Comment les scientifiques ont-ils élaboré une théorie des atomes, alors que les atomes sont de minuscules particules invisibles ? Comment supposer même l’existence des atomes ? Tout part d’une bataille d’idées qui va aboutir à la théorie atomique.
Dans cette 3ᵉ saison de la collection de podcasts “Les contes des mille et une sciences,” Cédric Villani nous embarque dans une nouvelle aventure scientifique : la théorie atomique.
imaginez que dans quelque cataclysme
toute la science soit détruite et que
nous ne pouvions passer qu'une phrase à
la prochaine génération quel énoncé
contiendrait le plus d'informations dans
le plus petit nombre de mots que
répondriez-vous à cette question de
Richard feinman l'auteur iconoclaste du
plus célèbre cours de physique théorique
du 20e siècle quel phrase
choisiriez-vous moi je crois que comme
feinman je choisirais l'hypothèse
atomique c'est-à-dire toutes les choses
sont faites d'atomes petites particules
qui s'agitent en perpétuel
mouvement l'hypothèse atomique aucune
découverte n'a pu bouleverser notre
vision du monde matériel aucune n'a
engendré plus de technique sans théorie
des atomes il n'y aurait ni chimie
moderne ni laser ni scanner ni
smartphone mais surtout aucune
découverte n'a mieux révélé
l'ambivalence de la science aucune n'a
eu plus d'impact géopolitique aucune n'a
fourni plus de puissance destructrice
faisant trembler gouvernements et
citoyens je suis Cédric Villani
mathématicien et je vais vous conter
l'histoire des atomes et en particulier
ce qu'on ne vous a pas dit en cours de
physique comment on a découvert ces
particules invisible et rien que cela
nous demandera deux épisodes
ne croyez pas que je prenne de grands
risques moi le mathématicien dans ces
aires de physique d'abord une partie de
ma recherche apportter sur les équations
mathématiques de la physique des atomes
mais surtout ce sujet est pétri de
mathématique c'est même l'un des plus
grands triomphe de la démarche
mathématique c'est aussi une histoire
pleine de bruit et de fureur qui a
changé le destin de l'humanité plus
qu'aucun conquérant ou
empereur d'ailleurs le jeune Bonaparte
s'est rêvé en découvreur des lois du
monde invisible mais au début ce sera
juste une bataille d'idée pour l'honneur
de l'esprit humain entre quelques
savants à longue barbe et à
l'imagination
démesurée comment ont-ils élaboré une
théorie des atomes alors qu'il ne
pouvait ni les voir ni les mesurer par
quelque expérience que ce
soit notre compte commence en
1850 dans cette Allemagne où s'affirme
sciences et techniques rudolp Clausius
fonde la thermodynamique la science des
variations d'énergie de température la
science des fourneaux des frigos et des
moteurs et Clausius remet au goût du
jour l'idée que la température c'est
juste l'intensité de l'agitation des
particules infimes dont la matière
serait
constituée cette vision d'un monde fait
d'atome cette hypothèse atomique a déjà
été proposée bien des fois et à chaque
fois abandonnée
aux archives les philosophes antiques
démocrit et le CPE créateur du mot atome
littéralement ce qui ne peut être coupé
au musée le philosophe latin lucrè dont
le grand poème a été retrouvé par
miracle oubliez aussi la théorie du
Suisse Daniel bernuli au 18e siècle
d'expliquer par les atomes la pression
de l'air et tout aussi méprisé début 19e
les théories de deux audacieux électrons
libres britanniques herapath et
Waterstone mais qui sait pourquoi avec
Clausius l'idée
prend alors on peut toujours spéculer
sur les atomes mais pour convaincre il
faut développer une théorie précise
quantitative et la confronter à la
réalité clausus n'a pas assez de
technique pour cela mais depuis Berlin
ces méditations vont trouver un écho à
aberberdine et à
Vienne
aberdine ces austères monuments de
granit du nord de l'Écosse son pétrole
son football mais à l'époque c'était
surtout le lieu d'exercice d'un des plus
grands physiciens de tous les temps
James Clark Maxwell avec son intuition
physique et sa virtuosité mathématique
il révolutionne tout
l'électromagnétisme la mécanique
l'optique
l'astronomie l'hypothèse atomique attire
son attention il veut
l'approfondir il a lu les travaux de
ketelé en statistique sociale il
comprend que comme les humains les
atomes s'ils existent ont une palette
d'états différents avec des variations
de vitesse et d'énergie et qu'il faut
explorer l'évolution de cette palette
statistique le manuscrit qu'il publie
après des années de polissage est un
chezdœuvre surnaturel de profondeur et
d'élégance et puis donc il y a Vienne
capitale d'Empire avec deux physiciens
Joseph Stepan et Joseph lchmid l'un est
fils de paysan tchqu et l'autre de
paysans slovèes mais culturellement ce
sont de vrais Autrichiens poètes
