La Matière au point de vue physico-chimique

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La matière au point de vue physico-chimique
written by Jacques Solomon
1939
  • LA MATIERE AU POINT DE VUE PHYSICO-CHIMIQUE


  • ÉLÉMENTS ULTIMES DE LA MATIÈRE

Avant l'exposé de M. SOLOMON, M. LANGEVIN explique la division qui a été adoptée ici pour l'étude de la matière au point de vue physico-chimique. Il ne serait plus conforme à l'état actuel de la science de séparer cette étude en physique et en chimie, conçues comme des méthodes différentes s'appliquant à des domaines différents. Actuellement tous les domaines sont du ressort de la physique, tant théorique qu'expérimentale. On peut cependant garder le nom de la chimie pour ce qui a trait au domaine de la chimie classique, la structure atomique et moléculaire ; par analogie, on appellera chimie nucléaire l'étude de la structure des noyaux atomiques. Ainsi la distinction entre physique et chimie fait place à la distinction entre éléments ultimes considérés isolément et structures complexes formées au moyen de ces éléments ultimes.

Exposé

Il n'est pas, dans l'ensemble de la physique moderne, de domaine où l'on ait enregistré tant de progrès, tant de bouleversements, que dans l'étude des propriétés et des relations mutuelles des constituants élémentaires de la matière. On est allé dans les quarante dernières années de découverte en découverte, de surprise en surprise, à mesure que s'élargissait notre connaissance de ce caractère inépuisable de la matière dont parle un philosophe. Si, il y a quarante ans, il n'était question que d'électrons et d'atomes, nous parlons actuellement d'électrons, de protons, de neutrons, de mésotons, de neutrinos, de photons, formes bien diverses mais non indépendantes par lesquelles s'expriment les propriétés les plus fondamentales de la matière. Dans un exposé limité, je chercherai surtout à indiquer les propriétés essentielles de ce que nous considérons à l'heure pré-sente comme les constituants fondamentaux de la matière, en insistant sur leurs relations, sur leurs transformations réciproques.

