⭐ COMPRENDRE L'ATOME PARTIE 1/2

Les planètes, les étoiles, notre corps humain,  toute la matière qui nous entoure est constituée d'atomes. La richesse et l'immense variété  de ce qui nous entourent, visibles ou non, répondent aux mystérieuses lois de l'atome.  Ce sont elles qui décident comment tout est construit et comment tout s'assemble. 

En se plongeant dans l'étude de l'atome, les scientifiques ont démêlé les secrets  les plus surprenants de la nature, ils ont découvert un monde insoupçonné, un monde  que nos sens ne peuvent pas appréhender. Dans cette aventure, nous allons croiser la route  des plus grands physiciens du XXe siècle. Cette histoire commence tragiquement le 5  octobre 1906, avec le suicide du physicien autrichien Ludwig BOLTZMANN (1844-1906).

Sa mort  fait suite à une dépression dû en partie au fait que la communauté des physiciens l’avait diffamé,  voir ostracisé pour une croyance qui aujourd'hui est considérée comme une évidence. Boltzmann  était convaincu que la matière ne pouvait pas être divisée à l'infini, et qu’elle était  constituée d'éléments minuscules : les atomes. Il est difficile d’imaginer aujourd'hui que  les scientifiques aient pu ne pas croire en l’existence des atomes.

Et pourtant, c’était  le cas au début du XXe siècle. En pratique, la communauté scientifique est divisée sur  le sujet depuis le milieu du XIXe siècle. La question de l'existence de l'atome s'impose  aux savants avec le début de la révolution industrielle.

Dans les années 1850, la vapeur  révolutionne le monde. Elle fait fonctionner des machines de plus en plus puissantes. Pour des  raisons commerciales, politiques et militaires, il faut impérativement trouver le moyen  d'optimiser l’utilisation de la vapeur.

Pour cela, il faut comprendre et prévoir  le comportement de l'eau à température et pression élevée. Ludwig Boltzmann et ses  collègues ont montré qu'en se représentant la vapeur comme étant constitué de millions de  sphères minuscules, les atomes, on peut en tirer de puissantes équations mathématiques. Et ces  équations permettent de prévoir le comportement de la vapeur avec une incroyable précision. 

Pourtant, c'est à cause de ces équations que Boltzmann et les atomistes ont été critiqués.  Leurs adversaires soutiennent que, puisque les atomes auxquels se réfèrent les calculs étaient  invisibles, ils n'étaient qu'une simple convention mathématique et ne pouvaient donc pas être  des entités physiques réelles. L'ironie de cette histoire, c'est que lorsqu'il s'est  suicidé en 1906, Boltzmann ne savait pas que sa théorie avait triomphé.

Un an avant sa  mort, un scientifique avait publié un article qui proclamait sans contradiction possible la  réalité de l'atome : Albert Einstein (1879-1955). En 1905, Albert Einstein a 26 ans. Il  travaille à l'office des brevets de Berne, en Suisse.

Au cours d'une année exceptionnelle, il  publie cinq articles qui vont bouleverser à jamais la science. Aujourd’hui, il est surtout connu  pour sa théorie de la relativité. Mais en 1905, il rédige également un article  sur la nature de la lumière, ce qui lui vaudra le prix Nobel quelques  années plus tard.

Mais ironiquement, ce ne sont pas ces deux articles qui ont eu  un impact significatif sur la découverte des atomes. L’article qui a tout changé concerne  des grains de pollen qui dansaient dans l'eau ! 80 ans plutôt, en 1827, un botaniste écossais du  nom de Robert BROWN (1773-1858) avait disséminé dans de l'eau une pincée de grain de pollen et  les avait ensuite examinées au microscope.

Il avait découvert un phénomène très curieux. Au lieu  de flotter tranquillement sur l'eau, les grains de pollen s'agitaient dans tous les sens, un peu  comme s'ils étaient vivants. Ce mouvement étrange, appelé mouvement brownien, a vite été oublié  par les physiciens, probablement parce qu’il concerne la biologie et qu’il pouvait s’agir  d’un mouvement spécifique au monde du vivant.