originaux campagnards provinciaux
modestes et volontiers d'humeur sombre
de digne fils de cet empire
austro-hongrois qui favorise les
sciences pour détourner les
intellectuels des révoltes Joseph
stepane est un professeur respecté alors
que son ami Joseph loschmidth
entrepreneur raté se consacre en
outsider à ses marottes scientifiques il
écrit l'un des prem traité de chimie
atomique basé sur des assemblages
d'atomes les molécules vous savez comme
H2O pour l'eau et il est le tout premier
à estimer une quantité que nos enfants
apprennent en classe le nombre
d'avogadr le nombre d'avogadr je vous
rafraîchis la mémoire c'est sans doute
le plus important concept liant le monde
atomique à notre monde
macroscopique c'est le nombre de
molécules de gaz dans un volume donné à
pression et température ambiante un jour
peut-être votre enfant au sortir d'un
cours de physique ou de chimie vous a
dit papa maman dans 22 l de gaz à
pression et température ambiante il y a
6 x 10 puiss 23 molécules soit 600000
milliards de milliards de molécules mais
au fait comment le sait-on vous imaginez
bien qu'on ne les a pas compté et bien
Joseph lechmi était le tout premier à
cul ce nombre oh il n'avait pas la
valeur exacte bien sûr mais il a montré
que si les atomes existent alors ce
nombre d'Avogadro c'est pas loin de 10
puiss
24 un tout premier élément quantitatif
dans ce poème hypothétique de
l'infiniment petit et los Schmid non
plus n'est pas assez bon mathématicien
pour aller plus loin alors les deux
Joseph vont soumettre les travaux
sophistiqué de Maxwell à leur plus
brillant étudiant un jeune homme
autrichien jusqu'au bout des ongles
rêveur excellent pianiste et est doté de
la plus forte combinaison de talents
mathématique et physique qu'ils aient
jamais vu son nom ludwiig bolzman et
s'il ne lit pas un mot d'anglais peu
importe on lui offre un dictionnaire
qu'il se débrouille et il s'en
débrouillera rudement bien c'est un
fabuleux match cordial qui commence
l'enjeu est d'écrire la plus complète la
plus belle la plus cohérente théorie des
atomes Clausius fournit les balles
maxuel et bolsman se les renvoient il
n'y a que deux pour suivre à ce niveau
de physique mathématique ils affinent le
calcul du libre parcours moyen autrement
dit la distance parcourue par une
particule entre deux chocs établissent
l'équation différentielle qui prédit
comment les collisions entre particules
font évoluer la répartition des vitesses
de ces particules et que l'on nomme
aujourd'hui équation de bolsman il
montre qu'el équilibre les vitesses des
molécules d'un gaz doivent se répartir
selon une courbe gosienne la fameuse
courbe en cloche des statisticiens bien
connu des instituts de sondage ils font
le pont entre la dynamique des atomes et
celle des fluides
ah leurs styles sont si différents
qu'ils ont du mal à se comprendre
Maxwell est un diléante touche à tout
élégant hosyle sobre et à l'humour bien
British c'est aussi un timide terrifié
par les prises de paroes publiques
enseignant calamiteux alors que bolsman
de 13 ans son cadet est un combattant
immergé dans son sujet auteur prolifique
et brouillon amateur de bonne chair père
de famille paisible il se déplace à vélo
et installe une vache dans son
jardin complètement paumé dans les
intrigues universitaires il est chez lui
au pays de la physique mathématiqu dans
ses bonjours c'est le orateur le plus
clair et le plus percutant qu'on ait
jamais vu voix haut perchée longue barbe
noire rond comme un ballon féroce comme
un buouldog miope comme une triple taupe
c'est un bonheur pour les
caricaturistes quand bolsman monte sur
l'estrade c'est l'espace qui se courbe
poétise un spectateur mais voici que
Clausius sert une nouvelle balle très
spéciale développant une observation
oubliée de l'ingénieur français sad
Carno il ériige en principe que la
chaleur ne peut aller que du chaud vers
le froid introduit une quantité pour
mesurer la capacité d'un système à se
transformer et lui donne un nom grec
entropie il énonce le second principe de
la thermnamique l'entropie d'un système
isolé augmente quand le temps s'écoule
ce qui traduit la perte progressive de
sa capacité à se transformer un concept
universel puisque tout se transforme
tout action chimique tout mouvement de
muscle tout processus vital c'est une
transformation associée donc à de
l'entropie bolsman s'empare de ce
concept et l'incorpore à la théorie
atomique il montre comment calculer
l'entropie à partir de la statistique
des particules et comment son
augmentation découle en fait de son
équation et de la théorie des
probabilités puis il réinterprète
l'entropie par une formule magistrale
s = k log W ça veut dire quoi s c'est la
fameuse entropie ou capacité à se
