⭐ Comprendre l'Atome Partie 1/2

Toute la matière qui constitue les planètes, les étoiles et le corps humain est fondamentalement composée d'atomes. La richesse et la variété infinie de ce qui entoure l'observateur répondent à des lois atomiques mystérieuses qui dictent l'assemblage et la construction de toute chose. En explorant l'étude de l'atome, les scientifiques ont mis au jour des secrets naturels surprenants, révélant un monde insoupçonné que les sens humains ne peuvent appréhender. Cette aventure intellectuelle met en scène les plus grands physiciens du XXe siècle.

L'histoire de la physique atomique commence tragiquement le 5 octobre 1906 avec le suicide du physicien autrichien Ludwig Boltzmann. Son décès fait suite à une dépression causée en partie par le fait que la communauté scientifique l'avait diffamé, voire ostracisé, pour une croyance aujourd'hui considérée comme évidente : Boltzmann était persuadé que la matière n'était pas infiniment divisible et qu'elle était constituée de minuscules éléments appelés atomes.

Il est difficile d'imaginer qu'au début du XXe siècle, l'existence des atomes fût contestée. Pourtant, la communauté scientifique était divisée depuis le milieu du XIXe siècle. La question atomique s'est intensifiée avec la révolution industrielle, nécessitant d'optimiser l'usage de la vapeur. Boltzmann et ses pairs ont démontré qu'en considérant la vapeur comme faite de millions de sphères (atomes), des équations mathématiques puissantes permettaient de prédire son comportement avec une précision remarquable.

Les atomes mentionnés dans les calculs étant invisibles, ils étaient considérés comme une simple convention mathématique et non comme des entités physiques réelles.

L'ironie réside dans le fait que Boltzmann ignorait que sa théorie triomphait. Un an avant sa mort, Albert Einstein publiait un article qui proclamait sans contredit possible la réalité de l'atome, scellant ainsi la victoire des atomistes sur leurs détracteurs conservateurs.

En 1905, Albert Einstein, alors âgé de 26 ans et travaillant à l'office des brevets à Berne, publia cinq articles révolutionnaires. Bien que célèbre pour la relativité, c'est un article traitant de la nature de la lumière qui lui valut le prix Nobel. Cependant, ce ne furent ni la relativité ni la lumière qui eurent l'impact majeur sur la découverte des atomes, mais un article sur les grains de pollen dansant dans l'eau.

Ce phénomène, observé dès 1827 par le botaniste Robert Brown, où des grains de pollen semblaient bouger aléatoirement dans l'eau, avait été oublié par les physiciens, car il semblait concerner le monde vivant. Einstein comprit que ce mouvement n'était possible que si l'eau elle-même était constituée de particules minuscules – les atomes – qui percutaient constamment le pollen. L'absence d'atomes impliquerait l'immobilité du pollen.

L'article d'Einstein prédisait les détails d'un processus dont il ignorait les propriétés expérimentales précises. En science, la capacité à prédire l'inobservable est souvent plus convaincante que l'explication d'un phénomène déjà connu. La confirmation par Perrin assura la reconnaissance définitive de l'existence de l'atome.

Dès que l'existence de l'atome fut prouvée, les scientifiques furent aspirés dans un nouveau monde étrange. Le début du XXe siècle fut marqué par des découvertes comme les rayons X, la production d'électrons par des courants électriques puissants, et la radioactivité découverte par Marie Curie et Henri Becquerel. Ernest Rutherford, fasciné par la radioactivité, entreprit à Manchester des expériences pour sonder la nature de cette énergie.

En 1909, Rutherford chargea ses assistants, Hans Geiger et Ernest Marsden, de bombarder une feuille d'or mince avec des rayons alpha émis par du radium, puis de compter les particules traversant la feuille. Le travail était fastidieux, consistant à compter des éclairs phosphorescents dans l'obscurité. Initialement, les résultats semblaient banals : les particules alpha passaient à travers l'or sans être déviées.

