Science

Qu'est-ce que la science ?

La science n'est pas un tas de faits, mais une méthode pour découvrir lesquelles de nos idées sur le monde résistent au contact avec lui. Ses rouages sont simples à énoncer : remarquer quelque chose, proposer une explication, en déduire ce qu'elle prédit, puis regarder, avec soin, si la prédiction tient. Ce qui fait de cette méthode une science plutôt qu'un récit, c'est la dernière étape. Une affirmation qu'aucun test ne pourrait jamais mettre en défaut ne nous dit rien sur le monde.

L'habitude est plus ancienne que le mot. Au Caire, vers 1011-1021, le savant arabe Ibn al-Haytham (Alhazen) rédige son Traité d'optique, où il tranche par l'expérience, et non par l'autorité, un débat millénaire sur la vision. La plupart des penseurs grecs soutenaient que l'œil émet des rayons ; Ibn al-Haytham construit une chambre obscure percée d'un trou d'épingle, montre que la lumière venue de l'extérieur y forme une image inversée, et conclut que la lumière va des objets vers l'œil. Il décrit sa procédure pour que d'autres puissent la répéter, ce qui est déjà la moitié de l'affaire.

En 1620, le Novum Organum de Francis Bacon plaide pour un savoir bâti de bas en haut à partir d'observations organisées, et en 1660 la toute jeune Royal Society de Londres prend pour devise Nullius in verba, à peu près « ne croyez personne sur parole ». Le philosophe Karl Popper, à Vienne en 1934, affine l'idée en critère : un énoncé scientifique est un énoncé qui pourrait, en principe, être réfuté. « Tous les cygnes sont blancs » est scientifique parce qu'un seul cygne noir le coule, et en 1697 des marins néerlandais en Australie-Occidentale en trouvèrent justement un.

L'illustration moderne la plus nette est l'éclipse du 29 mai 1919. La relativité générale d'Einstein prédisait que la lumière des étoiles frôlant le Soleil serait déviée d'environ 1,75 seconde d'arc, le double de la valeur newtonienne. L'expédition d'Arthur Eddington à Príncipe et une seconde équipe à Sobral, au Brésil, photographièrent les étoiles près du Soleil obscurci et mesurèrent le décalage. Si les étoiles n'avaient pas bougé, la théorie était morte. Elles bougèrent à peu près de la quantité prédite, et le résultat fit la une du Times.

Le saviez-vous ? Le mot anglais scientist n'a été forgé qu'en 1833, par William Whewell à Cambridge ; avant cela, ses praticiens étaient des « philosophes de la nature ».

La science est aussi une activité collective. Les résultats sont publiés, les méthodes partagées, et d'autres tentent de les démolir, raison pour laquelle l'évaluation par les pairs et la réplication ont leur propre chapitre. La méthode n'est pas infaillible : les scientifiques sont humains, les modes passent, les fraudes existent. Mais le système est conçu pour que les erreurs finissent par être repérées, et cette mécanique d'autocorrection, plus que n'importe quelle découverte, est ce qui sépare la science de toutes les autres manières de savoir. Un bon scientifique est quelqu'un qui se donne du mal pour découvrir s'il a tort.

Observation et mesure

La science commence par le regard, mais regarder ne suffit pas : l'observation doit être consignée, dans des unités que d'autres peuvent utiliser, avec une estimation honnête de sa précision. La mesure est ce qui transforme une impression en preuve. Aristote pensait que les corps lourds tombent plus vite que les légers ; personne ne les a chronométrés correctement pendant dix-neuf siècles.

Le héros de l'ère d'avant la lunette est le gentilhomme danois Tycho Brahe. Sur l'île de Hven, entre 1576 et 1597, il bâtit Uraniborg, l'observatoire le mieux financé d'Europe, et le remplit d'immenses quadrants et sextants de laiton lus à l'œil nu. Il mesura la position de 777 étoiles et suivit les planètes nuit après nuit avec une précision d'environ une minute d'arc, à peu près un trentième du diamètre de la Lune et plusieurs fois mieux que quiconque avant lui. Tycho n'admit jamais que la Terre bouge. Ses données s'en moquaient : après sa mort, Johannes Kepler s'en servit pour découvrir que Mars suit une ellipse, parce qu'un cercle manquait les observations de Tycho de huit minutes d'arc, et que Kepler fit confiance aux mesures plutôt qu'à la théorie.

Mesurer exige aussi une règle commune. En 1791, l'Académie des sciences définit le mètre comme la dix-millionième partie de la distance du pôle Nord à l'équateur en passant par Paris, et envoya deux astronomes, Jean-Baptiste Delambre et Pierre Méchain, mesurer la méridienne de Dunkerque à Barcelone ; il leur fallut six ans, à travers une révolution et une guerre. Une barre de platine iridié devint l'étalon en 1889, un décompte de longueurs d'onde du krypton 86 la remplaça en 1960, et depuis 1983 le mètre est défini par la vitesse de la lumière, fixée à exactement 299 792 458 mètres par seconde.

Le saviez-vous ? Jusqu'au 20 mai 2019, le kilogramme était un cylindre de platine iridié conservé dans un coffre à Sèvres ; s'il prenait un grain de poussière, toutes les autres masses de l'univers changeaient, techniquement.

Certaines des plus grandes découvertes sont dues à des gens qui ont remarqué ce que leurs instruments leur disaient. En 1967, Jocelyn Bell Burnell, doctorante à Cambridge, repéra un demi-centimètre de « gribouillis » sur les trente mètres de papier d'enregistreur que produisait chaque jour un radiotélescope qu'elle avait aidé à construire. Le gribouillis se répétait toutes les 1,337 seconde : c'était le premier pulsar, une étoile à neutrons en rotation. Les astronomes de la cour de Chine avaient fait quelque chose de semblable en 1054, en notant une « étoile invitée » dont on sait aujourd'hui qu'elle fut la supernova qui laissa la nébuleuse du Crabe.

Aujourd'hui, les sept unités de base du SI sont toutes définies par des constantes de la nature, si bien qu'un laboratoire de Tokyo, de Nairobi ou de Toulouse peut les réaliser sans passer par Paris. Les horloges atomiques dérivent de moins d'une seconde en cent millions d'années, et le récepteur GPS d'un téléphone en dépend. L'observation dit qu'il s'est passé quelque chose ; la mesure dit combien, et avec quelle certitude.

L'expérience

Une expérience est une observation que l'on organise soi-même. Au lieu d'attendre que la nature fasse varier une chose à la fois, on la fait varier, on maintient tout le reste constant, et on regarde ce qui change. Le témoin, la comparaison non traitée, est ce qui donne un sens au résultat. Sans lui, on a une anecdote.

Le chirurgien de marine James Lind mena ce que l'on appelle souvent le premier essai clinique contrôlé à bord du HMS Salisbury, le 20 mai 1747. Le scorbut tuait plus de marins britanniques que les Français. Lind prit douze malades, les installa dans les mêmes quartiers avec le même régime, et les répartit en six paires, chacune recevant un remède quotidien différent : un litre de cidre, des gouttes d'acide sulfurique, du vinaigre, un quart de litre d'eau de mer, une pâte épicée avec de l'eau d'orge, ou deux oranges et un citron. La paire aux agrumes fut apte au service en six jours. Lind publia en 1753, en tira des conclusions confuses, et l'Amirauté attendit 1795 pour distribuer du jus de citron ; les bonnes expériences ne gagnent pas toujours vite.

L'art du témoin atteignit son sommet à Paris. En 1859, Louis Pasteur fit bouillir du bouillon de viande dans des ballons dont il avait étiré le col en un long bec recourbé vers le bas, un col de cygne. L'air atteignait le bouillon, mais poussières et microbes se déposaient dans la courbure. Le bouillon resta limpide pendant des mois. Cassez le col, ou inclinez le ballon pour que le bouillon touche la poussière piégée, et il se troublait de vie en quelques jours. La seule variable était l'accès aux particules de l'air : la génération spontanée, l'idée que la vie naît d'elle-même dans un bouillon, était finie. L'un des ballons originaux de Pasteur est toujours stérile à l'Institut Pasteur.

Le saviez-vous ? L'essai randomisé moderne est né autour d'une tasse de thé : dans les années 1920, Ronald Fisher testa l'affirmation de Muriel Bristol, qui disait reconnaître au goût si le lait avait été versé en premier, avec huit tasses présentées dans un ordre aléatoire. Elle les identifia toutes.

Les statisticiens du XXe siècle ajoutèrent deux raffinements. La randomisation, qui affecte les patients au traitement ou au témoin par tirage au sort, supprime le biais inconscient du médecin sur qui reçoit le nouveau médicament ; l'essai de la streptomycine mené en 1948 par le Medical Research Council contre la tuberculose, conçu par Austin Bradford Hill, fut le premier à le faire correctement, avec 107 patients. L'insu empêche les patients, et idéalement les médecins, de savoir qui a reçu quoi, car l'attente à elle seule peut changer un résultat.

Les expériences se font aujourd'hui à toutes les échelles : un physicien qui fait entrer en collision des protons 40 millions de fois par seconde au CERN, un écologue qui clôture un carré de prairie, un concepteur web qui montre deux versions d'une page à deux moitiés de son trafic. La logique est celle de Lind : changer une chose, comparer avec le reste, et laisser parler la différence.

Hypothèses et théories

Une hypothèse est une supposition précise et testable : si ceci est vrai, alors cela devrait se produire. Une théorie, en science, est bien plus grande : un cadre d'idées qui a survécu à de nombreux tests et explique un large éventail de faits. Quand quelqu'un dit que l'évolution n'est « qu'une théorie », il tient le dictionnaire à l'envers. La gravitation, les germes et la tectonique des plaques sont aussi des théories.

L'écart entre hypothèse et théorie, c'est l'histoire d'Ignace Semmelweis. En 1846, il est assistant aux cliniques d'accouchement de l'Hôpital général de Vienne. La Première Clinique, tenue par des médecins et des étudiants, perd environ une mère sur dix de la fièvre puerpérale ; la Seconde, tenue par des sages-femmes, en perd environ une sur quarante. Les femmes supplient d'être admises chez les sages-femmes. Un collègue de Semmelweis, Jakob Kolletschka, meurt en 1847 après qu'un étudiant l'a écorché du scalpel pendant une autopsie, avec des symptômes semblables à ceux des mères. Les médecins, comprend Semmelweis, arrivent en salle directement de la salle de dissection. Son hypothèse : des « particules cadavériques » sur leurs mains transmettent la maladie. Sa prédiction : qu'on lave ces particules, et les décès cesseront. À partir de mai 1847, il impose au personnel un lavage au chlorure de chaux, et la mortalité de la Première Clinique tombe à environ deux pour cent, puis plus bas, au niveau des sages-femmes.

Cela marcha, et on l'ignora. Semmelweis avait une hypothèse et un résultat, mais aucune théorie pour expliquer pourquoi, et un establishment médical qui croyait aux déséquilibres des humeurs et au mauvais air n'avait pas de place pour des particules invisibles. Il perdit son poste, s'aigrit et mourut dans un asile en 1865. L'explication arriva avec la théorie des germes de Pasteur et de Koch, dans les années 1860 et 1870, qui rendit le lavage des mains évident.

Le saviez-vous ? La dérive des continents d'Alfred Wegener, proposée en 1912, fut rejetée pendant cinquante ans surtout parce qu'il ne pouvait proposer aucun mécanisme ; l'expansion des fonds océaniques en fournit un et en fit une théorie dans les années 1960.

Entre l'hypothèse et la théorie se trouve la loi : une régularité qui tient sans dire pourquoi. La loi de Boyle, de 1662, selon laquelle comprimer un gaz à la moitié de son volume double sa pression, est une loi ; la théorie cinétique des molécules qui rebondissent sur les parois est ce qui l'explique. Les lois décrivent, les théories expliquent, les hypothèses proposent.

Une théorie n'est jamais achevée. La gravitation de Newton fut la meilleure théorie de la physique pendant deux siècles, jusqu'à ce que l'orbite de Mercure et l'éclipse de 1919 montrent qu'elle n'était qu'un cas limite de celle d'Einstein. Les bonnes théories font des prédictions risquées, invitent l'attaque et restent debout ; quand elles tombent, elles sont en général absorbées plutôt qu'abolies. La bonne question n'est jamais de savoir si une théorie est prouvée, mais à quel point on a essayé de la casser.

Modèles et simulations

Un modèle est une simplification délibérée : une version du monde dépouillée de presque tous ses détails pour que l'on puisse raisonner sur la partie qui compte. L'atome de Bohr, avec ses électrons sur de petites orbites, est un modèle ; une aile en soufflerie aussi, comme le plan du métro, ou la double hélice en carton et fil de fer que Watson et Crick assemblèrent à Cambridge en 1953. Aucun n'est la chose elle-même. Le statisticien George Box l'a dit le mieux : tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles.

Une simulation est un modèle mis en mouvement, en général dans un ordinateur. Le grand exemple est la météo. En 1904, le physicien norvégien Vilhelm Bjerknes soutint que prévoir le temps était un problème de physique : connaître l'état de l'atmosphère maintenant, appliquer les équations du mouvement et de la chaleur, et calculer demain. L'Anglais Lewis Fry Richardson essaya à la main. Ambulancier sur le front de l'Ouest, il passa des semaines à calculer une prévision à six heures pour un morceau d'Allemagne le 20 mai 1910, en découpant la carte en cases et en faisant avancer les équations pas à pas. Sa réponse, une hausse de pression de 145 millibars, était absurde ; le changement réel fut presque nul, et la faute venait de données de départ bruitées. Il publia quand même, en 1922, avec un récit honnête de l'échec et la vision d'une « usine à prévisions » de 64 000 calculateurs humains dans une grande salle, chacun responsable d'une case.

L'usine fut construite en lampes. En avril 1950, sur l'ordinateur ENIAC, dans le Maryland, Jule Charney, Ragnar Fjørtoft et John von Neumann produisirent les premières prévisions numériques : une prévision à 24 heures demandait environ 24 heures de calcul, et les résultats étaient crédibles. Les prévisions opérationnelles par ordinateur commencèrent en Suède en 1954 et aux États-Unis en 1955.

Le saviez-vous ? Le modèle climatique de Syukuro Manabe de 1967, qui prédisait qu'un doublement du dioxyde de carbone réchaufferait la Terre d'environ 2 °C, lui valut une part du prix Nobel de physique 2021, 54 ans plus tard.

Aujourd'hui, le Centre européen de prévisions météorologiques à moyen terme fait tourner son modèle sur une grille d'environ neuf kilomètres couvrant toute la planète, et le fait tourner 51 fois avec des conditions de départ légèrement différentes, parce qu'Edward Lorenz a montré en 1963 que les erreurs minuscules grandissent. Un faisceau de 51 prévisions dit non seulement ce qui va arriver, mais quelle confiance lui accorder. La même technique simule des galaxies qui se percutent, des protéines qui se replient, des épidémies qui se propagent et la tôle d'une voiture qui se froisse dans un choc, ce qui explique qu'on détruise moins de vraies voitures en essais.

Une simulation ne prouve jamais rien à elle seule ; elle montre ce qui découle des hypothèses du modèle. Sa valeur tient à la comparaison avec la réalité qui suit. La prévision de Richardson était fausse d'un facteur cent, et ce fut tout de même la prévision la plus importante jamais faite.

Les instruments qui ont changé la science

Chaque grand pas de la science est venu avec une nouvelle façon de voir. L'œil nu et la mémoire de l'œil nu nous ont donné les débuts de l'astronomie et de l'histoire naturelle ; tout le reste a exigé un instrument, et la plupart de ces instruments ont été fabriqués avant que quiconque ne comprenne ce qu'ils allaient trouver.

La lunette est le cas le plus net. En octobre 1608, un lunetier de Middelbourg, Hans Lippershey, demanda aux États généraux des Pays-Bas un brevet pour un tube à deux lentilles qui rapprochait les objets lointains ; il fut refusé, l'idée circulant déjà. Galilée, à Padoue, en entendit parler à l'été 1609, retrouva l'optique par lui-même et, avant la fin de l'année, avait taillé les lentilles d'un tube grossissant vingt fois : un objectif convexe à l'avant et un oculaire concave qui donnait une image droite. Il le pointa vers le ciel. Entre le 7 et le 13 janvier 1610, il vit quatre points lumineux près de Jupiter changer de place nuit après nuit et comprit qu'il s'agissait de lunes tournant autour d'une autre planète, ce qu'un cosmos centré sur la Terre n'autorisait pas. Il vit des montagnes sur la Lune, les phases de Vénus et une Voie lactée faite d'étoiles, et publia le tout en mars 1610 sous le titre Sidereus Nuncius, le Messager des étoiles.

Le saviez-vous ? Les meilleures lunettes de Galilée avaient un champ si étroit qu'environ un quart de la Lune seulement y tenait à la fois ; il dessina la Lune par morceaux.

Le microscope ouvrit la porte opposée. À Delft, dans les années 1670, un drapier nommé Antonie van Leeuwenhoek polit de minuscules billes de verre en lentilles simples grossissant jusqu'à environ 270 fois, mieux que les microscopes composés de l'époque, et rapporta en 1676 à la Royal Society les « animalcules » qu'il voyait dans une goutte d'eau : la première vision des bactéries et des protozoaires. La Société exigea des témoignages sous serment avant de le croire.

La liste continue. Le thermomètre fit de la chaleur un nombre ; le prisme, puis le spectroscope de Bunsen et Kirchhoff en 1859, lurent la chimie des étoiles ; la chambre à brouillard de Charles Wilson, en 1911, rendit visibles les trajectoires de particules subatomiques isolées sous forme de traînées de gouttelettes ; la diffraction des rayons X révéla la double hélice ; le Grand collisionneur de hadrons du CERN, 27 kilomètres de circonférence, trouva le boson de Higgs en 2012 ; et en 2015 les détecteurs LIGO mesurèrent une variation de longueur inférieure au millième de la largeur d'un proton et entendirent deux trous noirs fusionner.

Chaque instrument a prolongé un sens humain, puis montré quelque chose qu'aucun sens ne soupçonnait : des lunes, des microbes, des spectres, des particules, des rides de l'espace. Une hypothèse dit où regarder ; un instrument décide de ce qui peut être vu. Construisez-en un meilleur, et l'univers s'agrandit.

Erreur, incertitude et statistiques

Aucune mesure n'est exacte. Lisez un thermomètre dix fois et vous obtenez une dispersion de valeurs ; la question est de savoir quoi en faire. La réponse de la science, mise au point en trois siècles, est que l'incertitude peut elle aussi se mesurer, et qu'un résultat honnête est un nombre accompagné d'une fourchette : 9,81 plus ou moins 0,02, jamais nu.

La forme de l'erreur aléatoire fut trouvée par Abraham de Moivre en 1733 et mise au travail par Carl Friedrich Gauss. Le 1er janvier 1801, Giuseppe Piazzi, à Palerme, repéra un nouvel objet, Cérès, et le suivit 41 jours avant de le perdre dans l'éclat du Soleil. Avec un minuscule arc de ciel pour seule donnée, Gauss, 24 ans, calcula son orbite par une méthode nouvelle, les moindres carrés, qui traitait chaque observation comme la vérité plus une erreur aléatoire et cherchait la trajectoire rendant l'erreur totale la plus petite. Le 31 décembre 1801, Franz von Zach retrouva Cérès presque exactement où Gauss l'avait annoncée. La courbe en cloche, la loi normale, décrit comment de telles erreurs s'accumulent : environ 68 pour cent des mesures tombent à moins d'un écart-type de la moyenne, 95 pour cent à moins de deux, et 99,7 pour cent à moins de trois.

Les physiciens des particules ne revendiquent pas une découverte en dessous de cinq écarts-types, là où la probabilité qu'une fluctuation imite le signal est d'environ une sur 3,5 millions. C'est la barre que le boson de Higgs a franchie au CERN le 4 juillet 2012. La médecine et la psychologie ont traditionnellement utilisé un seuil plus lâche, une chance sur vingt, le « p < 0,05 » suggéré par Ronald Fisher en 1925, et une bonne part de la crise de la réplication vient de ce qu'on l'a pris pour une ligne d'arrivée plutôt que pour un indice.

Le saviez-vous ? Le test t fut inventé en 1908 par William Gosset, brasseur chez Guinness à Dublin, pour juger des essais d'orge sur de petits échantillons ; la brasserie l'obligea à publier sous le pseudonyme de « Student ».

L'erreur aléatoire se moyenne ; l'erreur systématique, non. En septembre 2011, l'expérience OPERA, en Italie, annonça des neutrinos venus du CERN arrivant 60 nanosecondes trop tôt, plus vite que la lumière. Six sigmas, disait la collaboration, avec des réserves prudentes. Début 2012, la cause fut trouvée : un câble à fibre optique mal vissé qui retardait le signal d'horloge. La statistique était impeccable ; l'appareil ne l'était pas. La précision, c'est la finesse du groupement de vos résultats ; la justesse, c'est de savoir si le groupe est au bon endroit. Une horloge peut être précisément fausse.

La discipline moderne comprend des barres d'erreur sur chaque graphique, la propagation des incertitudes à chaque calcul et l'habitude d'énoncer des intervalles de confiance plutôt que des verdicts par oui ou par non. Les bulletins météo disent 70 pour cent ; les sondages citent une marge d'erreur ; la nouvelle définition du kilogramme porte une incertitude de quelques milliardièmes. Le doute, correctement mesuré, n'est pas une faiblesse de la science, mais sa monnaie.

Évaluation par les pairs et réplication

Un résultat qui reste dans un seul laboratoire n'est pas encore de la science. Il le devient quand des inconnus l'ont examiné, ont essayé de le casser, et ont échoué. Deux institutions font ce travail : l'évaluation par les pairs avant la publication et la réplication après.

La revue vint d'abord. Le 6 mars 1665, Henry Oldenburg, secrétaire de la Royal Society, publia le premier numéro des Philosophical Transactions, la plus ancienne revue scientifique encore en activité. Oldenburg envoyait déjà les manuscrits à des membres pour avis avant impression, et le conseil de la Société examina formellement les articles à partir de 1752. Le système moderne, où un éditeur envoie un article à deux ou trois experts anonymes qui recommandent l'acceptation, la révision ou le rejet, ne s'est généralisé qu'après la Seconde Guerre mondiale ; Nature ne fit expertiser tous ses articles qu'à partir de 1973. Les rapporteurs travaillent sans être payés, repèrent les erreurs, exigent les témoins manquants, et passent parfois complètement à côté d'une fraude, parce qu'ils vérifient le raisonnement et ne refont pas l'expérience.

La réplication est l'épreuve la plus dure. Le 23 mars 1989, Martin Fleischmann et Stanley Pons annoncèrent en conférence de presse, dans l'Utah, avoir produit une fusion nucléaire dans un bocal d'eau lourde à température ambiante. En quelques semaines, des laboratoires du MIT à Harwell avaient essayé sans trouver ni chaleur excédentaire ni neutrons, et la fusion froide s'effondra avant même que la plupart des articles ne soient publiés. Le système a fonctionné, bruyamment. Les échecs les plus inquiétants sont silencieux. En 2015, l'Open Science Collaboration refit 100 expériences de psychologie publiées ; 36 pour cent seulement donnèrent un résultat statistiquement significatif la seconde fois, et les effets qui subsistaient étaient en moyenne deux fois plus petits. La biologie du cancer et l'économie ont rendu des chiffres semblables.

Le saviez-vous ? L'article d'Andrew Wakefield de 1998 liant le vaccin ROR à l'autisme passa l'évaluation par les pairs du Lancet et mit douze ans à être rétracté ; ses dégâts sur la vaccination se font encore sentir.

Les causes sont connues : petits échantillons, analyses flexibles, et une culture de publication qui récompense les résultats positifs surprenants plutôt que les résultats nuls soigneux. Les remèdes se répandent. Le préenregistrement, où l'hypothèse et l'analyse sont déposées avant la collecte des données, ôte la tentation de pêcher ; les rapports enregistrés engagent une revue à publier quel que soit le résultat ; les serveurs de prépublications comme arXiv, fondé par Paul Ginsparg en 1991, permettent qu'un article soit lu et critiqué par des milliers de gens avant qu'un seul rapporteur ne le voie. Les physiciens des ondes gravitationnelles et les équipes du Higgs se contrôlent mutuellement avec deux détecteurs ou deux expériences indépendants.

Rien de tout cela ne rend un article vrai à lui seul. Cela rend la littérature autocorrectrice avec le temps, ce qui est le maximum qu'on puisse demander. Une affirmation publiée est une reconnaissance de dette ; la réplication, c'est le moment où elle est encaissée.

Les révolutions scientifiques

La plupart du temps, la science avance par accumulation : une mesure de plus, une espèce de plus, une décimale de plus. De temps à autre, elle avance par démolition. En 1962, le physicien devenu historien Thomas Kuhn publia La Structure des révolutions scientifiques et donna au phénomène un vocabulaire qui est resté. Un paradigme est le cadre partagé de théories, de méthodes et d'exemples qu'une discipline tient pour acquis. La science normale consiste à résoudre des énigmes à l'intérieur de ce cadre. Les anomalies s'accumulent, une crise s'installe, et un nouveau cadre remplace l'ancien dans un basculement qui est autant un changement de regard qu'un changement de théorie.

Le premier et le plus grand cas est la révolution copernicienne. Nicolas Copernic, chanoine à Frombork, sur la Baltique, plaça le Soleil au centre dans De revolutionibus, imprimé à Nuremberg en 1543 alors qu'il agonisait. Le livre fut d'abord lu comme un outil de calcul ; il fallut les ellipses de Kepler en 1609, la lunette de Galilée en 1610 et la gravitation de Newton en 1687 pour rendre une Terre mobile non pas seulement commode, mais obligatoire.

La chimie fit sa révolution en une seule décennie. Antoine Lavoisier, à Paris, travaillant avec sa femme Marie-Anne, qui traduisait et dessinait les appareils, pesa tout. De l'étain brûlé dans un vase scellé gagnait une masse égale à l'air perdu, ce qu'aucune théorie du phlogistique ne pouvait expliquer. Son Traité élémentaire de chimie de 1789 nomma l'oxygène, recensa 33 éléments et déclara que la masse se conserve. Cinq ans plus tard, la Révolution le guillotina.

Le saviez-vous ? Max Planck écrivit qu'une vérité scientifique nouvelle ne triomphe pas en convainquant ses adversaires, mais parce que ses adversaires finissent par mourir ; la formule est devenue « la science avance un enterrement à la fois ».

L'Origine des espèces de Darwin, en 1859, fit de même pour la biologie, et la théorie quantique, entre l'article de Planck de 1900 et le congrès Solvay de 1927, pour la physique. La révolution complète la plus récente est la tectonique des plaques. Les continents à la dérive d'Alfred Wegener furent moqués en 1912 ; en 1963, Fred Vine et Drummond Matthews avaient montré que les bandes de magnétisme inversé du plancher océanique enregistrent la croûte neuve qui s'écarte des dorsales, et en cinq ans presque tous les géologues avaient changé de camp.

Les historiens des sciences débattent de la netteté du tableau de Kuhn. Les révolutions sont rarement soudaines, les données de l'ancien paradigme sont généralement conservées, et la mécanique de Newton fait encore atterrir des sondes sur Mars. Le mot « incommensurable » de Kuhn suggérait que les scientifiques des deux camps ne peuvent même pas se comprendre, ce qui est exagéré. Mais son intuition centrale tient : les présupposés les plus profonds d'une discipline sont invisibles jusqu'à ce qu'ils cèdent, et ceux qui les font céder sont souvent des outsiders, des jeunes, ou des gens du mauvais département. Les paradigmes ne sont pas des prisons ; ce sont des échafaudages que l'on ne remarque que lorsqu'ils tombent.

Ce que la science ne peut pas nous dire

La science est le moyen le plus fiable que les humains aient trouvé pour répondre aux questions sur le fonctionnement du monde. Il vaut la peine d'être clair sur celles auxquelles elle ne peut pas répondre, d'une part parce que ces limites ont elles-mêmes été découvertes scientifiquement, d'autre part parce que prétendre trop est la manière dont une méthode perd la confiance.

La première limite est celle que le philosophe écossais David Hume remarqua en 1739 : aucune description de ce qui est ne dit ce qui doit être. La science peut dire qu'un médicament réduit la mortalité de 30 pour cent, qu'une espèce disparaîtra si l'on draine une zone humide, ou que la planète se réchauffe ; elle ne peut pas dire s'il faut payer le médicament, sauver la grenouille ou réduire le carbone. Ce sont des questions de valeurs, et elles appartiennent à tout le monde. Les scientifiques qui annoncent que « la science dit que nous devons » ont discrètement glissé une politique dans leurs bagages.

Une deuxième série de limites fut trouvée de l'intérieur. En 1927, Werner Heisenberg montra que la position et la quantité de mouvement d'une particule ne peuvent être connues toutes deux avec une précision illimitée ; la limite n'est pas un défaut des instruments, mais une propriété de la nature. En 1963, Edward Lorenz constata qu'un modèle météorologique simple amplifiait des erreurs d'arrondi à la quatrième décimale en un temps entièrement différent au bout de quelques semaines ; le chaos signifie que certains systèmes ne sont prévisibles que pour un temps, quelle que soit la qualité des données. Et en 1931, Kurt Gödel prouva que tout système mathématique cohérent assez riche pour compter contient des énoncés vrais qu'il ne peut pas démontrer. Même le langage de la science a des trous.

Le saviez-vous ? La découverte de Lorenz vint d'une simulation relancée à partir d'une sortie imprimée qui indiquait 0,506 au lieu du 0,506127 stocké en mémoire ; les deux calculs divergèrent complètement en deux mois simulés.

Une troisième catégorie regroupe les questions pas encore testables, ce qui n'est pas la même chose qu'intestables à jamais. L'existence d'autres univers, ce qui s'est passé avant le Big Bang, et la possibilité d'expliquer la conscience par la physique sont des questions scientifiques vivantes, sans expérience capable, pour l'instant, de les trancher. Les scientifiques débattent de savoir si une théorie sans test possible est encore de la science ; la théorie des cordes a rendu la dispute particulièrement vive.

Il y a enfin les questions que la science n'aborde même pas. Pourquoi il y a quelque chose plutôt que rien ; si une vie a été bien vécue ; ce que signifie un morceau de musique ; si un coucher de soleil est beau. La science peut décrire la réponse de la rétine au coucher de soleil et celle du cerveau à Bach, et la description est intéressante, mais elle n'est pas l'expérience, et elle ne prétend pas l'être.

Connaître la frontière est une force. La méthode fonctionne parce qu'elle refuse de répondre aux questions qu'elle n'a aucun moyen de tester, et une culture qui s'en souvient se laisse moins berner par des gens en blouse blanche vendant des certitudes. La science nous dit ce qui est ; le reste nous appartient.

Des quatre éléments aux atomes

De quoi tout est-il fait ? Pendant l'essentiel de l'histoire, la réponse fut une courte liste de substances plutôt qu'une longue liste de particules. Vers 450 av. J.-C., le philosophe sicilien Empédocle proposa quatre « racines », la terre, l'eau, l'air et le feu, et Aristote attribua à chacune un couple de qualités (chaud ou froid, humide ou sec) de sorte que l'une pût se changer en une autre. C'était une théorie de la transformation, ce qui explique qu'elle ait si bien convenu aux alchimistes pendant deux mille ans. La Chine avait plutôt cinq phases, bois, feu, terre, métal et eau, et l'école indienne Vaisheshika, traditionnellement rattachée au sage Kanada, enseignait que la matière est faite de particules indivisibles.

L'alternative grecque vint de Leucippe et de son élève Démocrite, vers 400 av. J.-C. : le monde est fait d'atomes et de vide, et les atomes sont atomos, insécables. L'idée ne reposait sur aucune expérience et Aristote la rejeta ; elle survécut surtout dans un poème latin, De la nature des choses de Lucrèce, écrit vers 50 av. J.-C. Quand le chasseur de manuscrits florentin Poggio Bracciolini en trouva une copie dans un monastère allemand en 1417, l'atomisme rentra dans la pensée européenne.

Le saviez-vous ? Les alchimistes arabes faisaient de la vraie chimie : l'école de Jabir ibn Hayyan, au VIIIe siècle, décrivait la distillation et la cristallisation, et les mots alcali, alcool et alambic viennent tous de l'arabe.