transformer K c'est un nombre fixé la
constante de bolsman log c'est le
logarithme ça mesure la taille d'un
nombre pensez que le log de 10 c'est 1
le log de 100 c'est 2 et ainsi de suite
et W c'est le nombre de configuration
moléculaire réalisant l'état
macroscopique que l'on
considère peut paraître abstrait alors
voici pour vous une analogie politique
dans une élection l'état macroscopique
ce seraient les scores de chaque
candidat en pourcent et W ce serait le
nombre de toutes les listes de votes
imaginables toutes les possibles listes
indiquant qui a voté pour qui et qui
serait compatible avec les résultats
évidemment ce nombre de listes est
absolument vertigineux si vous avez
juste les scores des candidats en
pourcentage vous imaginez l'incroyable
information qui vous manque pour
reconstituer le vote de chaque électeur
et bien c'est encore pire en physique
atomique parce qu'on a pas des millions
d' lecteurs mais des milliards de
milliards
d'atomes c'est bien pour cela qu'on ne
va pas manipuler W directement mais
prendre son logarithme et le multiplier
par la minuscule constante K s é= K L W
à 33 ans bolsman tient son chef-dœuvre
un pont entre la complexité
microscopique invisible et le monde
observable il en tire même une
interprétation statistique du temps
selon lui le temps qui passe c'est
l'augmentation d'entropie la propension
à aller des états moins probables vers
les états plus probable c'est juste
révolutionnaire et si ça vous semble
incompréhensible
dites-vous que vous êtes en bonne
compagnie les plus grands scientifiques
du monde étaient paumés paumé le grand
maxuel paumé le grand Point Carré paumé
le grand Calvin fasciné mais
paumé comment ce second principe de la
thermodynamique une loi absolue toujours
vraie pourrait découler de principes
statistiques forcément fluctuant et
imprévisible comment la flèche du temps
serait par la magie statistique sensible
à notre échelle sans être perçu à
l'échelle atomique quand Maxwell meurt
prématurément bolzman se retrouve seul
en Liss pour débattre de ces paradoxes
malgré son magistral ouvrage de synthèse
le Sonon sur la théorie des gaz il est
de plus en plus contesté il se crée un
puissant courant scientifique opposé à
l'hypothèse atomique c'est
l'énergétisme théorie selon laquelle les
lois de la matière découlent des lois de
la thermodynamique
au contraire bolsman pense que c'est la
structure atomique de la matière qui
explique la
thermodynamique les deux camps
s'affrontent sans merci à coup de
conférence si passionné que les
belligérants tombent parfois en
dépression nerveuse vers 1900 des
pointures se rallent à bolsman et le
grand mathématicien David Hilbert le
cite comme inspiration pour l'un des 23
problèmes qu'il propose au Congrès
international des mathématiciens à Paris
et bolsman fascine la jeune génération
d'étudiants Ervin schrredinger
l'idolâtre Albert Einstein dévore son
ouvrage mais bolsman ne se rend pas
compte que le vent tourne en sa faveur
épuisé tourmenté il se consume en lutte
pour ne rien arranger il enterre ses
mentors les deux Joseph et tout cela
dans la morbide vienne du début 20e
capitale mondiale du suicide
au pire moment des crises de terreur le
tiennent éveiller la nuit dans
l'angoisse que toute sa théorie
s'écroule un jour qu'il se repose à
Trieste il est pris de panique à l'idée
de rentrer à l'université sa fille Ida
le retrouve
pendu en ce triste jour de 1906 il avait
été anéanti par les polémiques mais
aussi par ses propres démons par les
ravages du temps ce temps dont il avait
dévoilé de précieux secrets
100 ans plus tard j'étais orateur invité
au colloque commémorant bolzman à Vienne
et à
Triest invité comme spécialiste de la
théorie mathématique de l'équation de
bolsmann et de son entropie qui s'est
épanoui pour résoudre tant de problèmes
de physique de communication de
probabilités et même de géométrie et
d'algèbre en marge du colloque de Vienne
qui se tenait dans la
bolsmas j'allais au cimetière central
arrivé tard sans indication je demandais
mon chemin à une famille assise sur un
banc qui cherchez-vous
bolzman alors je vous jure le père de
famille me répondit dans un sourire s =
k log W et il me mena à la tombe de
bolsman où la fameuse formule est
gravée une formule qui incarne tant le
entre probabilité et loi de la nature
l'information comme déesse explicative
du monde au côté de l'énergie ce fait
majeur que nous sommes des êtres
macroscopiques dans un monde fait de
corpusculle
microscopique voilà longtemps que
l'empire austro-hongrois s'est écroulé
mais cette formule en elle-même c'est un
empire bien
vivant
alors comment a-t-on compris que bolsman
avait raison que les atomes existent
réellement par un raisonnement
magnifique que je vais vous décrire