Pendant près de 80 ans, l’observation de  Brown reste donc une anomalie scientifique confidentielle. Jusqu'à ce qu'Einstein vienne tout  bouleverser. Einstein comprend que le mouvement brownien est lié aux atomes.

Pour Einstein, le  pollen ne peut s'agiter dans l'eau que s'il est mu par quelque chose d'autre. Il en conclut donc que  l'eau doit être constituée d'infimes particules qui s'agitent elle-même et qui s'entrechoquent  sans arrêt avec le pollen : les fameux atomes ! S'il n'y avait pas d'atome, le pollen  resterait immobile à la surface de l’eau.

Einstein a prouvé que pour qu'il y ait ce mouvement  brownien, il fallait que ces atomes existent. Dans son article, il démontre  mathématiquement que la danse du pollen révèle la taille de l'atome.  Une taille minuscule : un dixième de millionième de millimètre.

Autrement dit,  un grain de sable contient des millions d'atomes réunis. C'est à peine imaginable ! Faute d’expérience pour confirmer le résultat, l'article d’Einstein prédit le détail d’un  processus dont il ne connaît pas les propriétés précises.

Mais en science, il est toujours plus  convaincant d’arriver à prédire ce qu’on n’a pas encore observé plutôt qu’expliquer ce qui l’a  déjà été. Celui qui se chargera de la vérification expérimentale est le physicien français Jean  PERRIN (1870-1942) avec une série d’expériences réalisées entre 1907 et 1909. A la suite de quoi,  il n’y avait plus de doute possible.

Le bien fondé de la théorie de Boltzmann était prouvé, ce  qui implique que l'atome est forcément réel. Mais à peine l’existence de  l’atome définitivement prouvée, les scientifiques se retrouvent entraînés dans la  spirale infernale d'un monde nouveau et étrange. Le début du XXe siècle est une période de grand  changement pour la science.

En Allemagne a eu lieu la première démonstration de l'existence  d'étranges rayons capables de révéler les os à travers la chair. Ces rayons inexplicables  pour les scientifiques sont appelés rayons X. Quelques années plus tard, à Cambridge, on montre  que des courants électriques puissants produisent d'étranges flot de particules luisantes,  minuscules, appelés électrons.

En 1896, à Paris, Marie Curie et Henri Becquerel  découvrent que certains éléments chimiques émettent une énergie étrange et puissante  que l'on nommera radioactivité. Toutes ces découvertes semblaient tout droit  sorties d'un récit de science-fiction. A l’université de Manchester, Ernest RUTHERFORD  (1871-1937) est fasciné par la radioactivité.

Il se pose énormément de questions à son  sujet. De quoi est-elle faite ? Pourquoi apparaît-elle sous différentes formes  ?

Jusqu'où peut-elle voyager à travers le vide et à travers l'air ? Altère-elle les  matériaux qu'elle rencontre ? Avec ses assistants, Hans GEIGER (1882-1945), inventeur du  fameux compteur Geiger, et Ernest Marsden, Rutherford conçoit une série d'expériences qui  vont sonder le mystère de la radioactivité.

En 1909, Rutherford confie à ses étudiants  une tâche simple : bombarder une mince feuille d’or avec des rayons alpha, c'est-à-dire  la radioactivité produite par le radium, et compter le nombre de particules ressorties  de l'autre côté. En pratique cela voulait dire rester assis dans le noir pendant des heures et  compter les flashes phosphorescents minuscules quasi invisibles. Un travail  éminemment fastidieux.

Les semaines passent sans que l'équipe  de chercheurs ne trouve quoi que ce soit d’inhabituel. Les particules alpha semblent  traverser l'or comme s'il n'y avait rien sur leur chemin. Aucun résultat spectaculaire donc.

