Atome

Je ne me souviens pas de la première fois où j'ai vu un atome, mais je me souviens de la première fois où nous les avons étudiés en cours de sciences, et ils m'ont fasciné. Leur complexité dans les dessins qu'on nous montrait, et la façon dont ils pouvaient s'assembler pour former des substances, m'ont donné envie d'en savoir plus : j'ai beaucoup lu à leur sujet, sur leur place dans le tableau périodique, leurs particules, et même sur la façon dont ils étaient utilisés pour produire l'énergie de nos foyers.

Bien plus tard, j'ai appris à programmer, et j'ai voulu refléter ce que j'avais appris en cours et dans les livres. Je voulais créer un atome, le regarder bouger, faire en sorte que chacune de ses parties paraisse réelle ; les combiner et, peut-être, construire quelque chose de plus grand dans un simulateur. Mais quelque chose d'inattendu s'est produit : je n'étais plus un jeune curieux, mais un adulte avec une autre façon de penser. J'ai donc recommencé à enquêter depuis le début. Et le résultat fut surprenant : après des années à lire des livres sur le sujet, il a suffi de quelques heures de réflexion critique pour révéler des détails que je n'avais jamais remarqués auparavant.

Bien que les récits varient beaucoup, presque tous remontent à l'Antiquité et ressemblent fortement à celui-ci :

« On raconte que les premières études sur les atomes remontent à l'Antiquité, quand les plus studieux se demandèrent en combien de parties tout pouvait être divisé. Après de longues études, ils conclurent que les choses ne pouvaient être divisées que jusqu'à une certaine limite, laissant à la fin des fragments si petits et imperceptibles qu'ils les appelèrent atomes. »

Pour saisir l'idée, imaginez que vous vous ennuyez terriblement et que vous prenez n'importe quoi de divisible —un cure-dent, une feuille, un fruit— et que vous le coupez en deux. Puis encore. Et encore… jusqu'à ce que vous ne puissiez plus. Et voilà : vous avez un atome ! …ou du moins, c'était l'idée.

Si nous pouvions arrêter le temps et nous en tenir à cette histoire, je pourrais construire mon simulateur sans problème : il suffirait de faire qu'une pomme se divise en deux, en trois…, de fixer une limite, et le tour serait joué. Mais ce n'était là que le début de l'histoire.

Ce qui suit est le fruit d'une étude approfondie des faits historiques et des découvertes qui ont peu à peu façonné ce que nous appelons aujourd'hui les atomes.

Au début du XIXe siècle, un chimiste britannique nommé John Dalton, faute de tableau périodique et de symboles pour représenter les éléments chimiques, créa son propre système de représentation graphique. Il dressa essentiellement une liste des éléments connus —or, argent, carbone, oxygène...— et dessina un cercle à côté de chacun, avec un motif différent à l'intérieur pour pouvoir les distinguer.

Dalton concevait les atomes comme de minuscules sphères solides et indivisibles, qu'il appelait couramment des "particules ultimes", quelque chose comme la limite de la matière, où celle-ci ne pouvait plus être divisée. Son travail réussit à relier, une fois pour toutes, le concept abstrait de l'atome à l'expérimentation chimique, ce qui explique qu'il soit historiquement reconnu comme le père de la théorie atomique.

Près d'un siècle plus tard, un autre scientifique britannique nommé Joseph John Thomson, tentant d'expliquer la nature des rayons cathodiques, avança qu'ils étaient composés de minuscules corpuscules porteurs d'électricité. Pour expliquer d'où venaient ces particules, il avança qu'elles vivaient à l'intérieur des atomes, un peu comme les raisins secs dans un pudding, et bâtit même une théorie atomique fondée sur ce pudding aux raisins.

