Biographie de Jean Perrin
Parmi les trop rares lauréats français du prix Nobel de physique, Jean Perrin (1870-1942) se distingue par la double qualité de découvreur de génie et de promoteur enthousiaste de la culture scientifique. Il fut le père du Palais de la découverte et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), qui fête ce mois-ci ses cinquante ans.
Naissance et jeunesse
Naissance dans une famille modeste, en 1870. Un père capitaine d'infanterie sorti du rang. Armé d'un baccalauréat scientifique décroché à Janson-de-Sailly, Jean Perrin remporte le concours de l'Ecole normale supérieure en 1890 et, en 1897, passe sa thèse de doctorat ès sciences. Deux ans plus tôt, déjà, il s'est fait remarquer par une première contribution majeure à l'histoire de la physique. Elle marque le terme d'une controverse, brûlante à l'époque : les rayons cathodiques produits par l'électrode négative d'un tube à gaz sont-ils des ondes semblables à la lumière, telle que la décrit la théorie électromagnétique de Maxwell, ou s'agit-il au contraire de jets de particules électrisées ?
Grâce à une expérience dont la simplicité rehausse encore le brio (encadré), Perrin fait définitivement triompher la deuxième de ces thèses. Les rayons cathodiques sont bel et bien des corpuscules chargés négativement, que Perrin appela atomes d'électricité et que nous connaissons aujourd'hui sous le nom d'électrons. Il annonçait par là son oeuvre majeure, par laquelle il apportera la preuve de la structure discontinue de la matière en atomes « élémentaires ».
En 1901, alors que Joseph John Thomson, le prestigieux physicien de Cambridge qui, lui aussi, allait devenir prix Nobel, n'entrevoyait encore l'atome que comme un ensemble d'électrons baignant dans une atmosphère d'électricité positive, Jean Perrin propose déjà le modèle planétaire de l'atome qui nous est si familier aujourd'hui : une structure rappelant le système solaire, avec des planètes chargées négativement (les électrons), gravitant autour d'un soleil chargé positivement (le noyau), dont la charge est égale à la somme de celle des électrons, lesquels décrivent autour de lui des orbites circulaires. Intuition remarquable, prémonitoire des modèles atomiques qui seront développés dix ans plus tard par deux autres grands « inventeurs » de l'atome, Niels Bohr et Ernest Rutherford. A l'époque où Perrin émet son audacieuse hypothèse, la communauté scientifique est encore loin d'être tout entière acquise à l'existence d'un constituant élémentaire de la matière.
Le Palais de la découverte, construit pour l'exposition universelle de 1937 grâce à l'opiniâtreté de Perrin, Langevin et quelques autres, est toujours là avec ses expériences qui mettent la Science à la portée de tous.
Les Atomes
Paru en 1913, suivi de multiples rééditions, Les atomes est le chef-d’œuvre de Jean Perrin, récapitulation brillante des différents travaux qui lui vaudront les honneurs du Nobel de physique en 1926. « Il y a vingt siècles peut-être, sur les bords de la mer divine ou le chant des aèdes venait à peine de s'éteindre, quelques philosophes enseignaient déjà que la matière changeante est faite de grains indestructibles en mouvement incessant, atomes que le Hasard ou le destin auraient groupés au cours des âges selon les formes ou les corps qui nous sont familiers » - avec cet exorde lyrique, Perrin rendait compte de l'atomos dans lequel l'Antiquité hellénique voyait « l'essence de toutes choses ». Ce livre enchanta toute une génération montante de jeunes scientifiques, à commencer par Louis de Broglie, autre pilier de la physique française du XXème siècle.
