dit trop sur un sujet aussi délicat.  La traque des nouvelles particules prévues par la théorie se poursuit dans les énormes accélérateurs d'aujourd'hui et de demain. Celles qui sont déjà connues nous renseignent aussi bien sur l'infiniment petit de la matière que sur le fonctionnement de notre univers. En essayant de mettre des mots sur leurs équations, les physiciens nous font rêver de ces espaces et de ces temps multiples encore à conquérir.


Pourtant n'est-il pas frustrant de constater qu'au bout de ce long chemin qui, partant de l'ambre de la Baltique, nous a menés jusqu'à cet électron si familier, nous en sommes arrivés à ne plus voir dans l'électricité qu'un chiffre associé à un insaisissable "quanton" ?


Ce n'est qu'un début, l'histoire continue.


L'électricité est une science récente. Elle donnera longtemps encore des raisons de s'émerveiller devant la complexité et la richesse du monde.


La résistance qu'elle offrira à la compréhension des chercheurs sera, pour eux, autant de défis à relever et d'occasions de développer leur intuition, leur intelligence et leur sensibilité. Nos successeurs des siècles à venir s'étonneront sans doute de la façon dont nous concevons ce qu'aujourd'hui nous appelons encore "électricité".


Puissent les quelques repères que nous avons voulu rassembler ici être utiles à nos contemporains pour comprendre le présent et à nos successeurs pour imaginer l'avenir.

 

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Cet article est extrait d'un ouvrage paru en juin 2009 chez Vuibert.

 


 

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  • : Comme l'art ou la littérature,les sciences sont un élément à part entière de la culture humaine. Leur histoire nous éclaire sur le monde contemporain à un moment où les techniques qui en sont issues semblent échapper à la maîtrise humaine. La connaissance de son histoire est aussi la meilleure des façons d'inviter une nouvelle génération à s'engager dans l'aventure de la recherche scientifique.
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