Le tournant décisif fut de définir un élément par ce que l'on pouvait faire au laboratoire plutôt que par la philosophie. Dans Le Chimiste sceptique de 1661, Robert Boyle, à Oxford, attaqua les quatre éléments et soutint qu'un élément était simplement une substance qu'on ne pouvait décomposer en substances plus simples. Le test exigeait une balance. Antoine Lavoisier, à Paris, pesa tout : il montra en 1783, avec Laplace, que l'eau n'était pas un élément mais un composé d'hydrogène et d'oxygène, et son Traité élémentaire de chimie de 1789 recensa 33 substances qui avaient résisté à toute tentative de décomposition. Certaines étaient fausses (il y incluait la lumière et la chaleur), mais la méthode était juste, et elle nous a donné 118 éléments depuis.

John Dalton, à Manchester, réunit alors les deux traditions. Son Nouveau système de philosophie chimique de 1808 prit les éléments de Lavoisier et les atomes de Démocrite et dit : chaque élément est une sorte d'atome doté de son propre poids, et les composés se forment quand les atomes s'assemblent en petits rapports de nombres entiers. Pour la première fois, la vieille intuition faisait des prédictions quantitatives qu'un chimiste pouvait vérifier sur une balance, et le chapitre suivant raconte comment elles s'en tirèrent.

Les atomes restèrent hypothétiques encore un siècle. Ernst Mach refusait d'y croire dans les années 1900 ; il fallut la théorie du mouvement brownien d'Einstein en 1905 et les mesures de Jean Perrin en 1908 pour convaincre les derniers sceptiques. Aujourd'hui, un microscope à effet tunnel photographie des atomes isolés, et en 1989 des chercheurs d'IBM écrivirent le nom de leur entreprise avec 35 atomes de xénon. Les quatre racines d'Empédocle se sont révélées être un solide, un liquide, un gaz et un plasma, ce qui n'est pas une mauvaise première approximation des états de la matière.

Les atomes de Dalton

John Dalton était un maître d'école quaker de Manchester qui tint un journal météorologique pendant 57 ans et ne se maria jamais. Son intérêt pour les gaz, la façon dont la vapeur d'eau se mêle à l'air, le mena à une question à laquelle les quatre éléments ne pouvaient répondre : pourquoi les substances se combinent-elles en proportions fixes ? Le 21 octobre 1803, il lut devant la Société littéraire et philosophique de Manchester un mémoire qui s'achevait sur la première table de poids atomiques, et en 1808 il exposa la théorie complète dans Un nouveau système de philosophie chimique.

La théorie tenait en quatre affirmations. Tout élément est fait d'atomes minuscules et indivisibles. Tous les atomes d'un même élément ont le même poids ; ceux d'éléments différents diffèrent. Les atomes ne sont ni créés ni détruits dans une réaction, seulement réarrangés. Et les composés se forment quand les atomes s'unissent en petits rapports de nombres entiers. Cette dernière affirmation faisait une prédiction, la loi des proportions multiples : si le carbone forme deux oxydes différents, l'oxygène qu'ils contiennent doit être dans un rapport simple. C'est le cas. Pour une masse donnée de carbone, le dioxyde de carbone contient exactement deux fois plus d'oxygène que le monoxyde. Dalton dessinait ses atomes comme des cercles, un point pour l'hydrogène, un anneau vide pour l'oxygène, un disque noir pour le carbone, et les assemblait en petits schémas de molécules qui ressemblent à du Lego.

Le saviez-vous ? Dalton était daltonien, et publia en 1794 la première description scientifique de ce trouble ; il légua ses yeux à la science, et un test ADN en 1995 confirma qu'il lui manquait le pigment sensible au vert.

Il commit aussi une erreur célèbre. Faute de pouvoir compter les atomes, Dalton supposait la formule la plus simple possible, de sorte que l'eau était HO, un hydrogène pour un oxygène, et que le poids atomique de l'oxygène ressortait à 7 au lieu de 16. Joseph Gay-Lussac découvrit en 1808 que les gaz se combinent en rapports simples de volumes, et Amedeo Avogadro proposa en 1811 que des volumes égaux de gaz contiennent le même nombre de molécules, ce qui fixe les formules, mais les chimistes l'ignorèrent un demi-siècle. Ce n'est qu'au congrès de Karlsruhe de 1860, quand Stanislao Cannizzaro distribua une brochure ressuscitant la règle d'Avogadro, que les poids atomiques se stabilisèrent aux valeurs que nous utilisons.

Même alors, les atomes restaient pour beaucoup de chimistes un outil de comptabilité ; personne n'en avait vu. L'article d'Einstein de 1905 sur le mouvement brownien, l'agitation de grains de pollen dans l'eau observée par Robert Brown en 1827, prédisait exactement de combien un grain devait errer s'il était bousculé par des molécules, et les mesures de Jean Perrin à Paris en 1908 concordèrent. Le nombre de Perrin pour les molécules d'une mole, proche de 6 × 10²³, lui valut le prix Nobel de 1926 et clôtura le débat.

Aujourd'hui, les masses atomiques sont mesurées à dix décimales, et un microscope à effet tunnel, inventé en 1981, montre les atomes individuels comme des bosses sur une surface. La redéfinition de la mole en 2019 a fixé le nombre d'Avogadro à exactement 6,02214076 × 10²³. Les atomes indivisibles de Dalton se sont révélés avoir des parties, que les chapitres suivants démonteront, mais son affirmation centrale tient : la chimie, ce sont des atomes que l'on compte.

Le tableau de Mendeleïev

En 1869, les chimistes connaissaient 63 éléments et n'avaient aucune idée de la raison de ce nombre ni de leurs liens. Dmitri Mendeleïev, professeur à Saint-Pétersbourg qui rédigeait un manuel, les classait pour ses étudiants. Le 1er mars 1869 (le 17 février du calendrier russe), il produisit un tableau où les éléments étaient rangés par poids atomique croissant et alignés de manière que ceux de chimie semblable tombent dans la même colonne. Le lithium, le sodium et le potassium, ces métaux mous qui pétillent dans l'eau, s'empilaient ensemble ; de même le fluor, le chlore et le brome.

D'autres avaient vu le motif. John Newlands, à Londres, avait proposé une « loi des octaves » en 1865 et s'était fait moquer ; Lothar Meyer, en Allemagne, publia en 1870 un tableau très semblable. Ce qui distinguait Mendeleïev, c'était son culot. Là où le motif exigeait un élément que personne n'avait trouvé, il laissait une case vide et en prédisait les propriétés : éka-aluminium, éka-bore et éka-silicium, avec leurs poids atomiques, leurs densités et les composés qu'ils formeraient. Il intervertit aussi des éléments hors de l'ordre des poids quand leur chimie l'exigeait, affirmant que certains poids atomiques avaient dû être mal mesurés.

Les prédictions se réalisèrent avec une précision gênante. En 1875, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, à Paris, découvrit le gallium par son spectre ; Mendeleïev lui écrivit que la densité mesurée était fausse et devait être d'environ 5,9. Lecoq repurifia son échantillon et trouva 5,9. Le scandium suivit en 1879 en Suède et le germanium en 1886 à Freiberg, avec un poids atomique de 72,6 pour 72 prédit. Un tableau qui prévoit l'inconnu est une théorie, pas un classeur.

Le saviez-vous ? L'histoire selon laquelle le tableau serait apparu à Mendeleïev en rêve repose sur le souvenir tardif d'un ami ; ses brouillons montrent des jours passés à battre des cartes portant le poids et les propriétés de chaque élément.

Le tableau gardait des énigmes. L'argon, découvert en 1894 par Lord Rayleigh et William Ramsay, ne tenait nulle part jusqu'à ce que Ramsay trouve l'hélium, le néon, le krypton et le xénon et donne aux gaz nobles une colonne à eux. Et le tellure pèse plus que l'iode tout en se plaçant clairement avant lui. L'explication vint en 1913 d'Henry Moseley, un Mancunien de 26 ans, qui bombarda chaque élément d'électrons et mesura les rayons X émis. Leurs fréquences montaient par paliers exacts, et le numéro du palier, le numéro atomique, était le compte de charges positives du noyau. Les éléments sont ordonnés par leurs protons, non par leur poids, et les trous entre les numéros montraient exactement quels éléments manquaient encore. Moseley fut tué à Gallipoli deux ans plus tard.

Le tableau moderne compte 118 éléments, les quatre derniers nommés en 2016, et sa forme reflète le remplissage des couches électroniques. Mendeleïev ne savait rien des électrons, des couches ni des noyaux. Il trouva l'ordre en faisant confiance au motif plutôt qu'aux données, et le motif avait raison.

La découverte de l'électron

La première fissure dans l'atome indivisible de Dalton apparut dans un tube de verre. Pompez presque tout l'air d'un tube muni d'une plaque métallique à chaque bout, appliquez quelques milliers de volts, et une faible lueur file de la plaque négative, la cathode, vers la plaque positive. Dès les années 1870, William Crookes, à Londres, fabriquait ces tubes et montrait que les « rayons cathodiques » projetaient des ombres et faisaient tourner une petite roue à aubes. Étaient-ce des ondes, comme le pensaient la plupart des physiciens allemands, ou des particules, comme le soupçonnaient les Britanniques ? Heinrich Hertz avait tenté de les dévier avec un champ électrique en 1883 et échoué, ce qui semblait trancher pour les ondes.

J. J. Thomson, directeur du laboratoire Cavendish à Cambridge, soupçonnait que le vide de Hertz avait été trop médiocre : le gaz résiduel avait fait écran. Avec une meilleure pompe, il réessaya en 1897 et le faisceau se courba vers la plaque positive. Les rayons étaient des particules chargées négativement. Puis il fit plus malin. Il appliqua aussi un champ magnétique et l'ajusta jusqu'à ce que la poussée magnétique annule exactement la poussée électrique, ce qui donnait la vitesse des particules ; en coupant le champ électrique et en mesurant la courbure magnétique, il obtint le rapport de la charge à la masse. Ce rapport était énorme, plus de mille fois celui d'un ion hydrogène. Ou bien la charge était immense, ou bien la masse était minuscule, et d'autres indices désignaient la masse. Thomson annonça le 30 avril 1897 que l'atome contenait des particules, qu'il appela « corpuscules », d'environ deux millièmes de la masse de l'hydrogène, et qu'elles étaient identiques quels que soient le gaz ou le métal du tube.

Le saviez-vous ? Thomson reçut le prix Nobel de 1906 pour avoir montré que l'électron est une particule ; son fils George reçut celui de 1937 pour avoir montré qu'il est aussi une onde.

Le nom d'électron vint de George Johnstone Stoney, qui l'avait forgé en 1891 pour l'unité de charge. La charge elle-même fut déterminée par Robert Millikan à Chicago entre 1909 et 1913. Il pulvérisait des gouttelettes d'huile entre deux plaques chargées, observait une gouttelette au microscope et ajustait la tension jusqu'à ce qu'elle reste suspendue contre la gravité. La charge de chaque gouttelette était un multiple entier d'une seule valeur, 1,6 × 10⁻¹⁹ coulomb. La charge vient par paquets, et l'électron est un paquet. Connaissant la charge et le rapport charge sur masse, la masse suivait : 1/1836 de celle du proton.

Thomson se représentait l'atome comme un pudding chargé positivement où les électrons étaient fichés comme des raisins ; le noyau de Rutherford démolirait cela en 1911. Mais l'électron lui-même n'a jamais été divisé. Il n'a pas de taille mesurable, il porte tout courant électrique, il façonne toute liaison chimique, et le faisceau que Thomson courba dans un tube de verre peignait encore des images sur les écrans de télévision un siècle plus tard.

Le noyau de Rutherford

En 1909, l'atome était un pudding. Le modèle de Thomson répartissait la charge positive uniformément dans une sphère d'environ un dix-milliardième de mètre, avec des électrons piqués dedans, et presque tout le monde l'acceptait. Ernest Rutherford, un Néo-Zélandais qui dirigeait le département de physique de Manchester, disposait d'un outil pour le tester : les particules alpha, ces fragments lourds, rapides et chargés positivement que projette le radium. Tirées à travers un métal mince, elles devaient passer presque tout droit, déviées d'une fraction de degré par la charge diffuse. Il demanda à son assistant Hans Geiger et à un étudiant de vingt ans, Ernest Marsden, de chercher celles qui seraient déviées de grands angles. C'était un travail pour occuper un étudiant.

Le dispositif était simple et le travail pénible. Un grain d'émanation du radium dans un bloc de plomb envoyait un fin faisceau d'alphas sur une feuille d'or d'environ 400 nanomètres, soit à peu près 2 000 atomes d'épaisseur. Là où une alpha frappait un écran de sulfure de zinc, elle produisait un éclair, et Geiger et Marsden passaient des heures dans une pièce obscure, les yeux accoutumés, à compter les éclairs au microscope à chaque angle. La plupart des alphas passaient tout droit. Mais environ une sur 8 000 rebondissait, déviée de plus de 90 degrés.

Le saviez-vous ? Rutherford dit que c'était « presque aussi incroyable que si vous tiriez un obus de 15 pouces sur une feuille de papier de soie et qu'il revienne vous frapper ».

Aucun pudding ne pouvait faire cela. Une charge positive diffuse ne peut retourner une alpha lourde et rapide ; les calculs donnent une déviation maximale d'une fraction de degré, même cumulée sur 2 000 couches d'atomes. Rutherford élabora l'alternative en 1910 et la publia en 1911 : presque toute la masse de l'atome et toute sa charge positive siègent dans un minuscule noyau central, moins d'un cent-millième de la largeur de l'atome, et les électrons orbitent loin à l'extérieur. Une alpha qui passait près d'un noyau subissait une répulsion électrique violente et reculait. Sa formule prédisait exactement comment le nombre d'éclairs devait décroître avec l'angle, et les mesures de Geiger et Marsden en 1913, plus de 100 000 éclairs, la confirmèrent.

L'image était presque absurde. Si un atome avait la taille d'une cathédrale, son noyau serait une mouche, et le reste est du vide tenu ouvert par des forces électriques. Hantaro Nagaoka, à Tokyo, avait proposé en 1904 un atome « saturnien » à masse centrale, mais sans preuve. La version de Rutherford avait aussi un défaut : des électrons en orbite devraient rayonner de l'énergie et s'écraser sur le noyau en une fraction de nanoseconde. Niels Bohr, en visite à Manchester en 1912, répara cela l'année suivante avec des orbites quantifiées, et l'atome moderne était né.

L'expérience est désormais le modèle de toute la physique des particules : envoyer un faisceau sur une cible, compter ce qui est diffusé et où, et en déduire la structure interne. Le Grand collisionneur de hadrons est la chambre noire de Geiger et Marsden agrandie d'un facteur un milliard, et la question est la même : qu'y a-t-il là-dedans ?

Protons et neutrons

Le noyau de Rutherford était minuscule, positif et lourd, et personne ne savait de quoi il était fait. Le premier ingrédient vint de Rutherford lui-même. À Manchester, en 1917, dans des expériences publiées en 1919, il tira des particules alpha à travers de l'azote gazeux et vit des noyaux d'hydrogène en jaillir : une alpha avait frappé un noyau d'azote et en avait arraché un morceau, transformant l'azote en oxygène. Le noyau d'hydrogène était manifestement une brique de tous les noyaux, et en 1920 il le nomma proton.

Les protons seuls ne faisaient pas le compte. L'hélium porte la charge de deux protons mais la masse de quatre ; la masse en trop devait venir de quelque chose de neutre. Rutherford supposa en 1920 une particule neutre, un proton et un électron étroitement liés, et son collègue du Cavendish James Chadwick passa dix ans à ne pas la trouver. L'indice vint d'ailleurs. En 1930, Walther Bothe et Herbert Becker, à Giessen, bombardèrent du béryllium avec des alphas et constatèrent qu'il émettait un rayonnement pénétrant qui traversait des centimètres de plomb ; ils y virent des rayons gamma. En janvier 1932, Irène Curie et Frédéric Joliot, à Paris, placèrent de la paraffine sur son trajet et découvrirent que le rayonnement en éjectait des protons à grande vitesse. Ils parlaient encore de rayons gamma, ce que Chadwick jugeait impossible : la lumière n'a pas de masse, et un rayon sans masse ne peut pas propulser un proton comme une boule de billard.

Chadwick avait la source de béryllium prête et travailla une quinzaine de jours presque sans dormir. Il mesura le recul de noyaux d'azote et d'hydrogène frappés par le rayonnement, appliqua les lois du choc, et montra que le projectile avait à peu près la masse d'un proton et aucune charge. Sa lettre à Nature, « Existence possible d'un neutron », est datée du 17 février 1932. Le prix Nobel suivit en 1935.

Le saviez-vous ? Un neutron libre est instable : hors d'un noyau, il se désintègre en un proton, un électron et un antineutrino avec une demi-vie d'environ dix minutes. Dans la plupart des noyaux, il vit éternellement.

Le neutron expliquait tout d'un coup. Werner Heisenberg proposa dans les mois suivants que les noyaux sont faits de protons et de neutrons tenus par une nouvelle force à courte portée ; les nombres de masse tombaient juste, les isotopes n'étaient que des noyaux à nombre de neutrons différent, et Enrico Fermi, à Rome, découvrit en 1934 que les neutrons lents, n'ayant pas de charge pour les repousser, se glissent dans les noyaux et les transmutent. Quatre ans plus tard, Otto Hahn et Fritz Strassmann, à Berlin, constatèrent que les neutrons fendent l'uranium, et Lise Meitner et Otto Frisch, exilés en Suède, expliquèrent la fission à Noël 1938. Six ans d'une lettre à une bombe.

Un proton pèse 1,0073 unité de masse atomique, un neutron 1,0087, et le tableau périodique moderne est un décompte des premiers ; le nombre des seconds varie et fait les isotopes du chapitre suivant. La matière ordinaire, ce sont trois particules : protons, neutrons et électrons. Il fallut de 1897 à 1932, et la plus dure à trouver fut celle qui n'avait aucune charge à montrer.

Les isotopes

Dalton disait que tous les atomes d'un élément sont identiques. Pas tout à fait. Le poids atomique du chlore, 35,5, avait tracassé les chimistes pendant des décennies : pourquoi la nature choisirait-elle une demie ? La réponse est que le chlore est un mélange de deux sortes d'atomes, l'une pesant 35 unités et l'autre 37, dans un rapport d'environ trois pour un. Les atomes d'un même élément de masses différentes sont des isotopes, du grec « même place », parce qu'ils occupent la même case du tableau périodique.

Le mot fut forgé en 1913 par Frederick Soddy, à Glasgow, qui avait constaté que la désintégration radioactive produisait des substances chimiquement identiques à des éléments connus mais de masses et de demi-vies différentes. Le nom lui-même fut suggéré au cours d'un dîner par Margaret Todd, médecin et amie de la famille. La même année, J. J. Thomson, à Cambridge, en guidant des faisceaux d'ions positifs à travers des champs électriques et magnétiques jusqu'à une plaque photographique, vit le néon dessiner deux paraboles, l'une à la masse 20 et une plus faible à la masse 22. Son assistant Francis Aston construisit après la guerre un instrument bien meilleur, le spectrographe de masse de 1919, qui focalisait les ions de chaque masse en une raie nette. Le néon faisait deux raies, dans un rapport d'environ neuf pour un ; Aston découvrit ensuite 212 des 287 isotopes naturels et reçut le prix Nobel de 1922. Presque toutes les masses étaient proches d'un nombre entier, ce qui prit sens avec le neutron de Chadwick : un isotope est un noyau avec les mêmes protons et un nombre différent de neutrons.

Le saviez-vous ? L'étain possède dix isotopes stables, plus que tout autre élément, parce que ses 50 protons forment une configuration « magique » exceptionnellement stable.

L'hydrogène en a trois. L'hydrogène ordinaire est un proton seul ; le deutérium, trouvé par Harold Urey en 1931, y ajoute un neutron et fait « l'eau lourde » ; le tritium en ajoute deux et est radioactif. L'uranium est surtout de l'uranium 238, avec 0,7 pour cent d'uranium 235, et toute l'affaire de l'enrichissement consiste à trier ces deux-là par leur 1 pour cent d'écart de masse. Le carbone 14, produit dans la haute atmosphère par les rayons cosmiques, se désintègre avec une demi-vie de 5 730 ans ; Willard Libby comprit en 1949 que sa lente disparition du bois mort, des os ou du tissu fournit une horloge, et la datation au radiocarbone a depuis daté les manuscrits de la mer Morte, Ötzi l'homme des glaces et le suaire de Turin.

Les isotopes stables tiennent aussi des archives. L'eau contenant de l'oxygène 18 s'évapore un peu moins facilement que l'eau ordinaire, si bien que son rapport dans les carottes de glace et les coquillages suit la température ancienne ; Willi Dansgaard lut ainsi la glace du Groenland dès les années 1950. Le rapport des isotopes du carbone dans un steak dit si la vache a mangé du maïs ou de l'herbe ; le strontium d'une dent enregistre où une personne a grandi.

La médecine utilise les isotopes par millions. Le technétium 99m, de demi-vie six heures, est injecté pour des dizaines de millions d'examens par an, et l'iode 131 traite la thyroïde. Les spectromètres de masse, l'instrument d'Aston perfectionné, pèsent aujourd'hui des protéines isolées et flairent les explosifs dans les aéroports. Les atomes identiques de Dalton se sont révélés exister en plusieurs poids, et ces différences sont parmi les prises les plus utiles de la science.

La radioactivité

La radioactivité fut découverte par accident, un jour de ciel couvert. En février 1896, Henri Becquerel, à Paris, vérifiait si les sels d'uranium, qui luisent après exposition au soleil, émettaient aussi les rayons X tout juste découverts. Il enveloppa une plaque photographique de papier noir, posa dessus des cristaux d'uranium et mit le paquet au soleil. La plaque se voila, comme prévu. Puis le ciel se couvrit, et il laissa une plaque préparée dans un tiroir plusieurs jours, l'uranium par-dessus. Le 1er mars, n'espérant au mieux qu'une image pâle, il la développa quand même et trouva une silhouette aussi forte que jamais. Le soleil n'y était pour rien ; l'uranium émettait quelque chose de lui-même, en continu, sans aucun apport d'énergie.

Marie Curie, étudiante polonaise à Paris en quête d'un sujet de thèse, reprit l'énigme en 1897 avec un instrument conçu par son mari Pierre, un électromètre qui mesurait la force avec laquelle un échantillon ionisait l'air. Elle constata que l'effet ne dépendait que de la quantité d'uranium, non de sa forme chimique, et devait donc venir de l'intérieur de l'atome ; elle forgea le mot « radioactivité ». La pechblende était quatre fois plus active que ne le permettait sa teneur en uranium. Il y avait autre chose dedans. En juillet 1898, les Curie avaient isolé un élément nouveau, baptisé polonium d'après sa patrie, et en décembre un second, le radium, si actif qu'il luisait dans le noir. Obtenir un dixième de gramme de chlorure de radium pur prit quatre ans et des tonnes de minerai brassées dans un hangar qui prenait l'eau.

Le saviez-vous ? Les cahiers de laboratoire de Marie Curie sont encore radioactifs ; la Bibliothèque nationale les conserve dans des boîtes doublées de plomb, et les lecteurs signent une décharge.

Ernest Rutherford, alors à Montréal, tria les émissions selon ce qui les arrêtait. Les rayons alpha étaient bloqués par une feuille de papier ; les bêta exigeaient des millimètres d'aluminium ; les gamma, identifiés par Paul Villard en 1900, traversaient des centimètres de plomb. Les alphas se révélèrent être des noyaux d'hélium, les bêtas des électrons rapides, les gammas de la lumière très énergétique. Avec Frederick Soddy, en 1902, Rutherford établit le fait le plus étrange de tous : un atome radioactif se change en atome d'un autre élément quand il se désintègre, et chaque sorte d'atome le fait à son propre rythme fixe, mesuré par sa demi-vie. Le radium 226 met 1 600 ans pour que la moitié d'un échantillon disparaisse ; le polonium 214, 160 microsecondes ; l'uranium 238, 4,5 milliards d'années, raison pour laquelle il reste de l'uranium dans le sol, et pour laquelle ses produits de désintégration permettent de dater la Terre.

La radioactivité fut le premier aperçu du noyau, la source des particules alpha avec lesquelles Rutherford le trouva, et la source de chaleur de l'intérieur de la Terre. Elle alimente aujourd'hui les détecteurs de fumée (américium 241), les scanners TEP (fluor 18, demi-vie 110 minutes), la radiothérapie contre le cancer, la datation au carbone 14 et les générateurs thermoélectriques des sondes Voyager. Les Curie partagèrent le prix Nobel de 1903 avec Becquerel ; Marie en reçut un second, seule, en 1911, et mourut en 1934 d'une maladie du sang presque certainement causée par l'élément qu'elle avait découvert.

Fabriquer de nouveaux éléments

Le tableau périodique de la nature s'arrête à l'uranium, élément 92. Tout ce qui est plus lourd se désintègre trop vite pour avoir survécu depuis la formation de la Terre ; si vous en voulez, il faut le fabriquer, en lançant un noyau sur un autre en espérant qu'ils se collent. Depuis 1940, quatre laboratoires ont ajouté 26 éléments de cette manière, et la compétition entre eux est l'une des plus longues de la science.

Berkeley ouvrit la voie. En 1940, Edwin McMillan et Philip Abelson, avec le cyclotron de 60 pouces, bombardèrent de l'uranium avec des neutrons et trouvèrent l'élément 93, le neptunium. Cet hiver-là, l'équipe de Glenn Seaborg fabriqua le plutonium, élément 94, qui devint deux ans plus tard le cœur d'une bombe. Seaborg comprit ensuite que les éléments lourds formaient une seconde rangée de terres rares, les actinides, et réorganisa le bas du tableau en conséquence ; son groupe fabriqua l'américium, le curium, le berkélium et le californium avant 1950, et trouva l'einsteinium et le fermium en 1952 dans les débris du premier essai de bombe à hydrogène. L'élément 106 fut nommé seaborgium en 1997, de son vivant.

L'Union soviétique répondit depuis Doubna, où Gueorgui Fliorov fonda un laboratoire en 1957. Les années 1960 et 1970 devinrent les « guerres transfermiennes », Berkeley et Doubna revendiquant chacun les éléments 102 à 105 et contestant les preuves de l'autre, querelle que les unions de chimie ne réglèrent qu'en 1997. La contribution durable de Doubna vint de Youri Oganessian, qui comprit qu'en tirant du calcium 48, un isotope rare riche en neutrons, sur des cibles de plutonium, d'américium et de californium, on obtenait des noyaux survivant assez longtemps pour être détectés. Avec cette méthode, et des cibles américaines de Livermore et d'Oak Ridge, Doubna produisit les éléments 114 à 118 entre 1998 et 2010 ; l'élément 118, l'oganesson, n'est que le second élément nommé d'après une personne vivante.

Le saviez-vous ? Seaborg pouvait recevoir des lettres adressées uniquement en symboles d'éléments : Sg (seaborgium), Lr (laboratoire Lawrence), Bk (Berkeley), Cf (Californie), Am (Amérique).

Le GSI de Darmstadt, en Allemagne, prit une autre route. Peter Armbruster et Gottfried Münzenberg utilisèrent la « fusion froide », des collisions douces de noyaux de poids moyen sur du plomb ou du bismuth, et un filtre de vitesse nommé SHIP qui triait les atomes nouveaux isolés dans un déluge de faisceau. Le bohrium arriva en 1981, le meitnérium en 1982, le hassium en 1984, puis le darmstadtium, le roentgenium et le copernicium entre 1994 et 1996, souvent à partir d'une poignée d'atomes chacun.

L'institut japonais RIKEN, sous Kosuke Morita, passa neuf ans à tirer du zinc sur du bismuth pour fabriquer l'élément 113, détectant trois atomes en tout, en 2004, 2005 et 2012. En 2016, il fut nommé nihonium, premier élément découvert en Asie, et avec le moscovium, le tennesse et l'oganesson il compléta la septième ligne du tableau.

Ces atomes existent des millisecondes. On n'a jamais fabriqué que quelques atomes d'oganesson, chacun durant moins d'un millième de seconde, si bien que « découvrir » signifie une chaîne de désintégration enregistrée dans un détecteur, pas un échantillon dans un flacon. Le prix qui fait tenir les laboratoires est l'« îlot de stabilité », une région prédite vers 114 protons et 184 neutrons où des noyaux superlourds pourraient vivre des minutes ou des années. Personne ne l'a atteint. L'élément 119 est traqué en ce moment à RIKEN et à Doubna.

Dans le proton : les quarks

En 1960, le proton était censé être élémentaire, mais les accélérateurs construits après la guerre faisaient surgir des dizaines de ses cousins plus lourds, et les physiciens commencèrent à soupçonner que les protons, comme les atomes avant eux, avaient des parties. En 1964, Murray Gell-Mann, à Caltech, et indépendamment George Zweig, au CERN, proposèrent que chacune de ces particules était bâtie de trois sortes d'objets plus petits à la propriété embarrassante : une charge fractionnaire, deux tiers et moins un tiers de celle de l'électron. Gell-Mann les appela quarks, d'après un vers de Finnegans Wake de James Joyce, « Three quarks for Muster Mark! ». Un proton est fait de deux quarks « up » et d'un « down » (2/3 + 2/3 − 1/3 = 1) ; un neutron, d'un up et de deux down. Gell-Mann lui-même ne savait pas si les quarks étaient réels ou une commodité mathématique.

La preuve vint de Stanford. L'accélérateur linéaire de trois kilomètres du SLAC tirait des électrons de 20 milliards d'électronvolts sur de l'hydrogène liquide, et une équipe menée par Jerome Friedman, Henry Kendall et Richard Taylor mesurait la diffusion des électrons. Si le proton était une masse molle, les électrons devaient ricocher sous de petits angles. En 1968, ils en trouvèrent beaucoup trop diffusés à grand angle, exactement le motif que Geiger et Marsden avaient vu avec la feuille d'or soixante ans plus tôt : les électrons heurtaient des grumeaux durs et ponctuels à l'intérieur. Richard Feynman appela ces grumeaux des partons ; c'étaient des quarks, et les trois reçurent le prix Nobel de 1990.

Le saviez-vous ? Personne n'a jamais vu un quark seul, et la théorie dit que personne ne le verra : en séparer deux demande tant d'énergie que de nouvelles paires de quarks se forment, et l'on se retrouve avec deux particules au lieu d'une.

Ce qui tient les quarks ensemble est la force forte, portée par des particules appelées gluons, décrite à partir de 1973 par la chromodynamique quantique. Chaque quark porte une sorte de charge appelée « couleur », et la force entre couleurs fait ce qu'aucune autre force ne fait : elle croît avec la distance, comme un élastique. De près, les quarks bougent presque librement, ce qui explique que le SLAC ait pu les voir ; écartés, ils sont confinés à jamais. Les gluons furent vus directement en 1979, sous forme de jets de particules à trois branches au collisionneur PETRA de Hambourg.

La masse du proton est la partie la plus étrange. Ses deux quarks up et son quark down pèsent ensemble environ 9 millions d'électronvolts, un centième des 938 du proton. Le reste est l'énergie du champ de gluons et de l'essaim de paires quark-antiquark qui clignotent à l'intérieur, convertie en masse par E = mc². Presque tout ce que vous pesez n'est donc pas de la matière mais de l'énergie confinée. Les calculs de la théorie sur superordinateur reproduisent la masse du proton à un pour cent près.

Les quarks existent en six saveurs ; le plus lourd, le quark top, trouvé au Fermilab en 1995, pèse autant qu'un atome d'or et vit un millionième de milliardième de milliardième de seconde. On ignore si les quarks ont eux-mêmes des parties ; au Grand collisionneur de hadrons, ils se comportent comme des points jusqu'à un dix-millième de la largeur du proton. L'atome insécable de Démocrite a été coupé trois fois, et la dernière coupe, jusqu'ici, tient.

Chemical Bonds

Une liaison chimique se forme lorsque deux atomes trouvent moins coûteux, en énergie, de rester ensemble que séparés. Les atomes sont électriquement neutres, mais leurs électrons externes sont agités, et la plupart des atomes sont plus stables quand leur couche externe est complète. Le sodium a un électron de trop ; le chlore en manque un. Le sodium cède le sien, les deux deviennent des ions chargés et les charges opposées s'emboîtent pour former le sel. C'est une liaison ionique. Deux atomes d'hydrogène, qui possèdent chacun un électron et en veulent deux, résolvent le problème en partageant : une liaison covalente. Dans un morceau de cuivre, les électrons externes n'appartiennent à aucun atome en particulier et dérivent dans tout le cristal, une liaison métallique, ce qui explique que les métaux conduisent l'électricité et se laissent marteler en feuilles.