On avait à peine accepté l'idée que les atomes existaient quand Rutherford affirma que ce minuscule objet, mesurant moins d'un dix-millième de millimètre, possédait une structure interne !

Cependant, Rutherford demanda à ses assistants de vérifier si des particules rebondissaient vers la source de radium. Après des jours d'attente, l'impossible se produisit : très rarement, une particule alpha ricochait. Geiger calcula que seulement une particule sur 8000 présentait ce comportement, un pourcentage infime mais suffisant pour intéresser Rutherford.

Rutherford interpréta ce rebond en proposant un modèle inédit pour l'atome : un minuscule système solaire. Les électrons, chargés négativement, orbitent autour d'un noyau dense, chargé positivement. Le noyau est calculé comme étant 10 000 fois plus petit que l'atome lui-même. Cette petitesse explique pourquoi seulement une particule sur 8000 heurtait ce noyau. La conséquence la plus stupéfiante est que l'atome est presque entièrement constitué d'espace vide. Si l'on retirait ce vide des atomes du corps humain, la masse resterait identique, mais le volume se réduirait à la taille d'un grain de sel.

Le modèle de Rutherford présentait un défaut majeur : il contredisait les lois connues de la physique classique. Normalement, les électrons en orbite devraient perdre de l'énergie et s'écraser sur le noyau. Le fait qu'ils ne le fassent pas laissait les scientifiques perplexes. Une nouvelle génération, menée par Niels Bohr, devait remettre en question les théories établies pour expliquer cette stabilité et le vide atomique.

Bohr, travaillant avec Rutherford, chercha des indices dans la nature de la lumière. Il observa que les éléments chauffés émettent des couleurs spécifiques (spectres) : le cuivre devient vert, le sodium jaune. Bohr comprit que ces spectres révélaient la structure interne de l'atome. Il remplaça l'analogie du système solaire par le concept du saut quantique, postulant que l'électron ne peut occuper que des volumes d'espace très spécifiques autour du noyau.

L'analogie utilisée est celle d'un escalier : le noyau est le palier inférieur. Pour monter une marche (passer à un niveau d'énergie supérieur), l'électron doit recevoir une quantité exacte d'énergie supplémentaire ; il ne peut exister entre deux marches. Si l'énergie est insuffisante, il reste sur place. Inversement, en redescendant une marche, l'électron libère l'énergie absorbée sous forme de lumière.

Oui, vous avez absolument raison. Mais cela ne prouve pas que les sauts n'arrivent pas. Cela prouve seulement que vous ne pouvez pas les visualiser.

En 1913, Bohr appliqua cette hypothèse au spectre de l'hydrogène et obtint un résultat correct, formalisant ce qui fut nommé le « Point de vue de Copenhague ». Cependant, l'idée de sauts instantanés, non visualisables, fut violemment rejetée par les tenants de la science traditionnelle, y compris Albert Einstein, qui détestait ces idées remettant en cause l'ordre et le bon sens.

Au début des années 1920, la controverse atomique s'intensifia entre les réformistes, partisans des quanta, et les conservateurs. Deux figures opposées émergèrent : Werner Heisenberg, l'Allemand compétitif, et Erwin Schrödinger, l'Autrichien bonhomme. Heisenberg considérait les sauts quantiques comme la clé, tandis que Schrödinger, s'inspirant de Louis de Broglie, cherchait une description plus classique.

Schrödinger développa une nouvelle équation basée sur l'idée que l'électron n'est pas une particule, mais une onde d'énergie vibrant si rapidement qu'elle forme un nuage autour du noyau. Son équation d'onde décrit cette vibration, affirmant que, au niveau de l'infiniment petit, les objets physiques sont des « fonctions d'onde ». La magnitude de cette fonction implique la probabilité de trouver une particule à un endroit donné, et l'opérateur d'énergie choisit le résultat lors de la mesure, plaçant l'observateur au centre de la mécanique quantique.