Il convient de noter que Thomson n'a jamais montré au monde un seul de ces corpuscules : il les a déduits de ses expériences, il ne les a pas vus. Malgré cela, l'idée reçut le prix Nobel en 1906 et fut gravée comme un fait. Dès lors, l'atome cessa d'être une modeste hypothèse pour devenir quelque chose que personne n'osait remettre en question. Ces événements changèrent complètement les règles du jeu pour les scientifiques de l'époque, transformant l'atome et ses théories en un tremplin assuré vers le succès.

Des années plus tard, un scientifique néo-zélandais nommé Ernest Rutherford relia lui aussi ses recherches sur la radioactivité aux atomes, et avança qu'ils n'étaient pas statiques comme le pudding de Thomson, mais quelque chose ressemblant fortement à un système solaire miniature. Il ajouta également une pièce nouvelle —un noyau minuscule où se concentrait presque toute la masse— et bâtit sur cette base une nouvelle théorie atomique.

Le nouveau modèle atomique planétaire ressemblait à un noyau très petit et chargé positivement, autour duquel gravitaient des particules chargées négativement (les électrons), formant une sorte de système orbital. La troisième pièce, le neutron, n'apparaissait pas encore : il ne ferait son apparition qu'en 1932. Pour ses recherches sur les substances radioactives, Rutherford reçut un prix Nobel en 1908.

Presque en même temps que le succès de Rutherford, un jeune Danois nommé Niels Bohr, cherchant à corriger les erreurs du modèle atomique planétaire, y ajouta des niveaux orbitaux, des niveaux d'énergie, des sauts entre orbites, et même l'émission et l'absorption de lumière, qu'il supposait être des ondes électromagnétiques. Avec ses travaux, Bohr transforma ce qui n'était qu'une carte théorique pour expliquer certains phénomènes en quelque chose qui exigeait de remplir des tableaux entiers pour être compris. Grâce à sa contribution à la structure des atomes, Niels Bohr remporta un prix Nobel en 1922.

Ce qui suivit Bohr fut une liste presque interminable d'esprits brillants. Tous ajoutèrent des théories toujours plus audacieuses sur les atomes —jamais vus auparavant—, faisant croître leur appareil mathématique jusqu'à des niveaux astronomiques. Pour être honnête, après des heures de lecture sur le sujet, regarder chaque modèle atomique revenait à regarder le traîneau du Père Noël : quelque chose de scandaleusement médiatisé que personne n'a jamais pu voir.

Étant donné que les modèles atomiques sont une carte imaginaire, une question plus honnête se pose : a-t-on jamais vu quelque chose ressemblant à un atome ? La réponse courte est inconfortable : cela dépend de ce que l'on entend par voir.

Pour mieux l'expliquer, imaginons que nous regardions une pomme : la lumière rebondit sur sa surface, nous parvient, et forme son image dans nos yeux. Mais en dessous d'environ 200 nanomètres, cette astuce cesse de fonctionner : la lumière ordinaire ne renvoie plus un portrait de ce qui existe ; elle semble passer autour sans le dessiner et poursuit son chemin, comme si la chose était translucide. Seule une lumière très particulière —extrêmement intense, comme celle produite dans les grands accélérateurs de particules— est parvenue à s'approcher de cette échelle, et même ainsi, ce qu'elle livre ne sont pas des photographies, mais des motifs : silhouettes et ombres.

La science, en mobilisant toute la technologie à sa disposition, est allée étonnamment loin : elle peut localiser des silhouettes floues, les compter, les ranger une à une, mesurer le champ électrique à des échelles incroyablement petites. Mais chacun de ces exploits est une mesure déguisée en image, pas un regard direct. Ce que l'on appelle aujourd'hui "une photo d'atomes" reste une carte —bien meilleure que celles de Thomson ou de Bohr, mais une carte tout de même—. Et il faut le dire calmement, sans dramatiser : nous avons mesuré sa trace avec une précision extraordinaire ; les voir, au sens simple où nous voyons une pomme, pas encore. Et il en va de même pour presque tout ce qui est très petit ou très éloigné.