Au  moment de faire le point avec Geiger et Marsden, Rutherford demande à ses assistants de  regarder s'ils détectent des particules alpha du côté de la feuille  d'or où se trouve le radium. En d'autres termes, regardez si certaines  particules alpha rebondissent sur la feuille d’or. Les deux jeunes retournent donc dans  leur laboratoire pour observer patiemment.

Pendant des jours, ils ne se passent rien.  Jusqu’au jour où l'impossible s'est produit. De façon très occasionnelle,une particule alpha  ricoche effectivement sur la feuille d'or !

Geiger a calculé que seulement une particule sur 8000  se comportait ainsi. C'est un pourcentage infime, mais c’est ce qui intéressait Rutherford.  Il lui faudra plus d'une année pour comprendre entièrement pourquoi les  particules alpha se comportent ainsi.

On venait à peine de se faire à l'idée que  les atomes existent réellement que Rutherford affirmait que cet objet minuscule de moins d'un  dix millionième de millimètre avait lui-même une structure interne ! A l'intérieur de l'atome se  trouve un monde subatomique et Rutherford pensait savoir à quoi il ressemble. Rutherford comprend  que le rebond des particules alpha révélait un atome totalement inattendu et qui n'a aucun  équivalent sur Terre.

Rutherford cherche donc une analogie dans le ciel. Il représente l'atome  comme un minuscule système solaire. Des électrons, particules de charge électrique négative tournent  en orbite autour d'un noyau de charge électrique positive.

Rutherford calcule que le noyau est 10  000 fois plus petit que l'atome. C'est pourquoi seulement une particule alpha sur 8000 rebondit  dessus, car elles touchent aléatoirement le noyau. La première conséquence surprenante de  cette découverte, est que l'atome de Rutherford est presque entièrement constitué  de … vide !

C'est pourquoi presque toutes les particules alpha traversent les atomes de  l'or comme si elles ne rencontraient rien sur leur chemin. En réalité, il n'y  a effectivement rien sur leur chemin. Imaginez que le noyau de l’atome soit  de la taille d'un ballon de football.

L'électron le plus proche graviterait autour à une  distance de 800 m. Le reste de l'atome serait un espace complètement vide. Autrement dit, si on  aspirait tout le vide des atomes de mon corps, je retrécierais pour devenir encore plus petit  qu'un grain de sel, tout en pesant bien sûr le même poids.

Si on faisait la même chose avec tous  8 milliards d'humains qui peuplent la Terre, nous tiendrions tous à l'intérieur d'une seule pomme  ! Il fallait se rendre à l’évidence, l'atome ne ressemblait à rien de ce qu'on connaissait et les  choses allaient devenir de plus en plus étranges. Car l'atome de Rutherford contredit les lois  connues de la science de l’époque.

Normalement, les électrons devraient perdre de l’énergie,  et donc perdre de la vitesse et entrer en tournoyant dans le noyau. Or, ils ne le font  pas ! Évidemment, tous les grands scientifiques de l'époque sont perplexes.

Imaginez donc. Les  concepts scientifiques auxquels ils avaient cru toute leur vie échouaient complètement à expliquer  l'atome. Il faudra une nouvelle génération de scientifiques jeunes et audacieux pour mettre  à mal les théories des générations précédentes.

L'un des chefs de fil de cette nouvelle  génération s'appelle Niels BOHR (1885-1962). A la fin de ses études, il entre à l'Université de  Manchester, au côté d'Ernest Rutherford. Bohr se donne pour mission de comprendre pourquoi  l'atome ne s'écrase pas sur lui-même et pourquoi il comporte tant de vide.

Bohr commence à  chercher les indices sur la structure de l'atome, non pas en regardant la matière, mais  en étudiant la nature de la lumière. Car atome et lumière sont clairement liés. Au  cours des siècles, on a compris que les éléments produisent des couleurs différentes quand ils  sont éclairés ou chauffés.