L'idée que les liaisons sont affaire de paires d'électrons fut exposée en 1916 par Gilbert Lewis, à l'université de Californie à Berkeley, dans un article intitulé The Atom and the Molecule. La même année, Walther Kossel, à Munich, décrivit le cas ionique. Linus Pauling rendit ensuite le tableau quantitatif. Au Caltech, dans les années 1930, il utilisa la toute jeune mécanique quantique pour expliquer longueurs et angles de liaison, et publia en 1932 une échelle d'électronégativité, un nombre allant d'environ 0,7 pour le césium à 4,0 pour le fluor, qui dit avec quelle avidité un atome attire vers lui les électrons partagés. L'écart entre deux atomes prédit le caractère de leur liaison.

La preuve vint des rayons X. En 1913, William Henry Bragg et son fils William Lawrence, à Leeds et à Cambridge, firent passer des rayons X à travers des cristaux de chlorure de sodium et lurent la position des atomes dans la figure de diffraction. Il n'y avait aucune molécule de sel, seulement un réseau sans fin où chaque ion sodium est entouré de six ions chlorure. La même méthode, poussée bien plus loin par Dorothy Hodgkin à Oxford, révéla la structure de la pénicilline en 1945 et celle de la vitamine B12 en 1956, travaux qui lui valurent le prix Nobel de chimie en 1964.

Le saviez-vous ? La liaison hydrogène, une attraction faible entre molécules plutôt qu'une vraie liaison, est la raison pour laquelle l'eau bout à 100 °C au lieu d'environ moins 80 °C, ce que sa petite taille laisserait prévoir.

La force d'une liaison se mesure par l'énergie nécessaire pour la rompre. Séparer une mole de molécules d'hydrogène demande 436 kilojoules ; une liaison simple carbone–carbone en demande environ 347, et une triple liaison azote–azote 945, ce qui explique l'inertie du diazote et la difficulté d'en faire de l'engrais. Le diamant, réseau covalent géant, est le matériau naturel le plus dur ; le graphite, le même élément en feuillets retenus par des forces faibles, écrit sur le papier.

La théorie des liaisons est aujourd'hui la langue de travail de la conception de médicaments, où l'ajustement entre une molécule et une protéine tient à quelques liaisons hydrogène ; de la science des matériaux, où la liaison du silicium rend le transistor possible ; et de chaque pile et catalyseur de cette partie du livre. La chimie, au fond, est l'étude des liaisons qui se rompent et de celles qui se forment.

Reactions and Equations

Une réaction chimique est un réarrangement. Des liaisons se rompent, les atomes se regroupent, de nouvelles liaisons se forment, et les atomes eux-mêmes en sortent intacts. Brûlez du méthane dans l'air : un carbone portant quatre hydrogènes rencontre deux molécules d'oxygène ; il en sort une molécule de dioxyde de carbone et deux d'eau. Écrite en équation, CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, elle montre le même nombre d'atomes de chaque sorte des deux côtés. Cette comptabilité n'est pas une convention. C'est une loi de la nature, et elle fut établie avec une balance.

La balance appartenait à Antoine Lavoisier, fermier général à Paris, qui disposait d'un laboratoire privé et des instruments les plus précis que l'argent pût acheter. Dans les années 1770, il chauffa de l'étain et du plomb dans des vases de verre scellés et pesa tout avant et après. Le métal gagnait du poids ; l'air en perdait exactement autant. Dans son Traité élémentaire de chimie de 1789, il énonça le principe de conservation de la masse : dans toute opération, une égale quantité de matière existe avant et après. Son épouse, Marie-Anne Paulze Lavoisier, dessina les appareils, tint les cahiers de laboratoire et traduisit les chimistes anglais avec lesquels il polémiquait. Le savant russe Mikhaïl Lomonossov avait défendu le même principe en 1756, mais les historiens des sciences débattent de la diffusion réelle de ses travaux.

La loi de Lavoisier rendit possible la chimie quantitative. Joseph Proust montra en 1799 qu'un composé contient toujours ses éléments en proportions fixes ; Jöns Jacob Berzelius introduisit les symboles H, O, Fe en 1813 ; et la notion de mole, un nombre fixe de particules, permit de convertir les grammes en nombres d'atomes. Une mole, c'est 6,022 × 10²³ particules : l'équation 2H2 + O2 → 2H2O dit que deux grammes d'hydrogène exigent exactement seize grammes d'oxygène et donnent dix-huit grammes d'eau. Rien d'autre, et rien de reste.

Le saviez-vous ? Lavoisier fut guillotiné en mai 1794, sous la Terreur ; le mathématicien Lagrange remarqua qu'il n'avait fallu qu'un instant pour faire tomber cette tête et qu'un siècle ne suffirait peut-être pas à en produire une semblable.

Les réactions ont aussi une vitesse et un sens. Le fer rouille en des années, 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3, tandis que la thermite, oxyde de fer et poudre d'aluminium, fait l'inverse en quelques secondes à plus de 2 000 °C, assez pour souder des rails. Certaines réactions dégagent de la chaleur, d'autres en absorbent, et beaucoup tournent dans les deux sens jusqu'à un équilibre, idée que Claude Louis Berthollet proposa le premier après avoir vu le carbonate de sodium cristalliser au bord des lacs salés d'Égypte en 1798.

Les équations équilibrées font tourner l'industrie. Les cinq moteurs F-1 d'une fusée Saturn V brûlaient environ treize tonnes de kérosène et d'oxygène liquide par seconde, en proportions dosées au plus juste. Une usine pharmaceutique calcule ses rendements au kilogramme ; un modèle climatique compte chaque molécule de dioxyde de carbone par tonne de charbon. La balance de Lavoisier est devenue le grand livre de la planète.

Acids and Bases

Le jus de citron est acide au goût, le savon glisse sous les doigts, et pendant presque toute l'histoire ce fut la définition. Un acide piquait la langue et rougissait la teinture bleue du lichen à tournesol ; une base, ou alcali, était savonneuse et la rebleuissait. Robert Boyle utilisait déjà des extraits de plantes comme indicateurs dans les années 1660. Il fallut deux siècles de plus pour savoir ce qu'était vraiment un acide.

La première réponse moderne vint d'une thèse qui faillit être recalée. En 1884, à Uppsala, Svante Arrhenius proposa que sels, acides et bases se scindent en ions chargés dans l'eau, et qu'un acide est tout ce qui libère des ions hydrogène, H⁺, une base tout ce qui libère des ions hydroxyde, OH⁻. Son jury lui accorda la note la plus basse admissible. En 1903, la même idée lui valut le prix Nobel de chimie. En 1923, Johannes Brønsted à Copenhague et Thomas Lowry à Cambridge élargirent indépendamment la définition : un acide est un donneur de proton, une base un accepteur, ce qui explique pourquoi l'ammoniac, qui ne contient aucun hydroxyde, est une base. La même année, Gilbert Lewis alla plus loin encore en définissant les acides comme des accepteurs de paires d'électrons.

Le nombre que tout le monde utilise est né de la bière. En 1909, Søren Sørensen, chef du laboratoire de chimie de Carlsberg à Copenhague, cherchait un moyen commode de suivre l'acidité pendant le brassage et ses expériences sur les enzymes. Les concentrations en ions hydrogène s'étalaient sur plusieurs puissances de dix ; il en prit le logarithme négatif et l'appela pH. Chaque unité correspond à un facteur dix : un pH de 2 est dix fois plus acide qu'un pH de 3, cent fois plus qu'un pH de 4. Il le mesurait avec une électrode à hydrogène ; l'électrode de verre, inventée la même année par Fritz Haber et Zygmunt Klemensiewicz, devint le pH-mètre de toutes les paillasses.

Le saviez-vous ? Personne ne sait ce que signifie le p de pH. Sørensen l'écrivait en indice et ne l'a jamais expliqué ; « puissance de l'hydrogène » et le latin pondus hydrogenii sont des hypothèses postérieures.

L'échelle va à peu près de 0 à 14, et ses repères sont parlants. Le suc gastrique se situe entre 1,5 et 3,5, assez fort pour dissoudre un clou, raison pour laquelle l'estomac renouvelle sa paroi tous les quelques jours. Le jus de citron est vers 2, le café noir vers 5, l'eau pure exactement à 7, le sang maintenu dans une bande étroite de 7,35 à 7,45, l'eau de mer vers 8,1 et l'eau de Javel vers 12,5. Depuis la révolution industrielle, l'océan de surface a perdu environ 0,1 unité de pH en absorbant le dioxyde de carbone, ce qui semble peu mais représente près de trente pour cent d'ions hydrogène en plus, assez pour gêner coraux et coquillages qui bâtissent leur coquille en carbonate.

Acides et bases règlent la vie quotidienne. Les comprimés antiacides sont des bases qui neutralisent l'excès de suc gastrique ; la levure chimique est un acide et une base qui attendent l'eau ; les agriculteurs chaulent les sols acides et les vignerons mesurent le pH avant chaque fermentation. Le raccourci d'un brasseur est devenu le nombre le plus utilisé de la chimie.

Catalysts and Enzymes

La plupart des réactions possibles n'ont pas lieu, ou pas vite, parce que les molécules doivent d'abord gravir une colline d'énergie. Hydrogène et oxygène peuvent cohabiter des années dans un ballon. Une étincelle, ou une pincée de platine, et ils se combinent dans une explosion. Le platine est toujours là ensuite. Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction sans être consommée, en offrant un chemin plus facile par-dessus la colline, une énergie d'activation plus basse.

Le mot fut forgé en 1835 par Jöns Jacob Berzelius, à Stockholm, qui rassembla une série d'observations déroutantes : Gottlieb Kirchhoff transformant l'amidon en sucre avec une trace d'acide en 1812, la lampe de Johann Döbereiner de 1823, qui allumait un jet d'hydrogène en le faisant passer sur une éponge de platine, et les fils de platine incandescents de Humphry Davy. Berzelius appela cette force cachée catalyse, du grec « dissolution ». Wilhelm Ostwald en donna la définition moderne et reçut pour cela le prix Nobel en 1909 ; son procédé pour l'acide nitrique, qui fait passer l'ammoniac sur une toile de platine chaude, sert encore. Svante Arrhenius avait montré en 1889 que la vitesse d'une réaction croît exponentiellement quand l'énergie d'activation baisse : une petite baisse de la colline donne un gain de vitesse énorme.

Le vivant l'avait compris le premier. Chaque cellule fait tourner, à la température du corps, des milliers de réactions qu'un chimiste ne forcerait qu'avec chaleur, pression et acide fort, grâce à des catalyseurs protéiques, les enzymes. En 1897, à Tübingen, Eduard Buchner broya de la levure, filtra toutes les cellules vivantes et constata que le jus fermentait toujours le sucre en alcool : la catalyse ne demandait aucune force vitale, seulement des molécules. James Sumner, à Cornell, cristallisa l'enzyme uréase en 1926 et prouva que c'était une protéine, résultat que ses collègues mirent en doute pendant dix ans avant qu'il ne lui vaille le Nobel de 1946. L'image de la clé et de la serrure d'Emil Fischer, en 1894, affinée par l'ajustement induit de Daniel Koshland en 1958, explique la sélectivité : chaque enzyme possède une poche taillée pour un substrat.

Le saviez-vous ? L'anhydrase carbonique de votre sang traite environ un million de molécules de dioxyde de carbone par seconde, et certaines enzymes accélèrent leur réaction d'un facteur dix millions de milliards.

Les chiffres étonnent. Sans catalyseur, le procédé Haber exigerait des températures qui détruisent le produit ; avec du fer, il tourne. Le pot catalytique d'une voiture, apparu en 1975 et bâti autour du platine, du palladium et du rhodium, transforme le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote en dioxyde de carbone, azote et eau avant la sortie de l'échappement. Environ quatre-vingt-dix pour cent des procédés chimiques industriels font appel à un catalyseur à un stade ou à un autre.

Catalyseurs et enzymes sont partout : dans la lessive, où des enzymes digèrent les taches d'herbe à 30 °C ; dans le lait sans lactose ; dans les zéolithes qui craquent le pétrole brut en essence ; et dans les enzymes conçues sur mesure qui fabriquent en une étape les antidiabétiques modernes. La colline est toujours là. Les chimistes ont simplement appris à creuser des tunnels.

Combustion and Fire

Le feu est la plus ancienne des chimies et l'une des dernières comprises. Pendant presque tout le XVIIIe siècle, la théorie admise voulait que les corps en brûlant libèrent une substance appelée phlogistique. L'idée, due à Johann Becher et Georg Stahl en Allemagne, expliquait beaucoup de choses, sauf que les métaux gagnaient du poids en brûlant, ce qui obligeait le phlogistique à avoir une masse négative. Les chimistes vécurent soixante-dix ans avec cette contradiction.

La théorie tomba devant une balance et un gaz. En 1774, Joseph Priestley, pasteur dissident du Wiltshire, chauffa de la poudre rouge de mercure avec une loupe et recueillit un gaz dans lequel une chandelle brûlait d'une flamme vive ; l'apothicaire suédois Carl Wilhelm Scheele avait obtenu le même gaz plus tôt, mais publia plus tard. Priestley en parla à Antoine Lavoisier lors d'un dîner à Paris. Lavoisier reprit et étendit les expériences, pesa tout, et en 1777 tenait la réponse : la combustion est la combinaison rapide d'un combustible avec ce gaz, qu'il nomma oxygène ; chaleur et lumière sont libérées quand se forment des liaisons nouvelles et plus fortes. Rien ne quitte le combustible ; quelque chose s'y joint. On parle parfois de révolution chimique, et c'est pour cela que la liste moderne des éléments commence avec Lavoisier.

La meilleure introduction à ce qu'est vraiment une flamme reste une série de conférences de Noël pour enfants. En 1848, à la Royal Institution de Londres, Michael Faraday montra avec une chandelle que la cire ne brûle pas là où l'on croit. La chaleur la fait fondre, la mèche l'aspire, la flamme la vaporise, et seule la vapeur brûle. La zone sombre autour de la mèche est du gaz non brûlé ; la région jaune brille parce que des particules de suie y sont portées vers 1 200 °C, incandescentes comme un filament de lampe ; le liseré bleu pâle à la base est l'endroit où la vapeur trouve assez d'oxygène pour brûler complètement. Une cuillère froide tenue dans le jaune ressort noire de suie. Dans le bleu, elle ressort propre.

Le saviez-vous ? En orbite, sans gravité pour entraîner les gaz chauds vers le haut, la flamme d'une bougie est une sphère bleue et terne qui brûle bien plus lentement, comme l'ont montré des expériences sur la Station spatiale internationale.

La combustion exige trois choses, que les pompiers dessinent en triangle : combustible, oxygène et chaleur. Ôtez l'une d'elles et le feu s'arrête. L'eau retire la chaleur ; une couverture de mousse ou un extincteur à dioxyde de carbone retire l'oxygène ; un coupe-feu retire le combustible. Le papier s'enflamme seul vers 230 °C, les vapeurs d'essence vers 250 °C, et une flamme de méthane peut atteindre 1 950 °C dans l'air. Brûler un kilogramme de méthane libère environ 55 mégajoules, l'équation CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O donnant près de trois kilogrammes de dioxyde de carbone.

Ce dernier chiffre explique l'enjeu actuel. Près des quatre cinquièmes de l'énergie mondiale viennent encore de la combustion, et chaque tonne de charbon, de pétrole ou de gaz brûlée ajoute son dioxyde de carbone à l'atmosphère. La comptabilité de Lavoisier est devenue le problème central du siècle.

Electrochemistry and Batteries

Une pile est une réaction chimique tenue à distance. Dans toute réaction où une substance cède des électrons et une autre les prend, on peut séparer les deux moitiés, les relier par un fil et forcer les électrons à faire le grand tour. Ce voyage est un courant électrique, et son étude est l'électrochimie.

Tout commença par une grenouille et une dispute. Dans les années 1780, Luigi Galvani, à Bologne, remarqua que la patte d'une grenouille morte tressaillait au contact de deux métaux différents et en conclut que les animaux contenaient leur propre électricité. Alessandro Volta, à Pavie, n'était pas d'accord : la source, c'étaient les métaux, pas la grenouille. Pour le prouver, il empila des disques de zinc et d'argent séparés par du carton imbibé de saumure et décrivit, dans une lettre à la Royal Society de Londres datée de mars 1800, la première source de courant continu, la pile voltaïque. En quelques semaines, William Nicholson et Anthony Carlisle s'en servirent pour décomposer l'eau en hydrogène et oxygène ; en sept ans, Humphry Davy, à la Royal Institution, isola avec une pile géante le potassium, le sodium, le calcium et quatre autres éléments nouveaux. Michael Faraday montra ensuite, en 1834, que la masse de substance produite à une électrode est exactement proportionnelle à la charge qui l'a traversée, et forgea les mots électrode, anode, cathode et ion avec l'aide du philologue William Whewell.

La pile pratique progressa pas à pas. La cellule cuivre-zinc de John Daniell, en 1836, donna un 1,1 volt stable pour le télégraphe ; l'accumulateur au plomb de Gaston Planté, en 1859, fut le premier rechargeable et démarre encore la plupart des voitures ; la pile zinc-carbone de Georges Leclanché, en 1866, devint la pile sèche de toutes les lampes de poche.

Le saviez-vous ? Volta présenta sa pile à Napoléon à Paris en 1801 ; l'empereur le fit comte, et le volt, unité de potentiel électrique, porte son nom.

Le grand saut moderne fut le lithium, le plus léger des métaux et le plus pressé de céder un électron. Dans les années 1970, Stanley Whittingham, chez Exxon, montra que des ions lithium pouvaient se glisser dans et hors du disulfure de titane en feuillets. En 1980, John Goodenough, à Oxford, trouva une bien meilleure cathode, l'oxyde de cobalt lithié, qui doubla la tension. Akira Yoshino, chez Asahi Kasei au Japon, remplaça en 1985 la dangereuse anode en lithium métal par du carbone, et Sony vendit la première cellule lithium-ion commerciale en 1991. Les trois partagèrent le prix Nobel de chimie 2019. Dans une telle cellule, les ions lithium font la navette entre une anode de graphite et une cathode d'oxyde métallique à travers un électrolyte liquide, tandis qu'un séparateur poreux empêche les électrodes de se toucher. Une bonne cellule stocke environ 250 wattheures par kilogramme, sept fois plus qu'un accumulateur au plomb, sous 3,7 volts.

L'électrochimie marche aussi dans l'autre sens. Poussez du courant et vous pouvez chromer l'acier, raffiner le cuivre à 99,99 pour cent ou produire l'aluminium, métal précieux jusqu'à ce que Charles Hall et Paul Héroult l'obtiennent indépendamment par électrolyse en 1886. Chaque téléphone, chaque voiture électrique, chaque batterie de réseau est la pile de Volta, réinventée.

Carbon: the Chemistry of Life

Le carbone est le sixième élément, une tache noire par temps froid et la pierre la plus dure de la vitrine du joaillier. Il ne représente qu'environ 0,03 pour cent de la croûte terrestre, et pourtant quelque dix millions de composés connus en contiennent, plus que tous les autres éléments réunis. La raison est simple. Un atome de carbone a quatre électrons externes et en veut quatre de plus ; il forme donc quatre liaisons covalentes solides, et il se lie à lui-même aussi volontiers qu'à n'importe quoi d'autre. Chaînes, ramifications, cycles et feuillets en découlent, et avec eux chaque protéine, sucre, graisse, carburant et plastique.

L'étude de ces composés fut longtemps une science à part, car on pensait que seuls les êtres vivants pouvaient les fabriquer, une doctrine appelée vitalisme. En 1828, à Berlin, Friedrich Wöhler chauffa du cyanate d'ammonium, un sel minéral, et obtint de l'urée, substance que l'on ne trouvait jusque-là que dans l'urine. « Je dois vous dire que je sais faire de l'urée sans avoir besoin d'un rein », écrivit-il à son maître Berzelius. Les historiens des sciences débattent de la rapidité avec laquelle l'idée de force vitale disparut, mais la chimie organique était devenue de la chimie ordinaire.

Vint ensuite la forme du carbone. August Kekulé, à Gand, proposa en 1858 que le carbone est tétravalent et forme des chaînes, puis en 1865 que le benzène est un cycle de six carbones. La célèbre histoire du cycle apparu en rêve sous la forme d'un serpent se mordant la queue ne fut racontée par Kekulé lui-même qu'en 1890, et les historiens la traitent avec prudence. En 1874, Jacobus van 't Hoff à Utrecht et Joseph Le Bel à Paris soutinrent indépendamment que les quatre liaisons pointent vers les sommets d'un tétraèdre, ce qui expliquait la découverte de Louis Pasteur en 1848 : certaines molécules existent en paires d'images miroir qui font tourner la lumière en sens opposés. Votre corps est presque entièrement bâti d'une seule main de chaque paire.

Le saviez-vous ? Les mêmes atomes de carbone peuvent être un diamant ou la mine d'un crayon ; seule la façon dont ils sont liés diffère, et le graphite est en fait la forme la plus stable à température ambiante.

Le carbone pur lui-même prend plusieurs formes. Dans le diamant, chaque atome se lie à quatre voisins dans un réseau rigide ; dans le graphite, les atomes forment des feuillets plats d'hexagones qui glissent les uns sur les autres. En 1985, Harold Kroto, de Sussex, avec Robert Curl et Richard Smalley à l'université Rice au Texas, vaporisèrent du graphite au laser et trouvèrent un agrégat stable de soixante atomes exactement, disposés comme un ballon de football : le buckminsterfullerène. En 2004, Andre Geim et Konstantin Novoselov, à Manchester, détachèrent d'un éclat de graphite une seule feuille avec du ruban adhésif et montrèrent que c'était un matériau à part entière, le graphène, épais d'un atome et environ deux cents fois plus résistant que l'acier à poids égal.

La chimie du carbone est aujourd'hui celle des médicaments, des carburants et du climat. Le cycle du carbone fait circuler quelque 100 milliards de tonnes de l'élément dans l'air chaque année, et les onze milliards de tonnes supplémentaires venues des combustibles fossiles, comptées dans les mêmes molécules, sont le fil qui relie ce chapitre au monde qui se réchauffe.

Plastics and Polymers

Un polymère est une molécule bâtie par répétition : des milliers de petites unités identiques, les monomères, enchaînées bout à bout. La cellulose, le caoutchouc, la soie et l'ADN sont des polymères ; les sacs en polyéthylène, les collants en nylon et le boîtier de l'appareil sur lequel vous lisez peut-être ceci le sont aussi. Les chaînes peuvent être droites, ramifiées ou réticulées, et cette architecture, plus que la chimie de chaque unité, décide si le matériau sera un film souple ou un gilet pare-balles.

Les premiers plastiques étaient des polymères naturels modifiés. Alexander Parkes présenta la Parkésine, faite de nitrate de cellulose, à l'Exposition internationale de Londres en 1862 ; John Wesley Hyatt l'améliora aux États-Unis sous le nom de celluloïd en 1869, substitut de l'ivoire pour les boules de billard, puis support de la pellicule photographique. Le premier plastique entièrement synthétique vint de Leo Baekeland, chimiste belge installé à Yonkers, près de New York, qui en 1907 fit réagir du phénol et du formaldéhyde sous chaleur et pression et obtint une résine dure, résistante à la chaleur, qu'il baptisa Bakélite. Moulée en téléphones, en postes de radio et en isolateurs électriques, elle fit sa fortune.

Personne ne savait encore ce qu'étaient ces matériaux. L'opinion dominante y voyait des amas de petites molécules faiblement associées. En 1920, Hermann Staudinger, à l'ETH de Zurich, soutint qu'il s'agissait de véritables molécules géantes, des macromolécules, aux liaisons covalentes ordinaires le long d'une chaîne de milliers d'atomes. Des collègues chevronnés lui conseillèrent d'abandonner le sujet ; la décennie suivante lui donna raison et il reçut le prix Nobel en 1953. La preuve vint en partie de Wallace Carothers, chez DuPont, qui construisit des polymères sur commande à partir de petites molécules : le néoprène en 1930 et, en 1935, le nylon, première fibre entièrement synthétique. Les bas nylon furent mis en vente en mai 1940 et s'arrachèrent en quelques jours.

Le saviez-vous ? Le polyéthylène fut découvert par accident chez ICI en 1933, quand une expérience à haute pression sur l'éthylène fuit et laissa un solide blanc cireux ; c'est devenu le plastique le plus produit au monde.

La seconde moitié du siècle apporta la précision. En 1953, Karl Ziegler, à Mülheim, trouva des catalyseurs qui assemblaient l'éthylène à basse pression en chaînes solides et régulières, et Giulio Natta, à Milan, s'en servit l'année suivante pour faire du polypropylène ; ils partagèrent le Nobel de 1963. Stephanie Kwolek, chez DuPont, obtint en 1965 une solution étrangement fluide et trouble qui se fila en une fibre cinq fois plus résistante que l'acier à poids égal : le Kevlar. Suivirent les bouteilles en PET, les poêles en Téflon, les implants en silicone et la peinture acrylique.

Le monde produit désormais plus de 400 millions de tonnes de plastique par an, et seulement neuf pour cent environ de tout ce qui a été fabriqué a été recyclé. Des chaînes qui résistent des décennies aux bactéries sont une vertu dans une canalisation et un problème dans l'océan, où des fragments de moins de cinq millimètres, les microplastiques, ont été trouvés de la fosse la plus profonde aux neiges de l'Arctique. Les chimistes conçoivent aujourd'hui des polymères qui se défont à la demande en leurs monomères, ce qui ferait des molécules géantes de Staudinger une boucle plutôt qu'une ligne.

Fertilisers and the Haber Process

Les quatre cinquièmes de l'air sont de l'azote, et presque rien n'en est utilisable par une plante. Les deux atomes d'une molécule d'azote sont unis par une triple liaison, l'une des plus fortes de la chimie, et seuls la foudre, quelques bactéries du sol et, depuis 1909, un réacteur d'acier peuvent la rompre. La rompre est la réaction industrielle la plus importante de la planète, car l'azote de chaque protéine de votre corps est passé par l'une de ces trois voies.

Le problème fut posé sans détour en 1898 par William Crookes, président de la British Association, qui avertit que les champs de blé du monde manqueraient d'azote en une génération. Les sources principales étaient alors le guano des îles péruviennes et le nitrate de sodium du désert chilien, tous deux limités. Fritz Haber, chimiste à l'École technique de Karlsruhe, s'attaqua à la synthèse directe de l'ammoniac à partir de ses éléments. La réaction N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 est réversible et n'avance utilement qu'à haute pression, mais la chaleur, qui l'accélère, la fait aussi reculer. Haber et son assistant britannique Robert Le Rossignol trouvèrent la fenêtre : environ 200 atmosphères, environ 500 °C, un catalyseur, et une boucle qui soutire l'ammoniac liquide et renvoie les gaz non convertis. Le 2 juillet 1909, leur appareil de paillasse produisit de l'ammoniac liquide goutte à goutte, à peu près une tasse par heure, avec un catalyseur à l'osmium.

Passer au stade de l'usine revint à Carl Bosch, chez BASF à Ludwigshafen. Aucune enceinte d'acier n'avait jamais tenu une telle pression à une telle chaleur ; l'hydrogène attaquait le métal et le rendait cassant. Les ingénieurs de Bosch conçurent un réacteur à double paroi doublé de fer doux, et Alwin Mittasch testa quelque 2 500 catalyseurs candidats en près de 6 500 essais avant de retenir le fer bon marché avec des traces d'oxydes de potassium et d'aluminium, toujours en usage. L'usine d'Oppau ouvrit en septembre 1913. Haber reçut le prix Nobel en 1918, Bosch en 1931.

Le saviez-vous ? Près de la moitié des atomes d'azote de votre corps sont passés par un réacteur Haber-Bosch, car environ la moitié de la nourriture mondiale pousse avec de l'engrais de synthèse.

Le procédé a sa face sombre. Le même ammoniac servit aux explosifs, et l'Allemagne fit la Première Guerre mondiale avec les nitrates d'Oppau après que le blocus britannique eut coupé le Chili. Haber lui-même dirigea la première attaque au chlore à Ypres en 1915. Le monde produit aujourd'hui environ 150 millions de tonnes d'ammoniac par an, consommant un à deux pour cent de l'énergie mondiale et émettant environ 1,4 pour cent du dioxyde de carbone, surtout pour tirer l'hydrogène du gaz naturel.

L'engrais a dessiné la courbe démographique moderne. Les rendements de blé, de riz et de maïs ont triplé au XXe siècle, et Vaclav Smil estime que, sans azote de synthèse, la planète nourrirait peut-être trois milliards de personnes de moins. Le ruissellement du même engrais nourrit les proliférations d'algues du golfe du Mexique et de la Baltique. Les ingénieurs tentent maintenant de produire l'hydrogène avec de l'électricité renouvelable, pour rompre la triple liaison sans brûler de gaz. La réaction reste celle que Haber vit goutter dans son ballon.

Green Chemistry

Pendant presque toute son histoire, la chimie mesura le succès au rendement : la quantité de produit obtenue par rapport au maximum théorique. Elle ne disait rien de ce qui sortait d'autre. En 1991, Barry Trost, à Stanford, proposa un second nombre, l'économie d'atomes : la fraction des atomes entrés dans une réaction qui finissent dans le produit plutôt que dans les déchets. L'année suivante, Roger Sheldon, à Delft, publia le facteur E, les kilogrammes de déchets par kilogramme de produit, et les chiffres faisaient réfléchir. Les raffineries produisaient environ 0,1 kilogramme de déchets par kilogramme ; la chimie fine de 5 à 50 ; l'industrie pharmaceutique de 25 à 100, voire plus. Fabriquer un kilogramme de médicament pouvait signifier jeter cent kilogrammes de solvants, de sels et de réactifs épuisés.

La chimie verte est la discipline née de ces chiffres. En 1998, Paul Anastas et John Warner énoncèrent douze principes dans un mince ouvrage : prévenir les déchets plutôt que les traiter, maximiser l'économie d'atomes, utiliser des solvants plus sûrs, viser l'efficacité énergétique, préférer les matières premières renouvelables, employer des catalyseurs plutôt que des réactifs stœchiométriques, et concevoir des produits qui se dégradent sans danger en fin de vie. Rien de tout cela n'était de la chimie nouvelle. C'était une nouvelle façon de la juger.

Le cas d'école est l'ibuprofène. La synthèse originale de Boots, dans les années 1960, comptait six étapes et utilisait environ quarante pour cent de ses atomes ; le reste devenait déchet, dont du chlorure d'aluminium irrécupérable. En 1992, la société BHC, coentreprise de Hoechst-Celanese, ouvrit à Bishop, au Texas, une usine qui fabriquait la même molécule en trois étapes catalytiques, avec une économie d'atomes de soixante-dix-sept pour cent, portée à quatre-vingt-dix-neuf quand l'acide acétique produit en parallèle était récupéré et vendu. Elle reçut l'un des premiers Presidential Green Chemistry Challenge Awards en 1997. Des exemples ultérieurs vont plus loin : en 2010, Merck et Codexis remplacèrent, dans la fabrication de l'antidiabétique sitagliptine, une étape à haute pression catalysée par un métal par une enzyme modifiée travaillant dans l'eau, réduisant les déchets de dix-neuf pour cent et le procédé à un seul réacteur.

Le saviez-vous ? Le café décaféiné était autrefois produit avec du benzène, un cancérogène connu ; la plupart l'est aujourd'hui avec du dioxyde de carbone supercritique, qui dissout la caféine sous pression puis s'évapore simplement.

Le mouvement eut un précédent dans l'atmosphère. En 1974, Mario Molina et Sherwood Rowland, à Irvine, calculèrent que les chlorofluorocarbures, ces gaz inertes et apparemment inoffensifs des réfrigérateurs et des aérosols, se décomposeraient dans la stratosphère et détruiraient l'ozone. Le trou de la couche d'ozone antarctique fut découvert en 1985 ; le protocole de Montréal interdit ces produits en 1987 ; et Molina, Rowland et Paul Crutzen partagèrent le prix Nobel de 1995. Concevoir une molécule, c'est désormais se demander où elle ira ensuite.

Les principes façonnent aujourd'hui les peintures à l'eau, les gobelets en acide polylactique issus de l'amidon de maïs, le denim délavé aux enzymes et le recyclage des batteries lithium-ion. Les questions des chimistes ont changé. Non seulement pouvons-nous le fabriquer, et en quelle quantité, mais qu'avons-nous fabriqué d'autre, où cela finira-t-il, et les mêmes liaisons pourraient-elles se former plus proprement ?