Une hypothèse presque farfelue, mais cruciale : que se passerait-il si, face à son invraisemblance, nous décidions d'effacer l'atome d'un seul coup, d'effacer chacun de ses modèles des salles de classe et de toutes les branches du savoir, sans exception ?

La première chose qui se produirait serait un chaos total dans les salles de classe et l'éducation. Les manuels scolaires devraient être réécrits, effaçant plus de 200 ans d'histoire. Des millions de pages resteraient remplies de "trous" conceptuels, de mots barrés ou de termes interdits qui rendraient les textes totalement illisibles. Les équations de Schrödinger, les structures de Lewis et les diagrammes de liaisons moléculaires manqueraient d'une prémisse fondamentale, se transformant en gribouillis dénués de sens. Des thèses entières consacrées à la nanotechnologie, à la physique nucléaire ou à la biochimie seraient invalidées d'un coup.

La science, de son côté, ne s'arrêterait pas : elle chercherait d'autres voies —mathématiques, philosophiques— pour expliquer ce que l'atome expliquait auparavant. Car le monde resterait fait de la même chose. Nous n'aurions effacé que la carte, pas le territoire.

Aussi improbable que cela puisse paraître, derrière tout cet effort —et des milliers de personnes consacrant leur vie entière à mieux dessiner l'atome— se cache un pari : sonder de quoi est faite la matière à un niveau plus profond promet un univers plein de possibilités.

La transmutation des éléments chimiques pourrait devenir viable. Les réacteurs nucléaires transforment déjà des éléments comme l'uranium en plutonium et en césium. Bombarder des éléments plus légers avec des particules peut également les transformer en éléments plus lourds. Pourtant, chacune de ces transformations est extrêmement coûteuse et peu pratique, et ne rapporte en plus que des quantités infimes. Tout cela pourrait changer si nous comprenions mieux le processus et pouvions le contrôler à un niveau inférieur.

Pour le dire en plaisantant, nous pourrions transformer des pierres en or ou en diamants, remplir les banques, puis les retransformer en roches ; et même aller plus loin en créant de nouveaux éléments chimiques aux propriétés inédites : des matériaux qui défient la gravité, des supraconducteurs à haute température… une histoire sans fin.

Le second prix est déjà allumé, et non dans un laboratoire mais chez vous : une bonne partie de l'électricité mondiale provient d'un effort colossal qui permet à chacun d'en profiter. Mieux comprendre la matière pourrait ouvrir des moyens de produire de l'énergie que nous ne connaissons pas encore, bien meilleurs et plus efficaces que ceux d'aujourd'hui. Sans oublier la possibilité de son usage à des fins non pacifiques, qui a produit des résultats tragiques tout au long de l'histoire.

Mais tout ne mènerait pas à des tragédies. Derrière cette recherche se cache l'espoir d'améliorer des technologies comme l'imagerie par résonance magnétique nucléaire, indispensable pour diagnostiquer des maladies ; ou de trouver de nouvelles façons de traiter l'information qui pourraient mener les futurs ordinateurs vers des limites insoupçonnées. Et, sans doute la plus ambitieuse et la plus imaginaire de toutes, se profile un vieil objectif : comprendre ce qu'est le temps et, peut-être, le contrôler.

Tout cela explique pourquoi tant de gens ne posent jamais le crayon et continuent de chercher. Si une carte aussi floue et imaginaire que l'atome nous a déjà menés aussi loin, jusqu'où irions-nous si nous pouvions comprendre et contrôler la matière à son niveau le plus fondamental ?

En fin de compte, mon simulateur n'est resté qu'une simple tentative. Comme vous l'aurez imaginé, simuler un atome sur un ordinateur revenait à essayer d'attraper des papillons les yeux bandés. Malgré cela, tout cela m'a conduit non seulement à m'intéresser aux atomes et à leurs modèles imaginaires, mais aussi à m'attaquer à tout un univers de connaissances qui nous ont autrefois fascinés et que, au fond, peu d'entre nous connaissent vraiment.