Heisenberg percevait les idées de Schrödinger comme une offense personnelle. Il croyait que l'atome ne pouvait être décrit que par des mathématiques pures, sans analogies physiques. Il découvrit alors que l'atome défiait même les mathématiques conventionnelles : l'ordre de multiplication de certaines grandeurs (position et vitesse) était déterminant. Avec Max Born, il formula la « mécanique matricielle », utilisant des tables de nombres complexes pour prédire le comportement atomique.

La controverse atteignit son paroxysme lorsque Heisenberg critiqua violemment la théorie ondulatoire de Schrödinger, qui, en retour, qualifia les mathématiques de Heisenberg de monstrueuses. Le public sembla préférer l'interprétation physique de Schrödinger, mais la bataille théorique était loin d'être terminée.

Après avoir été humilié lors d'une conférence à Munich, Heisenberg retourna à Copenhague, son équipe étant largement en désaccord avec lui. Poursuivant sa réflexion, il réalisa que l'atome était intrinsèquement inconnaissable. Il y avait une limite fondamentale à ce que l'humanité pouvait savoir sur le monde subatomique, une idée qui plaçait l'incertitude au cœur même de la nature.

La formule d'Heisenberg est une inégalité, et non une règle opérationnelle classique. Elle stipule que le produit des incertitudes sur la position ($\Delta x$) et sur la quantité de mouvement ($\Delta p$) d'une particule est toujours supérieur ou égal à une quantité fixe, la constante de Planck divisée par $4\pi$ ($\frac{h}{4\pi}$). Si la position est mesurée avec une grande précision (petit $\Delta x$), l'incertitude sur la vitesse (ou quantité de mouvement) devient nécessairement grande ($\Delta p$ élevé), et inversement.

Ce que Heisenberg a révélé avec sa mécanique matricielle, c'est que les atomes sont délibérément sombres. Il est simplement impossible de connaître simultanément la position et la vitesse d'un atome.

Cette ambiguïté n'est pas une faiblesse de la théorie, mais une vérité fondamentale sur le comportement de la nature à l'échelle subatomique. Les atomes se comportent à la fois comme des particules et des ondes ; lorsqu'ils ne sont pas observés, ils agissent comme des ondes, mais l'acte d'observation les force à se comporter comme des particules localisées. Cela signifie que les êtres physiques sont faits d'atomes qui ne peuvent être compris qu'en termes mathématiques abstraits.

À l'automne 1927, Bohr et Heisenberg étaient prêts à confronter les conservateurs lors du 5e Congrès de Physique Solvay à Bruxelles, réunissant l'élite de la physique atomique. La semaine fut dominée par la mécanique quantique de Bohr, dont l'incertitude était la pierre angulaire, préparant le terrain pour un affrontement décisif.

Einstein, détestant la mécanique quantique, présenta chaque matin un argument qu'il croyait capable de réfuter la nouvelle théorie. Bohr, bien que troublé, parvenait chaque soir à développer une contre-argumentation solide. Ce scénario se répéta jusqu'à la fin du Congrès, consacrant la vision de Bohr, l'interprétation de Copenhague, comme étant au centre de la physique atomique.

La victoire de Bohr signifiait que le hasard et la probabilité étaient désormais intégrés à la structure de la nature. La description de l'atome, bien que purement mathématique et abstraite, fut prouvée exacte au cours des décennies suivantes, constituant avec la relativité générale d'Einstein la meilleure théorie actuelle de l'Univers, rendant possible l'existence des lasers et des puces informatiques.

Pour illustrer l'étrangeté de la physique quantique, Schrödinger proposa une expérience de pensée. Il imagina une boîte contenant une source radioactive, un détecteur, un flacon de cyanure et un chat. Si un atome radioactif se désintègre, le détecteur libère le poison, tuant le chat. Selon l'interprétation de Copenhague, tant que la boîte est fermée, l'atome est à la fois désintégré et non désintégré. Par conséquent, le chat doit être considéré comme étant simultanément mort et vivant jusqu'à l'ouverture de la boîte.