Galileo's Falling Bodies

Lâchez ensemble un boulet de canon et une balle de mousquet : ils touchent le sol en même temps. Ce n'est pas évident. Aristote enseignait que les corps lourds tombent plus vite, en proportion de leur poids, et pendant deux mille ans presque personne ne vérifia. En 1586, l'ingénieur flamand Simon Stevin et son ami Jan de Groot lâchèrent deux boules de plomb, l'une dix fois plus lourde que l'autre, d'une dizaine de mètres depuis une tour d'église de Delft, et n'entendirent qu'un seul choc sur les planches. Galilée, alors jeune enseignant à Pise, arrivait à la même conclusion par le raisonnement : attachez une pierre légère à une lourde et la règle d'Aristote se contredit.

La fameuse démonstration du haut de la tour de Pise n'apparaît que dans une biographie écrite par son assistant Vincenzo Viviani des décennies plus tard, et les historiens des sciences doutent qu'elle ait eu lieu. Ce que Galilée fit certainement était plus lent et plus malin. La chute libre est trop rapide pour les instruments de 1600 ; il la dilua. Il creusa une rainure droite dans une poutre d'environ douze coudées, la tapissa de parchemin poli, l'inclina et y fit rouler une boule de bronze en la chronométrant avec une horloge à eau : l'eau coulait d'un réservoir dans une tasse pendant la descente, puis était pesée. Il décrivit ce travail dans une lettre à Paolo Sarpi en 1604 et le publia en 1638 dans les Discours concernant deux sciences nouvelles, écrits en résidence surveillée.

Le résultat fut un motif. Dans la première unité de temps, la boule parcourait une unité de distance ; dans la deuxième, trois ; dans la troisième, cinq ; dans la quatrième, sept. Les nombres impairs s'additionnent en carrés, 1, 4, 9, 16 : la distance parcourue croît comme le carré du temps. La boule n'allait pas à vitesse constante mais à accélération constante, et cette accélération était la même quel que soit le poids. Incliner davantage le plan augmentait l'accélération sans changer la loi ; la limite verticale, la chute libre, devait donc y obéir aussi. Près de la surface terrestre, cette accélération vaut 9,8 mètres par seconde chaque seconde.

Le saviez-vous ? En août 1971, l'astronaute d'Apollo 15 David Scott lâcha côte à côte un marteau de géologue et une plume de faucon sur la Lune, où il n'y a pas d'air ; ils touchèrent la poussière au même instant, en direct à la télévision.

L'air est la seule raison pour laquelle une plume voltige. Sa résistance croît avec la vitesse jusqu'à équilibrer la pesanteur : un parachutiste cesse d'accélérer vers 55 mètres par seconde, une goutte de pluie à quelques mètres par seconde. Ôtez l'air, comme le fit Robert Boyle avec sa pompe en 1660, et une plume et une pièce lâchées dans le verre tombent ensemble.

Le plus grand don de Galilée fut la méthode : idéaliser le problème, écarter l'air, mesurer ce qui peut l'être et laisser les mathématiques décrire le reste. Chaque expérience de ce livre descend d'une boule de bronze roulant dans une rainure.

Newton's Three Laws

En 1684, l'astronome Edmond Halley se rendit à Cambridge pour poser à Isaac Newton une question qui embarrassait la Royal Society : quelle trajectoire suivrait une planète si le Soleil l'attirait avec une force décroissant comme le carré de la distance ? Newton répondit qu'il l'avait déjà calculée, une ellipse, mais qu'il ne retrouvait pas la feuille. Halley le persuada de rédiger, paya lui-même l'impression, et le 5 juillet 1687 parurent les Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Leurs premières pages énoncent trois lois du mouvement qui gouvernent encore chaque pont, chaque fusée et chaque bille de billard.

La première loi dit qu'un corps conserve son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme tant qu'aucune force n'agit sur lui. C'est l'inertie, et c'était la loi difficile, car l'expérience quotidienne dit le contraire : la charrette s'arrête quand le cheval s'arrête. Galilée avait vu que le frottement était la force cachée ; Descartes avait énoncé le principe en 1644 ; Newton en fit la fondation. Un palet sur une patinoire sans frottement glisserait à jamais. Un vaisseau en croisière entre les planètes n'a besoin d'aucun moteur.

La deuxième loi dit qu'une force modifie le mouvement d'un corps en proportion de sa grandeur et dans la direction où elle pousse. Newton l'écrivit en termes de variation de quantité de mouvement ; la forme scolaire, la force égale la masse fois l'accélération, F = ma, fut donnée par Leonhard Euler en 1750. Poussez deux fois plus fort, accélérez deux fois plus ; poussez un corps deux fois plus lourd, accélérez deux fois moins. L'unité de force, le newton, est ce qui accélère un kilogramme d'un mètre par seconde par seconde, à peu près le poids d'une pomme.

La troisième loi dit que les forces vont par paires : quand un corps pousse sur un autre, le second pousse en retour, à égalité et en sens inverse. Le fusil recule quand la balle part ; la Terre monte d'une quantité imperceptible vers la pierre qui tombe ; une fusée s'élève en projetant ses gaz vers le bas et n'a nul besoin d'air sur lequel s'appuyer, ce qui explique qu'elle fonctionne dans l'espace.

Le saviez-vous ? L'histoire de la pomme vient de Newton lui-même, qui la raconta, âgé, à William Stukeley en 1726 ; il dit en avoir vu tomber une dans le jardin de sa mère à Woolsthorpe et s'être demandé pourquoi elle tombait tout droit, non qu'elle lui fût tombée sur la tête.

Les lois furent vérifiées avec une précision croissante. En 1784, George Atwood, à Cambridge, suspendit deux masses presque égales de part et d'autre d'une poulie, de sorte que la pesanteur soit presque annulée et que l'accélération puisse être chronométrée à l'œil, confirmant directement la deuxième loi. Aujourd'hui, on les vérifie avec une exactitude extraordinaire en suivant des sondes spatiales et grâce aux réflecteurs laser laissés sur la Lune par les astronautes d'Apollo, qui mesurent sa distance à quelques millimètres près.

Les lois de Newton ne faillissent qu'aux extrêmes : près de la vitesse de la lumière, où la relativité d'Einstein prend le relais, et à l'échelle atomique, où règne la mécanique quantique. Partout entre les deux, d'une ceinture qui se bloque dans un choc aux 7,7 kilomètres par seconde d'un satellite, les trois phrases de 1687 suffisent.

Universal Gravitation

L'idée de la loi de la gravitation universelle de Newton est que la force qui attire une pomme vers le sol est la même qui retient la Lune sur son orbite, et qu'elle agit entre toute paire de masses de l'univers. L'attraction est proportionnelle au produit des deux masses et décroît comme le carré de la distance : doublez la distance et la force tombe au quart. Newton la vérifia sur la Lune. Celle-ci est soixante fois plus loin du centre de la Terre que la pomme ; elle devrait donc tomber 3 600 fois plus lentement, et c'est le cas : environ 1,4 millimètre chaque seconde, exactement ce qu'il faut pour qu'elle continue de tourner autour de la Terre au lieu de filer en ligne droite.

Ce calcul, publié dans les Principia en 1687, expliquait les orbites elliptiques de Kepler, les marées, le renflement de la Terre à l'équateur et la course des comètes. En 1705, Edmond Halley s'en servit pour prédire que la comète de 1682 reviendrait en 1758. Elle parut la nuit de Noël 1758, seize ans après sa mort.

Mais la loi de Newton contenait un nombre que personne ne connaissait : la constante gravitationnelle, G, la force entre deux masses d'un kilogramme distantes d'un mètre. Elle est minuscule, et la mesurer revenait à détecter la gravité d'une boule de plomb dans une pièce. L'appareil fut conçu par le pasteur John Michell puis, après sa mort, reconstruit en 1797 par Henry Cavendish, chimiste fortuné et maladivement timide, dans une remise de Clapham, au sud de Londres. Une tige de bois de 1,8 mètre portant une petite boule de plomb à chaque bout pendait à un fil fin. Deux sphères de plomb de 158 kilogrammes furent approchées des petites boules, et leur gravité tordit le fil d'un cheveu. Cavendish lisait la torsion à la lunette, depuis l'extérieur de la pièce, pour que la chaleur de son corps n'agite pas l'air, et publia en 1798. Il exprima son résultat comme la densité de la Terre, 5,45 fois celle de l'eau, à un pour cent près de la valeur moderne. La Terre, en découlait-il, pèse environ six mille milliards de milliards de tonnes.

Le saviez-vous ? L'attraction gravitationnelle entre deux personnes distantes d'un mètre vaut environ un cent-milliardième de leur poids ; la gravité ne règne sur le cosmos que parce qu'elle s'additionne, sans jamais s'annuler, à l'échelle des planètes.

La portée de la loi devint spectaculaire. En 1846, Urbain Le Verrier, à Paris, calcula d'après les irrégularités de l'orbite d'Uranus où devait se trouver une planète inconnue ; Johann Galle, à Berlin, trouva Neptune à moins d'un degré de l'endroit prédit, le soir même où la lettre arriva. La même loi guide chaque sonde spatiale.

Aujourd'hui, G est connue à environ une part sur cinquante mille, ce qui en fait toujours la constante fondamentale la moins précisément mesurée, et les physiciens débattent encore des écarts entre laboratoires. La loi de Newton elle-même s'est révélée une superbe approximation de la relativité générale d'Einstein, qui remplace l'attraction par la courbure de l'espace-temps. Pour la pomme, la Lune et les sondes qui quittent le système solaire, la formule de 1687 reste tout ce dont on a besoin.

Friction

Frottez-vous les mains : elles chauffent. Freinez à fond : la voiture s'arrête. Poussez une armoire : elle refuse, puis cède d'un coup. Ces trois cas relèvent du frottement, la force qui résiste au glissement entre deux surfaces en contact ; c'est à la fois la force la plus familière de la vie quotidienne et l'une des dernières à avoir été comprise à l'échelle des atomes.

Ses lois furent écrites deux fois. Léonard de Vinci, dans des carnets datant d'environ 1493, fit glisser des blocs sur des tables et nota que la résistance était proportionnelle à la charge qui presse les surfaces l'une contre l'autre et ne dépendait pas de l'étendue du contact. Il ne publia jamais. Deux siècles plus tard, en 1699, le physicien français Guillaume Amontons redécouvrit les deux règles et les présenta à l'Académie des sciences, et en 1785 Charles-Augustin de Coulomb, dans un mémoire primé sur le frottement des cordages et des machines pour la marine française, en ajouta une troisième : pour des surfaces glissantes, la force est à peu près indépendante de la vitesse. Il distingua aussi clairement le frottement statique, qu'il faut vaincre pour démarrer un mouvement, du frottement cinétique, plus faible, qui s'y oppose une fois lancé. Voilà pourquoi l'armoire part d'un coup.

Ces règles se résument en un nombre, le coefficient de frottement, rapport de la force de frottement à la charge. Le caoutchouc sur l'asphalte sec vaut environ 0,8, d'où l'adhérence des pneus ; le même caoutchouc sur la glace mouillée, environ 0,1 ; l'acier sur la glace, autour de 0,03, d'où la glisse des patins ; et le Téflon sur le Téflon, environ 0,04, le plus bas de tous les solides, d'où son emploi dans les poêles.

Le saviez-vous ? Deux blocs d'acier polis se touchent en si peu de points que leur aire de contact réelle est en général inférieure à un dix-millième de l'aire apparente ; le reste, c'est de l'air.

Pourquoi l'aire n'a-t-elle aucune importance ? La question intrigua les physiciens jusqu'aux années 1930 et 1940, quand Frank Philip Bowden et David Tabor, à Cambridge, montrèrent par des mesures électriques que même une surface polie comme un miroir est, à l'échelle du micromètre, une chaîne de montagnes. Deux surfaces ne se rencontrent qu'aux pointes de leurs plus hauts sommets, les aspérités, écrasées jusqu'à pouvoir porter la charge. Pressez plus fort et davantage de sommets entrent en contact : l'aire réelle croît avec la charge, tandis que l'aire apparente ne compte pas. Le frottement est la force nécessaire pour cisailler ces minuscules soudures. La lubrification consiste à faire flotter les surfaces sur un film d'huile, effet qu'Osborne Reynolds expliqua mathématiquement en 1886 et qui maintient en vie chaque palier de moteur.

Le frottement est aujourd'hui l'objet d'une science, la tribologie, au poids économique à la mesure : une étude de 2017 estimait que le vaincre consomme environ un cinquième de l'énergie mondiale. Les ingénieurs le réduisent par des roulements à billes, des revêtements de carbone adamantin et des coussins d'air, et l'exploitent dans les freins, les embrayages et les semelles. Une force connue de Léonard continue d'être découverte.

Pressure and Fluids

La pression est une force répartie sur une surface, et dans un fluide elle pousse également dans toutes les directions. L'air au-dessus de vous pèse environ dix tonnes par mètre carré, et vous ne le sentez pas parce que la même pression pousse vers le haut, de côté et de l'intérieur. Que l'air ait un poids fut découvert en une seule décennie du XVIIe siècle, par des hommes qui cherchaient pourquoi une pompe ne peut élever l'eau à plus de dix mètres environ.

En 1643, Evangelista Torricelli, dernier assistant de Galilée, remplit de mercure un tube de verre long d'un mètre, le retourna dans une cuvette et vit la colonne descendre jusqu'à s'arrêter à environ 760 millimètres, laissant un espace vide au-dessus. Rien ne tirait le mercure vers le haut, raisonna-t-il ; c'était le poids de l'atmosphère pressant sur la cuvette qui le soutenait, et l'espace au-dessus était un vide. « Nous vivons submergés au fond d'un océan d'air », écrivit-il plus tard. L'appareil était le baromètre, et la hauteur de la colonne, 760 millimètres de mercure, reste une façon d'écrire la pression atmosphérique normale, aujourd'hui définie à 101 325 pascals.

Blaise Pascal vit le test. Si la colonne est soutenue par le poids de l'air, il devrait y avoir moins d'air, et une colonne plus courte, en montagne. Le 19 septembre 1648, son beau-frère Florin Périer porta un baromètre au sommet du puy de Dôme, à un millier de mètres au-dessus de Clermont, et vit le mercure baisser de plus de huit centimètres. Pascal énonça ensuite le principe qui porte son nom : une pression appliquée à un fluide enfermé se transmet intégralement en tout point, ce qui explique qu'un cric hydraulique permette à une main de soulever un camion et que les freins d'une voiture fonctionnent.

Le saviez-vous ? En 1654, Otto von Guericke, bourgmestre de Magdebourg, vida l'air de deux hémisphères de cuivre ajustés et fit tirer deux attelages de chevaux en sens contraires ; l'atmosphère tint bon, et les hémisphères ne se séparèrent que lorsqu'il laissa rentrer l'air.

Robert Boyle, à Oxford, avec son assistant Robert Hooke, construisit une meilleure pompe et publia en 1662 la loi selon laquelle la pression d'un gaz augmente quand son volume diminue. Daniel Bernoulli, à Bâle, montra en 1738 que dans un fluide en mouvement la pression baisse là où la vitesse augmente, principe du vaporisateur de parfum et d'une partie de l'histoire de l'aile. La pression croît aussi avec la profondeur : chaque dizaine de mètres d'eau de mer ajoute une atmosphère, de sorte que la fosse des Mariannes, à onze kilomètres, presse avec environ 1 100 atmosphères, et les submersibles qui l'atteignent abritent leurs équipages dans des sphères de titane ou de verre épais.

La pression se mesure désormais partout. Un brassard tensiomètre affiche 12 sur 8 dans les millimètres de mercure de Torricelli ; une carte météo trace des lignes d'égale pression pour prévoir les tempêtes ; un pneu de voiture tient environ deux atmosphères au-dessus de l'air extérieur ; une cocotte-minute porte l'ébullition de l'eau à 120 °C. L'océan d'air que décrivit Torricelli est encore pesé, chaque heure, dans chaque station météorologique du monde.

Buoyancy and Flight

Un navire d'acier flotte, un clou d'acier coule, et un avion de ligne de 560 tonnes quitte la piste porté par rien d'autre que l'air. Les trois cas reposent sur le même principe : un fluide pousse plus fort sur le dessous d'un objet que sur le dessus, et si la différence dépasse le poids de l'objet, celui-ci monte.

Archimède de Syracuse résolut le cas flottant vers 250 av. J.-C. dans Des corps flottants. Un corps plongé dans un fluide reçoit une poussée vers le haut égale au poids du fluide déplacé. Un clou déplace un dé à coudre d'eau, bien plus léger que lui ; une coque déplace des centaines de tonnes d'eau, plus que le navire, qui monte donc jusqu'à ce que l'eau déplacée équilibre exactement son poids. L'anecdote du « Eurêka » crié en sortant nu de son bain, après avoir compris qu'il pourrait ainsi vérifier la pureté de la couronne du roi, fut racontée par l'architecte romain Vitruve deux siècles plus tard ; Galilée, entre autres, douta que la méthode décrite fût assez sensible. Le principe de la flottabilité, lui, est exact, et il explique l'ascension des montgolfières : le ballon des frères Montgolfier, en 1783, déplaçait un air froid plus lourd que l'air chaud qu'il contenait, enveloppe et passagers compris.

La portance d'une aile est la même force dans un fluide en mouvement. En 1799, George Cayley, dans le Yorkshire, posa les quatre forces du vol, portance, poids, poussée et traînée, et comprit qu'une aile fixe pouvait porter tandis qu'un moteur séparé poussait. Otto Lilienthal, à Berlin, effectua quelque deux mille vols planés dans les années 1890 et publia des tables de portance pour ailes cambrées ; il se tua en 1896. Wilbur et Orville Wright, fabricants de bicyclettes à Dayton, dans l'Ohio, jugèrent ses chiffres peu fiables et construisirent fin 1901 une soufflerie, une caisse de bois de 1,8 mètre munie d'un ventilateur, où ils testèrent environ deux cents maquettes d'ailes sur une balance délicate. Les bonnes données leur donnèrent une aile qui marchait. Le 17 décembre 1903, à Kitty Hawk, en Caroline du Nord, le Flyer s'éleva pendant douze secondes sur 36 mètres.

Le saviez-vous ? L'explication populaire selon laquelle l'air passant sur une aile cambrée doit « rattraper » celui qui passe dessous est fausse ; la fumée en soufflerie montre que l'air du dessus arrive le premier au bord de fuite, et les avions en papier à ailes plates volent très bien.

Ce qui se passe réellement, c'est qu'une aile légèrement inclinée dans le flux dévie l'air vers le bas. Par la troisième loi de Newton, l'air pousse l'aile vers le haut ; de façon équivalente, l'air qui passe au-dessus accélère et sa pression baisse, comme l'a décrit Bernoulli, tandis que l'air du dessous ralentit et sa pression monte. Les deux descriptions sont la même physique vue de deux côtés, et les mathématiques de l'écoulement circulant autour d'une aile furent établies par Martin Kutta en Allemagne et Nikolaï Joukovski en Russie entre 1902 et 1906.

La même physique soulève un hélicoptère, fait remonter un voilier au vent, fait tourner une éolienne et donne de l'effet à un ballon de football. À deux mille ans d'écart, le bain et la soufflerie mesuraient la même poussée.

Momentum and Collisions

La quantité de mouvement est le produit de la masse par la vitesse, et dans toute collision la quantité de mouvement totale des corps qui se heurtent est la même après qu'avant. Un camion de dix tonnes au pas porte la même quantité de mouvement qu'une voiture d'une tonne allant dix fois plus vite. La règle s'applique aux boules de billard, aux galaxies et aux particules d'un accélérateur, et c'est l'une des rares lois de la physique sans exception connue.

Elle fut établie par concours. En 1668, la toute jeune Royal Society de Londres demanda les lois du choc, et trois réponses arrivèrent en quelques mois : du mathématicien John Wallis, de l'architecte Christopher Wren et, depuis La Haye, de Christiaan Huygens. Wallis traita les chocs mous, où les corps restent collés ; Wren et Huygens les chocs durs, qui rebondissent. Huygens avait résolu le problème des années plus tôt en imaginant le choc vu depuis une barque dérivant à vitesse constante le long d'un canal, usage précoce de l'idée que les lois de la physique sont les mêmes pour tout observateur en mouvement uniforme. Tous trois s'accordèrent : la quantité de mouvement, masse fois vitesse en tenant compte du sens, se conserve. Newton l'intégra aux Principia en 1687 comme conséquence de sa troisième loi : deux corps qui se heurtent se poussent à égalité et en sens inverse, donc ce que l'un gagne, l'autre le perd.

La démonstration classique est la rangée de billes d'acier suspendues qu'on appelle pendule de Newton, que le physicien français Edme Mariotte montrait à l'Académie dans les années 1670. Soulevez une bille et lâchez-la : une seule bille jaillit à l'autre bout, et celles du milieu bougent à peine. Soulevez-en deux, deux jaillissent. La quantité de mouvement traverse la rangée comme une onde de compression, et le motif est fixé parce que la quantité de mouvement et, dans un choc dur, l'énergie cinétique doivent se conserver ensemble.

Le saviez-vous ? En 1930, Wolfgang Pauli proposa le neutrino, particule invisible que personne n'avait détectée, uniquement parce que quantité de mouvement et énergie semblaient disparaître dans la désintégration bêta ; on le trouva en 1956.

Dans un choc mou, l'énergie cinétique ne se conserve pas ; elle devient chaleur et déformation, tandis que la quantité de mouvement, elle, se conserve toujours. Cette distinction sauve des vies. Une voiture qui heurte un mur doit perdre toute sa quantité de mouvement, et la force subie par les occupants dépend de la rapidité de cette perte, puisque la force est le taux de variation de la quantité de mouvement. La zone de déformation, brevetée par l'ingénieur hongrois Béla Barényi chez Mercedes-Benz en 1952, allonge le choc de quelques millisecondes à un dixième de seconde et divise la force d'autant ; les ceintures qui s'étirent et les airbags qui se dégonflent font le même travail pour le corps à l'intérieur.

Les fusées, c'est la loi à l'envers. Les gaz chauds projetés vers l'arrière à trois ou quatre kilomètres par seconde emportent une quantité de mouvement, et la fusée gagne la même vers l'avant ; Konstantin Tsiolkovski en écrivit l'équation en 1903. Chaque lancement de satellite, chaque recul de fusil et chaque plaquage sur un terrain de rugby se règlent par la réponse que trois hommes envoyèrent à la Royal Society en 1668.

Circular Motion and Orbits

Faites tourner une pierre au bout d'une ficelle : la ficelle tire vers l'intérieur en permanence ; lâchez, et la pierre part en ligne droite, non vers l'extérieur. Un corps en mouvement circulaire accélère sans cesse vers le centre, et quelque chose doit fournir cette traction. Newton l'appela force centripète, et les mathématiques, établies par Christiaan Huygens en 1659 et publiées en 1673, disent que la force nécessaire croît comme le carré de la vitesse et diminue avec le rayon. Prenez un virage deux fois plus vite et les pneus doivent accrocher quatre fois plus.

Le grand saut de Newton fut de voir qu'une orbite n'est rien d'autre qu'une chute qui rate sans cesse sa cible. Dans un Traité du système du monde écrit dans les années 1680 et publié en 1728, il imagina un canon au sommet d'une haute montagne. Tiré doucement, le boulet retombe tout près. Tiré plus fort, il retombe plus loin, car la surface de la Terre s'incurve sous lui. Tiré à environ huit kilomètres par seconde, le boulet tombe vers la Terre exactement aussi vite que le sol se dérobe, et il n'atterrit jamais. La Lune est un tel boulet. Elle tombe vers la Terre d'environ 1,4 millimètre par seconde, et dans la même seconde son mouvement latéral l'emporte d'un kilomètre ; les deux ensemble tracent un cercle.

Les chiffres furent confirmés le 4 octobre 1957, quand le Spoutnik 1 soviétique atteignit l'orbite à environ 7,8 kilomètres par seconde et fit le tour de la planète toutes les 96 minutes. La Station spatiale internationale, à 400 kilomètres d'altitude, file à 7,66 kilomètres par seconde et boucle une orbite en 93 minutes. Les astronautes à bord ne sont pas hors de portée de la gravité ; à cette hauteur, elle vaut encore quatre-vingt-dix pour cent de sa valeur au sol. Ils flottent parce qu'eux et leur station tombent ensemble, et que rien ne les presse contre le plancher.

Le saviez-vous ? L'écrivain de science-fiction Arthur C. Clarke proposa en 1945 qu'un satellite placé à 35 786 kilomètres au-dessus de l'équateur ferait le tour en exactement un jour et paraîtrait donc immobile dans le ciel ; la ceinture géostationnaire en compte aujourd'hui des centaines.

Les orbites hautes sont plus lentes. À 35 786 kilomètres, un satellite met 24 heures, le temps de rotation de la Terre, raison pour laquelle une parabole de télévision peut viser un point fixe du ciel. Dépassez environ 11,2 kilomètres par seconde depuis le sol et aucune orbite ne se referme : le corps s'échappe. Les sondes Voyager ont franchi cette ligne en 1977 et quittent aujourd'hui le système solaire.

Le mouvement circulaire est partout, plus près de nous. Le tambour d'un lave-linge plaque le linge contre sa paroi et laisse passer l'eau par les trous ; l'essoreuse à salade fait de même. Une centrifugeuse tournant à des milliers de tours par minute sépare le sang en plasma et cellules, ou les isotopes de l'uranium par leur infime différence de masse. Et chaque fois qu'une voiture prend un virage et que vous vous sentez poussé contre la portière, c'est la portière qui vous pousse dans le virage tandis que votre corps tente, comme l'exige la première loi de Newton, de continuer tout droit.

Levers, Pulleys and Gears

« Donnez-moi un point d'appui et je soulèverai la Terre. » La phrase attribuée à Archimède, rapportée par Pappus d'Alexandrie six siècles plus tard, est une vantardise sur le levier, et elle est physiquement juste. Une barre rigide pivotant sur un point d'appui multiplie la force dans le rapport des longueurs de ses deux bras : appuyez sur un bras dix fois plus long que l'autre et vous soulevez dix fois votre effort, mais en appuyant dix fois plus loin. Selon Plutarque, Archimède en fit la démonstration au roi Hiéron de Syracuse en halant seul un navire chargé sur la plage avec un système de cordes et de poulies, vers 250 av. J.-C.

Cet échange est le secret de toute machine simple. Force fois distance égale travail, et aucune machine ne rend plus de travail qu'elle n'en reçoit ; elle ne fait qu'échanger une grande force sur une courte distance contre une petite force sur une longue, ou l'inverse. Héron d'Alexandrie en dressa la liste au Ier siècle : le levier, la roue et l'essieu, la poulie, le coin et la vis. Le rapport de la charge soulevée à l'effort appliqué est l'avantage mécanique. Une brouette est un levier dont le point d'appui est la roue ; une pince à épiler est un levier fonctionnant à l'envers, échangeant force contre délicatesse ; un avant-bras humain en est un aussi, le coude pour appui et le biceps tirant tout près, ce qui explique que la main soit rapide mais peu puissante.

Une poulie renvoie une corde ; un palan à plusieurs poulies répartit la charge entre plusieurs brins. Avec quatre brins qui soutiennent la charge, chacun porte un quart du poids et la main tire quatre mètres de corde pour chaque mètre gagné. Le moufle d'une grue à tour moderne court sur plusieurs brins de câble pour exactement la même raison.

Le saviez-vous ? La machine d'Anticythère, remontée d'une épave en 1901 et datée d'environ 100 av. J.-C., contient au moins trente engrenages de bronze taillés à la main pour reproduire les mouvements du Soleil, de la Lune et des planètes, mille ans avant tout autre mécanisme à engrenages connu.

Les engrenages sont des leviers qui tournent sans fin. Deux roues engrenées échangent vitesse contre couple dans le rapport de leurs dents : un pignon de dix dents entraînant une roue de trente tourne trois fois pour un tour de l'autre et lui transmet trois fois la force de torsion. Horloges, moulins, voitures et la boîte de vitesses d'une éolienne, qui fait passer les vingt tours par minute du rotor aux quinze cents de la génératrice, sont tous la barre d'Archimède courbée en cercle.

Le frottement prend sa part, si bien que les machines réelles rendent un peu moins de travail qu'elles n'en reçoivent, et le vieux rêve d'une machine rendant plus qu'elle ne prend, le mouvement perpétuel, viole la règle que Héron n'énonça jamais tout à fait et que Galilée formula. Le point d'appui n'a jamais été trouvé. Le levier, la poulie et l'engrenage continuent de déplacer le monde, morceau par morceau.

Chaos and the Limits of Prediction

Les lois de Newton promettaient que, sachant où se trouve chaque chose et à quelle vitesse elle va, on pourrait calculer l'avenir. Pierre-Simon Laplace le dit en 1814. La promesse est vraie et inutile à la fois, car pour la plupart des systèmes réels la moindre erreur sur le point de départ grandit jusqu'à rendre la prédiction sans valeur. Cette découverte, c'est le chaos, et elle ne vint pas de lois nouvelles mais d'anciennes, calculées avec soin.

Le premier avertissement fut celui d'Henri Poincaré. En 1890, en tentant de prouver la stabilité du système solaire pour un prix offert par le roi de Suède, il découvrit que trois corps s'attirant selon la loi de Newton pouvaient suivre des trajectoires d'une complexité déconcertante, où un changement infime au départ produisait une issue toute différente. L'idée resta en sommeil soixante-dix ans.

Elle se réveilla dans un modèle météorologique. Durant l'hiver 1961, Edward Lorenz, météorologue au Massachusetts Institute of Technology, faisait tourner une atmosphère simplifiée de douze équations sur un ordinateur Royal McBee LGP-30, programmé avec l'aide d'Ellen Fetter et de Margaret Hamilton. Voulant réexaminer un calcul, il retapa les nombres d'un listing, qui affichait trois décimales, au lieu des six que la machine gardait en mémoire : 0,506 au lieu de 0,506127. La nouvelle météo suivit l'ancienne un moment, puis divergea jusqu'à devenir méconnaissable. Une différence d'une part sur cinq mille avait grandi jusqu'à remplir tout le système. Lorenz publia Deterministic Nonperiodic Flow en 1963, avec trois équations dont les solutions dessinent une forme semblable à deux ailes de papillon, l'attracteur de Lorenz. En 1972, il donna une conférence dont le titre, fourni par un collègue, demandait si le battement d'ailes d'un papillon au Brésil pouvait déclencher une tornade au Texas, et l'effet papillon avait son nom.

Le saviez-vous ? Lorenz n'a pas dit que le papillon cause la tornade. Il voulait dire que l'atmosphère ne peut être connue assez précisément pour savoir quelle petite perturbation a fait quoi, de sorte que les prévisions ont un horizon d'environ deux semaines, quelle que soit la puissance des ordinateurs.

Dans les années 1970, le motif surgit partout. Le biologiste Robert May montra en 1976 qu'une équation d'une ligne pour une population animale pouvait passer de stable à oscillante puis chaotique quand on augmentait un seul nombre. Mitchell Feigenbaum, à Los Alamos, découvrit que la route vers le chaos par doublements de période obéit à une constante universelle, 4,669, la même pour les robinets qui gouttent, les circuits électroniques et les battements du cœur. David Ruelle et Floris Takens forgèrent l'expression attracteur étrange en 1971, et les fractales de Benoît Mandelbrot en fournirent la géométrie.

Le chaos posa des limites, puis apprit à travailler à l'intérieur. Les services météo font aujourd'hui tourner un ensemble de cinquante prévisions à partir de points de départ légèrement différents et indiquent jusqu'où elles s'accordent, méthode adoptée par le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme en 1992. Les lois sont toujours celles de Newton. L'avenir est toujours déterminé. Il n'est simplement pas, au-delà d'un certain point, prévisible.

Qu'est-ce que l'énergie ?

Demandez à un physicien ce qu'est l'énergie et vous obtiendrez peut-être un haussement d'épaules honnête. Richard Feynman disait à ses étudiants que la physique « ne sait pas ce qu'est l'énergie » : elle connaît seulement un nombre que l'on peut calculer pour n'importe quel système et qui ne change jamais, quoi qu'il s'y passe. C'est le cœur de l'idée. L'énergie est la grandeur qui permet de payer tout changement. Soulever une pierre, faire bouillir une bouilloire, activer un neurone ou lancer une fusée : une somme fixe doit être versée, prélevée sur un compte et déposée sur un autre. Les formes diffèrent, mouvement, hauteur, chaleur, liaisons chimiques, ressort tendu, lumière, noyau de l'atome. La monnaie est la même.