La vision atomiste de la nature, chez les penseurs grecs, n'était qu'un concept philosophique. C'est seulement avec Antoine-Laurent de Lavoisier, Joseph Louis Proust, John Dalton et Louis-Joseph Gay-Lussac que s'élaborent, entre 1789 et 1815, les premières théories scientifiques de l'atome. L'Anglais Dalton, le véritable créateur de la théorie atomique, reprend aux Anciens l'idée d'une limite à la divisibilité de la matière mais lui donne enfin des fondements solides et une formulation quantifiée. Partant du principe que sa théorie permet aussi bien d'interpréter les propriétés physiques des gaz que d'expliquer les lois pondérales des combinaisons chimiques. Il énonce que les éléments chimiques de base ne se combinent à l'intérieur de composés différents qu'en proportions relatives déterminées, et non pas continues. En langage d'aujourd'hui, cela se traduit par l'exemple suivant : la masse atomique de l'hydrogène étant 16 fois plus faible que celle de l'oxygène, 2g d'hydrogène se combinent avec 16g d'oxygène pour former l'eau (H2O), et avec 64g d'oxygène pour donner l'acide sulfurique H2SO4. Ces deux corps ne s'associent jamais dans des proportions « irrationnelles », c'est-à-dire qui ne peuvent s'écrire sous la forme d'une fraction de deux nombres entiers.
Le nombre d’Avogadro
Perrin allait aborder ce problème par l'intermédiaire de la fameuse hypothèse formulée en 1811 par le chimiste et physicien italien Amedeo Avogadro, selon laquelle il existe toujours le même nombre de molécules dans des volumes égaux de gaz différents à température identique. La loi d'Avogadro, l'une des bases de la chimie, établit une relation de proportionnalité entre la masse moléculaire et la densité d'un corps gazeux.
Pour Perrin, il s'agissait de trouver un moyen expérimental de mesurer le nombre de molécules, supposé égal, entrant dans 2g d'hydrogène, 32g d'oxygène, 28g d'azote, et ainsi de suite pour les autres gaz. Autrement dit, de déterminer leur masse moléculaire liée au fait qu'ils occupent, à température et pression identiques, le même volume. Par exemple, à 0°C et sous une pression d'une atmosphère, un volume de 22,4 litres. Si le nombre d'Avogadro (on le désigne par N) s'avérait être une constante de la nature, l'expérience donnerait a posteriori raison à l'Italien et vérifierait du même coup l'hypothèse atomiste qu'impliquait sa théorie, laquelle restait encore une supposition de l'esprit brillante mais que lien n'avait jamais confirmée.
Restait donc à prouver que ce nombre « magique » nécessairement très grand, correspondait à une réalité physique et n'était pas simplement une construction intellectuelle. Il fallait en premier lieu résoudre un problème critique : le passage d'un phénomène situé à l'échelle atomique, donc du domaine de l'infiniment petit, à une dimension humainement mesurable. L'époque ne disposait pas d'instruments capables de fouiller véritablement dans l'invisible. Mu par une inspiration géniale, Perrin imagine une voie de travail qui passe par l'équilibre des émulsions ; se servant de la méthode décrite dans notre encadré, il obtient une valeur de 68 suivi de 22 zéros, très proche de celle communément admise aujourd'hui : 602 suivi de 21 zéros.
Jean Perrin étaye ce résultat par une série d'autres expériences. Il étudie notamment les mouvements browniens, ces déplacements désordonnés qui agitent des particules de dimensions inférieures à quelques micromètres, en suspension dans un liquide ou un gaz. Détecté au microscope par le botaniste écossais Robert Brown, sur de minuscules poussières de pollen en dispersion dans l'eau, ce phénomène ne pouvait s'expliquer que par la présence d'atomes dans la matière. D'où son importance dans l'histoire de la physique.
Une description théorique ainsi qu'une explication quantitative du mouvement brownien, ont été fournies en 1905 par Einstein, qui démontrait qu'il permettait de mesurer le « nombre d'Avogadro », c'est-à-dire de peser les molécules individuelles du liquide, le déplacement moyen d'une particule en mouvement brownien étant proportionnel au carré de la durée d'observation.
Jean Perrin parvint à vérifier cette proposition expérimentalement. Cette fois, il obtenait des valeurs comprises entre 65 x 1022 et 69 x 1022, donc dans une fourchette très serrée. Il s'émerveille lui-même d'avoir abouti à des résultats tellement homogènes par deux « manips » expérimentales sans rapport l'une avec l'autre : « Devant le niveau de concordances aussi précises sur cette valeur à partir de phénomènes si différents, dit-il, on ne pouvait qu'être saisi d'admiration ». Ces travaux, développés ensuite par Paul Langevin, donnèrent naissance à une nouvelle science, la mécanique statistique.
