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Leçons inaugurales

Atomes et rayonnement

Extraits de la leçon inaugurale prononcée le 18 avril 2013
Jean Dalibard
p. 4
Traduction(s) :
Atoms and Radiation

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Mots-clés :

Atomes, rayonnement
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Texte intégral

Copyright : Patrick Imbert, Collège de France

1Au début du XVIIe siècle, l’astronome allemand Kepler cherche à comprendre un phénomène mystérieux : les queues des comètes pointent toujours à l’opposé du Soleil.

2Quand une comète s’approche du Soleil, cela correspond à l’image d’une chevelure flottant au vent. Mais quand la comète s’éloigne du Soleil, la queue précède le noyau de la comète, ce qui semble aller contre l’intuition. Pour expliquer ce phéno­mène, Kepler fait la proposition suivante : « La queue d’une comète est formée par une matière que les rayons du Soleil chassent par leur impulsion hors du corps de la comète ». À la fin du même siècle, le physicien hollandais Hartsoeker écrit dans ses Principes de Physique : « Les voyageurs assurent que le Danube est beaucoup moins rapide le matin lorsque les rayons du Soleil s’opposent à sa course, qu’il ne l’est l’après-midi lorsqu’ils aident ce cours. »

3De ces deux scientifiques, l’un, Kepler, avait au moins partielle­ment raison  ; l’autre, Hartsoeker, ne décrivait qu’une illusion d’optique. Mais les deux avaient eu l’intuition d’un phénomène qui joue un rôle essentiel dans la physique d’aujourd’hui : la lumière, et plus généralement le rayonnement électromagnétique, peut agir sur les atomes et les molécules qui composent la matière.

4Les deux mots Atomes et Rayonnement qui composent le titre de cette chaire représentent l’essentiel du monde physique qui nous est familier. La lumière est à la fois un canal d’information sur notre environnement et un moyen de le contrôler  ; canal d’information pour l’astronome par exemple, qui, en observant la couleur d’une étoile, en déduira son âge  ; moyen d’action ensuite car la lumière peut apporter localement une quantité d’énergie déterminée : la découpe des matériaux par laser en est une illustration.

5Matière et rayonnement sont intimement liés dans la progression des connaissances et nos modélisations du mouvement des particules et de la lumière ont avancé de pair. Ainsi, au XVIIe siècle, Fermat explique les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière, énoncées auparavant par Descartes et Snell, grâce à son principe : « La Nature agit toujours par les voies les plus courtes et les plus simples ». Cent ans plus tard, l’extension de l’idée de Fermat à la mécanique par Maupertuis, Lagrange et Euler donnera naissance au principe de moindre action, encore d’une très grande portée aujourd’hui. Au tournant du XXe siècle, l’étude de la lumière émise par un four ­permet à Planck de jeter la première pierre de ce qui allait devenir la physique quantique et fournir une explication à la stabilité de la matière. Cinquante ans plus tard, ce sont des mesures très précises sur la structure des atomes, faites par Lamb, qui conduiront à la construction de l’électrodynamique quantique, la modélisation désormais universellement acceptée­ pour décrire le rayonnement.

6L’électrodynamique quantique est une théorie extraordinairement précise dont le succès même ouvre une question essentielle : sur le plan fondamental, reste-t-il des problèmes ouverts dans cette science des atomes et de la lumière ? En d’autres termes, l’optique et la physique atomique ne sont-elles pas devenues des technologies au service d’autres disciplines ?

7Je souhaite apporter ici quelques éléments de réponse qui prouveront au contraire toute la vitalité de ce champ de recherche. Nous devons cette vitalité à un dispositif, le laser, nom générique qui désigne une variété considérable d’outils : il peut représenter un faisceau envoyé sur la Lune pour en mesurer l’éloignement, ou une source lumineuse injectée dans une fibre optique comme support d’information, ou encore un train d’impulsions brèves permettant de sonder la dynamique de réactions chimiques.

8Cette leçon sera centrée sur une des applications les plus paradoxales du laser, le refroidissement des gaz d’atomes. Alors que le laser est traditionnellement associé à l’idée de chaleur, on l’utilise également pour diminuer considéra­blement le mouvement aléatoire des particules d’un gaz et arriver à un ordre quasi parfait, moins d’un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. La matière quantique ainsi produite possède des propriétés radicalement différentes des fluides ou des solides que nous rencontrons au quotidien. Son étude attire des scientifiques de disciplines très diverses : physiciens de la matière condensée, chimistes, mathématiciens, astrophysiciens y trouvent des illustrations et des questionnements sur des phénomènes issus de leur champ de recherche.

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Table des illustrations

Crédits Copyright : Patrick Imbert, Collège de France
URL http://journals.openedition.org/lettre-cdf/docannexe/image/1457/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 188k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Jean Dalibard, « Atomes et rayonnement », La lettre du Collège de France [En ligne], 37 | Décembre 2013, mis en ligne le 24 janvier 2014, consulté le 12 décembre 2017. URL : http://journals.openedition.org/lettre-cdf/1457

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Auteur

Jean Dalibard

Professeur au Collège de France, titulaire de la chaire Atomes et rayonnement

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Droits d’auteur

© Collège de France

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