Les Anciens voulaient une pierre stable sur laquelle asseoir l'Univers. Ils ont inventé l'atome. Chaque avancée de la science en a légué une représentation différente. Aujourd'hui, l'image la plus réaliste est celle d'un tableau de nombres... Comment en est-on arrivé là ?
par Etienne KLEIN

L'atome d'aujourd'hui est l'aboutissement d'une très longue histoire, au cours de laquelle les représentations qu'on s'en est fait ont profondément muté. Les querelles retentissantes qui ont ponctué sa tortueuse genèse au sein de la science démontrent que l'idée même d'atome a eu des prolongements idéologiques et philosophiques très intenses. Aristote ne voulait pas en entendre parler, Descartes crut démontrer qu'il ne pouvait pas exister. D'illustres physiciens ont tenu à son sujet des propos qui, aujourd'hui, feraient sourire.

Ernst Mach, un des plus grands physiciens allemands, s'opposa, à la fin du siècle dernier, à l'hypothèse atomiste en s'appuyant sur la thèse philosophique selon laquelle le monde n'est fait que de nos sensations. Toutes les quantités utilisées par une théorie physique devaient donc, selon lui, pouvoir être soumises à l'observation. Etant invisibles, inodores et impalpables, les atomes ne sauraient faire partie du monde, et la physique ne doit pas leur faire la moindre place. En somme, l'atomisme n'était, pour Mach, qu'une « atomystique ».

Quant au chimiste français Marcellin Berthelot, pourtant défenseur acharné du progrès scientifique, il souffrait à l'égard de la théorie atomistique de ce que nous appellerons pudiquement un « sérieux blocage ». Tout cela pour dire que l'idée d'atome est sans rapport direct avec celle d'« atomes crochus »...
Cette diversité d'appréciations au cours des siècles est significative de la complexité même de la notion d'atome. Et cela dès son intrusion dans l'histoire et dans la pensée humaine.

A la base de l'atomisme, on trouve l'idée que la matière serait faite d'entités indivisibles ou, si l'on préfère un terme plus moderne, de « particules élémentaires ». Il recouvre en réalité des théories fort différentes, dont le seul point commun est qu'elles procèdent toutes de ce que l'épistémologue français Gaston Bachelard appellait la « métaphysique de la poussière ».

Chacun sait que le mot atome signifie en grec « insécable ». L'hypothèse atomiste affirme d'abord et surtout que la divisibilité de la matière a des limites. Elle a été citée pour la première fois, dit-on, dans les oeuvres de Leucippe de Milet, en 420 av. J.-C. On la retrouve dans celles de Démocrite, son contemporain et disciple, qui expliquait que la vérité est à chercher « au fond de l'abîme ».

Que voyait donc Démocrite dans le fond de l'abîme ? Une matière constituée de petits corpuscules dotés de qualités idéales : invisibles à cause de leur extrême petitesse, insécables comme leur nom l'indique, complètement pleins et bien évidemment éternels, perfection oblige. De plus, ajoutait-il, malgré leur aspect commun, ils présentent une infinité de formes qui explique l'origine de la diversité que l'on observe dans la nature. Enfin, l'espace qui les entoure est vide.
La notion de vide, tout autant que celle d'atome, souleva d'interminables discussions pendant l'Antiquité, du fait de la sentence tautologique mais imparable que défendait le philosophe Parménide : « L'être est, le non-être n'est pas. » Alors, comment le vide, ce « non-être », pouvait-il être réel ? Se pourrait-il que le rien existât aussi bien que le quelque chose ? Ces questions traumatisèrent les braves philosophes grecs, plus portés à la logique qu'à l'observation.