La thèse atomiste l'emportait donc définitivement. Comme le fit remarquer Henri Poincaré à l'époque, les atomes n'étaient plus seulement une fiction commode, on avait maintenant l'impression de pouvoir les toucher puisque, grâce à Jean Perrin, on savait les compter.
Dès lors, pour notre physicien, les honneurs s'amoncellent. Il est élu en 1923 à l'Académie des sciences, dont il devient président en 1938. Et bien sur, il y a le prix Nobel de 1926.
Il occupe la première chaire de chimie physique à la Sorbonne charge qu'il assurera jusqu'en 1939. Durant tout son enseignement, Perrin se battra contre le positivisme étriqué qui s'opposait aux innovations de la science et à toutes les audaces de la pensée théorique. Il personnifie la nouvelle physique, discipline galopante qui n'hésite pas à bavarder les fausses notions accumulées par le passé.
En 1911, l'industriel et philanthrope belge Ernest Solvay, fonde les « conseils » qui aujourd'hui encore portent son nom, réunions internationales de savants destinées à discuter et fixer les points controversés des théories physiques et chimiques modernes ; dès leur création, Jean Perrin en devient une des principales stars.
Il poursuit inlassablement ses recherches. Sur les « lames minces » notamment. Newton avait été le premier à observer que ce phénomène s'obtient lorsque de petits anneaux sont formés avec de l'eau savonneuse. C'est ce qui se passe quand les enfants soufflent des bulles d'eau additionnée d'un tensioactif. Placée en position verticale, la lame de savon diminue d'épaisseur du fait que l'eau qu'elle contient s'écoule vers le bas. Apparaissent alors des couleurs changeantes, du pourpre au jaune paille, puis des taches noires, qui ne sont pas des trous puisqu'elles réfléchissent encore légèrement la lumière. Ces iridescences sont dues, on le sait maintenant, aux interférences entre les rayons lumineux qui traversent la lame pour se réfléchir sur la paroi intérieure, et ceux qui sont directement renvoyés par la surface extérieure.
Perrin constata que les lames très minces, réalisées par exemple lorsqu'un léger film d'huile se répand à la surface de l'eau, ont une structure stratifiée en épaisseur. Et que la différence d'épaisseur entre deux plages contiguës ne peut descendre en-dessous d'une certaine valeur tout en s'exprimant toujours comme un multiple entier de cette épaisseur minimale. Ainsi obtenait-il une nouvelle mesure des atomes ou des molécules constituant la lame mince, de l'ordre de cent millièmes de millimètre. Perrin rêve déjà de découper ces atomes, alors réputés « insécables », projet jugé insensé par les moins imaginatifs parmi ses pairs.
Quand éclate la Première Guerre mondiale, notre physicien accomplit son devoir militaire dans la lignée paternelle, comme lieutenant d'infanterie, avant d'être affecté à des tâches de recherches techniques pour la Défense nationale par Paul Painlevé, le mathématicien alors ministre de la Guerre. Perrin met au point un curieux dispositif acoustique de détection nocturne des avions, grâce auquel on peut également déceler les travaux de fortifications souterraines de l'ennemi.
Collaboration avec son fils ainsi que Nine Choucroun
Eté 1930, photo de vacances chez Jean Perrin, à gauche.
Nine Choucroun, Georges Gricouroff, Eve Curie, Irène et
Frédéric Joliot-Curie, l’historien Charles Seignobos.
Les Perrin, père et fils, axent leurs premières études communes sur la fluorescence, propriété que possèdent certaines substances d'absorber la lumière et de la réémettre sous forme de rayonnement de longueur d'onde plus grande, donc de moindre énergie. Jean et Francis démontrent que ce phénomène est du au retour des atomes, excités de manière transitoire à leur niveau d'énergie initial.
Avec sa collaboratrice Nine Choucroun, Jean perrin met en évidence la fluorescence « sensibilisée » : une molécule fluorescente peut se désactiver en quelques milliardièmes de seconde, sans émettre de lumière mais en excitant par induction une molécule voisine qui, elle, se désactive en dégageant de la fluorescence. Cette découverte a eu des répercussions considérables, en biologie notamment, où elle permet de mesurer des distances entre les molécules de couples donneurs-receveurs de fluorescence, greffées sur les substances à étudier, et de dresser leur carte topographique, révélant ainsi les mécanismes biologiques en cause.