I. L'Électron. — Nous commençons par l'élément fondamental dont l'existence et la signification ont été reconnues les premières : l'Électron. Comme l'indique son nom, sa découverte est liée à l'approfondissement de nos connaissances sur l'électricité à la fin du siècle dernier. On reconnut en effet que toute charge électrique est un multiple entier d'une charge élémentaire, la même quelle que soit la matière considérée (atomicité de la charge). On en déduisit l'existence dans la matière de parti-cules électrisées toutes identiques, hypothèse rapidement confirmée par des travaux comme ceux de MILLIKAN mesurant la charge individuelle de ces particules, ou ceux sur les rayons cathodiques permettant en même temps la mesure de leur masse. Disons de suite que tous ces électrons avaient une charge électrique négative. Quelle était alors l'image qu'on se faisait de l'électron il y a quarante ans ? Les physiciens avaient appliqué à ces infimes corpuscules la théorie électromagnétique de Maxwell-Lorentz qui avait trouvé de si remarquables confirmations dans le domaine des corps macroscopiques. Ils en déduisaient qu'un électron en repousse un autre exactement comme deux balles électrisées de même signe se repoussent (loi de Coulomb). Mais on va alors se heurter à une difficulté essentielle : dans la mécanique classique, on considère depuis fort longtemps la matière concentrée en des points géométriques, sans dimensions finies, ces points étant à l'origine des forces qui leur permettent, malgré leur caractère ponctuel, de modifier à distance le mouvement des autres points matériels. Or si l'on cherche à introduire cette conception du point matériel dans la théorie électromagnétique, on se heurte immédiatement à une impossibilité : l'inertie électromagnétique de ce point est infinie, c'est-à-dire qu'il faudrait un travail infini pour modifier tant soit peu son état de mouve-ment ; en d'autres termes, le caractère ponctuel, à la BOSCOVITCH, de l'électron est incompatible avec la masse finie, bien déterminée que lui assignent les mesures. Si l'on doit abandonner l'idée de l'électron ponctuel, peut-on le considérer comme de dimensions finies ? On montre bien qu'une petite sphère dont le rayon est à peu près égal au carré de la charge électronique divisé par le produit de sa masse par le carré de la vitesse de la lumière (soit environ 10^(13) centimètres) possède une inertie conforme à l'expérience. Mais surgissent alors bien des difficultés ; l'essentielle est la suivante : si l'on considère l'électron comme non ponctuel, en quelque sorte comme un globule d'électricité étendu, on renonce par là même à l'atomicité de l'électricité ; on considère, ne serait-ce que pour le calcul, des charges inférieures à la charge électronique fondamentale ; par exemple on pourra isoler par la pensée dans l'électron deux petits éléments d'espace et se demander quelle action électro-magnétique ils ont l'un sur l'autre. Et le calcul montre qu'un tel édifice est dépourvu de stabilité, qu'il doit immédiatement éclater en infimes fragments possédant chacun une charge infiniment inférieure à la charge électronique, ce qui est absolument contraire à l'expérience. Ainsi le modèle étendu de l'électron est-il incompatible avec la stabilité de l'électron, et Poincaré avait été conduit à imaginer l'existence d'une pression (pression de Poincaré), d'origine non électromagnétique et spécialement chargée d'assurer la stabilité électronique. Depuis, ce problème a fait l'objet d'un très grand nombre de travaux, parmi lesquels il faut surtout citer ceux de Boni et de Dirac, mais il ne paraît pas qu'on soit encore arrivé à une solution satisfaisante. Sans doute s'agit-il là, nous y reviendrons plus loin, d'un des problèmes des plus difficiles que pose notre physique : celui des relations entre matière et espace. Il ne peut être question ici d'exposer l'histoire de la théorie des quanta, et des modifications qu'elle a imposées à notre conception de l'électron. Contentons-nous simplement de rappeler les étapes essentielles. On sait que l'origine de la théorie quantique de la matière réside dans la reconnaissance de la contradiction qui existe entre la discontinuité des atomes et la continuité du modèle que la mécanique classique (y compris l'électromagnétisme) en conçoit : les propriétés chimiques qui caractérisent les atomes et les molécules ont un caractère discontinu d'une espèce à l'autre et identique à l'intérieur d'une même espèce (quelque petit que soit un fragment d'une espèce chimique donnée, les propriétés en restent invariables), de même d'ailleurs que leurs propriétés spectrales ; la lumière émise par un atome donné a exactement la couleur caractéristique de l'espèce. Au contraire, le modèle planétaire de l'atome (électrons circulant autour d'un noyau central positif) admettait pour un nombre de particules données dans l'atome une infinité continue de configurations également possibles, et se transformant les unes dans les autres à la faveur des chocs, voire même par suite du rayonnement même de l'atome, image en contradiction complète avec cette stabilité caractéristique des propriétés chimiques et spectroscopiques de l'atome. La première solution de cette contradiction fut formulée, pour l'atome d'hydrogène, par N. Bohr en 1913 : il admit que, parmi toutes ces configurations que permet de prévoir la théorie classique, seules sont stables, réalisées dans la nature, un certain nombre d'entre elles, correspondant à une suite discrète de niveaux d'énergie. En somme Bohr gardait l'image d'un électron ponctuel gravitant autour du noyau positif, se contentant d'apporter des restrictions aux trajectoires possibles. Par la suite, cette conception se heurta à de très importantes difficultés lorsqu'il s'agit de passer au cas de l'atome d'hélium (deux électrons), et ce n'est que vers 1925, avec L. de Broglie et Schrödinger d'une part, avec Heisenberg, Born, Dirac, d'autre part, que la solution générale de ces difficultés fut formulée sous le nom de mécanique quantique ou mécanique ondulatoire. Dans l'idée primitive de L. de Broglie, telle qu'elle fut reprise et développée par Schrödinger en particulier, le nom même de mécanique ondulatoire impliquait qu'on renonçait en quelque sorte à l'idée de l'électron ponctuel, tout au moins dans le domaine du microscopique. Il semblait quo les propriétés de l'électron à cotte échelle — en particulier comme le montrent les remarquables phénomènes de diffraction des électrons —fussent davantage ondulatoires que corpusculaires, de même que dans le cas de la lumière, si l'on peut dans certains cas (réflexion, réfraction, passage à travers des orifices d'assez grandes dimensions) assimiler la lumière à un flux de corpuscules ayant une vitesse de 300.000 kilomètres à la seconde, il n'en est pas moins exact qu'en général, et particulièrement quand les orifices par où passe la lumière sont très étroits, la conception ondulatoire de la lumière est seule à pouvoir rendre compte des faits expérimentaux. Dans cette première conception de la mécanique ondulatoire dont il est question ici, la particule se dissout dans l'onde ; l'onde est la réalité matérielle elle-même et l'aspect corpusculaire ne peut apparaître que secondairement, soit comme singularité dans l'onde, soit même simplement comme un point où l'amplitude de l'onde passe par un maximum. On s'écartait donc ici de façon considérable de l'image traditionnelle de l'électron corpusculaire. Mais cette conception ne fut pas confirmée par l'évolution ultérieure de la mécanique des quanta. On en arriva vite à la conception qui prévaut toujours aujourd'hui : l'interprétation statistique de l'onde. L'onde n'est pas l'électron lui-même, niais caractérise ses rapports avec les instruments de mesure, avec l'extérieur : l'amplitude de l'onde en un point marque la probabilité de présence de l'électron considéré en ce point (ondes de probabilité). On le voit : la façon même de poser la question « trouver l'électron en un point » montre bien que l'on était revenu à l'image corpusculaire, ponctuelle ou quasi-ponctuelle de l'électron. Ainsi, malgré les progrès très considérables réalisés, on en était toujours au même point quant à la « nature de l'électron » : c'est qu'en réalité ces progrès se rapportaient essentiellement à une connaissance plus précise des lois du mouvement de l'électron dans un champ de forces rapidement variable mais néanmoins dont la rapidité de variation n'est pas sensible sur les dimensions que nous avons assignées plus haut à l'électron. En d'autres termes, comme l'a souligné à maintes reprises N. Bohr, le problème résolu par la mécanique quantique et le problème de la stabilité de l'électron étaient distincts, ne réagissaient pas l'un sur l'autre, tout au moins en première approximation, les dimensions de l'atome étant 80.000 fois plus grandes que celles dont nous avons parlé plus haut au sujet