Le cuivre devient vert, le sodium jaune, le lithium rouge. Ces couleurs  sont des spectres. Le génie de Bohr a été de comprendre que les spectres nous apprennent  quelque chose sur la structure interne de l'atome, quelque chose qui permettait d'expliquer  pourquoi il y avait autant de vide.

Bohr décide de remplacer le modèle de Rutherford, qui  représentait l'atome comme un système solaire, par quelque chose de quasiment impossible à  imaginer ou à visualiser : le saut quantique. Pour faire simple, disons que l'électron  est seulement autorisé à occuper des volumes d'espace très spécifiques autour du noyau, et  ceux-ci dépendent de l'énergie de l'électron. Pour le comprendre, prenez l'exemple d’un  escalier.

Le niveau le plus bas de l'escalier, le palier, c'est le noyau de l'atome. Lorsque  vous montez les marches, vous devez utiliser de l'énergie pour monter. Et pour ce faire, vous  montez les marches une par une.

Si vous n’avez pas l’énergie nécessaire pour passer sur la marche  suivante, vous ne pouvez pas bouger. Attention, vous pouvez vous situer sur la première ou la  deuxième marche, mais vous ne pouvez pas être sur la première marche et demie. Il n’y en a pas !

Les  électrons se comportent de la même manière. Ils tournent autour du noyau avec très peu d'énergie.  Si vous leur donnez une quantité d'énergie précise supplémentaire, ils passeront sur la marche  suivante.

Autrement dit, ils s'éloignent du noyau. C’est ce que l’on appelle le saut quantique. En  revanche, si les électrons n'ont pas une quantité d’énergie suffisante, ils resteront sur la même  marche.

Le contraire est également vrai. Les électrons peuvent être dans un état d'énergie  plus élevé, donc sur une marche plus haute, puis en perdant de l'énergie, ils descendent  d'une marche et se rapprochent du noyau. L'énergie qu'ils dégagent est exactement la même qui est  nécessaire pour leur faire monter une marche.

Bohr n'avait absolument aucune idée de ce  en quoi consistait les lois quantiques qui régissent les déplacements des électrons, mais  penser en ces termes lui a permis de faire une prédiction stupéfiante. Quand un électron descend  sur une marche inférieure, il émet de la lumière. La couleur de cette lumière dépend de l'importance  du saut quantique de l'électron.

Ainsi un électron sautant de la 3e marche à la 2ème émet une lumière  dans la longueur d’onde de la couleur rouge, tandis qu'un électron sautant de la 10e à  la 2e marche perdra davantage d’énergie, qu’il émettra sous forme de lumière dans la  longueur d’onde de la couleur bleue. Afin de tester sa nouvelle théorie, Bohr l'utilise pour  faire une hypothèse. Pourrait-elle expliquer la mystérieuse signature du spectre de l'hydrogène  ?

Après des mois de calcul, il obtient enfin un résultat. Son hypothèse s'avère exacte.  Pour la première fois de l'histoire, le spectre de la lumière semble pouvoir  s'expliquer.

Nous sommes en 1913, et l’explication de Bohr va désormais être connue  sous le nom de “POINT DE VUE DE COPENHAGUE”. Mais la nouvelle théorie de Bohr s'appuyait  sur une supposition très controversée. Pourquoi les électrons dans un atome se comportent-ils  comme s'ils étaient dans un escalier ?

Pourquoi feraient-ils des sauts quantiques d’une marche  à une autre ? Quand un physicien lui affirmait que ces sauts étaient pure fantaisie, Bohr  répondait : “oui vous avez complètement raison. Mais ça ne prouve pas que les sauts  ne se produisent pas.

Ça prouve seulement que vous ne pouvez pas les visualiser. ” Mais ne pas  pouvoir visualiser les choses semblait être en totale contradiction avec la science de l’époque.  Pour les scientifiques de l’ancienne génération, la science était censée permettre de comprendre  le monde, pas d'inventer des règles arbitraires semblables à la réalité.

