Ce que l’œil nu ne peut voir

DE MINUSCULES particules de poussière flottent dans l’air, invisibles. Entre un rayon de soleil par la fenêtre, et elles deviennent visibles.

Prenez maintenant la lumière visible, qui apparaît blanche ou incolore à l’œil nu. Que se passe-​t-​il quand le soleil traverse sous le bon angle des gouttelettes d’eau ? L’eau agit comme un prisme, et nous voyons un magnifique arc-en-ciel.

En fait, les choses qui nous entourent réfléchissent des ondes lumineuses de diverses longueurs, que nous percevons alors comme autant de couleurs. Par exemple, l’herbe ne produit pas de lumière verte : elle absorbe toutes les ondes de la lumière visible sauf les ondes vertes, qu’elle renvoie à notre œil.

Des inventions au secours de l’œil

Les inventions modernes ont révélé à l’œil humain quantité de choses jusque-​là invisibles. Sous un microscope ordinaire, une goutte d’eau, apparemment inerte, se peuple de toutes sortes de créatures en mouvement. Et un cheveu, lisse à l’œil nu, prend un relief époustouflant. Il existe aujourd’hui des microscopes qui grossissent un million de fois, ce qui équivaut à donner à un timbre-poste la superficie d’un petit pays.

Grâce à des microscopes encore plus puissants, les scientifiques obtiennent maintenant des images tridimensionnelles de surfaces à l’échelle de l’atome, ce qui leur permet de plonger leurs regards dans ce qui échappait à l’œil humain il y a peu de temps encore.

Si maintenant nous observons le ciel nocturne, combien d’étoiles voyons-​nous ? À l’œil nu, quelques milliers au plus. Mais quand apparut le télescope il y a près de 400 ans, on commença à en voir beaucoup plus. Puis, en 1920, le puissant télescope du mont Wilson révéla l’existence d’autres galaxies que la nôtre, peuplées elles aussi d’une infinité d’étoiles. Aujourd’hui, grâce aux moyens sophistiqués dont ils disposent pour sonder l’univers, les scientifiques estiment à plusieurs dizaines de milliards le nombre des galaxies, dont beaucoup regroupent des centaines de milliards d’étoiles.

Les télescopes ont montré que les milliards d’étoiles formant la Voie lactée, ainsi baptisée en raison de leur apparente proximité les unes des autres, étaient en réalité séparées par des distances dépassant l’entendement. De même, l’utilisation de puissants microscopes a révélé que la matière apparemment solide est en fait composée d’atomes principalement constitués de vide.

L’infinitésimal

La plus petite chose observable sous un microscope ordinaire est composée de plus de dix milliards  d’atomes. Or, en 1897, on a découvert que l’atome possédait de minuscules particules se déplaçant sur des orbites, les électrons. Plus tard, on s’est aperçu que le noyau de l’atome, autour duquel gravitent les électrons, était constitué de particules plus grosses que ces derniers, les neutrons et les protons. Les 88 atomes, c’est-à-dire 88 éléments, que l’on trouve à l’état naturel sur terre ont essentiellement la même taille, mais leur poids varie, car tous ont un nombre chaque fois plus élevé que le précédent de ces trois particules de base.

Les électrons — dans le cas de l’atome d’hydrogène, un électron unique — tournent dans le vide autour du noyau de l’atome plusieurs milliards de fois par millionième de seconde, donnant ainsi une forme à l’atome et le faisant se comporter comme s’il était plein. Il faudrait près de 1 840 électrons pour obtenir la masse d’un proton ou d’un neutron. Les protons comme les neutrons sont environ 100 000 fois plus petits que l’atome lui-​même.

Pour se faire une petite idée de tout le vide que contient un atome, essayez de vous représenter le noyau d’un atome d’hydrogène et l’électron qui gravite autour. Si ce noyau, constitué d’un seul et unique proton, avait la taille d’une balle de tennis, son électron en serait éloigné de quelque 6,5 kilomètres.

Un article sur les célébrations du centenaire de la découverte de l’électron disait : “ Rares sont ceux qui hésitent à célébrer quelque chose que personne n’a vu, dont on ne peut discerner la taille et qui pourtant a un poids mesurable et une charge électrique, et qui tourne comme une toupie. [...] Aujourd’hui, personne ne doute que des choses pourtant invisibles puissent exister. ”

Plus petit encore

Grâce aux accélérateurs de particules, qui font éclater les atomes en lançant des particules de matière les unes contre les autres, on peut maintenant observer la structure du noyau atomique. C’est ainsi qu’entrent dans la littérature scientifique quantité de noms étranges comme positons, photons, mésons, quarks et gluons. Toutes ces particules sont invisibles, même avec le plus puissant des microscopes. Mais les chambres à nuages, les chambres à bulles et les compteurs à scintillation permettent d’en observer la trace.

Les chercheurs voient aujourd’hui ce qui hier était invisible. Ce faisant, ils saisissent de mieux en mieux le rôle important de ce qu’ils pensent être les quatre forces fondamentales : la gravitation, la force électromagnétique et deux forces s’exerçant à l’intérieur du noyau des atomes, l’interaction faible et l’interaction forte. Certains scientifiques sont à la recherche d’une “ théorie unifiée ”, une théorie qui fournirait une explication compréhensible de l’ensemble de l’univers, tant macroscopique que microscopique.

Que nous enseigne l’observation de l’invisible ? À quelles conclusions beaucoup sont-​ils parvenus ? Réponses dans les articles suivants.

[Illustrations, page 3]

Images d’atomes de nickel (en haut) et de platine.

[Indication d’origine]

Avec l’aimable autorisation d’IBM, Division recherche, Centre de recherche d’Almaden