de l'électron, de sorte que le fait que l'électron est ponctuel, ou sphérique, ou a toute autre forme, n'influe pas sensiblement sur les résultats de la mécanique quantique. Mais, comme nous allons le voir, la combinaison de la mécanique des quanta avec la théorie de la relativité devait nous permettre de perfectionner considérablement notre connaissance sur les propriétés élémentaires de l'électron. Tout d'abord l'étude détaillée des spectres atomiques conduisit à la remarquable découverte du spin de l'électron. Par là on veut dire que l'électron ne peut en aucun cas être considéré comme un corpuscule animé seulement d'un mouve-ment de translation, mais qu'il tourne en même temps sur lui-même, à la manière d'une toupie. Ce fait était naturellement peu compatible avec l'idée d'un électron ponctuel. En même temps on montrait que l'électron est porteur d'un moment magnétique, autrement dit qu'il n'a pas seulement les propriétés d'une petite charge électrique, mais qu'il a en même temps les propriétés d'un petit aimant. Si, depuis Ampère, il semblait que le magnétisme fût une conséquence de la circulation de l'électricité (courants particulaires d'Ampère), le fait qu'à la particule élémentaire électrique était attaché un moment magnétique (magnéton de Bohr) montrait qu'on pénétrait dans un nouveau domaine où les notions électromagnétiques courantes devaient être soumises à une profonde révision. La nécessité où nous sommes de réviser beaucoup de nos conceptions, ainsi reconnues périmées, sur les propriétés de la matière, ressort de façon particulièrement nette des questions relatives à la statistique des électrons. Il s'agit essentiellement du fait suivant : nous avons vu que, depuis les premières recherches de Bohr, on a reconnu qu'un électron, situé dans un champ électromagnétique donné, ne peut occuper qu'un des états stationnaires discrets, un des niveaux d'énergie possibles (qui sont dans la mécanique des quanta le correspondant des trajectoires privilégiées de la théorie primitive de Bohr). Mais si l'on passe au cas où plusieurs électrons sont présents, il est impossible que deux électrons (ou davantage) occupent simultanément le même état stationnaire. C'est là le principe d'exclusion, correspondant à ce que l'on appelle la statistique de Pauli-Fermi-Dirac. On jugera du caractère singulier et inattendu de ce principe si l'on se rapporte à l'exemple, plusieurs fois utilisé déjà, des trajectoires : qu'on imagine qu'il y ait interdiction pour une nouvelle planète de circuler sur la même orbite que la Terre, par exemple en opposition avec elle ! L'existence de ces propriétés d'exclusion équivaut à l'introduction d'une impénétrabilité d'un genre nouveau : il ne s'agit plus de l'impénétrabilité de deux boules qui se choquent, mais en quelque sorte de l'impénétrabilité des états de mouvement de ces deux particules. Si l'on veut encore, il s'agit de forces d'un caractère nouveau, qui ne sont en rien prévues par la théorie classique. Ce sont ces forces (forces d'échange) qui jouent un rôle essentiel dans les interactions entre atomes : elles ont permis entre les mains de HEITLER et de LONDON, d'autres encore, de rendre compte de façon très complète de la théorie des valences et d'achever ainsi dans la théorie atomique moderne la synthèse de la physique et de la chimie classiques. Mais si ces questions jouent un rôle fondamental dans la théorie des édifices atomiques ou moléculaires complexes, elles entraînent des conséquences essentielles dans le sujet qui nous occupe : les propriétés fondamentales de l'électron. C'est ce que nous permet de voir la théorie à la fois quantique et relativiste de l'électron, qui a été formulée par DIRAC et qui résume toutes nos connaissances sur celui-ci. En mécanique classique, la masse d'un corpuscule est toujours considérée comme essentiellement positive. Non pas qu'une masse négative soit théoriquement absurde : mais pour ralentir un corpuscule de masse négative, il faudrait lui donner de l'énergie, et nous ne connais-sons pas dans la nature de corps présentant de telles propriétés. Or, lorsqu'on cherche, comme l'a fait Dirac, à unir la théorie des quanta et la théorie de la relativité, on arrive au résultat paradoxal qu'au bout d'un temps très court, tous les électrons devraient avoir une masse négative. La solution de cette importante difficulté a été apportée par Dirac lui-même dans sa fameuse théorie du vide. Il suppose que tous les états de masse négative sont occupés par des électrons, de sorte que ce que nous appelons. vide est en réalité rempli par de la matière. Comme ces états sont tous occupés, par suite du principe d'exclusion rappelé plus haut il est impossible à un électron ordinaire de passer dans un état où sa masse serait négative ; par là est supprimée cette difficulté. Mais on peut aller plus loin : cette matière qui remplit de façon continue ce que nous appelions le vide échappe à notre observation par son uniformité même et ce sont seulement les écarts à partir de cette uniformité qui nous sont perceptibles. Par exemple, si pour une raison ou une autre un état particulier de masse négative n'est pas occupé, s'il y a un trou, une lacune dans la distribution continue, cette lacune se manifestera à nous, et la prévision de la théorie est qu'elle prendra toutes les propriétés d'un électron ordinaire dont la charge serait positive et non négative. Ainsi cette théorie permettait de pré-voir l'existence d'électrons identiques au signe près de la charge (négatons et positons). On sait que cette prévision théorique a été brillamment confirmée par l'expérience. Par exemple un rayonnement électromagnétique suffisamment pénétrant (rayonne-ment des corps radioactifs), passant près d'un centre électrisé, donne lieu à création d'une paire d'électrons des deux signes. On dit qu'il y a eu matérialisation du rayonnement. En réalité, on le voit, il s'agit simplement du fait que le rayonnement a arraché un de ces électrons « invisibles », en a fait par l'apport de son énergie un électron de masse positive, donc « visible », tandis que la lacune ainsi créée dans la distribution continue d'électrons « invisibles », apparaît sous forme d'un électron de charge positive. Inversement un électron de charge positive et un électron de charge négative peuvent s'annihiler réciproque-ment, disparaître, en même temps qu'est émis du rayonnement électromagnétique. Cette dématérialisation des électrons correspond au processus inverse du précédent, au retour d'un électron à l'état « invisible ». Il ne faut donc pas attacher un sens trop littéral à ces expressions de matérialisation et de dématérialisation qui indiquent simplement des passages d'un état matériel à un autre... Bien d'autres conséquences peuvent être déduites de cette théorie du vide. Qu'il nous suffise d'indiquer ici que cette théorie entraîne l'existence d'une diffusion de la lumière sur la lumière. Dans la théorie habituelle, si deux faisceaux lumineux se rencontrent dans le vide, ils ne s'influencent en aucune façon, la couleur de l'un des faisceaux n'est en rien modifiée par la présence ou l'absence de l'autre. Ici, il en est autrement : ce vide, rempli d'électrons « invisibles », va jouer un rôle actif et permettre les échanges d'énergie entre les deux faisceaux lumineux, modifiant leurs couleurs. Or cette absence d'influence réciproque de deux faisceaux lumineux dans la théorie classique est ce qu'on appelle le principe de superposition, équivalant au fait que toutes les équations de l'électrodynamique classique sont linéaires. Ce principe avait été conservé intégralement dans la théorie des quanta et les équations de l'électrodynamique quantique sont linéaires elles aussi. La théorie du vide de Dirac nous fait donc pressentir qu'il faudra sans doute ne pas en rester là et envisager des théories non linéaires dont la théorie linéaire actuelle ne serait que la première approximation. C'est ce qu'a essayé de faire Born en particulier. Mais il faut reconnaître qu'à côté de ces succès incontestables de la théorie, on en est toujours resté à la conception de l'électron ponctuel et que toutes les difficultés que connaissait la théorie classique, la théorie quantique de Dirac les a retrouvées. Mais ici la situation est à la fois plus compliquée et plus riche d'espérances : la théorie du vide nous permet d'aller plus profondément dans la pénétration des propriétés élémentaires de l'électron ; en particulier le fait que l'univers est rempli d'électrons « invisibles » nous permet de placer sur un plan nouveau la vieille question de la forme de l'électron, c'est-à-dire de ses rapports avec l'espace. On ne peut plus parler, maintenant, d'un électron isolé dans l'espace, comme le faisait la théorie électro-magnétique classique, chaque électron est en relation continue avec cette infinité d'électrons qui constitue le « vide » selon la nouvelle conception quantique.

