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Frapper les livres: Sans verre, nous n’aurions jamais découvert l’électron

MIT Press

Extrait de The Alchemy of Us – How Humans and Matter Transformed One by Ainissa Ramirez. Reproduit avec la permission du MIT PRESS. . 2020.

Bien avant la Grande Guerre, en 1895, la science et la magie étaient difficiles à séparer. Cette année-là, Wilhelm Roentgen a pris une photo fantomatique de la main de sa femme en utilisant des rayons mystérieux qui montraient ses os. Ces rayons invisibles, appelés plus tard rayons X, jaillirent d’un engin en métal et en verre qui ressemblait à quelque chose du laboratoire du Dr Frankenstein. Les journaux ont rempli leurs pages de représentations de l’intérieur d’une personne à l’extérieur, et les lecteurs en ont récupéré des copies. Les scientifiques ont également été enchantés par les rayons X. Certains d’entre eux voulaient savoir ce qu’ils pouvaient faire d’autre. D’autres se sont demandé d’où ils venaient. Tous ces scientifiques ont compris qu’une batterie attachée à un globe en verre étiré engendrait un flux lumineux appelé rayon cathodique, et lorsque ce rayon cathodique est entré en collision avec un morceau de métal à l’intérieur du globe, des rayons X sont sortis. Ils pensaient qu’il devait y avoir plus à ces rayons cathodiques. Ainsi, alors que le monde entier était fasciné par les rayons X, quelques scientifiques espéraient trouver la prochaine grande chose dans les rayons cathodiques. Ils ne savaient pas que ce flux lumineux expliquerait comment le monde fonctionnait.

Les rayons cathodiques étaient connus depuis des décennies, mais il y avait peu de consensus sur leur origine, et finalement l’affaire s’est refroidie. Avec un regain d’intérêt pour eux, les scientifiques sont obsédés par chaque mouvement des rayons cathodiques, écrivant des articles avec des rapports sur leur comportement, mais ne sachant pas encore que les rayons cathodiques détiennent la clé de leur compréhension scientifique. Enfermé dans ces rayons cathodiques était la devise de toutes les réactions chimiques. Enfermée dans ces rayons cathodiques était la réponse aux questions scientifiques sur le fonctionnement des grille-pain et la naissance des planètes. Enfermées dans ces rayons cathodiques se trouvaient les gouttelettes qui alimentaient une rivière de technologies modernes allant de la télévision aux ordinateurs en passant par les téléphones portables. À l’insu de ces premiers scientifiques, il y avait à l’intérieur du rayon cathodique une partie de l’atome dont ils ignoraient l’existence – l’électron. Mais pour déchiffrer l’énigme des rayons cathodiques, il fallait découvrir des indices. Tout comme le personnage populaire Sherlock Holmes a utilisé son intellect et sa loupe pour résoudre des mystères, les scientifiques ont également dû observer les rayons cathodiques sous verre. Pour certains scientifiques, ce puzzle était trop délicieux pour être refusé, et Joseph John Thomson était l’un d’entre eux. C’est ce petit homme du XIXe siècle qui va faire le saut géant qui a rendu possible les technologies des XXe et XXIe siècles.

Le potentiel de Thomson pour répondre à l’une des plus grandes questions de son époque semblait douteux quand il avait quatorze ans en 1870. Tout ce qu’il voulait, c’était être un botaniste. Petit garçon grandissant près de la ville de Manchester, en Angleterre, il a dépensé tout son argent de poche dans des magazines hebdomadaires de jardinage. Son père, un modeste libraire, voulait qu’il ait un métier stable d’ingénieur. Être ingénieur était un bon travail, car les usines textiles de Manchester ont transformé le coton américain en marchandise. Pour plaire à son père, J. J., comme l’appelait Joseph John Thomson, fréquenta le Owen’s College de Manchester en 1870. Mais à la mort de son père, J. J. se précipita pour rester à l’école en remportant des bourses. Il est entré au Trinity College de Cambridge pour étudier les mathématiques, choisissant la beauté des nombres, plutôt que leur utilité, comme en génie. Marcher sur le terrain sacré où Sir Isaac Newton se promenait était une réussite pour tout fils de libraire. Mais J. J. n’a jamais sa place.

J. J. ne s’est peut-être pas senti chez lui dans cette ancienne université, mais son génie était certainement chez lui. En 1895, Thomson était le chef de trente-neuf ans du Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge, devenant un professeur de mathématiques distrait. Ses lunettes avaient deux positions – une sur son nez, ce qui signifiait qu’il réfléchissait, et l’autre sur son front, ce qui signifiait qu’il réfléchissait davantage. Il ne dérangeait pas son cerveau avec l’inquiétude de son apparence, donc ses cheveux étaient longs, sa moustache envahie et son menton mal rasé. Son cerveau était encombré d’idées abstraites, donc ses nouvelles recherches sur les rayons cathodiques signifiaient qu’il y aurait encore moins d’espace pour se soucier des choses ordinaires.