L'idée a mis deux siècles à se fixer. En 1686, Gottfried Leibniz soutint que la « force vive » d'un corps en mouvement, sa vis viva, valait sa masse multipliée par le carré de sa vitesse, et non simplement la masse fois la vitesse comme le voulaient les cartésiens. L'épreuve décisive eut lieu à Leyde vers 1722, quand Willem 's Gravesande laissa tomber des billes de laiton dans de l'argile molle depuis différentes hauteurs. Une bille deux fois plus rapide creusait un trou quatre fois plus profond, et non deux fois. Émilie du Châtelet, à Cirey, reprit et diffusa le résultat dans ses Institutions de physique de 1740, et c'est son exposé qui fit triompher l'argument en Europe.

Le mot lui-même fut choisi en 1807 par Thomas Young, lors de ses conférences à la Royal Institution de Londres, à partir du grec energeia, « activité ». Gaspard-Gustave Coriolis donna en 1829 la définition moderne du travail, force multipliée par distance, et fixa le facteur un demi de l'énergie cinétique, ½mv². L'unité, le joule, fut adoptée en 1889 en l'honneur de James Joule, qui avait montré que la chaleur figurait aussi au grand livre.

Un joule est petit. Soulever une pomme d'un mètre coûte environ un joule. Une tranche de pain grillé renferme quelque 300 000 joules d'énergie chimique, de quoi hisser cette pomme trente fois à la hauteur de l'Everest. Une voiture familiale à vitesse d'autoroute transporte autour de 700 000 joules d'énergie cinétique, d'où les zones de déformation. Le rayonnement solaire arrive au sommet de l'atmosphère à 1 361 joules par seconde et par mètre carré, et un éclair libère environ un milliard de joules en quelques millièmes de seconde.

Le saviez-vous ? Thomas Young, qui donna au mot « énergie » son sens scientifique, fit aussi les premiers progrès sérieux dans le déchiffrement de la pierre de Rosette.

Aujourd'hui, le grand livre de l'énergie se tient partout : dans les kilowattheures de la facture d'électricité, les kilocalories de la boîte de céréales, les mégajoules qu'un ingénieur loge dans un kilogramme de cellules au lithium, et les joules par bit qui décident de l'autonomie d'un téléphone. Personne n'a jamais vu l'énergie. Ce que nous voyons, toujours, c'est le reçu.

La conservation de l'énergie

Le premier principe de la thermodynamique est une comptabilité implacable : l'énergie change de forme mais ne peut être ni créée ni détruite. Versez-la du mouvement à la chaleur, de la chaleur à la vapeur, de la vapeur à l'électricité et de l'électricité à la lumière : le total final égale le total initial. La loi paraît évidente aujourd'hui. En 1840, on ne savait même pas si la chaleur était une forme d'énergie. La plupart des chimistes la traitaient encore comme un calorique, fluide invisible coulant des corps chauds vers les corps froids et conservé pour son propre compte.

L'idée surgit de plusieurs côtés à la fois. En 1842, Julius Robert Mayer, médecin de bord allemand qui avait remarqué sous les tropiques de Java que le sang veineux des marins était anormalement rouge, en déduisit que leurs corps brûlaient moins de carburant dans la chaleur, et publia un article affirmant que chaleur et travail s'échangeaient à taux fixe. Hermann von Helmholtz donna au principe sa forme mathématique à Berlin en 1847. Mais c'est un amateur de Manchester qui le mesura.

James Prescott Joule, fils de brasseur, avait la patience d'un homme habitué à attendre que la bière fermente. À partir de 1843, il construisit un appareil où des poids en chute faisaient tourner une roue à palettes de laiton dans une cuve de cuivre isolée remplie d'eau. Les poids tombaient d'environ 1,6 mètre ; il les remontait et les lâchait de nouveau, vingt fois par série, en lisant un thermomètre fabriqué sur commande, gradué au deux-centième de degré Fahrenheit. L'eau se réchauffait d'à peine un demi-degré. En 1850, il tenait son chiffre : 772 livres-pieds de travail élevaient d'un degré Fahrenheit une livre d'eau. En unités modernes, cela fait 4,15 joules par calorie, à moins d'un pour cent de la valeur actuelle de 4,184.

Lorsque Joule présenta ses résultats à la British Association à Oxford en 1847, le président lui demanda d'être bref et la communication allait sombrer dans le silence quand un jeune William Thomson, le futur lord Kelvin, se leva et posa des questions. Les deux hommes collaborèrent toute leur vie.

Le saviez-vous ? La conservation de l'énergie n'est pas un fait brut mais une conséquence de la symétrie : Emmy Noether démontra en 1918 qu'elle découle de ce que les lois de la physique sont les mêmes aujourd'hui et demain.

La loi fut testée le plus durement là où elle semblait faillir. Dans les années 1920, les électrons éjectés par les noyaux radioactifs emportaient moins d'énergie que prévu, et Niels Bohr était prêt à abandonner la conservation. Wolfgang Pauli proposa plutôt, en 1930, une particule invisible emportant la part manquante. Le neutrino fut détecté en 1956, et les comptes furent de nouveau équilibrés. Chaque centrale, chaque compte de calories et chaque capacité de batterie reposent encore sur le demi-degré de Joule.

Chaleur et température

Chaleur et température ne sont pas la même chose, et il fallut un siècle pour cerner la différence. La température mesure la vigueur avec laquelle les molécules d'une substance s'agitent ; la chaleur est de l'énergie en transit d'un corps plus chaud vers un corps plus froid. Une baignoire d'eau tiède contient bien plus de chaleur qu'une étincelle de meuleuse, mais l'étincelle est plus chaude de milliers de degrés. Touchez le bain et vous êtes bien ; touchez l'étincelle et vous ne vous brûlez qu'un instant, car il y en a si peu.

Les thermomètres fiables vinrent d'abord. En 1714, Daniel Gabriel Fahrenheit, souffleur de verre installé à Amsterdam, scella du mercure dans un tube fin et produisit des instruments qui s'accordaient entre eux, ce qu'aucun thermomètre n'avait réussi. Anders Celsius, à Uppsala, proposa en 1742 une échelle de cent degrés entre la glace fondante et l'eau bouillante, mais à l'envers, zéro à l'ébullition ; on la retourna après sa mort. En 1848, William Thomson, le futur lord Kelvin, soutint qu'il devait exister une température minimale où le mouvement moléculaire cesse, et compta à partir d'elle. Ce zéro absolu se situe à moins 273,15 degrés Celsius.

La distinction entre chaleur et température fut l'œuvre de Joseph Black à Glasgow dans les années 1760. Black observa qu'un seau de glace fondante reste à zéro degré pendant des heures tout en absorbant régulièrement la chaleur de la pièce. L'énergie allait quelque part sans élever la température ; il l'appela chaleur latente. Faire fondre un kilogramme de glace demande 334 kilojoules, et vaporiser un kilogramme d'eau en demande 2 260, plus de cinq fois ce qu'il a fallu pour la porter du froid à l'ébullition. Black découvrit aussi que les substances ont besoin de quantités différentes de chaleur pour gagner un degré, leur chaleur massique, et que l'eau est particulièrement gourmande.

Ce qu'était la chaleur restait ouvert. La théorie dominante en faisait un calorique, fluide sans poids. À Munich, en 1798, Benjamin Thompson, comte Rumford, espion et administrateur né en Amérique qui supervisait le forage de canons de bronze, remarqua qu'un foret émoussé produisait de la chaleur sans limite tant que les chevaux tournaient, assez pour faire bouillir de l'eau en deux heures et demie. Un fluide que l'on peut extraire sans fin n'est pas un fluide. La chaleur, affirma-t-il, est du mouvement.

Le saviez-vous ? Les molécules d'air d'une pièce tiède filent à environ 500 mètres par seconde, plus vite qu'une balle de fusil, et se heurtent des milliards de fois par seconde.

La théorie cinétique rendit cela précis dans les années 1860, lorsque James Clerk Maxwell et Ludwig Boltzmann montrèrent que la température mesure l'énergie cinétique moyenne des molécules. Depuis 2019, le kelvin est défini en fixant exactement la constante de Boltzmann : l'unité de température repose désormais sur l'énergie du mouvement moléculaire et non sur une propriété de l'eau. Votre thermomètre médical, votre réfrigérateur et les tours de refroidissement de toutes les centrales fonctionnent sur la distinction de Black.

Moteurs et thermodynamique

Un moteur thermique transforme la chaleur en mouvement, et le premier qui servit à quelque chose fut construit pour pomper l'eau d'une mine de charbon inondée. La machine atmosphérique de Thomas Newcomen, installée en 1712 près de Dudley, dans les Midlands anglais, remplissait un cylindre de vapeur, y injectait de l'eau froide pour la condenser, et laissait la pression atmosphérique pousser le piston. Elle était lente, énorme et gaspilleuse : à peine un pour cent de la chaleur du charbon devenait du travail utile. Le condenseur séparé de James Watt, conçu en 1765 et breveté en 1769, évita de refroidir et de réchauffer le cylindre à chaque course et tripla à peu près le rendement. Les machines de Watt animèrent les filatures et les mines de la révolution industrielle, et l'unité de puissance porte encore son nom.

Personne ne savait pourquoi les moteurs gaspillaient tant. La réponse vint d'un jeune officier du génie, Sadi Carnot, dans un mince ouvrage de 1824, les Réflexions sur la puissance motrice du feu. Carnot imagina un moteur idéal parcourant un cycle sans fin : un gaz se détendant à température chaude, se détendant encore en se refroidissant, comprimé à température froide, puis ramené par compression à son point de départ. Il démontra qu'aucun moteur fonctionnant entre deux températures ne pouvait faire mieux que celui-là, et que son rendement ne dépendait que de ces températures. En termes modernes, la fraction maximale de chaleur convertie en travail vaut un moins la température froide divisée par la chaude, toutes deux en kelvins. Un moteur alimenté en vapeur à 550 degrés Celsius et refroidi par une rivière à 25 ne dépassera jamais 64 pour cent environ, quelle que soit sa conception.

Carnot mourut du choléra à Paris en 1832, à 36 ans, et la plupart de ses papiers furent brûlés avec ses affaires. Son livre s'était mal vendu. Il fut sauvé par Émile Clapeyron en 1834, puis par Rudolf Clausius en Allemagne et William Thomson à Glasgow, qui firent en 1850 et 1851 de l'intuition de Carnot le second principe de la thermodynamique : la chaleur ne va d'elle-même que du chaud vers le froid, et aucun moteur ne convertit toute la chaleur en travail. Le premier principe dit qu'on ne peut pas gagner ; le second, qu'on ne peut même pas rentrer dans ses frais.

Les moteurs réels se sont rapprochés du plafond de Carnot depuis. Le moteur à essence à quatre temps de Nikolaus Otto en 1876 et le moteur à allumage par compression de Rudolf Diesel en 1897 firent entrer la combustion dans le cylindre. Un moteur de voiture moderne convertit environ un tiers de l'énergie du carburant en mouvement ; le reste s'échappe par le radiateur et le pot. Les moteurs thermiques les plus efficaces sont les turbines à gaz à cycle combiné, qui font passer leurs gaz d'échappement dans une centrale à vapeur et dépassent de peu les 60 pour cent.

Le saviez-vous ? Votre réfrigérateur est un cycle de Carnot parcouru à l'envers : il utilise du travail pour pomper la chaleur du froid vers le chaud, d'où les serpentins tièdes à l'arrière.

Le même cycle, inversé, refroidit vos aliments et chauffe votre maison. Une pompe à chaleur qui puise la chaleur de l'air d'hiver pour la porter dans un salon fournit trois ou quatre joules de chaleur par joule d'électricité : le tour que Carnot décrivit sur le papier avant que quiconque pût le construire.

L'entropie et la flèche du temps

Lâchez un verre et il se brise ; il ne se recolle jamais. Le lait remué dans le café ne se démélange jamais. Pourtant, toutes les lois du mouvement, de Newton à Schrödinger, fonctionnent aussi bien à rebours. Filmez une planète en orbite, passez le film à l'envers, rien ne choque. Filmez le verre, inversez, tout le monde rit. La grandeur qui distingue les deux films est l'entropie, et la raison pour laquelle elle augmente toujours est, au fond, de l'arithmétique.

Rudolf Clausius forgea le mot en 1865, du grec « transformation », pour désigner la chaleur qu'un moteur rejette divisée par la température à laquelle il la rejette. Sa version du second principe était brutale : l'entropie de l'univers tend vers un maximum. Mais l'entropie de Clausius restait une grandeur comptable pour ingénieurs. Sa signification pour les atomes fut dégagée par Ludwig Boltzmann à Vienne en 1877, dans une formule gravée plus tard sur sa tombe : S = k log W. L'entropie égale une constante multipliée par le logarithme de W, le nombre d'arrangements microscopiques qui se ressemblent vus de l'extérieur.

La formule transforme une loi de la nature en question de dénombrement. Lancez dix pièces. Il existe une seule façon d'obtenir dix faces et 252 façons d'obtenir cinq faces et cinq piles : un lancer au hasard a donc 252 fois plus de chances de paraître mélangé que parfaitement ordonné. Lancez maintenant un milliard de milliards de milliards de molécules, le contenu d'un verre d'eau, et le rapport devient si vaste qu'« improbable » signifie « jamais, à l'échelle de l'âge de l'univers ». Le lait froid et le café chaud se mélangent parce qu'il y a infiniment plus d'arrangements mélangés que séparés. Rien n'interdit au lait de se rassembler en une goutte ; il est simplement submergé par le nombre.

Arthur Eddington donna son nom au phénomène en 1927, la flèche du temps, et soutint que l'entropie était la seule loi de la physique à pointer dans un sens. Reste l'énigme : pourquoi l'univers a-t-il commencé dans un état si bien rangé qu'il n'a cessé de se déranger depuis ? Le plasma lisse et chaud du cosmos primitif, révélé par le fond diffus cosmologique, fut un point de départ à faible entropie dont l'origine fait encore débat parmi les scientifiques.

Le saviez-vous ? La tombe de Boltzmann, au cimetière central de Vienne, porte S = k log W, bien que la formule sous cette forme exacte ait d'abord été écrite par Max Planck.

L'entropie s'est depuis échappée de la physique. Claude Shannon montra en 1948 que la même formule mesure l'information, avec le bit pour unité, et Rolf Landauer établit en 1961 qu'effacer un bit libère forcément une quantité minimale de chaleur, ce qui explique pourquoi les centres de données ont besoin de refroidissement. Le démon imaginaire de James Clerk Maxwell, petit trieur qui semblait pouvoir vaincre le second principe en surveillant les molécules, fut enfin exorcisé par cette découverte : pour oublier ce qu'il a vu, le démon paie en entropie. L'univers s'épuise parce qu'il y a plus de façons d'être en désordre qu'en ordre, et le temps, autant que la physique puisse en juger, est la direction dans laquelle le désordre se répand.

Qu'est-ce que la lumière ?

Le premier à traiter la lumière comme quelque chose qui voyage fut Ibn al-Haytham, au Caire vers 1021. Les auteurs grecs imaginaient des rayons jaillissant de l'œil pour palper le monde ; al-Haytham montra dans son Traité d'optique que la lumière quitte les objets lumineux, rebondit sur tout le reste et entre dans l'œil en ligne droite, et il le prouva avec une pièce obscure et un trou d'épingle, la chambre noire, où une image renversée du monde extérieur apparaît sur le mur du fond. Ce qu'était cette chose voyageuse resta la question pendant 900 ans.

Isaac Newton y voyait des particules. Son Opticks de 1704 décrivait la lumière comme un flot de minuscules « corpuscules » allant en ligne droite, ce qui expliquait joliment les ombres nettes et la réflexion. Christiaan Huygens, à La Haye, avait soutenu dans son Traité de la lumière de 1690 qu'elle était une onde se propageant dans un milieu invisible, chaque point d'un front d'onde devenant la source d'une nouvelle ondulation. Pendant un siècle, l'autorité de Newton l'emporta.

La preuve décisive vint de Londres entre 1801 et 1803. Thomas Young fit passer la lumière du Soleil par un trou d'épingle, puis par deux fentes rapprochées, et vit sur l'écran non pas deux bandes claires mais toute une série : de la lumière ajoutée à de la lumière avait produit de l'obscurité en franges régulières. Seules les ondes font cela, en s'annulant là où la crête rencontre le creux. Young mesura l'écart des franges et en déduisit la longueur d'onde de la lumière, environ un demi-millième de millimètre, chiffre toujours valable. À Paris, en 1818, la théorie ondulatoire d'Augustin Fresnel subit une épreuve célèbre : Siméon Poisson fit remarquer qu'elle prédisait une tache claire absurde au centre même de l'ombre d'un objet rond. François Arago monta l'expérience, et la tache y était.

Ce qui ondulait fut révélé par James Clerk Maxwell en 1865. Ses équations de l'électricité et du magnétisme prédisaient des ondes voyageant à une vitesse calculée à partir de constantes électriques et magnétiques mesurées en laboratoire, et le nombre coïncidait avec la vitesse mesurée de la lumière. La lumière était une onde électromagnétique, et Heinrich Hertz le confirma en 1887 en en produisant de plus longues avec une étincelle. La vitesse, 299 792 458 mètres par seconde, est aujourd'hui fixée par définition et sert à définir le mètre.

Le saviez-vous ? Le mot « photon » fut forgé en 1926 par le chimiste Gilbert Lewis, vingt et un ans après qu'Einstein eut décrit la particule qu'il désigne.

Puis les particules revinrent. En 1905, Albert Einstein expliqua pourquoi la lumière frappant un métal n'en arrache des électrons qu'au-dessus d'une certaine fréquence, si intense soit-elle : la lumière arrive par paquets d'énergie proportionnels à la fréquence. Cet effet photoélectrique lui valut le prix Nobel et fait fonctionner chaque panneau solaire et chaque capteur d'appareil photo. La lumière est une onde quand elle voyage et une particule quand elle atterrit. La leçon de neuf siècles : une bonne expérience vaut mieux qu'une grande autorité.

La couleur et le spectre

En 1666, chez lui à Woolsthorpe tandis que la peste fermait Cambridge, Isaac Newton perça un petit trou dans un volet, fit tomber un faisceau de soleil sur un prisme de verre et recueillit le résultat sur le mur opposé de la pièce obscure, à vingt-deux pieds. Le faisceau s'étala en une bande oblongue de couleurs, rouge à un bout, violette à l'autre. Les prismes étaient un jouet connu ; l'explication courante voulait que le verre teignît la lumière. Le coup décisif de Newton, son experimentum crucis, fut de faire passer une seule couleur de l'éventail par un second prisme. Le rouge resta rouge. Le verre n'ajoutait rien. La lumière blanche était un mélange, et le prisme ne faisait que le trier, déviant le violet plus que le rouge.

Il rapporta le travail à la Royal Society en 1672 et nomma sept couleurs, rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet, un compte choisi pour correspondre aux sept notes de la gamme plutôt qu'à quoi que ce soit dans la lumière. Le spectre est continu. Ce que nous voyons dépend de l'œil : Thomas Young proposa en 1802, et Hermann von Helmholtz confirma, que la rétine possède trois sortes de récepteurs de couleur, et dans les années 1960 les physiologistes mesurèrent directement les trois pigments des cônes, sensibles surtout vers 420, 530 et 560 nanomètres. Chacun de vos écrans exploite cela en mélangeant seulement des points rouges, verts et bleus.

Le spectre se révéla annoté. En 1802, William Hyde Wollaston remarqua des lacunes sombres dans le spectre solaire, et en 1814 le verrier bavarois Joseph von Fraunhofer, testant des prismes pour juger la qualité de son verre, cartographia quelque 570 fines raies sombres et désigna les plus fortes par des lettres encore en usage. Leur sens vint à Heidelberg en 1859, lorsque Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen chauffèrent des sels dans la nouvelle flamme propre de Bunsen et observèrent la lueur à travers un prisme. Chaque élément produisait son propre jeu de raies brillantes à longueurs d'onde fixes, une empreinte. Le doublet jaune vif du sodium tombait exactement là où se trouvaient les raies D sombres de Fraunhofer : l'atmosphère du Soleil contient du sodium, qui absorbe les couleurs mêmes qu'il émettrait.

La spectroscopie était née, et la première récolte vint vite. Bunsen et Kirchhoff découvrirent le césium en 1860 et le rubidium en 1861 grâce à des raies que nul n'avait vues. En 1868, une raie jaune du spectre solaire ne correspondait à aucun élément connu, et l'hélium fut nommé d'après le Soleil vingt-sept ans avant d'être trouvé sur Terre.

Le saviez-vous ? L'indigo ne figure dans l'arc-en-ciel que parce que Newton voulait sept couleurs pour la gamme musicale ; la plupart des gens ne le distinguent pas du tout.

Aujourd'hui, chaque laboratoire de chimie, chaque télescope et chaque satellite lit des spectres. Les astronomes savent de quoi sont faites des étoiles lointaines sans quitter le sol, mesurent leur vitesse au décalage de leurs raies, et détectent l'ozone et l'eau dans l'atmosphère de planètes tournant autour d'autres soleils. Le trou de Newton dans le volet est devenu la fenêtre la plus productive de la science.

Lentilles, miroirs et télescopes

Une lentille est un morceau de matière transparente taillé pour que la lumière se courbe à l'entrée et à la sortie et finisse par converger en un point. La règle de cette déviation, la loi de la réfraction, fut écrite à Bagdad en 984 par Ibn Sahl dans un traité sur les miroirs et lentilles ardents, six siècles avant que Willebrord Snell, à Leyde, n'établisse la version qui porte son nom. Les pierres de lecture, dômes polis de quartz ou de verre posés sur la page, servaient dans les monastères vers l'an 1000, et les lunettes apparurent en Italie du Nord vers 1286, ce qui explique que les portraits de savants en montrent peu après.

Le télescope naquit par hasard et se répandit par rumeur. En octobre 1608, Hans Lippershey, lunetier à Middelburg, aux Pays-Bas, demanda un brevet pour un tube à deux lentilles qui rapprochait les objets lointains. Le brevet fut refusé, d'autres revendiquant le même appareil, mais la nouvelle atteignit Venise l'été suivant. Galilée tailla ses propres lentilles, poussa le grossissement de trois à une vingtaine, et en janvier 1610 pointa l'instrument vers Jupiter. Quatre petites étoiles changeaient de place nuit après nuit ; c'étaient des lunes, tournant autour d'un monde autre que la Terre. Johannes Kepler améliora le dessin en 1611 avec deux lentilles convexes, le schéma de toute lunette depuis.

Le verre a un défaut : il dévie davantage le bleu que le rouge, si bien qu'une lentille simple cerne tout objet brillant de franges colorées. Isaac Newton décida que le remède était d'abandonner les lentilles, et construisit en 1668 un télescope dont l'élément principal était un miroir métallique courbe d'à peine trois centimètres. Un miroir réfléchit toutes les couleurs de la même façon. Le télescope à miroir devint l'instrument de l'astronome dès qu'on sut faire de grands miroirs : le 40 pieds de William Herschel à Slough en 1789, le 100 pouces du mont Wilson en Californie en 1917, avec lequel Edwin Hubble découvrit l'expansion de l'univers, et le 200 pouces du mont Palomar en 1948.

Ce qu'un télescope fait surtout, ce n'est pas grossir mais collecter. Une pupille humaine dilatée mesure environ sept millimètres ; le miroir du télescope spatial Hubble fait 2,4 mètres et recueille plus de 100 000 fois plus de lumière. Le télescope James Webb, lancé en 2021, a déployé un miroir de 6,5 mètres fait de dix-huit segments de béryllium dorés à un million et demi de kilomètres de la Terre, et l'Extremely Large Telescope en construction dans le désert d'Atacama, au Chili, aura un miroir de 39 mètres en 798 pièces.

Le saviez-vous ? La loi de la réfraction fut énoncée à Bagdad en 984, six siècles avant Snell, dans un manuscrit redécouvert seulement en 1990.

Lentilles et miroirs marchent aussi dans l'autre sens, concentrant la lumière au lieu de la recueillir. La même optique qui révèle les galaxies grave les circuits d'une puce, où des lentilles projettent des motifs de quelques nanomètres, et corrige les yeux d'un milliard de personnes qui, comme les rivaux hollandais de Galilée, veulent simplement voir plus loin.

Les lasers

Un laser produit une lumière dont toutes les ondes marchent au pas : une seule couleur, une seule direction, crête alignée sur crête. La lumière ordinaire, du Soleil ou d'une ampoule, est une foule sortant d'un stade ; la lumière laser est un régiment. L'astuce fut repérée en 1917 par Albert Einstein, qui montra qu'un atome déjà chargé d'un surplus d'énergie peut être poussé par une onde lumineuse de passage à libérer cette énergie sous forme d'une seconde onde identique. Il appela cela l'émission stimulée, et l'acronyme s'en souvient : amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement.

Pendant des décennies, ce ne fut qu'une curiosité, car dans tout matériau ordinaire la plupart des atomes sont au repos et absorbent la lumière au lieu de l'amplifier. La percée consista à pomper plus d'atomes vers le haut que vers le bas, une « inversion de population », puis à faire rebondir la lumière entre deux miroirs pour que chaque passage en stimule davantage. Charles Townes y parvint d'abord avec des micro-ondes et des molécules d'ammoniac à l'université Columbia en 1954, baptisant l'appareil maser. En 1958, Townes et Arthur Schawlow publièrent le schéma d'une version optique. Un doctorant du même couloir, Gordon Gould, avait écrit « LASER » dans son carnet l'année précédente et l'avait fait authentifier chez un confiseur, début d'une bataille de brevets de trente ans. À Moscou, Nikolaï Bassov et Alexandre Prokhorov avaient trouvé les mêmes principes seuls et partagèrent le Nobel de 1964 avec Townes.

Le premier laser fonctionnel fut construit par Theodore Maiman aux Hughes Research Laboratories de Malibu, en Californie, le 16 mai 1960. Le dispositif était presque domestique : un barreau de rubis synthétique gros comme un bout de doigt, extrémités polies et argentées, entouré d'un flash photographique en spirale. Quand le flash partit, le rubis émit une impulsion de rouge profond à 694,3 nanomètres. Des laboratoires plus grands et mieux dotés avaient été battus par un cristal et une lampe. Physical Review Letters refusa son article ; Nature le publia en août.

En quelques mois, Ali Javan, aux Bell Labs, obtint le premier laser continu, un tube hélium-néon luisant rouge orangé, et en 1962 vinrent les lasers à semi-conducteur, gros comme un grain de sable. La réputation du laser, « une solution en quête de problème », ne dura pas. Le lecteur de codes-barres arriva en 1974, le disque compact en 1982, et la lumière laser porte désormais presque tout le trafic Internet mondial dans des fibres de verre, à des milliards d'impulsions par seconde.

Le saviez-vous ? La source d'énergie du premier laser était un flash de photographe ordinaire, choisi parce que c'était la chose la plus brillante que Maiman pût acheter.

Aujourd'hui les lasers découpent l'acier et remodèlent les cornées, refroidissent les atomes au milliardième de degré, et mesurent la distance de la Lune au millimètre près grâce aux réflecteurs laissés par les astronautes d'Apollo. Les observatoires LIGO qui entendirent les ondes gravitationnelles en 2015 sont des interféromètres laser de quatre kilomètres. Et en décembre 2022, les 192 faisceaux de la National Ignition Facility, en Californie, comprimèrent une capsule de combustible jusqu'à ce que la fusion libère plus d'énergie que le laser n'en avait fourni, 3,15 mégajoules pour 2,05 : une première sur Terre.

L'énergie pour un monde qui se réchauffe

L'humanité consomme désormais quelque 600 exajoules d'énergie primaire par an, un nombre si grand qu'il faut le traduire : environ 190 000 kilowattheures par seconde, dont près des quatre cinquièmes viennent de la combustion du charbon, du pétrole et du gaz. Cette combustion libère près de 37 milliards de tonnes de dioxyde de carbone chaque année, et la concentration du gaz dans l'air, relevée en continu à Mauna Loa, à Hawaï, depuis que Charles Keeling commença en 1958, a dépassé 420 parties par million, plus haut qu'à aucun moment des 800 000 ans d'archives glaciaires. La physique du réchauffement attendra un chapitre ultérieur. Celui-ci parle des alternatives, et de la façon dont chacune fut découverte.

La plus ancienne est la lumière du Soleil changée directement en électricité. À Paris, en 1839, Edmond Becquerel, dix-neuf ans, expérimentant dans le laboratoire de son père, constata que la lumière tombant sur des électrodes plongées dans une solution conductrice produisait un petit courant : l'effet photovoltaïque. Charles Fritts recouvrit du sélénium d'or à New York en 1883 et obtint une cellule convertissant moins d'un pour cent de la lumière. La cellule solaire moderne naquit aux Bell Laboratories, dans le New Jersey, en 1954, quand Daryl Chapin, Calvin Fuller et Gerald Pearson construisirent une cellule de silicium à six pour cent de rendement. Les panneaux courants dépassent aujourd'hui vingt pour cent, les cellules multijonctions de laboratoire ont franchi quarante-sept, et le photovoltaïque est devenu la source d'électricité à la croissance la plus rapide de l'histoire.

L'éolien a son propre plafond. En 1919, le physicien allemand Albert Betz démontra qu'aucune turbine ne peut capter plus de 59,3 pour cent de l'énergie de l'air qui la traverse, car l'air doit continuer d'avancer pour s'écarter. Les éoliennes modernes frôlent cette limite avec des pales plus longues que l'envergure d'un gros-porteur. La fission nucléaire, démontrée à Berlin en 1938 et exploitée pour l'électricité à Obninsk en 1954 et à Calder Hall en 1956, libère environ un million de fois plus d'énergie par kilogramme de combustible que le charbon.

La comparaison honnête est le coût carbone de chaque kilowattheure sur toute sa vie, extraction, fabrication et combustible compris. La synthèse du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat place le charbon vers 820 grammes de dioxyde de carbone par kilowattheure et le gaz à 490, contre 41 à 48 environ pour le solaire, 24 pour l'hydraulique et quelque 12 chacun pour l'éolien et le nucléaire. Entre le pire et le meilleur, l'écart approche le centuple.

Le saviez-vous ? La cellule solaire des Bell Labs de 1954 servit d'abord à alimenter une ligne téléphonique rurale en Géorgie ; le même silicium éclaire aujourd'hui des villages que le réseau n'a jamais atteints.

L'énergie pour un monde qui se réchauffe est en partie un problème de découverte encore ouvert : stockage, réseaux équilibrant l'offre et la demande à l'échelle des continents, électrolyse moins chère pour l'hydrogène, peut-être la fusion. Mais c'est surtout un problème de déploiement. La science qui a compté les joules et celle qui a mesuré le carbone figurent désormais sur la même page du grand livre.

L'électricité statique

Frottez de l'ambre avec de la fourrure et il attire les plumes. Les Grecs le savaient vers 600 avant notre ère, et leur mot pour l'ambre, elektron, a donné son nom à toute la discipline. Pendant deux mille ans, l'effet resta un tour de salon. En 1600, William Gilbert, médecin d'Élisabeth Ire, construisit une aiguille pivotante qu'il nomma versorium, montra que le verre, le soufre, la cire et les pierres précieuses frottés l'attiraient tous, et forgea le mot « électrique ». L'électricité statique, on le sait aujourd'hui, est un déséquilibre de charge : le frottement arrache des électrons à une surface pour les donner à l'autre, laissant l'une positive et l'autre négative, et les charges restent en place jusqu'à ce qu'un chemin leur permette de bouger.

Le XVIIIe siècle trouva ce chemin. À Londres, en 1729, Stephen Gray, teinturier retraité, découvrit que la « vertu électrique » voyageait le long d'un fil humide sur des centaines de pieds, et, fameusement, le long d'un garçon suspendu par des cordons de soie, dont les doigts attiraient alors des feuilles de laiton. La charge pouvait être conduite. À Paris, en 1733, Charles du Fay trouva qu'il en existait deux sortes, vitrée et résineuse ; les semblables se repoussaient, les contraires s'attiraient. Benjamin Franklin les rebaptisa positive et négative, et c'est son choix qui vaut à l'électron, découvert en 1897, de porter un signe moins.

Stocker la charge arriva par accident. En 1745, Ewald von Kleist en Poméranie, puis en janvier 1746 Pieter van Musschenbroek à Leyde, tentèrent d'électriser de l'eau dans un bocal de verre tenu à la main. Quand Musschenbroek toucha le fil plongeant dans l'eau, il reçut un choc qu'il ne répéterait pas, écrivit-il, pour tout le royaume de France. La bouteille de Leyde, un flacon de verre garni de feuille métallique dedans et dehors, fut le premier condensateur ; le verre séparait les deux charges tandis que les feuilles les tenaient proches, et une batterie de bouteilles pouvait tuer un dindon ou secouer 180 soldats se tenant par la main.