II. Protons et neutrons. — Nous avons vu comment on était arrivé à se représenter l'atome, comme constitué par un certain nombre d'électrons gravitant autour d'un noyau central positif. Pour l'examen des, propriétés chimiques et spectroscopiques de l'atome, il suffirait du reste de considérer le noyau comme une charge ponctuelle, seule l'importance de la charge totale du noyau jouant un rôle dans ces phénomènes. On savait en effet que les dimensions du noyau sont de l'ordre de 10^(-12) centimètres tout au plus, donc comme nous l'avons vu, négligeables devant les dimensions atomiques. L'enrichissement de nos connaissances sur les structures atomiques, l'étude des phénomènes de radioactivité (naturelle ou provoquée) ont permis d'aborder avec fruit l'étude de la structure des noyaux atomiques. Disons de suite que malgré les magnifiques résultats déjà obtenus, cette étude n'en est qu'à ses débuts. Après la découverte des isotopes, c'est-à-dire après que l'on eut reconnu qu'en fait les masses des noyaux atomiques sont toutes très voisines d'un multiple entier de la masse du noyau d'hydrogène ou proton, (les écarts étant interprétés par la théorie de la relativité comme mesurant l'énergie de liaison de ces noyaux complexes) il était tout naturel de revenir à la vieille hypothèse de Prout, c'est-à-dire de concevoir les noyaux comme formés de protons. Par exemple, le noyau d'hélium (ou particule) de nombre de masse 4 serait constitué par 4 protons. Mais comme la charge de ce noyau n'est que de 2 charges électroniques, il s'ensuit qu'outre les 4 protons, il doit y avoir 2 électrons dans ce noyau ; on comprend ainsi la stabilité du noyau, les 2 électrons servant en quelque sorte de ciment pour les 4 pro-tons qui se repoussent mutuellement. Mais de nombreuses difficultés s'élevèrent alors, quand on chercha à préciser le rôle de ces électrons dans les noyaux. Que ce soit du côté du spin, de la statistique, etc... il semble que les électrons présents dans les noyaux perdent toutes leurs propriétés, hormis leur charge. Un exemple très caractéristique est fourni par les éléments radioactifs qui émettent spontanément des électrons (radioactivité beta). Dans le modèle qui nous occupe, cette émission apparaît simplement comme l'expulsion d'un électron qui existait auparavant dans le noyau. Or l'étude des radioactivités provoquées nous a fait connaître l'existence de noyaux qui peuvent émettre soit un électron de charge positive, soit un électron de charge négative (c'est par exemple le cas de l'argent radioactif de nombre de charge 47 et de nombre de masse 106 qui peut soit émettre un positon en se transformant en palladium, soit émettre un négaton en se transformant en cadmium). Mais il est bien clair que positons et négatons ne peuvent préexister simultanément dans le noyau sans s'annihiler réciproquement, comme nous l'avons vu plus haut. La solution de ces difficultés a été apportée par la découverte expérimentale du neutron, due aux efforts de Frédéric et Irène JOLIOT-CURIE, de CHADWICK, de BOTHE, etc... Le neutron est un corpuscule de même masse que le proton mais sans charge. Ainsi le noyau d'hélium devra être considéré comme formé de 2 protons et de 2 neutrons : on peut se passer des électrons pour comprendre la constitution des noyaux atomiques. Les propriétés du neutron ne peuvent être déduites pour le moment que d'expériences directes, assez difficiles, on le conçoit aisément. Il n'était, en effet, en rien prévu par la théorie antérieure : avec un électron et un proton on ne peut former qu'un atome d'hydrogène — il est impossible de les fusionner davantage. Tout d'abord la masse du neutron est presque égale à celle (lu proton, mais un peu plus forte qu'elle. Cela veut dire, d'après la théorie de la relativité, que le contenu énergétique du neutron est plus important que celui du proton, que, si le neutron peut se transformer en proton, une certaine quantité d'énergie sera dégagée. Quoique la différence de masses soit faible (1 pour 1000 en valeur relative), on calcule aisément que la transformation d'un gramme de neutrons en un gramme de protons dégage une énergie de 10 millions de grandes calories (soit l'énergie dépensée par un avion se rendant de France en Amérique). Sans insister ici sur les perspectives que peut nous offrir l'utilisation de cette énergie (et que les expériences récentes de Joliot et de ses collaborateurs semblent singulièrement rapprocher), signalons simplement l'importance que présentent ces considérations pour la recherche de l'origine des immenses énergies stellaires. On a pu également étudier la façon dont les neutrons entrent en action avec les protons, ou avec d'autres neutrons, soit au moyen d'expériences de choc, soit par l'étude des noyaux les plus légers dont l'un en particulier, le deuton (hydrogène lourd) constitué d'un proton et d'un neutron joue le même rôle pour tous ces problèmes que l'atome d'hydrogène pour la théorie de la structure atomique. Ce qui caractérise surtout ces interactions, c'est que ce sont des interactions à très courte distance. Entre deux protons par exemple existe une interaction, celle de leurs charges électriques, qui, conformément à la loi de Coulomb décroît quand augmente la distance qui les sépare. Ici, on peut dire que l'interaction est pratiquement nulle dès que la distance des deux particules dépasse une certaine distance qui est très courte, de l'ordre des dimensions même des particules en question, de telle sorte que dans bien des cas, le choc de deux neutrons ou d'un proton et d'un neutron est très largement assimilable à celui de deux boules élastiques dont les trajectoires ne s'influencent en rien, quelque rapprochées qu'elles soient, en dehors du très bref instant du choc. Ce qui est aussi très remarquable, c'est qu'il semble bien que l'interaction entre proton et neutron est très exactement égale à l'interaction entre neutrons, autrement ait que la présence sur l'une des particules d'une charge électrique ne modifie en rien l'interaction avec l'autre. Il s'agit donc lien d'interactions d'un type nouveau, ne rentrant pas dans le cadre des interactions électromagnétiques déjà connues. Enfin, nous noterons que le neutron est, comme le proton ou l'électron, doté d'un spin. Ce qui est remarquable, c'est que, malgré son absence de charge électrique, il est porteur d'un moment magnétique ; si le proton se comporte au point de vue électromagnétique comme une charge électrique et un petit aimant à la fois, le neutron se comporte comme un petit aimant de direction opposée à celui dont le proton est porteur. Nous verrons plus loin comment on peut tenter de l'expliquer. Nous avons vu que le neutron peut énergétiquement se trans-former en proton. Comme la charge doit être conservée, il doit en même temps y avoir émission d'un électron. C'est ce qu'on appelle la désintégration p. Or, c'est un fait connu depuis long-temps, et bien remarquable, que lorsqu'on mesure l'énergie emportée par cet électron, on ne retrouve pas la différence entre l'énergie du noyau initial et celle du noyau final. Il semble qu'une partie de l'énergie ait disparu d'une manière quelconque et l'on a pu ainsi être amené à mettre en question le principe de conservation de l'énergie lui-même. Pourtant les recherches ultérieures ont montré qu'on aboutit alors à un certain nombre de contradictions et que le plus sage est, suivant une hypothèse émise par Pauli et perfectionnée par Fermi, d'imaginer que l'énergie manquante est emportée par une autre particule suffisamment pénétrante pour échapper à l'expérience. Telle est la définition du neutrino, particule qui n'est guère définie ainsi que par différence. Elle n'a pas de charge électrique, pas de moment magnétique, sa masse est très probablement nulle, elle a un spin égal à celui de l'électron. Une telle particule n'a que de très faibles chances d'entrer en interaction avec la matière et l'on montre que dans l'air par exemple un neutrino parcourt plusieurs kilomètres avant d'éprouver un choc. Quoi qu'il en soit, le problème du neutrino, de sa nature, de sa relation possible avec d'autres particules est un des plus énigmatiques de la physique moderne. Il serait très intéressant d'avoir des renseignements directs sur lui, mais quoique cela n'apparaisse pas impossible, les méthodes expérimentales ne sont pas encore assez précises pour y arriver. Terminons ces considérations sur les protons et les neutrons en examinant la question de leur charge électrique. Nous avons vu qu'il existe des électrons de charge positive et des électrons de charge négative. Nous venons de voir qu'il existe des protons de charge positive et des protons de charge nulle (les neutrons) ; la question se pose alors s'il n'existerait pas également des protons de charge négative ou protons négatifs. Jusqu'ici il n'a pas été possible de manifester leur existence de façon nette tant dans les radioactivités naturelle ou provoquée que dans le rayonne-ment cosmique (quoiqu' ici cela n'apparaisse pas pour absolu-ment exclu). C'est pourquoi nous nous contenterons de signaler, à titre spéculatif, la possibilité d'existence de mondes « inversés », où les rôles du + et du - seraient échangés : où, par exemple, un atome d'hydrogène serait constitué par un positon gravitant autour d'un proton négatif. Spectroscopiquement, il serait impossible de distinguer une nébuleuse « inversée s d'une nébuleuse « normale ».