Un siècle plus tard, Epicure imposa à la physique de Démocrite un premier remaniement doctrinal d'importance : le mouvement des atomes peut être affecté d'une déclinaison, le clinamen. Un pas de plus dans l'affirmation d'une genèse atomistique du monde était ainsi franchi. En effet, le clinamen, venant perturber le mouvement régulier des atomes, provoque des chocs, des rencontres, des assemblages, des agrégats qui, finalement, expliquent l'existence des corps visibles tels que nous les connaissons. Pour une intuition, ce n'était pas si mal.

Cette vision selon laquelle la matière n'est pas une substance continue, mais une articulation de corpuscules, rencontra des difficultés à partir du moment où on voulut l'étendre à l'âme. Pour cette raison, elle connut pendant des siècles une très longue éclipse qui laissa place au triomphe d'Aristote et de sa quaternité élémentaire (l'Eau, l'Air, la Terre, le Feu). L'atome fit le vide autour de lui, mais cette fois au sens figuré.

Il fallut attendre le XVIIe siècle pour que l'idée atomiste réapparaise, bien que timidement, notamment grâce à Gassendi et à Boyle. C'est à l'aube du XIXe siècle que Dalton (qui n'était pas l'un des frères) en fit une notion clé de la chimie. Il l'utilisa pour formuler la loi des proportions constantes, selon laquelle les substances chimiques se combinent toujours dans des rapports simples et constants. Par exemple, les poids de l'hydrogène (H) et de l'oxygène (O) qui se combinent pour former l'eau sont toujours dans la même proportion (H2O). De telles combinaisons s'expliquent fort bien si l'on admet le concept d'atome. La fécondité de la notion fut confirmée en 1869 par le tableau périodique des éléments proposé par Mendeleïev.

C'est alors qu'il commençait d'acquérir un fondement scientifique que l'atome devint le sujet de controverses passionnées entre les savants des différentes disciplines. Elles marqueront la fin du XIXe siècle.
En 1897, Thomson découvre un des composant de l'atome, l'électron. Il apparaît, dès lors, que la barrière qui semblait nous couper des constituants primordiaux de la matière n'est plus infranchissable. Pour de nombreux scientifiques, l'infiniment petit commence réellement à se laisser toucher du doigt. En même temps que cette découverte, on s'aperçoit que, dans certaines circonstances, les atomes émettent de la lumière. Thomson imagine alors que l'atome est une sphère remplie d'une substance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs, un peu comme des raisins dans un pudding. Ce modèle met véritablement les physiciens en appétit.

Mais, quelques années plus tard, Rutherford le taille en pièces (c'est le cas de le dire). Il bombarde de minces feuilles métalliques avec des particules alpha émises par une substance radioactive et montre que l'atome se comporte en fait comme une véritable passoire. En effet, les particules projectiles traversent la matière comme si de rien n'était, sauf celles qui ricochent sur des sortes de points durs, qu'on appellera par la suite les « noyaux atomiques ». Peu après ces expériences, Rutherford propose ce que l'on connaît sous le nom de modèle planétaire de l'atome. Ce dernier se présente comme un objet composé, semblable à un système solaire miniature, où les électrons se déplacent autour du noyau sur des orbites analogues à celles des planètes autour du Soleil. La force électrique attractive jouant cette fois le rôle de la force d'attraction gravitationnelle pour les planètes.

Cette représentation est en rupture avec les intuitions des philosophes de l'Antiquité : l'atome de Rutherford n'est pas indivisible, puisqu'il est composite (en ce sens, il échappe à son étymologie), et il n'est pas plein. On peut même dire qu'il contient essentiellement du vide (n'en déplaise à Parménide), puisque la distance séparant le noyau des électrons est cent mille fois plus grande que le noyau lui-même. Dans son Gai Savoir, Nietzsche avait prévenu : « Ah, mes amis, il nous faut surmonter même les Grecs ! » Avec Rutherford, c'est chose faite.