L'expérience du cerf-volant de Franklin, en juin 1752 à Philadelphie, tira d'un nuage d'orage une étincelle vers une bouteille de Leyde, prouvant que la foudre était la même électricité. Il n'attendit pas la foudre, qui l'aurait tué ; une équipe française à Marly avait déjà tiré des étincelles d'une haute tige de fer en mai 1752, sur sa suggestion. Le paratonnerre suivit dans l'année.

Le saviez-vous ? Traîner les pieds sur une moquette vous charge à plusieurs milliers de volts, mais l'étincelle porte si peu de charge qu'elle ne fait que piquer.

En 1785, Charles-Augustin de Coulomb mesura à Paris la force entre des sphères chargées avec une balance de torsion si sensible qu'on y lisait une fraction de degré, et trouva qu'elle décroissait avec le carré de la distance, exactement comme la gravité. Cette loi régit encore chaque photocopieur, qui dépose son toner avec des tambours chargés, chaque filtre à air qui capte la poussière, et la décharge qui vous accueille à la portière. Un éclair est la même étincelle portée à 300 millions de volts : la leçon de la bouteille de Leyde, écrite en travers du ciel.

Courant, tension et résistance

Une étincelle de bouteille de Leyde dure une microseconde. Ce qui changea le monde fut un flux continu, et cela commença par une grenouille morte. À Bologne, dans les années 1780, Luigi Galvani remarqua qu'une patte de grenouille tressaillait au contact de deux métaux différents et conclut que les animaux fabriquaient leur propre « électricité animale ». Son compatriote Alessandro Volta, à Pavie, n'était pas d'accord : la grenouille n'était qu'un détecteur, et l'électricité venait de la rencontre des deux métaux à travers un liquide salé. Pour le prouver, Volta empila des disques de zinc et d'argent séparés par du carton imbibé de saumure, et annonça la pile voltaïque dans une lettre à la Royal Society en mars 1800. Pour la première fois, on avait l'électricité au robinet, heure après heure.

La pile produisait un flux de charge, un courant, poussé par ce que nous appelons la tension, l'énergie fournie à chaque unité de charge. Quelques semaines après la lettre de Volta, William Nicholson et Anthony Carlisle, à Londres, avaient décomposé l'eau en hydrogène et oxygène avec une pile, et Humphry Davy, à la Royal Institution, isola bientôt le potassium, le sodium, le calcium et d'autres avec une batterie de 2 000 plaques. Un courant, décidément, pouvait démonter la matière.

La règle liant la poussée au flux vint d'un enseignant bavarois. Georg Simon Ohm, professeur au collège jésuite de Cologne, fabriqua ses propres thermocouples pour obtenir une tension stable et mesura la déviation d'une aiguille aimantée quand le courant traversait des fils de longueurs et d'épaisseurs différentes. En 1827, il publia sa découverte : le courant dans un conducteur est proportionnel à la tension à ses bornes et inversement proportionnel à une propriété du conducteur qu'il nomma résistance. Dans le raccourci que tout électricien apprend, U = RI. Des critiques allemands qualifièrent le travail de « tissu de fantaisies nues » ; la Royal Society lui décerna la médaille Copley en 1841.

L'analogie de l'eau est vieille mais bonne. La tension est la pression dans le tuyau, le courant le débit, la résistance l'étroitesse. Le cuivre est un tuyau large, le caoutchouc un tuyau bouché. Un chargeur de téléphone pousse environ deux ampères sous cinq volts ; une bouilloire tire environ treize ampères du secteur à 230 volts au Royaume-Uni ; une peau sèche résiste avec quelque 100 000 ohms, ce qui explique qu'une pile de neuf volts sur la langue ne fasse que picoter. La résistance transforme l'énergie électrique en chaleur, principe de tout grille-pain et raison pour laquelle les lignes à haute tension fonctionnent à des centaines de milliers de volts : à puissance égale, plus de tension signifie moins de courant et moins de pertes.

Le saviez-vous ? L'ampère, le volt et l'ohm furent nommés lors d'un congrès international à Paris en 1881, en l'honneur d'un Français, d'un Italien et d'un Allemand.

Chaque circuit conçu depuis, de la lampe de poche au superordinateur, est un raisonnement dans la langue d'Ohm. Des résistances règlent la luminosité d'une diode, des diviseurs de tension lisent la position d'un joystick, et la chaleur qui limite la vitesse d'une puce est la loi d'Ohm à l'échelle du milliardième de mètre. La grenouille n'y était pour rien, et pour tout.

Les aimants et le champ terrestre

Une pierre d'aimant est un bloc de magnétite qui attire le fer, et les marins chinois en suspendaient des éclats à un fil pour trouver le sud dès la fin du XIe siècle. Les Essais au bord du ruisseau des rêves de Shen Kuo, en 1088, décrivent l'aiguille flottante et notent une subtilité : elle ne pointait pas exactement vers le pôle, mais un peu à l'est. Shen avait découvert la déclinaison magnétique cinq siècles avant que Colomb ne la remarque au milieu de l'Atlantique. En 1269, Pierre de Maricourt, lettré français en campagne en Italie, avait cartographié le champ autour d'une pierre d'aimant sphérique et nommé ses deux pôles, montrant que couper un aimant en deux ne fait que deux aimants plus petits.

Pourquoi une boussole pointait vers le nord fut expliqué en 1600 par William Gilbert, médecin d'Élisabeth Ire, dans De Magnete, premier grand traité expérimental de la science anglaise. Gilbert tailla des pierres d'aimant en sphères qu'il appela terrellae, petites Terres, et promena une minuscule boussole à leur surface. L'aiguille plongeait et tournait exactement comme une vraie boussole sur le globe. Sa conclusion fut nette : la Terre elle-même est un grand aimant. Cela tua aussi un mythe populaire, selon lequel l'aiguille cherchait l'étoile polaire ou une montagne magnétique dans l'Arctique.

Mesurer le champ par un nombre vint de Göttingen, où Carl Friedrich Gauss conçut en 1832 un moyen d'exprimer l'intensité magnétique en unités absolues de masse, de longueur et de temps, et fonda avec Wilhelm Weber un réseau international d'observatoires. Son analyse de leurs données, en 1839, prouva que presque tout le champ naît à l'intérieur de la planète et non dans le ciel. Le champ en surface est faible, entre 25 et 65 microteslas, quelques centièmes d'un aimant de réfrigérateur, mais il s'étend à des dizaines de milliers de kilomètres dans l'espace.

Ce qui le produit est une dynamo. Le noyau de la Terre est en fer, solide au centre et fondu autour, et le noyau externe, à 2 900 kilomètres de profondeur et plus chaud que la surface du Soleil, est brassé par la convection tandis que la planète tourne. Du métal liquide se déplaçant dans un champ magnétique engendre des courants électriques, qui engendrent du champ à leur tour, boucle auto-entretenue élucidée par Walter Elsasser et Edward Bullard dans les années 1940 et 1950. Un aimant permanent ne peut être la réponse, car le fer perd son magnétisme au-dessus de 770 degrés Celsius et le noyau est bien plus chaud.

Le saviez-vous ? Le pôle nord magnétique de la Terre est, dans le langage des aimants, un pôle sud : il attire l'extrémité de votre boussole qui cherche le nord.

Le champ ne tient pas en place. Le pôle nord magnétique, situé dans l'Arctique canadien quand on l'atteignit en 1831, est depuis passé dans les eaux sibériennes à jusqu'à 50 kilomètres par an. Les roches enregistrent que le champ entier s'est inversé des centaines de fois, la dernière il y a 780 000 ans, et les bandes magnétiques du plancher océanique qui confirmèrent la tectonique des plaques dans les années 1960 sont cet enregistrement, figé dans la lave refroidie. Le même champ guide les oiseaux migrateurs et les tortues marines, courbe le vent solaire en aurores et empêche l'atmosphère d'être arrachée. La petite Terre de Gilbert était le bon modèle ; il lui fallait juste un cœur en fusion.

L'électromagnétisme

Pendant deux siècles, électricité et magnétisme furent des chapitres séparés des manuels : l'un sur l'ambre et les étincelles, l'autre sur les pierres d'aimant et les boussoles. Ils furent réunis dans une salle de cours de Copenhague en avril 1820. Hans Christian Ørsted, faisant une démonstration de pile voltaïque à ses étudiants, remarqua qu'une aiguille de boussole posée près du fil déviait chaque fois que le courant passait. Il soupçonnait un lien depuis des années ; il le tenait, et en juillet il avait envoyé un court opuscule en latin à tous les savants qu'il connaissait. Un courant, disait-il, est entouré d'un champ magnétique circulaire.

Paris réagit le plus vite. André-Marie Ampère apprit la nouvelle le 4 septembre 1820 et, en une semaine, montra que deux fils parallèles parcourus par un courant s'attirent quand les courants vont dans le même sens et se repoussent quand ils s'opposent, sans aucun aimant. Dans les années suivantes, il bâtit une théorie mathématique complète où le magnétisme n'est que de la charge en mouvement, et proposa que le magnétisme du fer vienne de minuscules courants circulant à l'intérieur, idée que la physique quantique confirma un siècle plus tard. L'unité de courant porte son nom.

L'appareil pratique vint d'Angleterre. En 1825, William Sturgeon, ancien soldat enseignant à l'académie militaire de Woolwich, enroula du fil de cuivre nu autour d'un fer à cheval en fer doux verni et constata qu'une petite pile lui faisait soulever neuf livres, vingt fois son propre poids, et que le magnétisme disparaissait dès que le courant cessait. Joseph Henry, à Albany, dans l'État de New York, isola le fil avec de la soie pour pouvoir enrouler des centaines de tours, et en 1831 ses électroaimants soulevaient plus d'une tonne. Un électroaimant était un aimant avec un interrupteur.

L'interrupteur rendit possible un langage. Samuel Morse et Alfred Vail utilisèrent les aimants de Henry pour presser une plume contre le papier à l'autre bout d'un fil, et le 24 mai 1844 Morse envoya « What hath God wrought » de Washington à Baltimore, à quarante miles, en points et en traits. En vingt ans, des câbles couraient sous l'Atlantique. Le même principe fait sonner une sonnette, soulève la ferraille dans une casse et, en inversant le tour pour qu'une bobine parcourue par un courant soit poussée par un aimant fixe, fait tourner tous les moteurs électriques de la planète.

Le saviez-vous ? L'aiguille d'Ørsted ne pointait ni le long du fil ni vers lui, mais de côté, à angle droit, ce qui le déconcerta d'abord.

La force sur une charge en mouvement dans un champ magnétique, écrite par Hendrik Lorentz en 1895, est la règle derrière le moteur, le haut-parleur, l'accélérateur de particules et le disque dur. Depuis 2019, l'ampère est défini en fixant la charge de l'électron ; l'unité d'Ampère repose donc sur le comptage des électrons plutôt que sur la mesure de l'attraction entre fils. Le sujet qui commença par une aiguille frémissante dans un amphithéâtre consomme aujourd'hui, sous forme de moteurs, environ la moitié de l'électricité produite dans le monde.

La dynamo de Faraday

Si un courant produit un champ magnétique, un champ magnétique peut-il produire un courant ? Michael Faraday, fils de forgeron et ancien apprenti relieur entré à la Royal Institution comme assistant de laboratoire à force de persuasion, poursuivit cette question pendant dix ans. La réponse vint le 29 août 1831. Il enroula deux bobines de fil de part et d'autre d'un anneau de fer, relia l'une à une pile et l'autre à un galvanomètre, et vit l'aiguille sursauter à l'instant où il fermait l'interrupteur, puis sursauter en sens inverse quand il l'ouvrait. Un courant constant ne faisait rien ; seul un champ magnétique changeant poussait du courant dans la seconde bobine. Faraday avait découvert l'induction électromagnétique.

Il passa l'automne à réduire l'effet à l'essentiel. En octobre, il enfonça un barreau aimanté dans une bobine creuse et vit le galvanomètre dévier d'un côté à l'entrée, de l'autre à la sortie. Puis, le 28 octobre 1831, il monta un disque de cuivre de façon que son bord passe entre les pôles d'un grand aimant en fer à cheval, pressa des contacts glissants contre le bord et contre l'axe, et tourna la manivelle. Un courant faible mais continu passa. C'était la dynamo, première machine à transformer le mouvement en électricité, et Joseph Henry, en Amérique, trouvait des effets semblables presque au même moment.

Le génie de Faraday était celui des images plutôt que des équations. Il imaginait l'espace autour d'un aimant rempli de « lignes de force », et énonça la loi de l'induction en ces termes : la tension produite dans une boucle égale le rythme auquel les lignes qui la traversent sont coupées. Trente ans plus tard, James Clerk Maxwell fit de cette image des mathématiques. Faraday découvrit aussi, dans la même série d'expériences, qu'un courant variable dans une bobine induit un courant dans une autre, le principe du transformateur, grâce auquel l'électricité du secteur peut être élevée pour le transport et abaissée pour votre cuisine.

Le générateur pratique mit du temps à grandir. Hippolyte Pixii construisit une version à manivelle à Paris en 1832 ; en 1858, une dynamo à vapeur éclairait le phare de South Foreland près de Douvres ; et en 1882, la centrale de Pearl Street de Thomas Edison, à New York, alimentait 85 clients. Les générateurs modernes sont le disque de Faraday retourné : un électroaimant tournant, le rotor, balaie de son champ des bobines fixes, et dans une grande turbine le rotor tourne cinquante fois par seconde pour produire le 50 hertz du secteur européen.

Le saviez-vous ? Faraday n'écrivit aucune équation, ayant quitté l'école à treize ans ; les mathématiques de ses lignes de force furent fournies par Maxwell.

L'anecdote d'un homme politique demandant à Faraday à quoi servait sa découverte, et de sa réponse qu'un jour on la taxerait, est probablement apocryphe. La réponse honnête aurait été plus grande. Toute centrale électrique sur Terre, qu'elle marche au charbon, à l'eau, à l'uranium ou au vent, finit par une bobine passant devant un aimant. La dynamo d'un vélo, l'alternateur d'une voiture, le micro sous une corde de guitare et la plaque à induction sont tous l'expérience du 28 octobre 1831, mise à l'échelle.

Les équations de Maxwell

En 1861, un professeur écossais de trente ans au King's College de Londres entreprit de traduire en mathématiques les lignes de force de Michael Faraday. James Clerk Maxwell avait déjà expliqué les anneaux de Saturne et les couleurs de l'œil ; il construisit alors un modèle mécanique élaboré d'un espace rempli de cellules tournantes et de roues folles, et en extraya les équations que les champs électrique et magnétique doivent obéir. Le modèle fut abandonné. Les équations, non.

Trois d'entre elles étaient déjà connues sous une forme ou une autre. La loi de Gauss dit que les lignes de champ électrique naissent et meurent sur des charges. Une deuxième loi dit que les lignes de champ magnétique ne naissent ni ne meurent jamais : il n'existe pas de monopôle magnétique, et couper un aimant en deux donne deux aimants. La loi de Faraday dit qu'un champ magnétique variable crée un champ électrique tourbillonnant, raison pour laquelle une dynamo fonctionne. La quatrième, la loi d'Ampère, disait qu'un courant crée un champ magnétique tourbillonnant, et là Maxwell vit que l'équation était incomplète. Dans l'espace d'un condensateur qui se charge, aucun courant ne passe, et pourtant un champ magnétique apparaît. Maxwell ajouta un terme : un champ électrique variable crée aussi un champ magnétique. Il l'appela courant de déplacement.

Cet ajout ferma une boucle. Un champ électrique variable crée un champ magnétique ; un champ magnétique variable crée un champ électrique ; une perturbation de l'un peut donc régénérer l'autre et voyager dans le vide comme une onde. Maxwell calcula sa vitesse à partir de deux nombres mesurés sur des paillasses, les constantes électrique et magnétique, et obtint en 1862 environ 310 000 kilomètres par seconde. Hippolyte Fizeau avait mesuré la vitesse de la lumière à Paris en 1849 à environ 315 000. L'accord, écrivit Maxwell, était trop serré pour être une coïncidence : la lumière est une onde électromagnétique. Son article complet, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, parut en 1865.

Les quatre équations bien rangées des manuels ne sont pas tout à fait celles de Maxwell. Son Traité de 1873 contenait vingt équations à vingt variables ; c'est Oliver Heaviside, ancien télégraphiste autodidacte travaillant seul à Londres, qui en 1884 les comprima dans les quatre équations vectorielles que nous écrivons aujourd'hui, en grommelant que la version de Maxwell était « un fouillis ». La preuve expérimentale vint de Karlsruhe en 1887, quand Heinrich Hertz fit jaillir des étincelles dans une boucle de fil en réponse à des étincelles dans une autre, à plusieurs mètres, et montra que les ondes invisibles pouvaient être réfléchies, focalisées et polarisées comme la lumière.

Le saviez-vous ? Maxwell mourut en 1879 à 48 ans, huit ans avant que Hertz ne prouve l'existence de ses ondes, et ne sut jamais qu'il avait eu raison.

Tout ce qui utilise la radio, le radar, les micro-ondes, la lumière ou les rayons X est une application des quatre équations : l'antenne d'un téléphone, la fibre sous l'océan, le magnétron d'un four, l'IRM. Einstein gardait le portrait de Maxwell au mur de son bureau, et la relativité restreinte fut construite pour que les équations restent vraies pour tout observateur. Richard Feynman suggéra que, dans la longue perspective de l'histoire, l'événement le plus important du XIXe siècle serait la découverte de Maxwell, à côté de laquelle la guerre de Sécession pâlirait en insignifiance provinciale.

Le spectre électromagnétique

La lumière visible occupe moins d'une octave d'un clavier qui en compte plus de cinquante. Chaque bande du spectre électromagnétique est la même chose, un champ électrique et magnétique oscillant qui voyage à la vitesse de la lumière, et elles ne diffèrent que par la longueur d'onde : des kilomètres pour les plus longues ondes radio, moins d'un billionième de mètre pour les rayons gamma. Presque tout est invisible, et l'histoire du spectre est celle de la découverte de chaque bande par ce qu'elle faisait à autre chose.

La première bande invisible fut trouvée avec un thermomètre. En 1800, William Herschel, l'astronome qui avait découvert Uranus, étala la lumière du Soleil en spectre avec un prisme et posa des thermomètres dans chaque couleur pour voir laquelle chauffait le plus. Le rouge chauffait plus que le violet, et un thermomètre placé juste au-delà du rouge, là où nulle lumière n'était visible, chauffait plus que tous. Herschel parla de « rayons calorifiques » ; nous disons infrarouge. Un an plus tard, à Iéna, Johann Ritter, estimant que le spectre devait être symétrique, plaça du chlorure d'argent au-delà du violet et le vit noircir plus vite que sous n'importe quelle couleur visible. L'ultraviolet avait été trouvé par sa chimie.

Les grandes longueurs d'onde exigeaient la théorie de Maxwell. Heinrich Hertz produisit les premières ondes radio à Karlsruhe en 1887 avec un éclateur, mesura leur longueur d'onde à quelques mètres et remarqua qu'elles n'avaient aucune utilité. Guglielmo Marconi n'était pas de cet avis et, en décembre 1901, reçut la lettre S en morse à Saint-Jean de Terre-Neuve, envoyée depuis les Cornouailles, à 3 500 kilomètres. Les micro-ondes, entre radio et infrarouge, furent domptées par le magnétron à cavités que John Randall et Harry Boot construisirent à Birmingham en 1940, l'appareil qui rendit le radar de guerre praticable et réchauffe aujourd'hui votre soupe.

L'extrémité courte arriva par accident. Le 8 novembre 1895, Wilhelm Röntgen, à Wurtzbourg, remarqua un écran qui luisait à l'autre bout de son laboratoire obscur pendant qu'il faisait passer une décharge haute tension dans un tube de verre enveloppé de carton noir. Les rayons inconnus traversaient le bois, la chair et les livres ; une photographie de la main de sa femme, os et bague bien visibles, fit le tour du monde en quelques semaines. Paul Villard, à Paris, trouva les rayons gamma, plus courts encore, dans le rayonnement du radium en 1900.

Le saviez-vous ? Interrogé sur l'utilité de ses ondes radio, Hertz répondit qu'elles n'en avaient « aucune » ; la société de Marconi fut cotée en Bourse dix ans plus tard.

Chaque bande a désormais un métier. Radio et micro-ondes transportent émissions, appels et Wi-Fi ; l'infrarouge fait marcher les télécommandes et les caméras de nuit et permet aux astronomes de voir à travers la poussière ; l'ultraviolet stérilise l'eau et vous donne des coups de soleil ; les rayons X radiographient os et bagages ; les rayons gamma tuent des tumeurs et révèlent des étoiles qui explosent. La découverte par Karl Jansky, en 1932, que la Voie lactée siffle en ondes radio ouvrit l'astronomie à tout le clavier, et un même objet, un trou noir avalant du gaz, s'étudie aujourd'hui en radio, infrarouge, visible, X et gamma à la fois. Le thermomètre de Herschel au-delà du rouge fut le premier pas hors de l'unique octave avec laquelle nous sommes nés.

Les ondes sonores

Le son est une poussée qui voyage. Une corde ou une corde vocale qui vibre bouscule l'air voisin, cet air bouscule le suivant, et une ondulation de compressions et de raréfactions se propage à environ 343 mètres par seconde, plus vite que n'importe quel sprinteur et moins vite que n'importe quelle balle de fusil. Contrairement à la lumière, le son a besoin de quelque chose à pousser. Robert Boyle le prouva à Oxford en 1660 avec la pompe à air construite par son assistant Robert Hooke : une montre suspendue dans un globe de verre se tut à mesure qu'on retirait l'air et se fit réentendre quand on le laissa rentrer. L'espace, comme disent les affiches de cinéma, est silencieux.

La vitesse du son fut affaire de canons. Marin Mersenne, à Paris, chronométra des échos dans les années 1630 et s'approcha du résultat ; en 1738, l'Académie des sciences fit tirer des canons sur les collines autour de Paris et mesura l'écart entre l'éclair et la détonation sur des distances connues, obtenant 332 mètres par seconde dans l'air calme. Isaac Newton avait calculé, d'après l'élasticité de l'air, une valeur inférieure d'un sixième ; Pierre-Simon Laplace la corrigea en 1816 en remarquant que les compressions sont trop rapides pour que la chaleur s'échappe. Le son va plus vite dans l'air chaud, plus vite encore dans l'eau, environ 1 480 mètres par seconde, et près de 6 000 dans l'acier, ce qui explique qu'on entende un train par les rails avant de l'entendre par l'air.

Ce qui distingue une note d'un bruit est la régularité. La hauteur perçue est la fréquence des ondulations de pression : le la du diapason fait 440 ondes par seconde, les plus graves tuyaux d'orgue grondent à 16, et l'oreille humaine renonce vers 20 000, là où celle de la chauve-souris commence. Joseph Fourier montra en 1822 que toute onde périodique se construit à partir de sinusoïdes pures, raison pour laquelle un violon et une flûte jouant la même note sonnent différemment : même fondamentale, harmoniques différentes. Hermann von Helmholtz, dans les années 1860, utilisa des sphères de verre accordées pour isoler ces harmoniques à l'oreille.

À Prague, en 1842, Christian Doppler proposa qu'une source qui s'approche doit sonner plus aigu, et plus grave quand elle s'éloigne, parce que ses ondes sont resserrées ou étirées. Christophorus Buys Ballot le vérifia près d'Utrecht en 1845 en plaçant des trompettistes dans un train et des musiciens à l'oreille absolue le long de la voie. L'effet Doppler est aujourd'hui ce qui permet au radar de la police de vous chronométrer, à l'échographiste d'entendre un cœur fœtal, et aux astronomes d'avoir découvert l'expansion de l'univers.

Le saviez-vous ? Le son le plus fort de l'histoire enregistrée, l'éruption du Krakatoa en 1883, fut entendu à 4 800 kilomètres et fit plusieurs fois le tour du globe sous forme d'onde de pression.

Les ultrasons, au-delà de 20 000 hertz, trouvèrent leurs usages après la Première Guerre mondiale, quand le sonar traquait les sous-marins ; Ian Donald, à Glasgow, s'en servit en 1958 pour regarder dans l'utérus, et c'est aujourd'hui l'imagerie la plus sûre de la médecine. Les décibels, échelle de l'intensité sonore, sont logarithmiques parce que l'oreille l'est, du murmure à 30 au réacteur à 140. Chacun de ces nombres mesure la force avec laquelle une foule de molécules pousse ses voisines.

Semi-conducteurs et transistor

Entre les conducteurs, qui laissent passer les électrons, et les isolants, qui ne les laissent pas, siège une petite famille d'éléments qu'on peut convaincre dans un sens ou dans l'autre. Le silicium et le germanium sont des semi-conducteurs : purs, ils conduisent à peine ; dopés de quelques atomes de phosphore ou de bore par million, ils conduisent par électrons excédentaires ou par les « trous » que laissent les électrons manquants, et une jonction entre les deux types ne laisse passer le courant que dans un sens. L'astuce consistant à utiliser un petit courant pour en commander un grand à travers un tel cristal est le transistor, et c'est une équipe qui l'a trouvée.

L'équipe fut réunie aux Bell Telephone Laboratories, dans le New Jersey, par Mervin Kelly en 1945, avec une mission claire : trouver un remplaçant à l'état solide aux tubes à vide encombrants, chauds et peu fiables qui amplifiaient chaque appel longue distance. William Shockley dirigeait le groupe. John Bardeen, théoricien discret, comprit pourquoi les premiers montages de Shockley échouaient : les électrons restaient piégés à la surface du cristal. Walter Brattain, expérimentateur qui avait grandi dans un ranch, construisit l'appareil. Le 16 décembre 1947, Bardeen et Brattain pressèrent deux contacts d'or, découpés dans une bande de feuille enroulée autour d'un coin de plastique, sur une plaquette de germanium large comme un ongle, et le signal entré par un contact ressortit amplifié par l'autre. Le 23 décembre, ils en firent la démonstration à la direction du laboratoire, en parlant à travers pour qu'on entende le gain.

Shockley, vexé d'avoir été tenu à l'écart de l'expérience décisive, passa les semaines suivantes à concevoir le transistor à jonction, un sandwich de trois couches plus robuste et plus facile à fabriquer, qui devint la norme. Les trois partagèrent le prix Nobel de 1956 ; Bardeen en reçut un second en 1972 pour la supraconductivité, seule personne à en détenir deux en physique. Le nom vint d'un collègue, John Pierce, qui contracta « transfer resistor ».

Les enfants du transistor arrivèrent vite. Texas Instruments fabriqua les premiers transistors au silicium en 1954 et une radio de poche la même année. En 1958, Jack Kilby chez Texas Instruments, puis en 1959 Robert Noyce chez Fairchild, construisirent des circuits entiers sur une seule puce, le circuit intégré. En 1959, Mohamed Atalla et Dawon Kahng, aux Bell Labs, réalisèrent le MOSFET, la structure à effet de champ qui pouvait rétrécir presque sans limite. Gordon Moore observa en 1965 que le nombre de transistors par puce doublait tous les un à deux ans, et cela continua pendant un demi-siècle.

Le saviez-vous ? On a fabriqué plus de transistors que tout autre objet de l'histoire humaine, bien plus de dix mille milliards de milliards, davantage que tous les grains de sable de la Terre.

Un processeur moderne porte des dizaines de milliards de transistors, chacun commutant des milliards de fois par seconde, certains larges de quelques dizaines d'atomes à peine. Chaque téléphone, stimulateur cardiaque, voiture, satellite et panneau solaire est bâti avec les descendants de la plaquette de germanium. L'équipe qui voulait un meilleur amplificateur téléphonique a donné au siècle sa machine emblématique.

Les supraconducteurs

Chaque fil gaspille de l'énergie en chaleur : c'est ce que dit la loi d'Ohm et ce qui chauffe votre ordinateur portable. Dans certains matériaux, refroidis suffisamment, le gaspillage cesse tout simplement. Un supraconducteur transporte le courant avec une résistance exactement nulle : un courant lancé dans un anneau supraconducteur continue de circuler, sans faiblir, aussi longtemps qu'on a pris la peine de regarder, soit des années dans les expériences les plus soignées. C'est l'un des rares endroits où la mécanique quantique se montre à l'échelle d'un fil qu'on peut tenir.

La découverte appartient à Leyde et au froid. Heike Kamerlingh Onnes avait passé des décennies à bâtir le meilleur laboratoire de basses températures du monde et, en 1908, fut le premier à liquéfier l'hélium, à 4,2 kelvins, à quelques degrés du zéro absolu. Ce bain disponible, il entreprit de mesurer comment les métaux conduisaient en se refroidissant. Le 8 avril 1911, son équipe refroidit un fil de mercure et vit sa résistance baisser régulièrement, puis, vers 4,2 kelvins, tomber à rien du tout. Onnes soupçonna d'abord un court-circuit. Ce n'en était pas un. Il nomma l'état « supraconductivité » et reçut le prix Nobel deux ans plus tard.

La résistance nulle n'était que la moitié de l'histoire. En 1933, Walther Meissner et Robert Ochsenfeld, à Berlin, découvrirent qu'un supraconducteur expulse aussi les champs magnétiques de son intérieur, l'effet Meissner, raison pour laquelle un aimant flotte au-dessus d'un disque supraconducteur refroidi dans tous les musées des sciences. Expliquer les deux prit jusqu'en 1957, quand John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer, dans l'Illinois, montrèrent que sous la température critique les électrons s'apparient, liés par les vibrations du cristal, et que les paires avancent ensemble comme une seule onde quantique que les atomes ne peuvent disperser. La théorie BCS valut un Nobel aux trois, et à Bardeen son second.

Pendant soixante-quinze ans, le record de température critique grimpa péniblement jusqu'à 23 kelvins et sembla bloqué, ce qui imposait de l'hélium liquide coûteux pour toute application. Puis, en 1986, Georg Bednorz et Alex Müller, au laboratoire IBM de Zurich, trouvèrent une céramique cassante d'oxyde de cuivre supraconductrice à 35 kelvins, et en moins d'un an un oxyde d'yttrium, de baryum et de cuivre atteignit 93 kelvins, au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide, un réfrigérant moins cher que le lait. Pourquoi ces céramiques fonctionnent reste débattu. Sous des pressions écrasantes, des composés riches en hydrogène ont depuis supraconduit vers 250 kelvins, proche d'une froide journée d'hiver, mais seulement dans une enclume de diamant.

Le saviez-vous ? Le Grand collisionneur de hadrons, long de 27 kilomètres, est le plus grand réfrigérateur de la Terre : 1 232 aimants supraconducteurs à 1,9 kelvin, plus froid que l'espace profond.

Les supraconducteurs gagnent déjà leur vie. L'aimant d'un scanner IRM est une bobine de fil de niobium-titane portant des centaines d'ampères sans aucune alimentation, une fois lancée. Le LHC guide ses protons avec des aimants supraconducteurs à 8,3 teslas ; les trains à sustentation magnétique d'essai japonais flottent dessus à 600 kilomètres par heure ; et les ordinateurs quantiques de Google et d'IBM sont faits de circuits supraconducteurs. Un supraconducteur à température ambiante et pression ordinaire, qui transformerait réseaux et moteurs, reste la promesse non tenue du domaine, et les annonces qui surgissent tous les quelques ans ont jusqu'ici échoué à la réplication, la manière ordinaire dont la science sépare l'espoir de la découverte.

La vitesse de la lumière

La lumière est rapide, mais elle n'est pas instantanée. Dans le vide, elle parcourt 299 792 458 mètres chaque seconde, un chiffre aujourd'hui fixé par définition : depuis 1983, le mètre est la distance que la lumière franchit en 1/299 792 458 de seconde. La vitesse de la lumière, c, n'est donc plus une grandeur à mesurer, mais la règle avec laquelle on mesure le reste. Rien de ce qui transporte une information ne va plus vite. Cette constante unique relie l'espace, le temps, l'électricité et le magnétisme, et fixe la limite de vitesse de l'Univers.