Découvrir l’origine des rayons cathodiques était un casse-tête parfait pour J.J. car cela le mettait au défi de lier des idées abstraites à des événements observables. Les rayons cathodiques ont tiré d’une connexion électrique à une autre à l’intérieur d’un tube de verre sans air, et il y avait deux croyances en duel parmi les scientifiques sur la façon dont les rayons cathodiques se déplaçaient dans le monde. Un groupe a pensé que les rayons cathodiques étaient une onde qui était une ride dans l’éther. D’autres ont conclu que le faisceau était composé de petits morceaux de particules agissant ensemble, comme un troupeau d’oiseaux en migration. « Aucune des deux parties n’avait tout à fait raison ni tout à fait tort », a déclaré J. J. Il y avait des preuves à l’appui des deux idées, mais le rayon cathodique ne pouvait pas être les deux.

Une façon définitive de voir si un rayon cathodique était une onde ou une particule était d’observer sa danse avec des aimants. Il y avait une vieille théorie qui disait que si les rayons cathodiques volent sans être perturbés par un aimant, ils sont une onde; et si un aimant dévie le rayon, il est composé de particules. J. J. a voulu tester cette théorie et a appris que quatorze ans plus tôt, en 1883, un autre scientifique avait réalisé cette même expérience. Les rayons cathodiques ne se sont pas déplacés lorsqu’un aimant était à proximité, soutenant l’argument de l’onde. Mais J. J. pensait que quelque chose n’allait pas avec cette tentative antérieure. Les outils scientifiques avaient avancé depuis lors et pouvaient extraire plus d’air d’un tube de verre pour mieux créer un vide. Un vide avec moins d’air était l’habitat où les rayons cathodiques prospéraient le mieux. Alors J. J., qui croyait que les rayons cathodiques étaient pleins de particules, a voulu répéter cette ancienne expérience en utilisant un tube de verre contenant moins d’air, rendu possible grâce à un vide amélioré. Malheureusement, le génie mathématique de J. J. ne s’est pas traduit par une dextérité manuelle. Pour un si petit homme, il était un taureau victorien dans un magasin de porcelaine. Quand il rendait visite à ses étudiants dans le laboratoire, ils tressaillaient quand il proposait de l’aide et essayaient rapidement de déplacer des choses fragiles hors de son chemin. Ils ont respiré profondément quand il s’est assis sur un tabouret de laboratoire pour parler. La vie n’était pas meilleure à la maison. L’épouse de J. J. ne lui a pas permis d’utiliser un marteau dans la maison.

J. J. avait besoin d’aide pour ses expériences et cette aide provenait d’un ancien assistant en chimie, Ebeneezer Everett. Alors que le nom Ebeneezer évoque une image avare, Everett était un homme fringant et moustachu, avec une bonne apparence de cow-boy, qui se penchait un peu pour sembler moins grand. On sait peu de choses sur cet Everett, sauf qu’il était une âme patiente et un virtuose pour faire de la verrerie de laboratoire à partir de verre sodocalcique commun des œuvres d’art qui auraient plu à un maître verrier de Murano. Les bancs de laboratoire étaient pleins de constructions en verre d’Everett, renforcées en place avec des supports en bois, avec des fils sur chaque surface et collant dans l’air. Everett était la pierre angulaire scientifique du cerveau de J. J. À partir de la fin de 1896, J.J voulait faire un parcours d’obstacles à rayons cathodiques pour régler ce débat onde / particule. Everett a fabriqué une ampoule en verre sophistiquée avec des pièces à l’intérieur, rappelant un modèle réduit de navire dans une bouteille. À une extrémité du verre, deux épingles métalliques dépassaient et étaient fixées aux extrémités d’une batterie pour produire le rayon cathodique. À l’intérieur de la vitre, les rayons cathodiques sont projetés dans de nombreuses directions comme l’eau d’un tuyau et sont concentrés dans un flux étroit, avec deux fentes qui agissent comme une buse. Ce faisceau a ensuite frappé la surface intérieure d’une ampoule ronde, créant une lueur verte.

Les rayons cathodiques exigeaient qu’il y ait très peu d’air à l’intérieur du tube de verre. « Cela a été plus facile à dire qu’à faire », a déclaré J.J. Pour éliminer l’air, Everett a versé du mercure liquide dans une tour, qu’il a reliée à son ampoule de verre avec un pont de verre. Lorsque le liquide lourd est tombé, il a aspiré de l’air à travers le pont de l’ampoule en verre, créant un vide. L’élimination de l’air prenait parfois la majeure partie de la journée, alors Everett a commencé le matin avant l’ouragan sous la forme de J. J. Thomson est arrivé au laboratoire dans l’après-midi.