Mais ce modèle planétaire se trouve vite confronté à plusieurs paradoxes qui vont se révéler mortels. Notamment, il y a la question de la stabilité de l'atome, en particulier celui d'hydrogène formé d'un proton et d'un électron. Imaginons, comme le suggère Rutherford, que dans ce cas l'électron décrit une orbite autour du noyau. Du fait qu'il tourne et qu'il porte une charge électrique, la théorie prédit qu'il émet de la lumière et donc perd de l'énergie sous forme de rayonnement.
Au premier abord, c'est un bon point pour le modèle de Rutherford, puisqu'il permet de comprendre le processus d'émission de lumière par les atomes. Mais, par une ironie du sort, c'est justement cette émission de lumière qui conduit à la faillite du modèle. En effet, si l'électron continue ainsi à perdre de l'énergie, il doit aussi se rapprocher du noyau en suivant une sorte de spirale, jusqu'à finalement s'écraser sur lui. Ainsi l'atome de Rutherford s'effondre-t-il à cause de la lumière qu'il émet. Le processus qui le rendait si séduisant est aussi celui qui le terrasse. Cet ultimatum que la physique classique impose ainsi à l'atome ultime n'est visiblement pas respecté, puisque la matière nous apparaît comme un édifice stable (c'est tant pis pour la physique classique, mais c'est évidemment tant mieux pour nous).
L'atome incarne donc l'échec des schémas de pensée anciens. Le monde microscopique ne sera pas une miniaturisation du monde macroscopique puisque, manifestement, les particules n'ont pas les mêmes qualités que les objets qui nous sont familiers.
Pour résoudre toutes ces difficultés, les physiciens ont été contraints de penser autrement. Ils ont dû enfler leurs conceptions jusqu'à les rendre méconnaissables. Pour créer les nouveaux outils qui manquent, ils devront oser renoncer au diktat de la physique classique, et prendre conscience qu'on ne peut accommoder la physique aux caprices de l'atome moyennant simplement un petit nombre de modifications mineures. Le vin nouveau mérite des bouteilles neuves. Au moins provisoirement, il faudra accepter de rompre avec les anciennes coutumes. Ce geste brutal et courageux, c'est un jeune physicien timide, Niels Bohr, qui le premier l'a accompli.
Dans sa note de 1913, Bohr propose d'expliquer les propriétés déroutantes des atomes en introduisant un concept révolutionnaire, celui d'état quantique. Treize ans auparavant, Planck avait avancé l'idée de quantum pour élucider certains problèmes liés à la structure du rayonnement. Il avait ainsi découvert - non sans effroi - que tout semble se passer comme si les atomes ne pouvaient capter ou émettre de l'énergie de manière continue, mais uniquement sous forme de « paquets », qu'on appela les quanta (ce mot est le pluriel de quantum, qui signifie « combien » et qu'on retrouve dans « quantité »). Autrement dit, une lumière de fréquence n (nu en grec) ne semble pouvoir échanger de l'énergie qu'en payant avec des pièces de monnaie dont la plus petite a une valeur égale à hn, où h est la « constante de Planck ». Plus précisément, les paquets peuvent avoir une énergie égale à hn, ou bien à 2 hn, ou bien à 3 hn, etc. Il n'y a pas d'échange possible à d'autres valeurs.

Le rayonnement est comparable ici au beurre, qui ne peut être acheté au supermarché que par paquet d'un quart de livre (ou d'une demi-livre, etc.) ; et pourtant, tout le monde sait bien que le beurre en tant que tel peut exister a priori en n'importe quelle quantité. Mais on ne peut se le procurer en une quantité qui soit entre rien et un quart de livre (ou entre un quart et une demi-livre, etc.). Les physiciens résument la chose en disant que le beurre est continu (c'est du moins l'idée qu'ils en ont lorsqu'ils l'étalent sur leurs tartines matinales) mais ne s'échange que par quanta (c'est du moins l'idée qu'ils en ont quand ils font leurs courses).