III. Mésotons. — Le mésoton ou méson est la particule découverte le plus récemment ; sa présence n'a été jusqu'ici décelée de façon directe que dans le rayonnement cosmique. Il y a des mésotons chargés positivement et négativement, la charge étant de toute façon égale à celle de l'électron. Quant à la masse, on n'a pu encore la déterminer avec précision : les divers résultats expérimentaux la montrent comprise entre 150 et 200 fois la masse de l'électron, d'où le nom d'électron lourd qui lui a été donné quelquefois au début. Nous n'avons jusqu'ici que très peu de renseignements directs sur le mésoton. Des considérations théoriques générales montrent que ses propriétés doivent être décrites par une équation, dite équation de Proca, qui est pour le mésoton ce qu'est l'équation de Dirac pour l'électron. Le mésoton possède un spin, égal à deux fois celui de l'électron ou du proton ; il ne satisfait pas au principe d'exclusion : autrement dit un nombre quelconque de mésotons peuvent occuper un état d'énergie déterminé, il n'y a pas impénétrabilité des états dans le sens que nous avons indiqué plus haut (statistique de Bose-Einstein). On suppose que ces mésotons « cosmiques » sont engendrés dans la haute atmosphère par des chocs d'électrons de très grande énergie, sur les noyaux d'oxygène, d'azote, etc... Par exemple, un électron en heurtant un proton le transformera en neutron avec émission d'un mésoton positif. Le mésoton apparaît alors comme un éclat de proton pour ainsi dire. Nous allons retrouver ce point un peu plus loin. Un caractère essentiel du mésoton, tel que nous l'enseignent les résultats expérimentaux sur le rayonnement cosmique; est qu'il n'est pas stable. Il se désintègre en effet spontanément, se décomposant en un électron et un neutrino. Son instabilité est d'ailleurs grande : au repos un mésoton se désintègre en quelques dix-millionièmes de seconde. Mais si le mésoton est en mouvement rapide, par suite de la théorie de la relativité et de la dilatation du temps qu'elle entraîne, il durera plus longtemps et pourra ainsi parcourir un très long trajet avant de disparaître : c'est ce qui a lieu pour les mésotons du rayonnement cosmique et qui a permis de les mettre en évidence. Ainsi un mésoton positif se décomposera spontanément en un positon et un neutrino, un mésoton négatif en un négaton et un neutrino. Cela ne signifie pas que le mésoton soit un édifice complexe, pas plus qu'on ne peut dire qu'un atome d'hydrogène excité renferme comme constituant le rayonnement électromagnétique qu'il est susceptible d'émettre -- mais on voit par là combien est devenue plus difficile à saisir la notion de particule élémentaire, en même temps que se précisent les relations entre les diverses formes de corpuscules. Nous venons de voir qu'un électron peut arracher un mésoton positif d'un proton, si toutefois son énergie est suffisante. Il convient ici de signaler qu'antérieurement à la découverte des mésotons dans le rayonnement cosmique par ANDERSON et NEDDERMEYER, le physicien japonais YUKAWA avait été conduit par des spéculations théoriques à introduire de telles particules pour expliquer la nature des interactions entre protons et neutrons. Le mésoton apparaît ici comme l'intermédiaire matériel, le porteur d'interaction en quelque sorte entre les deux parti-cules nucléaires. On admettra que le proton (comme le neutron) est environné normalement d'une atmosphère de mésotons, comme un liquide en équilibre avec sa vapeur, tantôt l'émettant, tantôt l'absorbant. Si alors une autre particule nucléaire, un neutron par exemple, s'approche de cette atmosphère, il pourra y avoir échange de mésotons entre les deux : par exemple un mésoton sera émis par le proton et réabsorbé non par lui, mais par le neutron, d'où interaction, passage d'énergie du proton au neutron. Cette théorie a été depuis développée avec beaucoup de succès par divers physiciens et semble de nature à nous donner l'explication des interactions nucléaires, des propriétés magnétiques du neutron, etc... On remarquera le caractère remarquable de ces interactions : dans les conceptions anciennes de la physique, le choc immédiat devait être la base de toute interaction ; sous l'influence de Newton on introduisit des actions à distance. Ici on revient dans une certaine mesure à la première conception, les mésotons matérialisant en quelque sorte l'inter-action entre particules nucléaires. Pour conclure ce chapitre, signalons qu'à côté de ces mésotons positifs et négatifs qui ont été découverts dans le rayonnement cosmique, il semble nécessaire, tout au moins pour l'interprétation théorique correcte des phénomènes nucléaires, d'introduire des mésotons neutres (neutrettos), mais leur existence ne peut passer encore pour assurée.

