L'ATOMISME

Il pourra paraître singulièrement paradoxal que-, dans un chapitre consacré à des aperçus généraux sur les principes de la physique, on vienne introduire quelques mots sur les théories atomiques de la matière.

On oppose, en effet, très souvent, ce que l'on appelle la physique des principes aux hypothèses sur la constitution de la matière, aux théories atomistiques en particulier. Nous avons déjà dit que, renonçant à scruter l'insondable mystère de la constitution de l'Univers, certains physiciens pensent trouver, dans quelques principes généraux, des guides sufiisants pour les conduire à travers le monde physique; mais nous avons dit aussi, en examinant l'histoire de ces principes, que si on les considère aujourd'hui comme des vérités expérimentales, indépendantes de toutes les théories relatives à la matière, ils avaient, en fait, été découverts presque tous par des savants qui s'appuyaient sur des hypothèses moléculaires.

Et la question se pose de déterminer s'il y a là un simple hasard, ou si, plutôt, ce hasard ne serait pas commandé par des raisons supérieures.

Dans un livre très profond, paru il y a quelques années et intitulé « Essai critique sur Vhypothèse des atomes » un philosophe, doublé d'un savant

érudit, M. Hannequin, a examiné le rôle que joue l'atomisme dans l'histoire de la science. Il constate qu'atomisme et science naquirent en Grèce du même problème, que, dans les temps modernes, la renaissance de l'une fut intimement liée à la renaissance de l'autre; il fait, dans une analyse très serrée, voir que l'hypothèse atomistique est essentielle à l'optique de Fresnel et de Cauchy, qu'elle pénètre dans l'étude de la chaleur, que, dans ses traits généraux, elle préside à la naissance de la chimie moderne et se trouve dans tous ses progrès. Il en conclut qu'elle est, en quelque sorte, l'âme de notre science de la nature et que les théories contemporaines sont, sur ce point, d'accord avec l'histoire : elles consacrent la prépondérance de cette hypothèse dans le domaine scientifique.

Si M. Hannequin n'avait pas été enlevé prématurément en plein épanouissement de son vigoureux talent, il aurait pu ajouter à son beau livre un nouveau chapitre; il aurait assisté à une poussée prodigieuse des idées atomistiques, accompagnée, il est vrai, de profondes modifications dans la manière dont l'atome doit être considéré, puisque les théories les plus récentes font des atomes matériels des centres constitués par des atomes d"électriciié.

Mais il aurait trouvé néanmoins dans l'éclosion fle ces nouvelles doctrines une preuve de plus à l'appui de son idée que la science est liée à l'atomisme d'une manière indissoluble.

Au point de vue philosophique, M. Hannequin, examinant les raisons qui ont pu forger ces liens, arrive à penser qu'elles proviennent nécessaire-

ment de la constitution de notre connaissance ou peut-Are de celle de la nature elle-même.

D'ailleurs, cette origine, double en apparence, est unique au fond; notre esprit ne saurait en effet se dégager et sortir de lui-même pour saisir la réalité et l'absolu de la nature ; selon la pensée de Descartes, c'est la destinée de notre esprit, de ne saisir et de ne comprendre que ce qui vient de lui.

Ainsi l'atomisme, qui n'est peut-être qu'une apparence, enveloppant même des contradictions, est cependant une apparence bien fondée, puisqu'elle est conforme aux lois de notre esprit; et cette hypothèse est, en quelque sorte, nécessaire.

On peui discuter les conclusions de M. Hannequin, mais personne ne refusera d'admettre avec lui que les théories atomiques occupent une place prépondérante dans les doctrines physiques, et, cette place, qu'elles ont ainsi conquise, leur donne, en quelque sorte, le droit de dire qu'elles s'appuient sur un véritable principe; c'est pour reconnaître ce droit que divers physiciens, M. Langevin, par exemple, demandent que l'on fasse passer les atomes du rang des hypothèses à celui des principes, lis entendent par là que les idées atomistiques, imposées par une induction presque obligatoire qui s'appuie sur des expériences très précises, permettent de coordonner un ensemble considérable de faits, de construire une synthèse très générale, de prévoir un grand nombre de phénomènes.