Jean Perrin confia un jour à H.G. Wells, le fameux auteur anglais de science-fiction, qu'il avait toujours caressé le rêve d'être biologiste, il pouvait donc se féliciter d'avoir indirectement, en quelque sorte, réalisé ce désir.
Perrin et l’astronomie
Perrin a apporté une importante contribution à la science dans un autre domaine tout aussi inattendu : l'astronomie, discipline qui le fascinait par la dimension incommensurable de son objet, par ses espaces macroscopiques, à l'extrême opposé du monde infinitésimal des atomes. Dès 1919, il conçoit, ce qui sera explicité vingt ans plus tard par Hans Albert Bethe, le physicien germano-américain, le cycle de transformations de la matière au sein des étoiles.
À l'aube de notre siècle, le mystère du Soleil reste entier : comment brûle-t-il, quelle est l'origine de l'énergie qu'il rayonne ? Le génie de Perrin fut de songer à la masse des atomes, légèrement inférieure au multiple entier de la masse des noyaux d'hydrogène qui forment la matière de base de notre astre de feu. Cette différence de masse, équivalant à une création d'énergie selon le principe de la relativité restreinte (E = mc2 exprime la proportionnalité de l'énergie à la masse) devait représenter l'énergie rayonnée et dissipée au cours des synthèses successives qui conduisaient de l'élément le plus simple - l'hydrogène - au produit créé à la fin du cycle. Perrin conclut que la source de rayonnement solaire tenait dans la transmutation de l'hydrogène en hélium par une réaction de fusion.
D'après ses calculs, un soleil d'hydrogène pouvait mettre 100 milliards d'années pour devenir une boule d'hélium. Il donnait ainsi pour la première fois une crédibilité mathématique aux 5 milliards d'années d'existence que les astrophysiciens attribuaient au Soleil.
En faveur de l'astronomie, Perrin fit plus encore, en signant en 1936, en sa qualité de sous-secrétaire d'Etat à la recherche scientifique, le décret qui fondait l'observatoire de Haute-Provence, longtemps le plus beau d'Europe. Il fut également à l'origine de la création de l'Institut d'astrophysique de Paris.
Idées et contribution pour la recherche
Scientifique avant tout, il n'était cependant pas que cela. A Normale, il s'édait lié d'amitié avec Paul Langevin, un autre futur très grand de la physique contemporaine, et avec Léon Blum. Les trois fréquentaient un groupe converti au socialisme par Lucien Herr, le célèbre et fort érudit bibliothécaire de l'école, et dont les membres étaient passionnément dreyfusards.
Avec Langevin, Perrin partagea toute sa vie durant la conviction que la science moderne est un instrument culturel aussi important que les humanités traditionnelles, et que sa diffusion dans le public est un élément majeur du progrès général des peuples. A partir des années 30, il consacre une grande partie de son énergie à l'institutionnalisation de la recherche, et aussi à la « socialisation des découvertes de la science », comme il disait lui-même en parlant de la vulgarisation scientifique.
La recherche française de l'époque était cruellement en manque de moyens financiers, et donc de matériel et de chercheurs. Le député Emile Borel, ami de Perrin, constatait avec humour et humeur, que « les cerveaux qui font de la recherche sont fâcheusement accompagnés d'un estomac ». Borel réussit en 1924 à faire voter par les Chambres le « sou des laboratoires », qui représentait le septième de la taxe d'apprentissage, en ce temps-là d'un montant de 20 centimes pour cent heures de salaires. C'était peu. La France, qui occupait autrefois la première place dans la création scientifique, avait déjà glissé au cinquième rang des nations les plus scientifiquement productives.
La co-direction de l'Institut de biologie physico-chimique, construit en 1926 sur un don d'Edmond de Rothschild, rue Pierre-Curie, avait dès sa fondation été confiée à Jean Perrin. La gestion et l'administration de cet établissement eurent vite fait de le sensibiliser plus encore à l'état de l'inorganisation de la recherche en France.
Il commence par créer les bourses Rothschild pour les jeunes chercheurs non membres de l'enseignement supérieur, dont un Joliot par exemple pourra bénéficier.