IV. Le photon. — Il nous reste à examiner rapidement la question du champ électromagnétique et de son aspect à la lumière de la théorie moderne des quanta. Il n'est pas nécessaire ici d'insister sur le lien étroit qui unit le champ électromagnétique et la matière au sens banal du mot ; toutes les manifestations de la matière— tout au moins dans la théorie quantique habituelle — sont d'ordre électromagnétique, et le champ électromagnétique ne nous est perceptible que par son action sur la matière. Les bases de la théorie électromagnétique ont été formulées à la fin du siècle dernier par Maxwell et Lorentz sous la forme d'équations différentielles linéaires décrivant la propagation d'ondes à travers l'espace et le temps. Lorsqu'on passa à l'étude des champs électromagnétiques extrêmement faibles, il fut nécessaire, comme le montra Einstein en 1905 à propos de l'effet photoélectrique, d'apporter des modifications à la théorie de Maxwell. Il fallait en effet, d'après Einstein, admettre que l'énergie électromagnétique n'était pas répartie uniformément sur toute l'onde, mais comme concentrée en petits grains d'énergie, les quanta de lumière. En somme on revenait en quelque sorte à une théorie corpusculaire de la lumière, l'énergie com-prise dans chaque quantum de lumière étant égale à la fréquence de la lumière multipliée par une constante universelle, la fameuse constante de Planck. Mais tout de suite de grandes difficultés s'élevaient : l'électron, quantum d'électricité, a une individualité qui lui est garantie par sa charge électrique, invariante, insécable ; au contraire, pour le photon, quantum de lumière, la fréquence qui le caractérise n'a aucun caractère invariant et dépend du système de référence utilisé (effet Doppler). Comme Planck le faisait remarquer peu après qu'Einstein eut lancé sa théorie, ces particules de lumière sont définies par une fréquence, mais par quoi est définie cette fréquence, sinon par un phénomène ondulatoire, c'est-à-dire par ce que l'image corpusculaire elle-même doit remplacer ? Nous touchons là à une des questions les plus délicates de la physique moderne. Il semble qu'ici s'opposent deux conceptions : pour l'une, le photon est un point lumineux, le rayonnement électromagnétique concentré en une très petite région de l'espace ; pour l'autre conception (quantification des champs) le photon est un aspect global du champ, faisant participer à sa définition la nature du champ dans son ensemble. On ne peut pas dire actuellement que le photon représente une individualité physique comme l'électron. Il représente dans certains cas un aspect des échanges discrets d'énergie entre champ électromagnétique et systèmes matériels proprement dits. Signalons pour terminer que L. de Broglie a tenté de relier la théorie de la lumière et la théorie des neutrinos en assimilant le photon à un couple de neutrinos. Mais cette conception qui présente l'intérêt de fournir une relation nouvelle entre deux particules élémentaires se heurte à nombre de difficultés.

