Cinquante ans de recherches et de découvertes sciences physiques

Il y a eu une explosion en physique et nous en sommes tous conscients. Dans l'histoire de la peinture italienne, il y a un instant précieux (qui pour moi est à peu près le temps de Giovanni Bellini) où, tout à coup, les techniques sont au point et les découvertes jaillissent, les gens construisent et n'ont pas encore le temps de se perdre.

Nébuleuse du Crabe. © NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) Domaine public

Nous avons eu, dans ce siècle, en physique, quelque chose qui est de cette nature avec tout le foisonnement que cela implique. La grande explosion s'est faite entre 1890 et 1950, plutôt avant le cinquantenaire que nous fêtons.

Nous parlons ici de la période immédiatement ultérieure et c'est une très belle période. Comme en peinture, il y a de vastes fresques, et il y a des petits portraits diaphanes, et moi je ne vous parlerai que de quelques petits portraits diaphanes. Sous quelle forme ? Vous devinez mon embarras.

En physique, tout tourne autour de trois choses : des objets, des outils, des concepts. Je vais commencer par parler de trois outils dont je ne prétends pas du tout qu'ils sont les plus importants ou les plus extraordinaires, mais qui me paraissent de bons exemples, exactement comme si je choisissais trois tableaux aux «Offices» de Florence.

Le premier, c'est cette idée extraordinaire du transistor, tellement simple, dans son principe. On a une superposition d'une couche de silicium, d'un oxyde (en pratique de la silicesilice) et d'un métal déposé par-dessus : les charges placées dans le métal peuvent contrôler le nombre de porteurs donc, finalement, contrôler un courant. Et ces structures MOSFET à potentiel bas, à énergie basse, ont (du fait qu'elles étaient miniaturisables) bouleversé notre monde. Ce qui est également extraordinaire c'est le fait (peu prévu à l'époque des grands pionniers) que l'on peut miniaturiser de plus en plus, d'abord à l'échelle optique (c'est-à-dire à l'échelle du micronmicron) puis, de nos jours, par des canons à électronsélectrons ou par des dispositifs à rayons Xrayons X, gagner encore une décade, stocker des informations sur des objets minuscules, qui sont de quelques centaines d'atomesatomes en dimension linéaire. Enfin, dans la découverte du transistor le raisonnement a entièrement précédé l'objet et ceci est un exemple très utile dans la défense que nous menons pour la recherche scientifique.

Un autre cas où le raisonnement a précédé l'outil est celui du laserlaser. Mais l'histoire du laser est curieuse. Quand on a un système atomique à deux niveaux, s'il est placé dans le niveau du bas une radiation peut le faire transiter : c'est un mécanisme d'absorptionabsorption. Au contraire, si on a eu l'intelligenceintelligence, en général via d'autres niveaux, de placer ce système dans son niveau excité, alors là une radiation pourra le faire retomber ; donc ce système intelligemment préparé sera un amplificateur naturel de lumièrelumière et même un oscillateur. Cette idée extraordinaire est venue d'abord dans le domaine des micro-ondes avec C. Townes plutôt que de l'optique et puis, elle est parvenue à la lumière visible, par une série de réalisations différentes (j'ai renoncé à mettre des noms). Une science totalement imprévue émerge dans les années qui suivent. Du fait même qu'on a des faisceaux cohérents et de grande amplitude, on a la possibilité d'une optique complètement nouvelle, où les phénomènes non linéaires deviennent importants ; on entre de la lumière rouge et on ressort de la lumière bleuelumière bleue : on peut propager des impulsions très courtes, parce qu'on peut s'arranger pour les bloquer par des mécanismes non linéaires. Mais il est curieux de noter que les principes du laser étaient présents en un certain sens, dès la première génération, dès EinsteinEinstein. Et on peut se demander pourquoi le laser n'est apparu qu'en 1960 et non pas dans les années trente. Le résultat net est là, nous avons cet outil qui est un des symboles de notre époque : pour vous montrer les transparentstransparents de la conférence, j'en ai tenu un à la main