Il propose d'autres mesures en faveur de la science. En 1930, il convainc Edouard Herriot, normalien comme lui, de présenter un projet de loi portant création d'un Service national de la recherche scientifique, qui se chargerait de recruter et de soutenir officiellement de jeunes chercheurs de talent, même dépourvus de titres universitaires.
Ce dernier point est une idée très ancrée chez Jean Perrin, qui n'a qu'une piètre estime pour le formalisme académique. Il songe peut-être à Michael Faraday, dont l'œuvre l'a inspiré ; fils d'ouvrier forgeron, celui-ci débute comme garçon de courses chez un libraire-papetier, pour devenir ensuite relieur, prenant ainsi connaissance de nombreux ouvrages savants qui feront de lui une sommité mondiale de la physique et de la chimie.
Parmi d'autres autodidactes brillants, dont Jean Perrin avait plus spécialement fréquenté la pensée, il y avait justement Amadeo Avogadro, qui commença comme secrétaire de préfecture, sans vocation déclarée pour les sciences, et John Dalton, fils d'un ouvrier tisserand et, au début, simple instituteur dans une école de campagne.
Le Service national de la recherche préconisé par Perrin a bien été créé, mais perdra finalement son nom et son identité pour être intégré à la Caisse nationale des sciences, conçue à l'origine, o paradoxe, comme un organisme de retraite pour vieux chercheurs.
Début 1933, Perrin entreprend de défendre, devant Anatole de Monzie, ministre de l'Education nationale, son projet de Conseil supérieur de la recherche scientifique. Les attributions de cet organisme : servir de jury indépendant et qualifié dans toutes les affaires touchant à la science, évaluer les programmes proposés et, s'ils sont agréés, leurs résultats, approuver ou rejeter les demandes de subvention publique selon des critères rigoureux, assurer la coordination entre les innombrables services qui sont censés gérer la recherche et qui, pour le moment, tirent chacun de leur côté dans l'incohérence la plus anarchique. Il réunit 81 signatures parmi les plus éminentes du monde savant d'alors, pour soutenir une idée que la bureaucratie d'Etat regarde avec suspicion, craignant l'installation d'un contre-pouvoir scientifique qui retirerait leurs prérogatives aux clans des ministères. Ce Conseil, à partir de sa création en 1934, ne siégera que quatre fois, la dernière préludant à son absorption par le CNRS.
Avec le front populaire et le gouvernement Léon Blum, Jean Perrin est nommé à l'automne 1936 sous-secrétaires d'Etat à la recherche scientifique, en remplacement d'Irène Joliot-Curie, peu intéressée par une telle fonction ministérielle. Il restera à ce poste jusqu'à la chute du premier gouvernement Blum en juin 1937, et y retournera pendant quelques mois en 1938.
Il contribue plus que tout autre à doter la France d'une admirable organisation scientifique à l'échelle nationale, unique au monde si l'on excepte l'Union soviétique. Sous l'impulsion de Perrin, un décret-loi a donné naissance à la Caisse nationale de la recherche scientifique, qui octroie des bourses, participe aux travaux et au fonctionnement des laboratoires, organise des missions spécialisées dans les différents domaines du savoir. Jean Perrin est nommé à la présidence de son premier conseil d'administration. Il se trouve maintenant à la tête d'une organisation bien structurée.
Son besoin de « socialisation » de la science prend corps en 1938 dans une nouvelle institution, le Palais de la découverte, qui doit faire partager au plus grand nombre la passion des connaissances exactes, celle qui est le moteur de sa propre vie.
Avec son ami Paul Langevin et quelques autres, il réussit à imposer cette nouvelle représentation des conquêtes intellectuelles, adressée au grand public, à l'occasion de l'Exposition universelle qui se tient à Paris en 1937. Ce qui devait être un événement provisoire est resté de nos jours un monument permanent de la science.
Le Palais de la découverte est une conception unique en son genre. Il présente au visiteur toutes les méthodes des diverses sciences et reproduit les grandes expériences qui ont été menées dans les différentes disciplines, le tout animé par un personnel scientifique de très haut niveau. Jean Perrin en fit le temple de sa religion personnelle, la science, vers laquelle il espérait attirer de nombreuses jeunes vocations.