V. Conclusions. — Peut-être sera-t-on désappointé de voir surgir tant de nouvelles particules, alors qu'il y a quelques années proton et électron symbolisant les électricités positive et négative semblaient suffire à rendre compte des propriétés de la matière. Aujourd'hui le tableau est bien plus complexe :

  • MASSE - CHARGE
  • lourd - moyen - léger
  • positif - neutre - négatif
  • proton - neutron - (proton négatif)
  • mésoton positif - (neutretto) - mésoton négatif
  • positon - (neutrino) - négaton

Néanmoins, nous l'avons vu à plusieurs reprises, ces constituants ne sont pas indépendants. Ils se combinent, se trans-forment les uns dans les autres : un neutron peut se transformer en proton avec émission d'un électron et d'un neutrino ; un mésoton se désintègre en un électron et un neutrino. Déjà l'atome, comme le montre sa stabilité si particulière, est en quelque sorte plus que la réunion d'un noyau positif et d'un certain nombre d'électrons. Mais ici la fusion est encore plus poussée et dans les propriétés du mésoton on ne retrouve rien (en dehors de la charge) des propriétés de l'électron auquel il donnera naissance par la suite. Tel est donc le premier aspect qui mérite de retenir notre attention : relations étroites entre ces divers constituants de la matière, dans l'indépendance apparente de leurs propriétés. Par là se retrouve l'unité de la matière. Un second aspect important de ces questions est la forme nouvelle qu'a prise la notion d'interaction. Dans la conception ancienne, le champ par lequel une particule matérielle agissait sur une autre, lui était extérieur en quelque sorte, c'était l'intermédiaire non matériel qui reliait les deux particules. Au contraire, on l'a vu dans ce qui précède, le peu que la théorie de la relativité avait laissé à la notion de force, la théorie moderne des quanta ne l'a pas épargné : les particules élémentaires entrent directement, immédiatement et matériellement en interaction les unes avec les autres. Nous avons d'ailleurs vu avec la théorie des électrons de Dirac, que le vide, qui est l'accompagnant direct de la notion de force, est maintenant rempli de matière, et que l'existence de cette matière est manifeste en bien des cas. Ceci naturellement n'est pas pour interdire l'usage de la notion de force, si commode dans bien des problèmes, mais pour en préciser le champ d'application. Enfin le point essentiel sur lequel il me faut attirer l'attention, est que subsistent encore entièrement dans la théorie moderne des quanta les difficultés auxquelles se heurtait déjà la théorie électromagnétique classique quand elle cherchait à obtenir une représentation de l'électron : conception ponctuelle ou conception étendue. Cette nécessité d'expliquer la stabilité de l'électron et des autres particules dans ces théories conduit à leur assigner une « structure », en quelque sorte, et cette idée de structure ne semble pas compatible avec le caractère élémentaire de la particule. Au fond, nous l'avons vu, c'est le vieux problème des relations entre matière et espace qui reste posé. La conception classique d'un espace-temps indifférent à la présence de la matière qu'il « contient » est désormais dépassée par la marche même de nos connaissances sur la matière comme sur l'espace et le temps. Déjà dans la théorie générale de la relativité, nous avions vu se poursuivre une réduction du champ matériel de gravitation à des propriétés géométriques de l'espace, la masse matérielle apparaissant comme une singularité du champ. Depuis le succès de cette théorie, de nombreux essais ont été faits pour comprendre dans une théorie géométrique les propriétés électromagnétiques comme gravitationnelles de la matière, pour généraliser d'une façon adéquate la géométrie euclidienne (Weyl, Eddington, Einstein et Mayer, Klein). Mais ce qui semble apparaître de plus en plus nettement, c'est qu'on ne pourra arriver à expliquer complètement les propriétés de la matière par une géométrie, si compliquée soit-elle, de l'espace vide. Ce vers quoi on va, comme le montre la théorie même du vide de Dirac, c'est vers une théorie unitaire de la matière et de l'espace-temps, où seront liés étroitement les problèmes de localisation dans l'espace et dans le temps avec la matière à laquelle ces problèmes se rapportent. Dans une telle théorie générale, les différentes espèces de particules que nous venons d'étudier apparaîtront comme des modifications d'une même unité matérielle ; modifications qui prennent assurément un aspect qualitatif différent, mais qui dans le fond représentent la même unité, comme le montrent les transformations réciproques de ces diverses variétés et c'est seulement ainsi qu'on peut expliquer ces transformations mutuelles. On remarquera que dans le cours du développement de la physique, deux grandes conceptions se sont affrontées, conception discontinue et conception continue ; celle qui fait des éléments matériels des points force (conception newtonienne si l'on veut) et, celle qui en fait des différenciations particulières d'un milieu, l'éther de la physique classique. On sait que cette dernière conception fut celle des physiciens anglais de Faraday à Maxwell. Sans doute à l'heure actuelle est-il toujours question d'électrons, de neutrons, de protons, etc... ponctuels ; il semblerait donc que l'ensemble des faits actuels témoigne en faveur de la première théorie. Mais si l'on réfléchit à la signification profonde des transformations mutuelles de ces divers éléments constitutifs de la matière, on s'accordera à penser qu'on doit aller vers une théorie où le discontinu sera à coup sûr à l'honneur, mais où les différents éléments matériels ne seront plus étrangers, extérieurs, les uns aux autres, mais seront des déterminations multiples, qualitativement différentes, d'une même réalité.

  • Jacques Solomon, Chargé de recherches, Fusillé comme otage par les Allemands, au Mont-Valérien, le 31 mai 1942, à l'âge de 34 ans.