Pendant des siècles, la question fut de savoir si la lumière avait une vitesse tout court. Aristote la croyait instantanée ; le savant arabe Ibn al-Haytham soutint vers 1021 qu'elle devait se déplacer. Galilée tenta de chronométrer des lanternes entre deux collines et découvrit seulement que la lumière était bien trop rapide pour une main humaine. Le premier vrai nombre vint de Jupiter. En 1676, l'astronome danois Ole Rømer, à l'Observatoire de Paris, remarqua que les éclipses d'Io, lune de Jupiter, prenaient quelque 22 minutes de retard lorsque la Terre se trouvait de l'autre côté de son orbite. Ce retard, raisonna-t-il, était le temps mis par la lumière pour traverser la distance supplémentaire. Son estimation, environ 220 000 kilomètres par seconde, était trop faible, car la taille de l'orbite terrestre était mal connue, mais elle avait le bon ordre de grandeur et, surtout, elle était finie.

Les mesures terrestres suivirent. En 1849, Hippolyte Fizeau fit passer un faisceau entre les dents d'une roue en rotation à Suresnes jusqu'à un miroir posé à Montmartre, à 8,6 kilomètres, et accéléra la roue jusqu'à ce que la lumière de retour soit bloquée par la dent suivante : environ 313 000 kilomètres par seconde. Léon Foucault affina le procédé avec un miroir tournant en 1862 et obtint 298 000. Albert Michelson, premier Américain lauréat d'un prix Nobel scientifique, y consacra des décennies ; en 1926, il fit rebondir la lumière entre le mont Wilson et le mont San Antonio, en Californie, distants de 35 kilomètres mesurés au géomètre, et parvint à 299 796 kilomètres par seconde.

Le saviez-vous ? En 1983, le mètre a été redéfini à partir de c : la vitesse de la lumière a désormais une valeur exacte, sans la moindre incertitude.

Le nombre est immense mais étonnamment concret. La lumière du Soleil a huit minutes et vingt secondes lorsqu'elle vous atteint ; celle de la Lune, 1,3 seconde. En une nanoseconde, la lumière parcourt environ 30 centimètres, ce qui explique pourquoi la pionnière de l'informatique Grace Hopper distribuait des bouts de fil de trente centimètres pour montrer qu'un signal ne peut pas traverser une pièce en un cycle d'horloge. La lumière de l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure, voyage depuis plus de quatre ans.

La constance de c est aussi le pivot de la relativité, et les ingénieurs vivent avec elle chaque jour. Les satellites GPS diffusent l'heure, et votre récepteur convertit des retards de quelques millionièmes de seconde en position ; dans la fibre optique, la lumière va aux deux tiers de c, ce qui fixe la latence des câbles sous-marins de l'internet. La vitesse finie de la lumière fait d'un télescope une machine à remonter le temps, et de l'Univers un livre d'histoire.

La relativité restreinte

La relativité restreinte repose sur deux énoncés d'apparence anodine. Les lois de la physique sont les mêmes pour tout observateur en mouvement uniforme, et la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous, quel que soit le mouvement de la source ou de l'observateur. Albert Einstein, examinateur de 26 ans à l'office des brevets de Berne, les publia en juin 1905 dans un article intitulé Sur l'électrodynamique des corps en mouvement. Ensemble, ils imposent une conclusion étrange : deux observateurs en mouvement l'un par rapport à l'autre ne peuvent s'accorder ni sur la longueur d'une règle ni sur le tic-tac d'une horloge. L'espace et le temps ne sont pas une scène fixe ; ce sont des mesures qui dépendent de celui qui mesure.

Le terrain avait été préparé par un échec. Les physiciens du XIXᵉ siècle supposaient que la lumière ondulait dans un éther immobile ; le mouvement de la Terre à travers cet éther devait donc modifier la vitesse de la lumière selon la direction. En 1887, à Cleveland, Albert Michelson et Edward Morley divisèrent un faisceau, envoyèrent les deux moitiés le long des bras perpendiculaires d'un interféromètre flottant sur un bain de mercure, et guettèrent un déplacement des franges d'interférence en faisant tourner l'appareil. Ils attendaient un décalage d'environ 0,4 frange. Ils n'en virent aucun. Hendrik Lorentz et Henri Poincaré écrivirent des équations capables de sauver l'éther ; Einstein, lui, s'en passa.

Les conséquences se mesurent. Une horloge en mouvement retarde d'un facteur de Lorentz qui vaut 1,005 à un dixième de la vitesse de la lumière et 7 à 99 pour cent. Les muons créés par les rayons cosmiques dans la haute atmosphère ne vivent en moyenne que 2,2 microsecondes, à peine de quoi parcourir 660 mètres, et pourtant ils arrivent en abondance au niveau de la mer. En 1941, Bruno Rossi et David Hall, puis en 1963 David Frisch et James Smith sur le mont Washington, les comptèrent en altitude et au pied de la montagne et trouvèrent le taux de survie que prédit la dilatation du temps. En 1971, Joseph Hafele et Richard Keating firent voler quatre horloges au césium autour du monde sur des vols de ligne ; au retour, elles différaient des horloges de l'Observatoire naval américain de quelques dizaines de nanosecondes, comme calculé.

Le saviez-vous ? Sans corrections relativistes, les positions GPS dériveraient d'environ 10 kilomètres par jour.

Les longueurs se contractent dans le sens du mouvement du même facteur, et la simultanéité devient relative. Rien de massif ne peut atteindre la vitesse de la lumière, car son énergie devrait être infinie ; les protons du Grand collisionneur de hadrons filent à 99,9999991 pour cent de c et jamais plus vite.

La vie quotidienne dépend désormais de ces corrections. Les horloges des satellites GPS, lancés à 14 000 kilomètres à l'heure, retardent d'environ 7 microsecondes par jour à cause de leur vitesse et avancent de 45 microsecondes à cause d'une gravité plus faible ; les ingénieurs les règlent avant le lancement. Le mythe d'un Einstein nul en mathématiques a la vie dure ; il est faux. La relativité n'a pas rendu Newton faux, seulement approximatif : aux vitesses de tous les jours, les corrections s'évanouissent.

E = mc²

Trois mois après son article sur la relativité, en septembre 1905, Einstein adressa aux Annalen der Physik une note de trois pages demandant si l'inertie d'un corps dépend de son contenu en énergie. Sa réponse était oui : si un corps émet de l'énergie sous forme de rayonnement, sa masse diminue de cette énergie divisée par le carré de la vitesse de la lumière. Dans l'écriture moderne, E = mc². En mots : la masse et l'énergie sont deux mesures d'une même chose, et le taux de change entre elles est c au carré, soit à peu près 90 millions de milliards de joules par kilogramme. Un kilogramme de n'importe quoi, entièrement converti, libérerait autant d'énergie que 21 millions de tonnes de TNT. La matière est de l'énergie gelée, et gelée très serré.

Comme c² est énorme, les changements ordinaires modifient la masse de quantités que personne ne peut peser. Une tasse de thé chaud pèse quelques centièmes de milliardième de milligramme de plus ; un ressort remonté est plus lourd qu'un ressort détendu. La chimie réarrange les électrons et libère à peine un milliardième de la masse d'une substance. Seul le noyau, où les forces sont un million de fois plus intenses, rend l'effet appréciable : la masse manquante d'un noyau d'hélium par rapport à ses protons et neutrons séparés, environ 0,7 pour cent, est l'énergie qui le lie.

Le premier test direct eut lieu en avril 1932 au laboratoire Cavendish de Cambridge. John Cockcroft et Ernest Walton accélérèrent des protons sous 700 000 volts et les projetèrent sur une cible de lithium. Chaque noyau de lithium capturant un proton se brisait en deux noyaux d'hélium qui s'envolaient avec 17 millions d'électronvolts à eux deux. Les masses des ingrédients et des produits étaient connues grâce au spectrographe de masse de Francis Aston ; la différence, multipliée par c², correspondait à l'énergie mesurée, à quelques pour cent près. En 2005, une équipe du MIT et du NIST américain compara l'énergie de rayons gamma issus de captures nucléaires à la masse perdue et confirma l'équation à 0,00004 pour cent.

Le saviez-vous ? Le Soleil convertit environ quatre millions de tonnes de sa masse en lumière chaque seconde, et cela depuis 4,6 milliards d'années.

Lise Meitner et Otto Frisch utilisèrent l'équation lors d'une promenade hivernale en Suède, à Noël 1938, pour calculer qu'un noyau d'uranium qui se scinde devait libérer environ 200 millions d'électronvolts : la première explication de la fission nucléaire. Cette arithmétique fait tourner les réacteurs qui fournissent près d'un dixième de l'électricité mondiale, et elle fit exploser les bombes de 1945 ; Einstein signa la lettre de 1939 qui alerta le président Roosevelt mais ne prit aucune part au projet. L'équation sert aussi la médecine : dans un scanner TEP, un positon rencontre un électron, tous deux disparaissent, et deux rayons gamma de 511 000 électronvolts emportent leur masse sous forme de lumière.

E = mc² explique encore pourquoi le Soleil brille depuis des milliards d'années et pourquoi la masse du proton est surtout l'énergie des gluons qu'il contient. La plus courte des équations célèbres dit seulement que le grand livre de la masse et de l'énergie n'a qu'une colonne.

La relativité générale

La relativité restreinte traitait des observateurs en mouvement uniforme et laissait la gravitation de côté. « La pensée la plus heureuse » d'Einstein, en 1907, fut qu'une personne en chute libre ne sent pas son poids : gravité et accélération sont localement indiscernables. Huit années de travail avec la géométrie des surfaces courbes de Bernhard Riemann aboutirent aux équations de champ qu'il présenta à l'Académie de Prusse, à Berlin, en novembre 1915. La relativité générale affirme que la masse et l'énergie courbent l'espace-temps, et que ce que nous appelons gravité est le mouvement des objets le long des chemins les plus droits possibles dans cette courbure. Le physicien John Wheeler l'a résumé d'une phrase : la matière dit à l'espace-temps comment se courber, et l'espace-temps dit à la matière comment se mouvoir.

La théorie faisait trois prédictions testables. La première se trouvait déjà dans les données. Le périhélie de Mercure avance de 43 secondes d'arc par siècle de plus que ne l'explique la loi de Newton ; les équations d'Einstein donnaient ce chiffre exactement, et il écrivit que le résultat lui avait donné des palpitations. La deuxième : la lumière rasant le Soleil devait être déviée de 1,75 seconde d'arc, le double de l'estimation newtonienne. Le 29 mai 1919, Arthur Eddington sur l'île de Príncipe et Andrew Crommelin à Sobral, au Brésil, photographièrent les étoiles proches du Soleil éclipsé et comparèrent leurs positions avec des plaques prises des mois plus tôt. Le décalage confirmait Einstein, et le Times de Londres annonça une révolution scientifique. La troisième, le décalage gravitationnel vers le rouge, attendit 1959 : Robert Pound et Glen Rebka mesurèrent le changement de fréquence de rayons gamma montant 22,5 mètres dans une tour de Harvard, soit deux parts sur un million de milliards, comme prévu.

Le saviez-vous ? En 2010, des horloges optiques du NIST ont montré qu'une horloge surélevée de 33 centimètres avance de façon mesurable : votre tête vieillit un peu plus vite que vos pieds.

Les tests n'ont jamais cessé. Karl Schwarzschild, mobilisé sur le front russe en 1916, trouva la première solution exacte et, avec elle, le rayon au-delà duquel rien ne s'échappe : un trou noir. En 2019, le Télescope de l'horizon des événements, huit observatoires radio d'Hawaï au pôle Sud agissant comme un seul, photographia l'ombre du trou noir de 6,5 milliards de masses solaires de la galaxie M87, puis en 2022 celui du centre de la Voie lactée. Les lentilles gravitationnelles cartographient aujourd'hui la matière noire.

La théorie tient aussi dans votre poche. Les horloges des satellites GPS avancent d'environ 45 microsecondes par jour parce que la gravité est plus faible à 20 000 kilomètres d'altitude ; sans correction, le système serait inutilisable en quelques minutes. La relativité générale reste la meilleure description de la gravitation, après plus d'un siècle de tests réussis, et elle refuse toujours de s'accorder avec la mécanique quantique. Entre les mains d'Einstein, la gravité est devenue géométrie.

Les ondes gravitationnelles

Si la masse courbe l'espace-temps, alors une masse en mouvement violent doit y envoyer des rides qui se propagent à la vitesse de la lumière. Einstein le calcula en 1916, puis douta pendant des années que ces ondes gravitationnelles fussent réelles ou un artefact des coordonnées. Elles sont réelles, mais d'une faiblesse absurde : lorsque les ondes de deux trous noirs en collision atteignent la Terre, elles étirent et compriment l'espace d'une part sur mille milliards de milliards. Une règle de quatre kilomètres change de longueur de moins d'un millième de la largeur d'un proton.

La première preuve fut indirecte. En 1974, au radiotélescope d'Arecibo, à Porto Rico, Russell Hulse et Joseph Taylor découvrirent un pulsar orbitant autour d'une autre étoile à neutrons toutes les 7,75 heures. Au fil des décennies, l'orbite se resserra exactement comme si le couple rayonnait de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, d'environ 3,5 mètres par an. L'accord avec la formule d'Einstein, meilleur que 0,2 pour cent, valut le prix Nobel de 1993. Restait à capter les ondes elles-mêmes. Les barres d'aluminium de Joseph Weber, dans les années 1960, produisirent des annonces que personne ne put reproduire ; la leçon, qu'une détection doit être vue indépendamment sur plus d'un site, façonna tout ce qui suivit.

LIGO, l'observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser, se compose de deux instruments en L distants de 3 000 kilomètres, à Hanford dans l'État de Washington et à Livingston en Louisiane. Un faisceau laser rebondit des centaines de fois le long de chaque bras sous vide de 4 kilomètres avant de se recombiner ; une onde qui passe allonge un bras et raccourcit l'autre, déplaçant la figure d'interférence. Le 14 septembre 2015, les deux détecteurs enregistrèrent le même gazouillis, Livingston 7 millisecondes avant Hanford, montant de 35 à 250 hertz en un cinquième de seconde. C'était la dernière orbite et la fusion de deux trous noirs de 36 et 29 masses solaires, à 1,3 milliard d'années-lumière. Le reste pesait 62 masses solaires : trois soleils de masse étaient devenus ondes. L'équipe, plus de mille scientifiques, annonça la détection le 11 février 2016, et Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne reçurent le prix Nobel 2017.

Le saviez-vous ? Pendant une fraction de seconde, la fusion a rayonné plus de puissance que toutes les étoiles de l'Univers observable réunies.

Un second type d'événement, le 17 août 2017, montra la portée de cette astronomie nouvelle. LIGO et le détecteur Virgo, près de Pise, saisirent deux étoiles à neutrons en spirale ; 1,7 seconde plus tard, des satellites virent un sursaut gamma au même endroit, et les télescopes observèrent la lueur d'éléments lourds fraîchement forgés, dont plusieurs masses terrestres d'or. En 2023, les réseaux de chronométrage de pulsars rapportèrent un bruit de fond d'ondes issu de couples de trous noirs supermassifs. KAGRA, au Japon, a rejoint le réseau, et la mission LISA de l'Agence spatiale européenne prévoit trois sondes séparées de millions de kilomètres pour les années 2030. Pendant quatre siècles, l'astronomie a été affaire de lumière. Désormais, l'Univers s'écoute aussi.

Le saut quantique

À la fin du XIXᵉ siècle, la physique butait sur un four chaud. La théorie classique prédisait qu'une cavité incandescente devait rayonner toujours plus d'énergie à des longueurs d'onde toujours plus courtes, une « catastrophe ultraviolette » qui, manifestement, ne se produisait pas. Le 14 décembre 1900, à Berlin, Max Planck expliqua à la Société allemande de physique que la formule ne collait aux mesures que si l'énergie des oscillateurs des parois arrivait par paquets proportionnels à la fréquence, avec une constante qu'il nomma h. Il parla plus tard d'un acte de désespoir. Sa valeur, 6,626 × 10⁻³⁴ joule-seconde, est minuscule, ce qui explique pourquoi le grain de l'énergie est invisible au quotidien.

Einstein prit les paquets au sérieux en 1905. L'effet photoélectrique, où la lumière arrache des électrons à un métal, avait une particularité déroutante : l'énergie des électrons éjectés dépendait de la couleur de la lumière, non de son intensité, et sous une fréquence seuil aucun électron ne sortait, si vive que fût la lampe. Si la lumière arrive en quanta d'énergie hf, c'est exactement ce qui doit se produire. Robert Millikan passa dix ans à Chicago à tenter de prouver qu'Einstein avait tort et confirma la loi en 1916, mesurant h à un demi pour cent près. Le prix Nobel d'Einstein, en 1921, récompensa ce travail, et non la relativité.

Le quantum entra ensuite dans l'atome. En 1913, Niels Bohr proposa que l'électron de l'hydrogène ne puisse occuper que certaines orbites d'énergies fixes, et que la lumière ne soit émise ou absorbée que lors d'un saut de l'une à l'autre. Ce saut est le saut quantique originel : le plus petit changement que la nature autorise, et non le plus grand. Le modèle reproduisait la série de Balmer, les raies rouge, bleu-vert et violette du spectre de l'hydrogène, à quatre décimales. En 1914, James Franck et Gustav Hertz, à Berlin, lancèrent des électrons à travers de la vapeur de mercure et constatèrent qu'ils ne perdaient de l'énergie que par paliers de 4,9 électronvolts, la vapeur s'illuminant alors en ultraviolet à la longueur d'onde exactement correspondante. Les niveaux d'énergie étaient réels, et on pouvait les compter.

Le saviez-vous ? Depuis 2019, le kilogramme est défini en fixant la constante de Planck : l'unité de masse repose désormais sur un quantum.

Chaque raie de chaque spectre, des enseignes au néon aux empreintes des éléments dans la lumière des étoiles, est un saut quantique. Les lasers sont des sauts mis au pas ; les LED, des sauts à travers la bande interdite d'un cristal, réglés par sa chimie ; les horloges atomiques comptent les 9 192 631 770 oscillations d'un saut particulier du césium, ce qui définit la seconde. Les panneaux solaires sont l'effet photoélectrique au travail sur les toits. Toute la chimie du tableau périodique découle des niveaux que les électrons peuvent remplir.

La constante de Planck s'est révélée la charnière d'une physique nouvelle où l'énergie, le moment cinétique et l'action viennent par marches discrètes. Le saut quantique est petit, et il est partout.

La dualité onde-corpuscule

Demandez si la lumière est une onde ou un flot de particules, et la réponse honnête est : ni l'un ni l'autre, ou les deux, selon la question que vous lui posez. Il en va de même des électrons, des atomes et des molécules. La dualité onde-corpuscule désigne ce double caractère : les objets quantiques voyagent comme des ondes, s'étalent et interfèrent, mais sont détectés comme des particules, arrivant entiers en un seul point.

Thomas Young trancha le côté ondulatoire de la lumière en 1801, à Londres. Il fit passer la lumière du Soleil par un trou d'épingle puis par deux fentes étroites et vit sur l'écran non pas deux bandes claires mais un peigne de franges claires et sombres, la signature d'ondes qui s'ajoutent et s'annulent. La théorie corpusculaire de Newton en était incapable, et pendant un siècle la lumière fut une onde. Puis la particule revint. L'explication de l'effet photoélectrique par Einstein en 1905 exigeait des quanta de lumière, et en 1923 Arthur Compton, à l'université Washington de Saint-Louis, diffusa des rayons X sur les électrons du graphite et trouva leur longueur d'onde allongée comme après un choc de boules de billard : le photon portait une quantité de mouvement, comme une particule.

En 1924, un doctorant français, Louis de Broglie, proposa l'inverse : si les ondes se comportent en particules, les particules doivent se comporter en ondes, avec une longueur d'onde égale à la constante de Planck divisée par la quantité de mouvement. En trois ans, ce fut confirmé deux fois. Aux laboratoires Bell, dans le New Jersey, Clinton Davisson et Lester Germer bombardèrent un cristal de nickel d'électrons et les virent diffuser aux angles qu'une onde choisirait ; à Aberdeen, George Paget Thomson fit traverser de minces feuilles métalliques à des électrons et photographia des anneaux de diffraction. Son père, J. J. Thomson, avait reçu le Nobel pour avoir montré que l'électron est une particule ; le fils le partagea pour avoir montré qu'il est une onde.

Le saviez-vous ? En 1999, l'équipe viennoise d'Anton Zeilinger a observé des interférences avec des molécules de carbone 60, des ballons de soixante atomes ; en 2019, des molécules de plus de 2 000 atomes ont fait de même.

La démonstration la plus frappante envoie les particules une à une à travers les deux fentes de Young. En 1974 à Bologne, puis en 1989 chez Hitachi à Tokyo, où le groupe d'Akira Tonomura la filma, chaque électron arrivait comme un point isolé sur le détecteur, et pourtant, à mesure que des milliers s'accumulaient, les points dessinaient les franges. Chaque électron, semble-t-il, passe par les deux fentes comme une onde et atterrit comme une particule. Placez un détecteur aux fentes pour savoir laquelle il a empruntée, et les franges disparaissent.

La longueur d'onde de de Broglie explique pourquoi les microscopes électroniques voient ce que la lumière ne voit pas : des électrons accélérés sous 100 000 volts ont une longueur d'onde d'environ 4 picomètres, assez pour résoudre les atomes d'un cristal. La diffraction des neutrons localise les atomes d'hydrogène dans les protéines. Le monde quantique ne choisit pas entre onde et particule ; il demande quelle expérience vous menez.

Incertitude et probabilité

La physique classique promettait qu'avec assez d'informations, l'avenir pouvait se calculer. La mécanique quantique retira cette promesse, non par manque d'informations, mais par principe. Deux idées portent ce changement. La règle de probabilité de Max Born, en 1926, dit que l'onde qui décrit une particule n'indique pas où elle est, seulement la probabilité de la trouver en chaque endroit quand on regarde. Le principe d'incertitude de Werner Heisenberg, en 1927, dit que certains couples de propriétés, position et quantité de mouvement avant tout, ne peuvent être nets en même temps : le produit de leurs dispersions ne peut jamais descendre sous la constante de Planck divisée par 4π.

Les mathématiques vinrent d'abord. En juin 1925, Heisenberg, 23 ans, fuyant le rhume des foins sur l'île d'Heligoland, en mer du Nord, bâtit une mécanique faite de tableaux de nombres, bientôt reconnue à Göttingen comme de l'algèbre matricielle. Erwin Schrödinger produisit son équation d'onde à Zurich au début de 1926. Born, à Göttingen cet été-là, comprit ce que l'onde signifiait : le carré de son amplitude est une probabilité. La réponse d'Einstein à Born, en décembre 1926, contenait la phrase selon laquelle il ne pouvait croire que Dieu joue aux dés. La vision de Born l'emporta et lui valut le prix Nobel en 1954. L'article de Heisenberg sur l'incertitude, écrit à Copenhague au début de 1927, découlait de la même algèbre.

On raconte souvent que l'incertitude naît de la perturbation causée par la mesure, comme si un photon bousculait l'électron. Heisenberg usa de cette image, mais le principe est plus profond : une onde confinée dans une région étroite est nécessairement composée de nombreuses longueurs d'onde, si bien qu'une position nette implique une large dispersion de quantités de mouvement, observateur ou non. Des expériences menées à Vienne en 2012 confirmèrent que l'image de la perturbation peut être contournée, mais pas la limite intrinsèque. L'incertitude est une propriété de la nature, pas des instruments maladroits.

Le saviez-vous ? Le Soleil brille parce que des protons franchissent par effet tunnel une barrière électrique qu'ils n'ont pas l'énergie d'escalader ; sans l'incertitude quantique, il serait éteint.

Ses empreintes sont partout. L'incertitude explique pourquoi les atomes ont une taille : rapprochez un électron du noyau et sa quantité de mouvement, donc son énergie, doit croître, de sorte que l'hydrogène s'établit à un rayon d'environ 53 millièmes de milliardième de mètre. Elle explique pourquoi rien n'est parfaitement immobile, même au zéro absolu, et pourquoi l'hélium liquide ne gèle jamais à pression normale. Elle autorise l'effet tunnel, où une particule apparaît au-delà d'une barrière qu'elle ne pourrait classiquement franchir. En 1981, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, chez IBM à Zurich, construisirent sur cet effet le microscope à effet tunnel et produisirent les premières images d'atomes individuels. Les mémoires flash de votre téléphone stockent chaque photo en faisant passer des électrons par effet tunnel à travers une mince couche isolante.

Les physiciens débattent encore de ce qu'est « vraiment » l'onde ; ils ne débattent pas de ce qu'elle prédit. Au fond, la nature tient un livre de paris, et elle n'a jamais été prise à tricher.

L'intrication

Deux particules qui ont interagi peuvent rester liées de telle sorte que mesurer l'une fixe instantanément ce que montrera la mesure de l'autre, quelle que soit la distance. Erwin Schrödinger baptisa ce phénomène intrication en 1935 et y vit non pas un trait, mais le trait caractéristique de la mécanique quantique. La même année, Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen, à Princeton, soutinrent qu'il prouvait l'incomplétude de la théorie : les résultats devaient être décidés d'avance par des propriétés cachées que les particules emportaient, comme une paire de gants expédiée dans deux boîtes séparées. Pendant près de trente ans, ce fut une affaire de goût, pas d'expérience.

En 1964, John Bell, physicien de Belfast travaillant au CERN, en fit de l'arithmétique. Il montra que toute théorie où les résultats sont fixés localement à l'avance doit respecter une inégalité sur les corrélations entre mesures faites sous différents angles, et que la mécanique quantique prédit sa violation. Dans la forme utilisée au laboratoire, les variables cachées locales autorisent un score de corrélation d'au plus 2 ; la théorie quantique permet jusqu'à environ 2,83. La question pouvait désormais se trancher en comptant.

Le comptage commença en 1972 à Berkeley, où John Clauser et Stuart Freedman mesurèrent les polarisations de paires de photons émises par des atomes de calcium excités et trouvèrent la valeur quantique. En 1982, à Orsay, près de Paris, l'équipe d'Alain Aspect changea l'orientation des analyseurs pendant le vol des photons, de sorte qu'aucun signal à la vitesse de la lumière ne pût passer entre eux. En 2015, trois groupes, à Delft, Vienne et Boulder, fermèrent les dernières failles : à Delft, des électrons intriqués dans des diamants distants de 1,3 kilomètre violèrent l'inégalité de Bell avec chaque paire détectée. Clauser, Aspect et Anton Zeilinger partagèrent le prix Nobel 2022. L'image des gants dans les boîtes est fausse ; les corrélations ne sont écrites nulle part avant la mesure.

Le saviez-vous ? En 2017, le satellite chinois Micius a envoyé des paires de photons intriqués à des stations au sol distantes de 1 200 kilomètres, le test de Bell le plus lointain à ce jour.

L'intrication n'envoie pas de messages plus vite que la lumière. Chaque observateur ne voit que des résultats aléatoires ; la corrélation n'apparaît qu'en comparant les deux listes, et cette comparaison voyage par des moyens ordinaires. Ce qu'elle offre, c'est une ressource. La distribution quantique de clés, proposée par Charles Bennett et Gilles Brassard en 1984 et, dans une version fondée sur l'intrication, par Artur Ekert en 1991, permet à deux parties de partager une clé secrète et de repérer tout espion, car l'écoute perturbe les corrélations. La téléportation quantique, démontrée avec des photons à Innsbruck en 1997, transfère un état quantique grâce à l'intrication et deux bits ordinaires. Les ordinateurs quantiques reposent sur l'intrication de nombreux qubits à la fois.

Einstein parlait d'une « action fantomatique à distance ». Le fantôme a survécu à tous les tests ; la distance, elle, s'est révélée sans importance.

Le modèle standard

Le modèle standard est l'inventaire de tout ce qui compose la matière et des forces qui agissent sur elle, gravitation exceptée. Il recense douze particules de matière, six quarks et six leptons ; quatre porteurs de force, le photon, le gluon et les bosons W et Z ; et le boson de Higgs, qui donne leur masse aux autres. Écrit sous forme d'une seule équation, il remplit une page, et il a prédit le résultat de toutes les expériences de physique des particules depuis un demi-siècle. Rien en physique n'a été testé aussi minutieusement, et personne ne croit qu'il soit le dernier mot.

Il fut assemblé plutôt que découvert d'un bloc. Murray Gell-Mann et George Zweig proposèrent les quarks en 1964 pour mettre de l'ordre dans le zoo de particules que crachaient les accélérateurs ; en 1968, des électrons tirés sur des protons à Stanford rebondirent comme sur des points durs intérieurs. Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg unifièrent l'électromagnétisme et la force faible entre 1961 et 1967, et la théorie de la force forte, la chromodynamique quantique, arriva en 1973 avec David Gross, Frank Wilczek et David Politzer. Chaque pièce venait avec une prédiction capable de la tuer.

Les prédictions n'ont cessé de se vérifier. En novembre 1974, les équipes de Samuel Ting à Brookhaven et de Burton Richter à Stanford trouvèrent le quark charmé le même jour. En 1983, l'expérience de Carlo Rubbia et Simon van der Meer au CERN vit les bosons W et Z aux masses exigées par la théorie. Le quark top, aussi lourd qu'un atome d'or, apparut au Fermilab, près de Chicago, en 1995, après vingt ans de traque. La dernière pièce fut le boson de Higgs, proposé en 1964 par Peter Higgs et, séparément, par François Englert et Robert Brout, et annoncé le 4 juillet 2012 par les collaborations ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons, avec une masse de 125 gigaélectronvolts. Chaque collaboration compte environ 3 000 physiciens de plus de quarante pays, et le collisionneur est un anneau de 27 kilomètres sous la frontière franco-suisse.

Le saviez-vous ? La théorie prédit le moment magnétique de l'électron à douze décimales, et l'expérience confirme : l'accord le plus précis de toute la science.

Le modèle a des trous connus. Il ne dit rien de la gravitation ni de la matière noire, et dans sa forme d'origine le neutrino n'a pas de masse ; or, en 1998, le détecteur Super-Kamiokande au Japon, puis en 2001 l'Observatoire de neutrinos de Sudbury au Canada, montrèrent que les neutrinos changent de type en vol, ce qui exige une masse. Il n'explique pas pourquoi l'Univers contient de la matière plutôt qu'autant de matière que d'antimatière. Les mesures du magnétisme du muon au Fermilab, en 2021 et 2023, ont laissé entrevoir quelque chose de plus, bien que les théoriciens débattent de la prédiction.

Sa portée quotidienne dépasse les gros titres : scanners TEP, protonthérapie contre le cancer, le World Wide Web écrit au CERN en 1989 et les aimants supraconducteurs des IRM descendent tous de la physique des particules. Le modèle standard est la théorie la plus réussie de la science et son aveu le plus complet de ce qui reste inconnu.

Le temps profond

Postez-vous à Siccar Point, sur la côte du Berwickshire, et vous verrez deux ensembles de roches se rejoindre en angle : des couches grises presque verticales en bas, un grès rouge légèrement incliné au-dessus. En juin 1788, James Hutton y accosta en barque avec John Playfair et James Hall et lut la jonction comme un récit. Les lits inférieurs s'étaient déposés à plat sur un fond marin, puis avaient été basculés, soulevés, usés pendant une durée inimaginable, avant d'être enfouis sous de nouveaux sédiments. Playfair écrivit que « l'esprit semblait pris de vertige à regarder si loin dans l'abîme du temps ». La conclusion de Hutton, que la Terre ne montre « aucun vestige d'un commencement, aucune perspective d'une fin », est l'idée fondatrice du temps profond : la planète est vieille au-delà de l'intuition ordinaire, et ses roches sont une horloge.

Lire cette horloge prit encore un siècle et demi. L'archevêque Ussher avait fixé la Création à 4004 avant notre ère en 1650 ; dans les années 1860, le physicien William Thomson, futur lord Kelvin, calcula à partir du refroidissement de la Terre qu'elle ne pouvait avoir plus de quelques centaines de millions d'années, puis réduisit ce chiffre à environ 20 millions. Les géologues et les partisans de Darwin protestèrent que l'érosion et l'évolution exigeaient bien davantage, mais n'avaient aucun nombre à opposer. L'issue vint d'une découverte que Kelvin ne pouvait connaître : la radioactivité. En 1904, Ernest Rutherford, donnant une conférence à la Royal Institution devant Kelvin lui-même, fit remarquer que la désintégration régulière de l'uranium en plomb était un chronomètre qu'il n'était pas besoin de remonter.