Dernière étape de la construction des institutions que nous devons à Jean Perrin : la création du Centre national de la recherche scientifique, le tentaculaire CNRS qui, en 1939, absorbe tous les organismes existants dédiés à l'effort de recherche.
La France est déjà en guerre... qu'elle perd aussitôt. Les deux directeurs adjoints du CNRS, Longchambon pour la recherche appliquée et Henry Laugier pour la partie fondamentale, choisissent l'exil. Jean Perrin s'expatrie lui aussi, ses positions politiques rendant sa sécurité précaire sous l'occupation. Il part pour Alger avec un groupe de parlementaires qui fuient le régime de Vichy et espèrent former un gouvernement de lutte à l'étranger.
Après un retour clandestin d'un an à Lyon, encore en zone non-occupée, Jean Perrin rejoint son fils Francis à New York, en décembre 1941. II y participera à la fondation de l'Ecole des hautes études, un centre français prestigieux.
Cet homme de haute conscience adhère à la France libre et milite auprès des Américains pour les éclairer sur la situation de son pays, cette France « prisonnière, enchaînée, bâillonnée ». Il ne la reverra pas. Il meurt à New York en avril 1942, à 72 ans. Ses cendres seront rapportées à Paris six ans plus tard et déposées au Panthéon, où l'attendent celles de son grand ami Paul Langevin, disparu entre-temps lui aussi.
Son Héritage majeur pour la science
La découverte de l'électron
Comment expliquer, lors des expériences d'électrolyse par exemple, que le courant se « balade » d'une électrode à l'autre. La matière ne serait-elle pas composée d'éléments dotés d'une certaine « puissance électrique » ? C'est cette hypothèse qui, après Faraday, va être retenue puis confirmée par Jean Perrin à la fin du siècle dernier.
- Lorsque les « rayons » émis par deux plaques métalliques chargées en sens opposé (« rayons cathodiques ») sont recueillis par un conducteur évidé de forme cylindrique (« cylindre de Faraday ») relié à un électroscope, celui-ci, initialement chargé positivement, se décharge. C'est donc qu'il reçoit une charge négative.
- D'autre part, sous l'action d'un champ magnétique transversal, le faisceau cathodique n'atteindra plus le cylindre (l'électroscope ne se décharge pas). Il sera dévié suivant la loi de Laplace, qui s'applique à des particules en mouvement, chargées électriquement. Force est donc de conclure que les « rayons » sont des particules, chargées négativement. Perrin les appellera « atomes d'électricité ». Ce sont les électrons !
Chiffrer le nombre d'Avogadro
On savait, depuis le chimiste italien Avogadro (1776-1856), qu'à des conditions de pression identiques, des volumes égaux de gaz différents contiennent un même nombre de molécules : on savait aussi qu'il y a une relation de proportionnalité entre la masse moléculaire des gaz et leur densité. Mais on ne savait pas combien de molécules peut contenir telle ou telle quantité de gaz donnée !
Pour calculer ce nombre, Perrin observe une émulsion, c'est-à-dire un mélange de deux composés non miscibles, l'un restant en suspension dans l'autre comme l'huile dans la vinaigrette. En frottant dans l'eau de la gomme-gutte, sorte de résine provenant de la dessication d'un latex végétal, il obtient une émulsion jaune de petites sphères dans l'eau.
Après purification, centrifugation et traitement d'un kilogramme de gomme-gutte, Perrin travaille sur des grains de résine, homogènes en tailles, dont il peut observer au microscope les positions respectives dans l'eau. Observation impossible sur les atomes eux-mêmes, beaucoup trop petits.
Il comprend que ces granules, à la fois entraînés vers le bas par leur poids et dispersés par l'agitation thermique doivent voir leur répartition en hauteur obéir au même régime que les molécules des gaz dans l'atmosphère. Et qu'ils doivent suivre la loi de Laplace qui veut que, statistiquement, la densité ou le nombre de particules diminue très rapidement avec l'altitude.
Ayant observé au microscope la densité de l'émulsion et sa répartition, Perrin en calcule le nombre de molécules contenues dans une molécule-gramme, soit le nombre d'Avogadro, tant recherché depuis un siècle : 68 fois 10 puissance 22, soit 68 suivi de 22 zéros. Une valeur proche de celle qui est admise de nos jours (6,02 fois 1023).