Le conflit entre deux  générations de scientifiques est inévitable. Le nouvel atome de Bohr et ses sauts  quantiques portent un coup terrible à la science traditionnelle. En tête de file des  conservateurs, on retrouve Albert Einstein.

Il déteste les idées de Bohr et va s'évertuer à  les combattre. Il va tout faire pour sauver le monde de l'ordre et du sens commun.  Mais Bohr ne se laisse pas démonter.

Au début des années 1920, la controverse prend  de l’ampleur. Jusque là, les débats sur la nouvelle physique atomique étaient restés polis  et courtois. Mais deux grands noms de la physique, deux caractères très opposés qui se détestent  arrivent sur le devant de la scène.

Du côté de la nouvelle science révolutionnaire,  un allemand très sérieux à l'esprit de compétition du nom de Werner HEISENBERG  (1901-1976). Pour les conservateurs, un autrichien débonnaire du nom  d’Erwin SCHRODINGER (1887-1961). Aujourd’hui, Schrödinger est surtout  connu pour l’histoire de son chat, qui est à la fois mort et vivant, ce qui fait  l'objet de fantasmes de la part du grand public.

En 1925, Schrödinger a 38 ans.  Il reprend l'idée d’onde pilote de Louis de BROGLIE (1892-1987), qui  guiderait les électrons autour d'un atome, et va beaucoup plus loin. Il soutient qu'en  réalité, l'électron est une onde d'énergie qui vibre si vite qu'il ressemble à un nuage  autour de l'atome.

Il met alors au point une nouvelle équation qui décrit l'intégralité de  cette onde, décrivant ainsi tout l'atome en termes de physique traditionnelle. On appelle  aujourd'hui l'équation d'onde de Schrödinger. L'équation de Schrödinger est la première  à proclamer haut et fort que la matière, au niveau de l’infiniment petit, se comporte tout  autrement que ce que nos sens nous indiquent.

Et ce n'est pas peu de le dire ! Accrochez- vous :  les objets physiques ne sont pas des particules, mais des “fonctions d'onde”. Je répète : les  objets physiques ne sont pas des particules, mais des “fonctions d'onde”.

En pratique, cette  équation fait intervenir ce que l’on appelle des nombres complexes, ou des nombres imaginaires  si vous préférez, dont la “grandeur” indique la probabilité de trouver une particule ici  plutôt que là. Quant à l'énergie, ce n'est plus un nombre, mais un opérateur mathématique  qui, en quelque sorte, choisit le résultat lorsqu'on effectue une mesure. Avec  cette équation, l'observateur joue un rôle central en mécanique quantique, puisque  c'est l'observation d'une mesure qui détermine l'état du système.

L'homme et sa conscience  se trouvent ainsi au centre de la physique. Voilà qui pose de grandes et belles questions,  qui dépassent de loin le sujet de cette vidéo. La “fonction d'onde” de Schrodinger décrit  intégralement le comportement du monde subatomique.

Même si les implications de  cette équation peuvent laisser perplexe, elle provoque un immense soulagement au sein des  physiciens traditionalistes, car elle décrit le monde de l’infiniment petit avec des mathématiques  classiques. Mais il reste un problème auquel Schrödinger ne répond pas. Sa nouvelle théorie  ne permet toujours pas d'expliquer les étranges sauts quantiques décrits par Bohr.

Pour les  réformistes, l'heure est venue de riposter. Heisenberg était un homme à l'esprit de  compétition très développé, et il prend les idées de Schrödinger comme un affront personnel. Il a  le sentiment que l'étrangeté des sauts quantiques est la clé pour comprendre l'atome.

Il pense que  l'atome est tellement unique et exceptionnel qu'on ne peut pas l’expliquer avec des analogies.  Nous sommes en 1925, et pour Heisenberg, il est temps d'abandonner toute image de l'atome.  Pour le physicien, l’atome ne peut être décrit que par des mathématiques.