Il importe d'ailleurs de bien comprendre que l'atomisme ne suppose pas nécessairement l'hypo-» xhèse des centres d'attraction agissant à distance^ et il ne faut pas le confondre avec la physique moléculaire qui a. subi. elle, au contraire, les plus

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graves échecs. Cette physique, très en foreur il y a une cinquantaine d'années, conduit à des représentations si complexes, à des solutions souvent si indéterminées, que les plus courageux se sont lassés de la soutenir et qu'elle est un peu tombée s le discrédit. Elle s'appuyait sur les principes fondamentaux de la mécanique appliquée aux actions moléculaires; et c'était là, sans doute, une asion assez illégitime, car la mécanique n'est elle-même qu'une science expérimentale, et ses principes établis pour les mouvements de la matière prise en masse, ne doivent pas être appliqués hors du domaine qui leur est propre.

L*atomisme tend, de plus en plus, dans les théories modernes, à imiter le principe de la conservation de l'énergie ou celui de l'entropie, à se dégager des liens artificiels qui l'attachaient à la mécanique, à se poser en principe indépendant.

Les idées atomistiques ont donc, elles aussi, évolué, et cette évolution lente s'est considérablement accélérée sous l'influence des découvertes modernes.

Elles remontent à la plus haute antiquité et il faudrait, pour en suivre le développement, écrire l'histoire de la pensée humaine qu'elles ont accompagnée depuis Leucippe, Démocrite, Épicure et Lucrèce.

Les premiers observateurs qui ont remarqué que l'on peut diminuer le volume d'un corps par compression ou refroidissement, l'augmenter par échaufîement, qui ont vu un corps solide soluble se mêler intimement à l'eau qui le dissout, ont dû, presque obligatoirement, supposer que la matière n'est pas répandue d'une façon continue

dans l'espace qu'elle semble occuper; ils ont été ainsi amenés à la supposer discontinue et à lettre qu'une substance, ayant même composition, mêmes propriétés dans toutes ses parties, en ;n mot parfaitement homogène, cesse cependant de -enter cette homogénéité, lorsqu'on la considère sous un volume suffisamment petit.

Les expérimentateurs modernes ont réussi à mettre en évidence, par des expériences directes, ce caractère hétérogène de la matière prise en petite masse. Ainsi, par exemple, la tension superficielle qui est constante pour un même liquide à température donnée ne conserve plus la même valeur lorsque l'épaisseur d'une lame liquide devient extrêmement petite. Newton avait déjà remarqué qu'on voit se former sur une bulle de savon, au moment où elle est devenue si mince qu'elle va éclater, une zone obscure; MM. Keinold et Rucker ont montré que cette zone n'est plus exactement sphérique et l'on doit conclure de là que ia tension superficielle, constante pour toutes ies épaisseurs supérieures à une certaine limite, commence à varier quand l'épaisseur tombe audessous de cette valeur critique que MM. Reinold et Kucker évaluent, par des considérations optiques, à environ cinquante millionièmes de millimètre.

Par d'autres expériences sur la capillarité, M. Quincke est arrivé à des résultats semblables au sujet de couches solides. Mais ce ne sont pas seulemen les propriétés capillaires qui permettent de déceler ce caractère ; toutes les propriétés d'un corps sont modifiées lorsqu'on le prend en petite nasse ; M. Merlin le prouve d'une façon fort ingénieuse pour des propriétés optiques, M. Vincent

pour la conductibilité électrique; M. Iloullcvigue, qui, dans un chapitre de son beau livre : « Du Laboratoire à V Usine » a très clairement exposé les considérations les plus intéressantes sur les hypothèses atomiques, a récemment démontré que le cuivre et l'argent cessent de se combiner avec l'iode dès qu'ils se présentent sous une épaisseur de trente millionièmes de millimètre ; c'est aussi cette même dimension que possèdent, d'après M. Wiener, les plus faibles épaisseurs d'argent qu'il soit possible de déposer sur le verre; couches si minces d'ailleurs, qu'on ne saurait les apercevoir, mais dont la présence est révélée par un changement dans les propriétés de la lumière réfléchie.

Ainsi, au-dessous de cinquante à trente millionièmes de millimètre d'épaisseur, les propriétés de la matière dépendent de son épaisseur ; on ne doit plus, sans doute, rencontrer alors que quelques molécules, et l'on peut conclure, par suite, que les éléments discontinus des corps, les molécules, ont des dimensions linéaires de l'ordre de grandeur du millionième de millimètre.