En 1905, Einstein va encore plus loin : il attribue au rayonnement lui-même, et non plus seulement aux seuls échanges d'énergie, une structure corpusculaire (ou discontinue). En somme, Einstein dit que non seulement le beurre s'échange dans le commerce par plaquettes d'un quart de livre, mais qu'en plus il est préalablement constitué de paquets indivisibles d'un quart de livre (de toutes les sources de vitamines, le beurre s'affirme ici comme étant celle qui a la plus grande richesse conceptuelle...).

Bohr a en tête le modèle de Rutherford, qu'il repense fondamentalement, et construit son propre modèle sur quelques principes révolutionnaires. D'une part, à chaque orbite électronique est attachée une énergie bien déterminée, qui est l'énergie mécanique des électrons se déplaçant sur cette orbite. Cette énergie ne peut prendre que certaines valeurs : comme dans le cas du rayonnement, elle est « quantifiée », c'est-à-dire qu'elle n'est pas quelconque. Il existe donc des états quantiques, dont la juxtaposition forme ce que l'on appelle un spectre (au sens ou l'on parle de spectre de lumière).
D'autre part, le rayonnement n'est pas émis d'une manière continue mais seulement lorsqu'un électron passe d'un état quantique à un autre (d'une orbite à une autre). Enfin, étant donné la différence d'énergie entre deux orbites, la fréquence de la lumière émise lors de la transition de l'une à l'autre s'obtient en divisant la différence d'énergie par la constante de Plank.

Ces principes imposent que les électrons d'un atome ne peuvent s'assembler autour du noyau que selon certains modes bien définis - les états quantiques - à l'exclusion de tous les autres. Dans les conditions normales, c'est le mode qui a la plus basse énergie qui prévaut. L'atome est alors dans son état dit « fondamental » (la configuration stable de plus petite énergie, c'est-à-dire dans laquelle l'électron est sur l'orbite la plus proche du noyau). Tout changement n'est possible qu'en fournissant une quantité d'énergie suffisante pour passer à l'état quantique suivant, situé à un niveau d'énergie supérieur.
On peut se représenter les niveaux d'énergie de l'atome de Bohr en comparant celui-ci à une harpe (l'atome, pas Bohr). Quand on la pince, chaque corde émet un son bien précis. De même, toutes les fois qu'un électron change d'orbite dans un atome, il se produit une émission d'ondes lumineuses dont l'énergie est bien déterminée. On comprend ainsi que les atomes aient un spectre de lumière structuré en raies. On comprend aussi la stabilité de l'atome. Dans le modèle de Bohr, l'électron n'est plus libre de spiraler de plus en plus près du noyau : de même qu'il y a une plus basse note sur une corde de harpe, il y a une orbite de plus basse énergie autour du noyau. L'électron ne peut pas « descendre » plus bas qu'elle.

Au fil des années qui suivirent, le modèle de Bohr continua d'être étudié et perfectionné, mais les questions à son sujet jaillissaient à la queue leu leu : quelles causes provoquent le changement d'orbite des électrons ? Peut-on prédire les instants où s'effectuent ces « sauts quantiques » ? L'atome était en passe de devenir un horrible casse-tête.
En 1923, Louis de Broglie propose d'étendre aux particules matérielles, notamment aux électrons, l'idée de quantum de rayonnement inventé par Einstein. Pour cela, il associe au mouvement de l'électron une « onde fictive ». Cette idée était a priori absurde... Une onde est quelque chose d'étendu dans l'espace et on ne voit pas bien ce qu'elle peut signifier pour l'électron qui, jusque-là, est considéré comme un minuscule fragment de matière. Mais de Broglie montre que cette notion d'onde associée au mouvement de l'électron fournit une interprétation simple des états stationnaires (orbites de l'électron) de l'atome de Bohr. On peut se représenter cette explication de la matière en termes d'onde en disant que le corpuscule électron se comporte comme une onde qui se referme sur elle-même après avoir fait un tour complet autour du noyau. L'existence des états quantiques, qui était si mystérieuse dans le modèle de Bohr, devient recevable si l'on adopte un point de vue ondulatoire.