Mais au cours de sa  réflexion, il comprend que l'atome ne défie pas seulement les façons de le représenter, il  défie les mathématiques elles-même ! Pour décrire certaines propriétés de l'atome, Heisenberg  doit utiliser un nouveau genre de mathématiques. En effet, ce qu’Heisenberg comprend, c’est  que, quand on multiplie certaines valeurs, comme par exemple la position d'un électron à  un moment précis et sa vitesse de déplacement, l'ordre dans lequel on multiplie les valeurs a  son importance.

Par exemple, quand on multiplie des nombres, peu importe l'ordre dans lequel on  le fait. 3 x 4 est pareil que 4 x 3. Mais quand il s'agit des atomes, Heisenberg a compris que  l'ordre dans lequel on multiplie les inconnus influe sur la réponse.

Il parle de sa découverte  à son collègue Max BORN (1882-1970). Ensemble, ils travaillent intensivement pendant plusieurs  mois pour développer une nouvelle théorie de l'atome, une théorie que l'on appelle  aujourd'hui “mécanique matricielle”. La mécanique matricielle utilise des tableaux  de nombres complexes plutôt que des feuilles de calcul.

Grâce à ces tableaux, Heisenberg et son  mentor, le physicien Max Born, peuvent prédire le comportement de l'atome. Mais pour Einstein et les  conservateurs, c'est une hérésie scientifique. Un atome ne peut pas être une matrice de nombre.

Nous  sommes fait d'atomes, pas de nombre ! Cela dit, il est tout aussi difficile d’imaginer que les  atomes soient des fonctions d’onde … Pour Bohr et les réformistes, qu'importe qu'on ne puisse  pas visualiser l'atome comme un objet physique, ils louent la pureté des mathématiques et  se lancent dans de véhémentes critiques du modèle ondulatoire de Schrödinger. La  controverse est à son paroxysme.

Heisenberg écrit : “plus je réfléchis à l'aspect  physique de la théorie de Schrödinger, plus elle me semble écœurante. Ce ne sont que  des absurdités. ” Mais Schrödinger en a autant à l'encontre d'Heisenberg : “Ses mathématiques  me révulsent.

Je les trouve monstrueuses”. Munich, en 1926. L’inimitié entre Schrödinger  et Heisenberg atteint son comble.

Alors que Schrödinger doit donner une conférence  sur son équation d'onde, Heisenberg fait le voyage jusqu'à Munich pour assister à  cette conférence et affronter enfin son rival en face à face. Son intention est purement et  simplement de démolir la théorie de Schrödinger. Schrodinger fait sa présentation  sur la mécanique ondulatoire devant une salle comble.

Pour le physicien de 37 ans, l’équation décrit l'image physique réelle  de l'atome, avec les électrons se comportant comme des ondes autour du noyau atomique. À la fin  de la conférence, Heisenberg, 24 ans, se lève et se lance dans un monologue attaquant l'approche  de Schrodinger. Heisenberg affirme qu’il est impossible d'avoir une image réelle de l'atome. 

Mais le public est du côté de Schrodinger, préférant largement son interprétation physique  simple aux mathématiques compliquées et abstraites de Heisenberg. Heisenberg est hué. Il  quitte la conférence triste et déprimé.

Heisenberg retourne à Copenhague. Son assurance  a été mise à mal. A l'Institut, lui et Bohr connaissent des moments difficiles.

Presque  toute la communauté scientifique est contre eux. Mais sûr d’eux, ils refusent d'abandonner leur  théorie controversée. Poursuivant ses réflexions, Heisenberg finit par comprendre pourquoi  l’atome ne peut pas être représenté.

L’atome est inconnaissable par nature ! Il  prend conscience du fait qu'il y a une limite fondamentale à ce que l'homme  peut connaître du monde subatomique. Ce qu'énonce la formule d’Heisenberg est à la  fois très simple et absolument incroyable : les notions de particule, ainsi que leur trajectoire,  leur position et leur vitesse sont remises en cause.