  • Discussion

M. Paul Langevin. — Vous avez pu admirer la richesse, et peut-être vous effrayer de la complexité, des idées et des faits qui viennent de vous être exposés sur les éléments ultimes de la matière. Cette richesse et cette complexité sont d'autant plus notables qu'elles sont plus récentes : il y a huit ans à peine, l'on vous aurait présenté un tableau infiniment plus simple de la même question. Seuls en effet étaient alors connus deux éléments ultimes, l'électron négatif ordinaire et le proton positif ; encore Dirac avait-il espéré un moment pouvoir ramener toute matière à un seul élément, l'électron, dont le proton aurait été dérivé. Faisant abstraction de cette tentative, la physique ne nous pré-sentait, vers 1930, que deux particules ultimes, l'une lourde, l'autre légère, ces deux adjectifs étant entendus relativement, comme il se doit : l'électron pèse environ 10^(-27) gramme, le proton 1.800 fois plus. C'est en 1932 qu'une nouvelle particule fut découverte, l'électron positif, trouvé par ANDERSON dans la radiation cosmique. Mais il faut remarquer que les travaux purement théoriques de Dirac, auxquels nous avons déjà fait allusion, l'avaient conduit à prévoir l'existence de cet élément nouveau, comme conséquence de sa théorie des lacunes, et plus de trois ans avant sa découverte expérimentale. Nous avons là un premier exemple frappant de l'appui que théorie et expérience se sont mutuellement prêté tout au cours du développement de ces chapitres nouveaux de la physique ; ces progrès si rapides ont été le fruit d'une liaison constante entre expérimentateurs et théoriciens, dont la spécialisation a été rendue par ailleurs nécessaire par la complexité croissante de la théorie comme de l'expérience ; malgré cette spécialisation, nous avons assisté à une véritable fécondation réciproque de l'une par l'autre. Pour l'électron positif, nous venons de le dire, la théorie a devancé l'expérience. Pour le spin, ce fut l'inverse : c'est la spectroscopie expérimentale qui conduisit UHLENBECK et GOUDSMIT à en postuler l'existence. Trois ans plus tard, Dirac devait en donner la justification théorique. Pour le mésoton, c'est la théorie qui reprend l'avantage : Yukawa fut conduit à en postuler l'existence pour interpréter théoriquement l'interaction neutron-proton, propriété essentielle qui explique la stabilité des noyaux ; cette interaction devait s'exercer par l'échange d'un mésoton entre proton et neutron. La description que donnait Yukawa de cette particule supposée permit de résoudre une difficulté expérimentale relative aux rayons cosmiques : des particules jusque-là inconnues qu'on y rencontrait ont été reconnues pour des mésotons. Lorsqu'on présente en vrac l'ensemble des résultats acquis et des problèmes posés, l'effet peut être déconcertant pour le profane. Au physicien même il a fallu une gymnastique intellectuelle parfois pénible pour s'adapter à ces acquisitions sans cesse renouvelées, à ces conclusions sans cesse remises en question. Il est important que se développe une atmosphère de sympathie autour du double atelier théorique et expérimental, car depuis quarante ans les physiciens ont besoin d'être soutenus et réconfortés. Ils ont fait des découvertes admirables, ont fait faire à notre connaissance des progrès incroyables, mais au prix d'un effort démesuré, effort dont la part la plus rude a été spirituelle : car il a fallu réviser en avançant les concepts traditionnels, les définitions paresseuses sur lesquelles l'esprit se reposait. Le fait nouveau de ces quarante dernières années, c'est que le contenu de la pensée a réagi sur les cadres de la pensée : les progrès de notre connaissance ont modifié les catégories de notre raison. C'était hier la relativité. Ce sont aujourd'hui les quanta. Pour ne citer qu'un exemple, il nous faut concevoir aujourd'hui que les bonnes vieilles affinités chimiques sont fondées sur les forces d'échange, c'est-à-dire en définitive sur l'indiscernabilité de deux électrons. Nous assistons à un moment considérable du développement de la science et de l'esprit.

M. ANGLES. - Puis-je demander quelques compléments sur l'antineutrino ?

M. SOLOMON. - C'est une conception mathématique, dont l'origine est dans l'analogie des équations posées avec celles de Dirac pour l'électron. Cette analogie conduit à associer un anti-neutrino avec un neutrino, comme des électrons positifs sont associés aux électrons négatifs.

M. LANGEVIN. - Le neutrino n'est pas encore sorti du domaine théorique.

M. SERRUS. - J'ai été heureux d'entendre M. Langevin parler de la gymnastique intellectuelle imposée aux physiciens. Il est certain que la science contemporaine ruine définitivement la conception d'une raison rigide qui imposerait ses formes aux phénomènes. Il faut une raison docile et souple, capable de suivre la leçon prestigieuse des faits. Mais à la raison souple doit correspondre une expérience fine.

M. LANGEVIN. - Vous avez raison de parler d'expérience fine. Il y a eu en effet un admirable progrès des moyens expérimentaux ; par exemple, on atteint directement aujourd'hui la charge de l'électron. Mais ce qui est plus admirable encore, c'est que ce rythme du progrès technique n'a pas dépassé les possibilités des théoriciens. Avec l'aide des mathématiciens, en se servant des instruments mathématiques qu'on mettait à leur disposition comme la théorie des groupes, ou la théorie des matrices, les physiciens théoriciens sont parvenus à mettre de l'ordre dans la masse des observations nouvelles. En ce moment même, la physique offre le spectacle d'une confusion assez grande ; mais l'on pourrait dire qu'il s'agit d'un déménagement : on va remettre les objets en ordre. Déjà se précisent des relations entre les éléments nouvellement découverts ; le mésoton, par exemple, se décompose en électron négatif et neutrino. Avoir ramené la notion de masse à celle d'énergie, c'est un pas immense vers la simplicité. De même, les phénomènes de matérialisation, ou apparition de particules, et de dématérialisation, révèlent une liaison profonde entre les différentes formes d'énergie, rayonnante (photons) ou potentielle (particules matérielles). On a donc le sentiment très fort que l'ordre va renaître ; et nous aurons obtenu un enrichissement considérable, tant dans la somme des faits connus que dans la manière dont nous les interprétons.

M. G. MERCIER. - Je voudrais très rapidement présenter quelques observations philosophiques sur lesquelles les faits ex-posés aujourd'hui jettent un jour nouveau. D'abord le problème de la divisibilité : elle ne peut se poursuivre à l'infini. L'image du ciron de Pascal se trouve contredite. Avec cette image, l'Uni-vers prenait l'apparence d'un songe. Pas de repère, pas d'échelle absolue. La physique nous démontre aujourd'hui qu'il y a un commencement à tout, même aux dimensions, même à l'espace : ainsi est restituée une valeur positive à l'Univers. Autre question : le fait que la physique des éléments ultimes apparaisse aujourd'hui moins simple qu'il y a sept ans, qu'elle nous présente même à ce niveau dernier une collection d'objets différents, ce fait n'est-il pas un aspect de la tendance universelle à la différenciation ? Celle-ci se retrouve chez les êtres organisés. Surtout la nature semble chercher à épuiser les combinaisons possibles ; le nombre n'en est pourtant pas infini, et va se restreignant avec les êtres moins complexes. Enfin la science nous propose une conception nouvelle de l'espace et du temps. La Relativité générale nous avait déjà appris que l'espace est sous la dépendance des masses matérielles : leur présence se manifeste par des rides de l'espace. On peut en conclure que l'Espace est engendré par les masses. On trouve ainsi comme base de l'Univers, l'Être, qui crée l'Espace et en même temps crée le Temps. Cette vue est complétée aujourd'hui par les quanta ; c'est l'énergie qui apparaît comme l'Être fondamental, la masse matérielle n'en étant qu'un aspect particulier.