Seul le verre a fonctionné pour ces expériences. Le cuivre ne ferait pas l’affaire, ni aucun métal d’ailleurs, car les métaux enterreraient le rayon cathodique. Le bois ou l’argile ne fonctionneraient pas non plus, car ils ne pouvaient pas tenir le vide. Les plastiques transparents n’avaient pas encore été inventés. Le verre était le meilleur gardien d’un aspirateur; transparent, indifférent à la conduite de l’électricité et malléable à l’imagination d’un inventeur. Mais, la plupart du temps, le verre était vital dans la science car il permettait aux scientifiques de faire ce qu’ils font le mieux, c’est-à-dire d’utiliser leur pouvoir d’observation – et c’est ce sur quoi J.J excellait.

Parfois, J. J. se plaignait à ses collègues de sa verrerie. « Je croyais que tout le verre de l’endroit était ensorcelé », a-t-il déclaré. Les recettes standard n’existaient pas encore pour le verre. Certaines parties d’un tube en verre étaient plus riches en ingrédients clés que d’autres. Pour construire avec du verre, il fallait des compositions qui étaient uniformes partout, afin qu’elles fondent à la même température. Et un morceau de verre n’a révélé la qualité de la liaison qu’après plusieurs heures de travail. Parfois, le verre murmurait avec une petite fuite d’air qu’il y avait quelque chose de mal, d’autres fois il hurlait d’explosions. Le verre était capricieux, et c’était à Everett de s’en occuper comme un nouveau-né. À l’été de 1897, Everett termine le parcours du combattant de J. J. Thomson pour tester les rayons cathodiques. Il a inséré deux plaques métalliques supplémentaires et les a attachées à une autre batterie, créant un champ électrique, comme un moyen de pousser les rayons. Alors qu’Everett allumait l’engin, J. J. vit que le rayon cathodique se déplaçait vers le bas jusqu’à la plaque métallique reliée à l’extrémité positive de la batterie. Cela a indiqué à J. J. que le rayon cathodique était négatif. Everett a ensuite placé un énorme aimant en fer à cheval autour du centre du tube de verre, et quand il l’a allumé, J.J a vu que le rayon cathodique se déplaçait, comme des oiseaux migrateurs balayés par un vent fort. À partir des calculs mathématiques de J. J., écrits au dos de morceaux de papier aléatoires, il a pu déduire que le rayon cathodique était constitué de petits morceaux qui étaient électriquement chargés et négatifs. Il a calculé qu’ils étaient plus petits qu’un atome, et étaient donc la plus petite partie de la matière encore découverte.

Et quand lui et Everett ont répété ces expériences avec différentes plaques métalliques et différents gaz à l’intérieur du tube, J. J. a vu que ces mêmes petites charges négatives existaient dans tous les matériaux. Il a appelé ces bits corpuscules, mais ils seraient plus tard appelés électrons. La découverte de J. J. a changé le monde, mais il ne pouvait pas prédire que ce serait le cas. Ce petit et étrange homme a trouvé le petit et étrange électron, ouvrant une porte dans la science et élargissant la compréhension de la matière. La découverte de l’électron nous a donné des indices sur la formation des galaxies et des planètes, car l’échange d’électrons, dans les liaisons chimiques, expliquait comment les gaz chauds du Big Bang se fondaient en nous. Cette découverte a également révélé la pierre angulaire de la technologie. Avec l’électron, les scientifiques en viendraient à comprendre le fonctionnement des circuits, de l’électricité statique, des batteries, de la piézoélectricité, des aimants, des générateurs et des transistors. Avec la connaissance des électrons, la technologie et la société se sont épanouies.

Lorsque J. J. Thomson grandissait, de nombreuses inventions que nous tenons maintenant pour acquises n’existaient pas. Il n’y avait «ni voiture, ni avion, ni lumière électrique, ni téléphone, ni radio». Mais les électrons dans son verre, qui constituaient l’électricité, alimenteraient toutes ces machines ainsi que les développements ultérieurs tels que les ordinateurs, les téléphones portables et Internet. Aussi intelligent que J. J. l’était, il n’aurait jamais pu prédire que cette science abstraite aurait des implications pratiques. Mais c’était le cas, et il y en avait beaucoup. Avec sa découverte, l’humanité est entrée dans une nouvelle ère – électronique. Cependant, aucune de ces technologies ne se serait produite sans la capacité de voir les électrons en action. Notre monde moderne a été rendu possible par le matériau ancien et ancien du verre.

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