Un troisième outil (que j'aime beaucoup) est beaucoup plus récent : il nous vient de Zurich ; c'est le microscope à effet tunnelmicroscope à effet tunnel. Il y a une longue histoire dans la microscopie avec un trésor d'inventions optiques, puis un trésor d'inventions électroniques et puis, tout à coup, Binnig et Rohrer lancent un objet totalement nouveau : une petite pointe de tungstènetungstène exposée contre une surface conductrice. Il passe entre la pointe et la surface un petit «courant tunnel» qui est d'origine quantique. Ce courant tunnel est suffisamment localisé spatialement, pour arriver à voir un objet tout petit comme une moléculemolécule, en fait, dans la version courante un microscope tunnel a une résolutionrésolution «horizontale» de 6 angstrôms et une résolution « verticale » meilleure que 0,5 angstrôm. On arrive ainsi à voir des atomes avec un dispositif d'une extraordinaire simplicité. Et, ce qui est peut-étre encore plus important c'est le fait qu'on arrive à les voir dans les conditions que l'on choisit, Toute la microscopie électronique ne pouvait s'effectuer que sous un vide considérable, les faisceaux d'électrons étant tout de suite très perturbés par la présence de gazgaz ou de vapeur d'eau. Ici, pour la première fois, nous avons un outil qui nous permet de voir une molécule individuelle et qui nous permet de la voir en présence de n'importe quel liquideliquide et en particulier en présence d'eau. Tout un énorme secteur biologique et physico-chimique qui était jusqu'à présent inaccessible nous est apporté. Le microscope tunnel est vraiment un outil extraordinaire de notre temps, l'outil sur lequel nos jeunes étudiants vont faire de grandes découvertes. Pour prendre des exemples biologiques, qu'il s'agisse de mitochondriesmitochondries ou de chloroplasteschloroplastes, toutes ces petites usines, on va pouvoir maintenant les regarder hangar par hangar, en positionnant les hangars. Au début, j'étais tourmenté du fait que, dans un microscope tunnel, il faut en principe, une plate-forme conductrice, ce qu'on ne met pas très facilement sous une mitochondrie ou un chloroplaste pour aller le regarder, mais dans la deuxième version inventée par Binnig, on n'a plus besoin de la plate-forme conductrice. Toute la technique consiste à mesurer non des courants, mais les forces minimes qui existent dans cette pointe très localisée et la surface. Par la mesure des forces (sans utiliser de courant donc sans utiliser de base conductrice) on peut là aussi caractériser des objets extraordinairement petits.

Voilà trois outils (on aurait pu penser à bien d'autres !) mais je pense que ces trois outils-là sont typiques de la période 48-88 que nous évoquons aujourd'hui.

Après les trois outils, j'ai envie de vous parler de quatre «objets naturels». Le premier est la nébuleuse du crabenébuleuse du crabe qu'ont commencé à voir les astronomesastronomes chinois autour de l'an mille. Un endroit initialement totalement tranquille du ciel, et tout à coup, une énorme explosion se fait et au cours des années, elle prend ces dimensions fabuleuses : nous l'appelons SupernovaSupernova. Et quelque part au centre, nous savons maintenant qu'il y a un objet qui subsiste. Beaucoup d'entre vous savent de quoi il s'agit : on prend une étoileétoile à peu près grosse comme le soleilsoleil, on la prend vieille, ce n'est pas difficile, on la prend dans une situation où elle se refroidit, où elle a tendance à s'effondrer sur elle-même. Quand elle réalise cet effondrementeffondrement, très souvent, elle trouve bénéficiaire de réaliser la réaction « bêtabêta inverse » où un protonproton et un électron se recombinent pour former un neutronneutron. Et ce qu'elle gagne à ce fait, est qu'elle élimine ces électrons qui étaient des particules très légères ; la mécanique quantiquemécanique quantique nous dit qu'une particule légère se délocalise beaucoup, a beaucoup d'énergie cinétiqueénergie cinétique. On évacue ce problème par la réaction bêta inverse et on passe d'une matièrematière qui était essentiellement formée de protons et d'électrons à une matière formée de neutrons, on engendre au centre de la nébuleuse une étoile de neutrons, imaginée par Oppenheimer et Voltoff en 1939, juste au début de notre période de 50 ans. Les méthodes de l'astronomie, méthodes modernes, ont permis de prouver l'existence des étoiles de neutrons, notamment avec des fuséesfusées qui pouvaient porter des détecteurs X et former une cartographie X du ciel. J'enseignais à cette époque, dans un DEA, une sorte de panorama des fermionsfermions. J'y parlais des naines blanchesnaines blanches (gaz d'électrons) et des étoiles de neutrons - en disant qu'elles devaient exister mais que personne ne les avait vues. Quel bonheur quand on les a trouvées ! Encore après des années, je reste stupéfait devant cet objet.

Voici ensuite la 2ème étape : une jeune femme Jocelyn Bell, en 1967, s'aperçoit qu'il y a des signaux émis dans le ciel avec une fréquencefréquence de l'ordre d'une fraction de seconde et d'une régularité totale et progressivement la communauté réalise que ces signaux proviennent d'une petite étoile de neutrons, qui tourne, et qui porteporte un énorme champ magnétiquechamp magnétique : ce champ magnétique rayonne, émet comme un phare et nous mesurons ainsi la période de rotationpériode de rotation de l'étoile (quelque chose comme trente tours/seconde). Donc un objet totalement extérieur à notre expérience, une étoile de 10 km de rayon, mais qui a la massemasse du soleil, une étoile qui est fluide qui a à peu près la consistance de l'intérieur des noyaux, mais qui a une petite croûtecroûte solidesolide sur l'extérieur, quelques millimètres de croûte solide ; et cette croûte solide a d'ailleurs tous les ennuis, exactement comme la nôtre sur la terre : les tremblements de terretremblements de terre de cette croûte sont suffisants pour perturber de façon visible les périodes d'émissionémission. Les étoiles de neutrons sont des objets naturels extraordinaires, identifiés grâce à un concours admirable de méthodes de détection et de raisonnement.