C'est Schrödinger, en 1926, qui écrit l'équation générale à laquelle doit satisfaire la fonction d'onde de l'électron (on peut s'amuser à remarquer que cette entrée en matière de la fonction d'onde signifie l'entrée en fonction de l'onde de matière...). Grâce à son équation, Schrödinger put calculer le spectre de l'atome d'hydrogène et aboutir au même résultat que Bohr quelques années auparavant. L'idée étrange d'un électron qui serait une onde se trouvait quantitativement validée, et l'atome quantique se voyait offrir sa première véritable théorie.
De ce succès, Schrödinger tira la conclusion que la matière est une superposition d'ondes satisfaisant à son équation, et que la nature toute entière est un gigantesque phénomène ondulatoire. Mais, dans cette affaire, qu'est-ce qui vibre, au juste ? Poser une telle question, c'est montrer du doigt l'étrangeté du monde quantique. Il faudra bien un jour interpréter la fonction d'onde, c'est-à-dire lui trouver une signification physique...

Les efforts des physiciens avaient alors pour but de forger de l'atome des images physiques et cohérentes auxquelles on pourrait associer une représentation visuelle. Mais un jeune chercheur, Werner Heisenberg, prit tout le monde à contre-pied en affirmant qu'il faudrait plutôt arriver à se passer de toute représentation imagée... Notamment, il proposa de renoncer à l'idée que l'électron tournant autour du noyau a une trajectoire bien définie.
Se proposant de s'intéresser non à ce que sont les atomes mais à ce qu'ils font, Heisenberg put décrire les transitions entre niveaux d'énergie d'un atome sous forme de tableaux de nombres. Il s'avéra que ces tableaux, ou matrices, sont plus adaptés que les nombres ordinaires à la description des phénomènes atomiques tels que les dévoile la nouvelle physique. L'atome s'enfonçait encore un peu plus dans l'abstraction des mathématiques. A ce jour, il n'est toujours pas remonté à la surface...

Restait à trouver, à défaut d'image, la signification physique de la fonction d'onde. Celle-ci étant en général continue et étalée dans l'espace, il faut de fait exclure qu'elle puisse donner la position exacte de l'électron. Pourtant, lorsqu'il est détecté, ce dernier apparaît toujours localisé en un point précis. Une nouvelle contradiction apparaissait. C'est à Born que revient le mérite de l'avoir levée : il montra, en 1927, qu'à partir de la fonction d'onde, on peut calculer la « probabilité » de trouver l'électron en tel ou tel endroit.

Ainsi, lorsqu'on mesure la position d'un électron, la fonction d'onde qui le décrivait juste avant la mesure, et qui était étalée sur un certain volume d'espace, est brutalement « réduite » puisque l'électron apparaît dans une zone très restreinte de l'espace. Etalement de l'onde et mesure précise sont alors réconciliées dans l'acte même de mesurer. En effet, parmi tous les lieux où l'électron pouvait apparaître, un seul a été choisi, de façon rigoureusement aléatoire. C'est le fameux « indéterminisme quantique », qui interdit d'associer à l'électron une trajectoire bien définie. La conséquence était sans concession : on ne pouvait plus représenter l'atome par un dessin, il a cessé d'être une « chose » au sens ordinaire du terme. Sa description quantique en a fait un être quasi fantomatique (est-ce pour cela qu'il a un spectre ?). On peut montrer ce qu'il n'est pas, mais on ne peut plus montrer ce qu'il est réellement. Les physiciens du XXe siècle auront été de fieffés iconoclastes. Disant cela, on parle toujours d'atome, mais qu'on est loin de Démocrite !

Science & Vie N°908, Mai 93, page 54
http://www.sceptiques.qc.ca/activites/conferences/fevrier-2007