Vous l'avez tout de suite remarqué, le  signe “égal” d'une équation classique est ici remplacé par le signe “plus grand que”. Il s’agit  donc d’une inégalité. Il ne s'agit pas d'une loi physique au sens d'une règle opérationnelle.

Non,  elle décrit plutôt une conséquence de ces règles, en l'occurrence celles de la mécanique quantique. Cette inégalité concerne le système le plus simple qu'on puisse imaginer : le mouvement d'un objet  unique. “x” représente la position de l'objet, mesurée le long d'une règle par exemple, en mètre. 

Le symbole “delta X” décrit l'incertitude sur la mesure de “x”, c'est-à-dire la taille de  l'intervalle où je peux affirmer que se situe l'objet. Par exemple, on écrira delta X =  1 mm si on peut mesurer la position à 1 mm près. “p X” représente la quantité de mouvement, qui est simplement le produit de  la masse par la vitesse : Px = m Vx De même que pour la position, “delta  pX” est l'incertitude sur la quantité de mouvement : comme la masse “m” est  constante tout au long du mouvement, l'incertitude sur la quantité de mouvement est  simplement reliée à l'incertitude sur la vitesse.

Dans le terme de droite, “h” est la constante  de Planck, une grandeur universelle, au même titre que la vitesse de la lumière  dans le vide ou la constante de la gravitation. La formule énonce donc que le produit  des incertitudes avec lesquelles je peux définir la position et la vitesse  d’une particule est toujours supérieur à une quantité fixe, indépendante du mouvement. Ainsi, si on connaît par exemple la  position d'un électron à un moment donné, on ne peut alors pas connaître sa vitesse  de déplacement.

Et si on connaît sa vitesse, on ne peut pas connaître sa position. Cette  ambiguïté n'est pas un point faible de la théorie, elle est une vérité fondamentale sur  la manière dont la nature se comporte à l'échelle subatomique. On a appelé ça “le principe  d'incertitude d'Heisenberg”.

C'est probablement l'un des concepts les plus profonds, incroyables,  mais aussi dérangeants de toute la science. Ce qu'Heisenberg a dévoilé avec sa  mécanique matricielle, c’est que les atomes sont délibérément obscurs. On ne peut  jamais connaître simultanément la position et la vitesse d'un atome.

C'est tout simplement  impossible. Cela oblige Heisenberg et Bohr à placer l'incertitude au cœur même de l'atome. Car  les atomes ne sont pas seulement inimaginables, ils sont contradictoires.

Ils se comportent à  la fois comme des particules et comme des ondes. Plus curieux encore, quand vous ne regardez pas un  atome, il se comporte comme une onde. Mais quand vous l'observez pour connaître sa position, il  se comporte comme une particule.

C'est délirant, n’est ce pas ? Le principe d'incertitude  a tout changé. Il révèle une contradiction étonnante au cœur même de la nature.

Tout  ce que nous voyons est fait d'atomes, et pourtant les atomes sont inconnaissables.  Alors que nous sommes des êtres physiques, nous sommes constitués d’atomes qui ne peuvent  être compris que par les mathématiques. À l'automne 1927, Heisenberg et Bohr sont enfin  prêts à défier les conservateurs.

Le match aura lieu à Bruxelles, lors du 5e congrès Solvay de  physique. Tous les éminents spécialistes de la physique atomique sont présents. Si Bohr et  Heisenberg réussissent, ils seront à la tête d'une nouvelle révolution scientifique incroyable. 

Pendant la semaine du Congrès, pour les délégués, tout tournera autour de la mécanique quantique  de Bohr. Avec désormais l'incertitude pour pierre angulaire. Au fil de la semaine, la finale  oppose Bohr et son rival de longue date, Einstein.

Einstein déteste la mécanique quantique.  Pendant la semaine du Congrès, chaque matin, il venait voir Bohr avec un argument, qui selon  lui, remettait en question la théorie nouvelle. Bohr repartait très perturbé, réfléchissait  pendant des heures, et à la fin de la journée, il retournait voir son adversaire avec un contre  argument qui écartait la critique d'Einstein.