Le géologue anglais Arthur Holmes rendit la méthode rigoureuse. En 1911, à 21 ans, il data une roche du Dévonien à 370 millions d'années par son uranium et son plomb ; son livre de 1913, L'Âge de la Terre, plaidait pour au moins 1,6 milliard. La mesure décisive vint en 1956. Clair Patterson, au Caltech, à l'aide d'un spectromètre de masse et du plomb de la météorite ferreuse de Canyon Diablo, formée avec le Système solaire, obtint 4,55 milliards d'années, à 70 millions près. La contamination par le plomb de l'essence et des peintures était si générale qu'il dut construire l'un des premiers laboratoires ultra-propres pour mesurer quoi que ce soit ; l'expérience fit de lui le scientifique qui obtint plus tard le retrait du plomb des carburants.

Le saviez-vous ? Si les 4,54 milliards d'années de la Terre étaient comprimés en une seule journée, l'homme moderne apparaîtrait dans les six dernières secondes.

Le chiffre moderne, 4,54 milliards d'années, n'a presque pas bougé depuis. Les plus vieilles roches conservées, le gneiss d'Acasta au nord du Canada, ont environ 4,0 milliards d'années ; des cristaux de zircon des Jack Hills, en Australie-Occidentale, atteignent 4,4 milliards, et leur chimie de l'oxygène suggère que l'eau liquide existait presque dès l'origine. Des dizaines d'horloges radioactives se recoupent aujourd'hui : potassium-argon pour les cendres volcaniques, rubidium-strontium pour la croûte ancienne, carbone 14 pour les 50 000 dernières années.

Le temps profond sous-tend la recherche de pétrole et de minerais, la reconstitution des climats passés et la datation des extinctions de masse, comme l'impact d'astéroïde daté à 66,0 millions d'années. Le vertige de Playfair est devenu une mesure de routine. L'abîme a une profondeur, et elle est de 4,54 milliards d'années.

Fossiles et archives rocheuses

Une falaise est un livre dont les pages les plus anciennes sont en bas. L'anatomiste danois Nicolas Sténon en posa les règles à Florence en 1669 : les sédiments se déposent en couches horizontales, chaque couche est plus jeune que celle du dessous, et une couche s'étendait à l'origine latéralement jusqu'à ce que quelque chose l'interrompe. Trois ans plus tôt, en disséquant la tête d'un grand requin blanc, il avait compris que les « glossopètres » trouvées dans la roche de Malte étaient d'anciennes dents de requin pétrifiées. Les fossiles n'étaient pas des caprices de la nature mais les restes d'êtres jadis vivants, et les couches qui les contenaient étaient une archive du temps.

William Smith, arpenteur de canaux, fit de cette archive une carte. En creusant des tranchées à travers l'Angleterre dans les années 1790, il remarqua que chaque strate portait ses fossiles caractéristiques, toujours dans le même ordre, si bien qu'un lit du Somerset pouvait être apparié à un lit du Yorkshire par ses seules ammonites. Sa carte géologique de l'Angleterre et du pays de Galles de 1815, coloriée à la main et haute de deux mètres et demi, fut la première d'un pays entier. Sur la côte du Dorset, pendant ce temps, Mary Anning trouvait les créatures elles-mêmes : un squelette complet d'ichtyosaure dégagé en 1812, à douze ans, le premier plésiosaure en 1823, un ptérosaure en 1828. Elle les vendait pour vivre, apprit seule l'anatomie et ne fut jamais admise à la Société géologique qui discutait ses trouvailles. À Paris, Georges Cuvier compara des os de mammouth aux éléphants vivants et soutint en 1796 que des espèces pouvaient disparaître entièrement : l'extinction était réelle.

La fossilisation est rare et biaisée. Un organisme doit être enfoui vite, le plus souvent sous l'eau, à l'abri des charognards et de l'oxygène ; la plupart des fossiles sont des coquilles et des os d'animaux marins, et les corps mous ne survivent que dans des gisements exceptionnels. Les schistes de Burgess, dans les Rocheuses canadiennes, découverts par Charles Walcott en 1909, conservent des animaux de 508 millions d'années avec leur intestin et leurs branchies ; les couches de Chengjiang, au Yunnan, vieilles de 518 millions d'années, font de même. Les niveaux de cendres entre les lits se datent par désintégration radioactive, ce qui cale la séquence sur un calendrier.

Le saviez-vous ? En 2004, l'équipe de Neil Shubin a trouvé Tiktaalik, un poisson doté d'un cou et d'os du poignet, en fouillant des roches de 375 millions d'années sur l'île d'Ellesmere, choisies précisément pour cet âge.

L'archive court aujourd'hui des tapis microbiens de 3,5 milliards d'années au pollen d'hier. Elle documente cinq extinctions de masse, dont la perte d'environ 90 pour cent des espèces marines à la fin du Permien, il y a 252 millions d'années, et les transitions que Darwin espérait : des poissons à membres, des dinosaures à plumes, des baleines à pattes. Les fossiles stratigraphiques comme les trilobites, les ammonites et les graptolites datent encore les roches pour les géologues pétroliers, et les foraminifères microscopiques des carottes de forage enregistrent la température des mers anciennes dans la chimie de leurs coquilles.

Les principes de Sténon restent la première leçon de tout cours de géologie. Lue de haut en bas, une falaise est un voyage dans le passé ; de bas en haut, c'est l'histoire de la vie.

De la dérive des continents à la tectonique des plaques

Regardez une carte : l'Amérique du Sud s'emboîte dans l'Afrique. Alfred Wegener, météorologue allemand, ne fut pas le premier à le remarquer, mais en janvier 1912, lors d'une conférence à Francfort, il fut le premier à bâtir un dossier. Les côtes coïncidaient ; les formations rocheuses et les fossiles aussi, de part et d'autre, dont la fougère Glossopteris et le reptile d'eau douce Mesosaurus, trouvés au Brésil et en Afrique du Sud et nulle part entre les deux. Les stries glaciaires anciennes de l'Inde, de l'Australie et de l'Afrique n'avaient de sens que si ces terres s'étaient jadis blotties près du pôle Sud. Son livre de 1915 proposait la dérive des continents : un supercontinent unique, la Pangée, s'était disloqué et ses morceaux avaient voyagé.

La plupart des géologues la rejetèrent, non sans raison. Wegener ne pouvait dire quelle force poussait les continents à travers un plancher océanique solide, et ses mécanismes étaient faibles. Il mourut sur l'inlandsis du Groenland en 1930, l'idée toujours tenue pour une hérésie. La réponse gisait sous la mer. Arthur Holmes suggéra en 1931 qu'une lente convection du manteau chaud pouvait porter les continents comme des radeaux. Après la Seconde Guerre mondiale, les sonars conçus pour traquer les sous-marins cartographièrent les fonds, et à New York la géologue Marie Tharp, convertissant les sondages en profils, découvrit en 1952 qu'une vallée profonde courait le long de la crête de la dorsale médio-atlantique : un rift, comme si le plancher était écartelé. Son collègue Bruce Heezen écarta d'abord cela comme du « bavardage de fille », puis constata que les épicentres des séismes suivaient exactement le rift.

Harry Hess, de Princeton, assembla les pièces en 1962 sous le nom d'expansion des fonds océaniques : une croûte neuve se forme aux dorsales et s'en éloigne, pour replonger dans le manteau aux fosses océaniques. La preuve fut magnétique. Le champ terrestre inverse sa polarité toutes les quelques centaines de milliers d'années, et la lave enregistre le champ en refroidissant. En 1963, Fred Vine et Drummond Matthews à Cambridge, et indépendamment Lawrence Morley au Canada, montrèrent que le plancher océanique est rayé de bandes d'aimantation alternées, symétriques par rapport à la dorsale : un magnétophone de l'expansion. Tuzo Wilson ajouta les failles transformantes et les chaînes de points chauds comme Hawaï, et en 1968 Jason Morgan, Dan McKenzie, Xavier Le Pichon et d'autres avaient assemblé la théorie de la tectonique des plaques : une douzaine de plaques rigides, épaisses de 100 kilomètres, se déplaçant sur un manteau plus mou.

Le saviez-vous ? L'Atlantique s'élargit d'environ 2,5 centimètres par an, à peu près la vitesse à laquelle poussent vos ongles, et les stations GPS le mesurent directement.

La théorie explique pourquoi séismes et volcans dessinent les bords des plaques, pourquoi l'Himalaya s'élève là où l'Inde pousse l'Asie depuis 50 millions d'années, pourquoi l'Islande se fend et pourquoi le Pacifique est ceinturé de feu. Elle guide la recherche du cuivre et du pétrole, l'implantation des centrales nucléaires et la prévision des tsunamis. Le positionnement par satellite observe désormais les plaques en temps réel, la plaque de Nazca glissant sous l'Amérique du Sud à quelque 7 centimètres par an.

Les continents de Wegener dérivent bel et bien, mais pas comme il l'imaginait : ils voyagent sur des plaques, et le plancher océanique est le moteur. L'hérésie de 1912 devint en soixante ans le principe organisateur de la géologie.

La sismologie : écouter la Terre

Personne n'a foré à plus de 12 kilomètres dans la Terre, et pourtant nous savons que la planète possède un noyau interne solide de 1 220 kilomètres de rayon, un noyau externe liquide et un manteau rocheux de 2 890 kilomètres d'épaisseur. Ce savoir vient des séismes. Un grand tremblement de terre fait sonner la planète comme une cloche, et les ondes qui la traversent se courbent, accélèrent, ralentissent ou disparaissent selon ce qu'elles rencontrent. La sismologie est l'art de lire ces ondes, et l'essentiel de l'intérieur de la Terre fut cartographié par elle en l'espace de trente ans.

L'instrument vint d'abord. Au Japon, dans les années 1880, l'ingénieur britannique John Milne et ses collègues construisirent les premiers sismographes fiables, des pendules traçant le mouvement du sol sur du papier enfumé, et en 1900 Milne avait installé un réseau mondial. Deux types d'ondes traversent le corps de la Terre : les ondes P, qui compriment et dilatent la roche comme le son, et les ondes S, plus lentes, qui la secouent latéralement. Les ondes S ne traversent pas les liquides. En 1906, Richard Oldham remarqua que les ondes P de séismes lointains arrivaient en retard dans une zone à l'opposé du globe, comme ralenties par quelque chose de dense : premier indice d'un noyau. En 1909, étudiant un séisme près de Zagreb, Andrija Mohorovičić constata que les ondes venues de sous la croûte voyageaient plus vite, révélant la limite qu'on appelle aujourd'hui le Moho. Beno Gutenberg fixa le sommet du noyau à 2 900 kilomètres en 1914, et en 1936 la sismologue danoise Inge Lehmann, intriguée par de faibles ondes P qui n'auraient pas dû atteindre la zone d'ombre, montra qu'un noyau interne solide devait les réfléchir.

Vint ensuite la magnitude. Charles Richter, au Caltech, conçut son échelle logarithmique en 1935 ; chaque unité signifie dix fois plus de mouvement du sol et environ 32 fois plus d'énergie. Les sismologues préfèrent aujourd'hui la magnitude de moment de 1979, qui mesure la surface de la faille et son glissement. Le plus fort séisme jamais enregistré, au Chili en 1960, atteignit 9,5 ; celui de Tōhoku en 2011, entre 9,0 et 9,1, déplaça la côte du Japon de plusieurs mètres vers l'est et lança le tsunami qui ravagea Fukushima.

Le saviez-vous ? Inge Lehmann conservait ses relevés sismiques sur des fiches rangées dans des boîtes de flocons d'avoine, et déduisit le noyau interne des seuls temps d'arrivée.

Des milliers de stations numériques alimentent aujourd'hui des ordinateurs qui imagent le manteau par tomographie, révélant des plaques de vieux plancher océanique qui s'enfoncent et des panaches qui montent sous Hawaï et l'Islande. Comme les ondes P devancent les ondes de surface destructrices, les systèmes d'alerte précoce du Japon, du Mexique et de la Californie envoient des alertes quelques secondes avant les secousses, assez pour arrêter les trains et fermer les vannes. Le même réseau surveille l'interdiction des essais nucléaires, distinguant une explosion d'un séisme à la forme de ses ondes. La sismologie a même atteint Mars, où l'atterrisseur InSight de la NASA a enregistré des séismes martiens de 2019 à 2022 et mesuré le noyau de cette planète.

La Terre ne peut être ouverte, mais elle peut être écoutée. Chaque séisme est une radiographie de la planète.

L'atmosphère

L'air pèse environ cinq millions de milliards de tonnes, et chaque mètre carré de sol en porte dix tonnes. Ce fut la découverte de 1643, lorsque Evangelista Torricelli, à Florence, retourna un tube de mercure dans une cuvette et vit la colonne se tenir à 76 centimètres, soutenue par rien d'autre que le poids de l'atmosphère pressant sur la cuvette. Cinq ans plus tard, Blaise Pascal envoya son beau-frère gravir le puy de Dôme avec un tel baromètre ; le mercure descendit de 8 centimètres pendant l'ascension, preuve que l'océan d'air s'amincit avec l'altitude.

Il s'amincit vite. La moitié de la masse de l'atmosphère se trouve sous 5,5 kilomètres, et les trois quarts dans la troposphère, la couche la plus basse, épaisse de 8 kilomètres aux pôles et de 18 à l'équateur, où se produit presque toute la météo et où la température baisse d'environ 6,5 degrés par kilomètre. En 1902, Léon Teisserenc de Bort, lançant des ballons-sondes depuis Trappes, près de Paris, découvrit qu'au-dessus de 11 kilomètres le refroidissement cessait : la stratosphère, calme et stratifiée, se réchauffe avec l'altitude parce que son ozone absorbe les ultraviolets. Au-delà de 50 kilomètres, la mésosphère se refroidit de nouveau jusqu'à moins 90 degrés, là où brûlent les météores ; au-delà de 85 kilomètres, la thermosphère s'évanouit dans les aurores et l'orbite de la Station spatiale internationale, à 400 kilomètres. La limite conventionnelle de l'espace, la ligne de Kármán, est fixée à 100 kilomètres.

En volume, l'air sec contient 78 pour cent d'azote, 21 pour cent d'oxygène, 0,9 pour cent d'argon et 0,04 pour cent de dioxyde de carbone, la vapeur d'eau variant de presque rien à 4 pour cent. Rien de cela n'était donné. L'oxygène fut produit par la photosynthèse, à partir de la Grande Oxydation il y a environ 2,4 milliards d'années, et la couche d'ozone qui permet la vie sur la terre ferme en est un sous-produit. Gordon Dobson, à Oxford, commença à mesurer l'ozone dans les années 1920, et l'unité de colonne d'ozone porte encore son nom.

Le saviez-vous ? Le trou dans la couche d'ozone fut découvert en 1985 par trois scientifiques du British Antarctic Survey avec un instrument des années 1950, à Halley Bay, alors que les satellites avaient été programmés pour rejeter des valeurs si basses comme des erreurs.

Ce relevé d'ozone produisit la découverte la plus lourde de conséquences sur l'atmosphère. Joe Farman, Brian Gardiner et Jonathan Shanklin rapportèrent dans Nature en 1985 que l'ozone printanier au-dessus de l'Antarctique avait chuté d'un tiers depuis les années 1970. Les chlorofluorocarbures des aérosols et des réfrigérateurs, comme Mario Molina et Sherwood Rowland l'avaient prédit en 1974, libéraient du chlore qui détruisait l'ozone à la surface des nuages stratosphériques polaires. Le protocole de Montréal de 1987 les a bannis progressivement, et le trou se résorbe lentement, avec une guérison attendue vers les années 2060.

L'atmosphère est aussi la scène de la prévision météorologique, assurée par des supercalculateurs nourris de sondages satellitaires, d'avions et de 1 000 ballons radiosondes lâchés deux fois par jour autour du globe, et celle de l'effet de serre que suivent les chapitres suivants. C'est une pellicule mince : ramenée à un globe d'école, elle serait plus fine que le vernis.

Les courants océaniques

La mer n'est pas immobile. Une parcelle d'eau qui plonge aujourd'hui au large du Groenland refera surface dans l'océan Indien ou le Pacifique dans environ mille ans, après avoir rampé au fond de l'Atlantique et contourné l'Antarctique. Les courants océaniques transportent chaleur, sel, carbone et vie autour de la planète, et ils expliquent pourquoi la Grande-Bretagne est plus douce que le Labrador à la même latitude.

La première carte scientifique fut une affaire postale. En 1769, Benjamin Franklin, alors maître des postes adjoint des colonies américaines, apprit de son cousin Timothy Folger, capitaine baleinier de Nantucket, que les navires postaux mettaient deux semaines de plus vers l'ouest parce qu'ils luttaient contre un courant puissant que les baleiniers connaissaient bien. Franklin fit graver le Gulf Stream sur une carte et mesura sa chaleur au thermomètre lors de ses traversées. Matthew Maury, de la marine américaine, rassembla les journaux de bord en premières cartes mondiales des vents et des courants dans les années 1850, et l'expédition du Challenger, de 1872 à 1876, sonda les grands fonds et trouva de l'eau froide au fond des tropiques, qui ne pouvait venir que des pôles.

La physique expliqua le schéma. L'océanographe suédois Vagn Walfrid Ekman montra en 1905 que le vent et la rotation terrestre font dériver l'eau de surface en biais par rapport au vent, engendrant les grands gyres qui tournent dans chaque bassin. Henry Stommel expliqua en 1948 pourquoi ces gyres s'entassent sur leur bord ouest en jets étroits et rapides comme le Gulf Stream et le Kuroshio japonais. Le Gulf Stream charrie environ 30 millions de mètres cubes par seconde dans le détroit de Floride, et plus de 100 millions au large de Terre-Neuve, soit plus de cent fois le débit de tous les fleuves du monde.

Le saviez-vous ? Une bouteille à la mer, ou un conteneur de canards en plastique perdu en 1992, peut faire le tour du gyre du Pacifique Nord en trois ans environ.

La circulation profonde est mue par la densité. Dans l'Atlantique Nord, l'eau de surface refroidie par les vents arctiques et salée par la formation de glace de mer devient assez dense pour plonger de plusieurs kilomètres ; autour de l'Antarctique, il en va de même avec une eau encore plus froide et plus lourde. Wallace Broecker baptisa cette boucle mondiale « grand tapis roulant océanique » en 1987 et avertit qu'elle pouvait s'arrêter. Depuis 2004, le réseau de mouillages RAPID, tendu à travers l'Atlantique à 26 degrés nord, mesure le renversement à environ 17 millions de mètres cubes par seconde, avec de fortes variations d'une année à l'autre. Quelque 4 000 flotteurs Argo, dérivant en profondeur et remontant tous les dix jours pour transmettre température et salinité, surveillent les océans depuis 2000.

Les courants rythment aussi le climat. El Niño, le réchauffement du Pacifique oriental tous les quelques ans que Jacob Bjerknes relia aux alizés en 1969, déplace les pluies de l'Indonésie vers le Pérou et sème la sécheresse en Australie. L'océan a absorbé environ 90 pour cent de la chaleur supplémentaire piégée par les gaz à effet de serre et un quart du dioxyde de carbone ; ses courants décident où va cette chaleur. Le raccourci postal de Franklin s'est révélé être le chauffage central de la planète.

Les âges glaciaires

Il y a vingt mille ans, une calotte de glace de trois kilomètres d'épaisseur couvrait le Canada, une autre ensevelissait la Scandinavie, et la mer était 120 mètres plus basse qu'aujourd'hui, si bien que la Grande-Bretagne était une péninsule de l'Europe. Ce n'étaient pas des légendes, mais le dernier de dizaines d'âges glaciaires, et les découvrir supposa d'abord d'admettre que la glace peut sculpter un paysage. En 1837, le naturaliste suisse Louis Agassiz, poussé par l'ingénieur des montagnes Ignace Venetz et le directeur de mines de sel Jean de Charpentier, annonça à une assemblée stupéfaite de Neuchâtel que les blocs épars du Jura et la roche striée des Alpes étaient l'œuvre de glaciers disparus. En dix ans, les géologues d'Écosse, de Scandinavie et d'Amérique du Nord reconnurent les mêmes signes. La Terre avait été bien plus froide.

Pourquoi ? En 1864, l'Écossais James Croll, concierge devenu physicien, proposa que de lents changements de l'orbite terrestre modifiaient l'ensoleillement des hautes latitudes. Le mathématicien serbe Milutin Milanković développa l'idée à la main entre 1912 et 1941, calculant comment trois cycles se combinent : l'étirement de l'orbite sur environ 100 000 ans, l'inclinaison de l'axe sur 41 000 ans, et le vacillement de l'axe sur quelque 23 000 ans. Quand les étés boréaux étaient faibles, la neige survivait et la glace croissait. Ses courbes prédisaient la chronologie des glaciations, mais les géologues n'avaient aucune archive assez précise pour les tester.

L'archive vint du fond des mers. L'oxygène des coquilles de foraminifères porte la signature de la quantité d'eau emprisonnée dans la glace lors de leur croissance, et en 1976 James Hays, John Imbrie et Nicholas Shackleton, analysant des carottes de l'océan Indien, retrouvèrent dans les données les rythmes de 100 000, 41 000 et 23 000 ans, les cycles de Milanković faisant office de « métronome des âges glaciaires ». La glace elle-même parla bientôt. La carotte soviétique de Vostok, en Antarctique, publiée en 1987, remontait à 160 000 ans ; la carotte européenne EPICA du dôme C, achevée en 2004, couvre 800 000 ans et huit cycles glaciaires. Les bulles piégées montrent le dioxyde de carbone oscillant entre 180 et 280 parties par million au rythme de la température, un amplificateur qui transforma de légères impulsions orbitales en bouleversements mondiaux.

Le saviez-vous ? Le lac Agassiz, lac de fonte au bord de la calotte en retrait, contenait plus d'eau que tous les Grands Lacs réunis, et sa vidange brutale a peut-être refroidi le climat pendant mille ans.

Les âges glaciaires ont façonné le monde moderne. Ils ont creusé les Grands Lacs et les fjords norvégiens, déposé les argiles à blocaux d'Angleterre et les lœss de Chine, et abaissé la mer assez pour que les humains passent à pied de Sibérie en Alaska. Des épisodes bien plus anciens allèrent plus loin : il y a environ 700 millions d'années, les glaciers atteignirent l'équateur, une « Terre boule de neige ». Nous vivons dans un interglaciaire commencé il y a 11 700 ans ; selon le calcul orbital, la prochaine glaciation serait à quelque 50 000 ans, mais le dioxyde de carbone aujourd'hui dans l'air, à plus de 420 parties par million, dépasse tout ce que contient l'archive glaciaire. L'horloge orbitale de Croll tourne toujours, mais nous avons changé l'amplificateur.

L'effet de serre

Sans son atmosphère, la Terre aurait une température moyenne d'environ moins 18 degrés Celsius : une boule gelée. Sa moyenne réelle avoisine plus 15. Les 33 degrés d'écart sont l'effet de serre : la lumière du Soleil traverse librement l'air et réchauffe le sol, mais la chaleur infrarouge que le sol renvoie est absorbée par la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et quelques autres gaz, qui en réémettent une grande part vers le bas. Le nom est une analogie approximative, car une vraie serre fonctionne surtout en empêchant l'air chaud de s'échapper ; la physique en jeu est celle du rayonnement.

Joseph Fourier, à Paris en 1824, fut le premier à calculer que la Terre devrait être plus froide qu'elle ne l'est et à suggérer que l'air retient la chaleur. En 1856, la scientifique américaine Eunice Foote remplit des cylindres de verre de différents gaz, les exposa au soleil et constata que celui contenant du dioxyde de carbone chauffait le plus et refroidissait le plus lentement ; son article fut lu à sa place lors d'une réunion scientifique à Albany, dans l'État de New York, puis oublié jusqu'en 2011. Trois ans plus tard, John Tyndall, à la Royal Institution de Londres, construisit un instrument mesurant l'absorption de l'infrarouge par les gaz et montra que l'azote et l'oxygène sont transparents tandis que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone absorbent fortement. Il en saisit la conséquence : changez ces gaz et le climat change.

Svante Arrhenius y mit des nombres. À Stockholm en 1896, après un an de calculs à la main, il estima que diviser par deux le dioxyde de carbone refroidirait la Terre de 4 à 5 degrés, assez pour une glaciation, et que le doubler la réchaufferait de 5 à 6. En 1938, l'ingénieur anglais Guy Callendar montra que le dioxyde de carbone et la température mondiale avaient déjà augmenté, et en 1958 Charles Keeling commença à mesurer le gaz au sommet du Mauna Loa, à Hawaï : 315 parties par million alors, plus de 420 aujourd'hui, en dents de scie au rythme des forêts boréales qui respirent chaque printemps. En 1967, Syukuro Manabe et Richard Wetherald bâtirent le premier modèle informatique traitant ensemble rayonnement et convection ; il donna environ 2,3 degrés de réchauffement pour un doublement du dioxyde de carbone, proche de la fourchette actuelle, et valut à Manabe une part du prix Nobel 2021.

Le saviez-vous ? Vénus, dont l'atmosphère est à 96 pour cent de dioxyde de carbone, a une température de surface d'environ 465 degrés, assez pour fondre le plomb, bien que son sol reçoive moins de lumière solaire que celui de la Terre.

Le bilan s'équilibre à quelques watts près. Des quelque 340 watts par mètre carré de lumière solaire reçus en moyenne, environ 100 sont réfléchis par les nuages, la glace et l'air, 80 sont absorbés dans l'atmosphère et 160 atteignent la surface. La surface rayonne près de 400 watts vers le haut, mais en reçoit quelque 340 du ciel ; seuls 240 s'échappent vers l'espace, autant qu'il en est entré. Ajouter du dioxyde de carbone élève l'altitude d'où la chaleur s'échappe enfin vers un air plus froid et plus ténu, de sorte qu'il en sort moins jusqu'à ce que tout le système se réchauffe assez pour rétablir l'équilibre.

Les satellites mesurent aujourd'hui l'infrarouge sortant et voient la bande d'absorption du dioxyde de carbone se creuser d'année en année, une empreinte que Tyndall reconnaîtrait. L'effet de serre rend la planète habitable ; le débat du siècle écoulé porte sur la dose supplémentaire que nous voulons.

Mesurer le changement climatique

Un seul thermomètre renseigne sur un jardin. Pour affirmer que la planète s'est réchauffée de 1,1 degré depuis la fin du XIXᵉ siècle, il faut un système d'observation qui couvre le globe, descende dans l'océan profond et remonte loin dans le passé, et se vérifie sans cesse. Mesurer le changement climatique est l'œuvre de milliers d'instruments et de plusieurs équipes indépendantes, et le tableau sur lequel elles s'accordent est désormais l'un des résultats les mieux testés de la science.

L'ancre est la courbe de Keeling. Les mesures de Charles Keeling au Mauna Loa, commencées en 1958 et poursuivies à travers les crises de financement par son fils Ralph, montrent le dioxyde de carbone grimpant de 315 à plus de 420 parties par million. Les relevés de température remontent plus loin. Les stations terrestres et les journaux de bord depuis 1850 sont assemblés par le Met Office Hadley Centre et l'université d'East Anglia en Grande-Bretagne, par la NASA et la NOAA aux États-Unis, par l'Agence météorologique du Japon et, depuis 2012, par Berkeley Earth, un projet lancé par le physicien Richard Muller pour vérifier si les autres s'étaient trompés ; il conclut que non. Tous s'accordent : la décennie 2011-2020 fut environ 1,1 degré plus chaude que 1850-1900, et le réchauffement s'accélère.

L'océan retient plus de 90 pour cent de la chaleur supplémentaire, c'est donc là que le signal est le plus net. Quelque 4 000 flotteurs Argo sondent les deux premiers kilomètres depuis 2000 ; les marégraphes depuis les années 1800 et les satellites altimétriques TOPEX/Poseidon et Jason depuis 1992 montrent la mer montant d'environ 20 centimètres depuis 1900, et actuellement de 3,7 millimètres par an. Les satellites GRACE, volant en formation à partir de 2002 et pesant la Terre par l'attraction exercée sur leurs orbites, ont trouvé que le Groenland perd quelque 270 milliards de tonnes de glace par an. Carottes de glace, cernes d'arbres, coraux et sédiments lacustres prolongent l'archive de milliers d'années ; c'est ainsi que Michael Mann et ses collègues tracèrent en 1998 la « crosse de hockey » montrant le réchauffement récent comme inhabituel en un millénaire.

Le saviez-vous ? La stratosphère s'est refroidie pendant que la surface se réchauffait, un motif qu'un Soleil plus brillant ne pourrait produire mais qu'un surplus de dioxyde de carbone doit produire : c'est pourquoi il compte comme une empreinte.

L'attribution est l'étape finale. Les nuits se sont réchauffées plus vite que les jours, les hivers plus vite que les étés, la stratosphère s'est refroidie, et le carbone de l'air porte la signature isotopique des combustibles fossiles. Chaque motif est une empreinte que les causes naturelles ne peuvent reproduire. Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, fondé en 1988, a résumé les preuves en six rapports d'évaluation ; celui de 2021 a qualifié l'influence humaine sur le climat de « sans équivoque ».

Le système a des lacunes, dans l'océan sous deux kilomètres, au-dessus de l'Afrique et des pôles, et dans les nuages qui restent la plus grande incertitude. Mais sa force est la redondance : satellites, bouées, ballons, thermomètres et glace concordent. Kelvin disait que mesurer, c'est connaître. La planète a été mesurée.

La Terre vue de l'espace

La première photographie de la Terre depuis l'espace fut prise le 24 octobre 1946 par un appareil 35 millimètres boulonné dans une fusée allemande V2 capturée, tirée depuis White Sands, au Nouveau-Mexique. À 105 kilomètres, elle saisit une courbe granuleuse d'horizon au-dessus des nuages. L'appareil se brisa à l'atterrissage, mais la pellicule, dans une cassette d'acier, survécut. En une génération, la vue d'en haut devint le principal moyen d'observer la planète : sa météo, ses glaces, ses forêts et ses changements lents mais mesurables.

La météo vint d'abord. TIROS-1, lancé le 1ᵉʳ avril 1960, renvoya 23 000 images de télévision de systèmes nuageux en 78 jours, et les prévisionnistes virent pour la première fois la spirale d'une tempête dans son ensemble. Les satellites géostationnaires, à partir de 1975, suspendus au-dessus de l'équateur, rendirent possibles les animations de nuages du journal télévisé ; aujourd'hui, aucun ouragan n'échappe à l'observation dès sa naissance. Le 24 décembre 1968, Bill Anders, d'Apollo 8, photographia le lever de Terre au-dessus du limbe gris de la Lune, et le 7 décembre 1972 l'équipage d'Apollo 17 prit la « Bille bleue », le disque entier éclairé avec l'Afrique et l'Antarctique. Les deux devinrent des icônes du mouvement écologiste.

La science suivit les images. Landsat 1, lancé en juillet 1972, inaugura la plus longue série continue d'observation des terres émergées, plus de cinquante ans d'images à 30 mètres de résolution, gratuites pour tous depuis 2008 : la déforestation en Amazonie, le rétrécissement de la mer d'Aral, l'étalement des villes, tous mesurés plutôt que disputés. Nimbus 7 cartographia l'ozone à partir de 1978 ; TOPEX/Poseidon mesura le niveau de la mer dès 1992 à quelques centimètres près par radar ; les satellites jumeaux GRACE, à partir de 2002, pesèrent nappes phréatiques, glaciers et calottes en sentant la traction sur leurs orbites. Le programme européen Copernicus, avec ses satellites Sentinel lancés à partir de 2014, image aujourd'hui chaque point de la Terre tous les quelques jours.

Le saviez-vous ? Le 14 février 1990, à six milliards de kilomètres, Voyager 1 tourna sa caméra vers la maison et enregistra la Terre comme un « point bleu pâle » de moins d'un pixel de large.

La vue orbitale a des conséquences pratiques à toutes les échelles. Les satellites météorologiques donnent des jours de préavis pour des cyclones qui tuaient jadis des centaines de milliers de personnes. Le radar de Sentinel-1 cartographie les inondations à travers les nuages et la nuit, et mesure l'affaissement des villes au millimètre. Les capteurs infrarouges repèrent les incendies en quelques minutes, et les instruments à dioxyde de soufre suivent les panaches volcaniques pour l'aviation. Le GPS, lui-même une constellation de 31 satellites, est devenu l'infrastructure invisible des transports, de la finance et de l'agriculture.

Les astronautes parlent d'un « effet de surplomb », le basculement qui vient de voir un monde sans frontières visibles et à l'atmosphère mince comme une pelure. Les instruments disent la même chose en chiffres : une seule planète, mesurée dans son ensemble, qui change en l'espace d'une vie humaine. L'horizon flou du V2 est devenu un miroir.