Ce scénario s’est répété tous les jours jusqu'à  la fin du Congrès. Bohr a compris toutes les critiques d'Einstein et a été considéré  comme le vainqueur de ce duel. Grâce à cela, sa vision de l'atome, connue sous le  nom d'interprétation de Copenhague, s'est soudain retrouvée au cœur de la  physique atomique.

A la fin du Congrès, tous les physiciens se sont rassemblés pour une  photo de groupe. Devant, au centre, on reconnaît le doyen des physiciens Hendrick Lorentz. A ses  côtés, Marie Curie et Albert Einstein.

Einstein est plutôt morose parce qu'il a perdu le débat.  Louis de Broglie n'est pas non plus parvenu à convaincre les délégués avec son point de vue. La  victoire revient à Bohr.

Il est très fier de lui. A ses côtés est assis un des héros oubliés de la  mécanique quantique : Max Born, qui a tant fait avancer les mathématiques. Derrière lui, les deux  jeunes disciples de Bohr : Heisenberg et Pauli.

Le hasard et la probabilité ont été inclus  dans la structure de la nature. Désormais, on ne peut plus décrire les atomes en termes d'image  simple, mais seulement en des termes abstraits, purement mathématiques. L’interprétation  de Copenhague a triomphé.

Même si Einstein n'a jamais cru en la mécanique quantique,  le Congrès Solvay 1927 a été un tournant. L’ensemble de la communauté des physiciens  à fini par se rallier à l'interprétation de Copenhague, et cette interprétation  est toujours en vigueur aujourd'hui. La description de l'atome par la mécanique  quantique est l'un des couronnements de la créativité humaine.

Au cours de ces 80  dernières années, elle s'est révélée exacte et son autorité n'a jamais été remise en  doute. Avec la relativité générale d’Einstein, l’équation de Schrödinger constitue la meilleure  théorie actuelle pour décrire l’Univers physique. Sans elle, nos puces informatiques et les  lasers n’existeraient tout simplement pas !

Mais cela a un prix. Il nous faut accepter  le fait que la nature est fondamentalement régie par le hasard et la probabilité. Et le  principe d'incertitude d'Heisenberg nous montre qu'il y a certaines limites aux questions  qu'on peut poser sur le monde atomique.

C’est là qu’intervient le fameux chat  de Schrödinger. Pour expliquer le monde étrange de la physique quantique,  Schrödinger à prix l’exemple suivant. Il suggérait de prendre une boîte et  d'y placer un flacon fermé de cyanure, relié à un détecteur de radiation, ainsi qu’une  source de matière radioactive.

L'idée était que, si un atome de la matière  radioactive émet une particule, elle sera décelée par le détecteur  qui libérera alors le cyanure. Ensuite, prenez un chat. Placez le chat dans  la boîte, fermez le couvercle et attendez.

Selon le point de vue de Copenhague,  tout le temps que la boîte sera fermée, l'atome radioactif devra choisir s'il va se  désintégrer et cracher une particule ou non. Nous sommes donc obligés de le décrire  comme s'étant désintégré et ne s’étant pas désintégré en même temps. Pensez à ce que  ça signifie.

Comme la particule radioactive déclenche la libération du poison, le chat  est à la fois empoisonné et non empoisonné jusqu'à ce qu'on soulève le couvercle  pour constater le sort du chat. Il faut donc considérer le chat comme étant à la fois  mort et vivant en même temps. Étonnant, non ?

Aujourd’hui, nous en savons tellement  plus sur ce qu'est un atome et comment il se comporte qu'il nous faut renoncer  à la possibilité de s'en faire une image visuelle. Notre nature humaine nous oblige à  nous questionner sur le monde qui nous entoure, et ce qu'on a découvert dépasse largement notre  imagination. Mais nous n’en sommes qu'à la moitié de notre aventure.