Des considérations relatives à des phénomènes plus complexes, par exemple, aux phénomènes d'électricité de contact, ainsi que la théorie cinétique des gaz, amènent à la même conclusion.

L'idée de la discontinuité de la matière s'impose d'ailleurs pour beaucoup d'autres raisons; toute la chimie moderne est fondée sur ce principe; des lois, comme la loi des proportions multiples, introduisent une discontinuité évidente que Ton retrouve semblable dans la loi de l'électrolyse.

Les éléments des corps que l'on est ainsi amené à envisager pourraient, dans les solides

tout au moins, être considérés comme immobiles ; mais cette immobilité ne saurait expliquer les phénomènes de la chaleur et, comme elle est entièrement inadmissible pour les gaz, il apparaît peu vraisemblable qu'elle puisse se rencontrer absolue sous aucun état.

On est ainsi conduit à supposer que ces éléments sont animés de mouvements très compliqués, chacun d'eux parcourant des trajectoires fermées que les moindres variations de température ou de pression viennent modifier.

Peut-être un avenir prochain apportera-t-il sur ces mouvements les plus précieux renseignements.

Dans le cas des liquides les mouvements Browniens qu'on observ.3 au microscope paraissent bien dûs aux chocs non coordonnés des molécules et les travaux les plus récents, par exemple ceux de M. Einstein et de M. J. Perrin, confirment cette hypothèse. Les nouveaux procédés d'observation des objets ultra-microscopiques (*) permettent presque d'affirmer la discontinuité de la matière

1. Cette méthode extrêmement simple a été imaginée par MM. Sidentopf et Zsygmondy.

On sait que le microscope le plus perfectionné ne pourrait pas, à cause des phénomènes de diffraction, permettre d'étudier des objets dont la dimension serait inférieure à un tiers de millième de millimètre. Mais, de môme que l'on voit les grains de poussière vivement éclairés par un rayon de soleil quand on a soin de ne pas observer dans la direction môme du rayon et de se placer de façon à recevoir les rayons diffusés par les grains, de même, si on éclaire vivement un objet placé sur la platine du microscope et si l'on s'arrange pour que toute la lumière qui n'est pas renvoyée latéralement ne pénètre pas dans l'objectif, on observera des petits objets jusqu'ici insoupçonnés qui se détacheront brillants sur un fond obscur et qui pourront n'avoir qu'un trois millionième de millimètre.

MM. Gotton et Mouton qui ont perfectionné la méthode ont

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et de constater qu'elle possède une structure granuleuse. On peut même, comme l'a fait M. J. Perrin dans un travail extrêmement remarquable, évaluer le nombre de molécules que contiendrait une molécule-gramme de n'importe quelle substance ; on trouve q\f ce nombre très élevé renfermerai! 24 chiiïres.

L'Hypothèse atomistique se montre particulièrement féconde dans l'étude des phénomènes qui se produisent an sein des gaz, ici l'indépendance mutuelle des particules rend la question relativement plus simple et permet peut-être d'étendre avec plus de sûreté les principes de la mécanique naire aux mouvements des molécules.

La théorie cinétique des gaz compte à son actif dos succès très incontestables, et l'idée de Daniel Bernouilli qui, dès 1738, considérait une masse gazeuse comme formée d'un nombre considérable de molécules animées de mouvements rapides de translation a été mise sous une forme assez précise pour que l'analyse mathématique la puiss. atteindre et l'on s'est ainsi trouvé en mesure de construire un ensemble très cohérent.

On conçoit immédiatement, dans cette hypothèse, que la pression est la résultante des chocs des molécules contre les parois et l'on arrivt immédiatement à démontrer que la loi de Mariotte est une conséquence naturelle de cette origine de la pression, puisque, si le volume occupé par un certain nombre de molécules vient à doubler, le nombre des chocs par seconde sur chaque ceiftimètre carré des parois devient deux fois moindre;

ainsi obtenu divers résultats très importants relativement à un abre de questions de physique, de chimie et de biologie.

mais si Ton veut aller plus loin, on se trouve en présence d'une très sérieuse difficulté : il est impossible de suivre par la pensée chacune des nombreuses molécules individuelles qui composent une masse gazeuse même très limitée, le chemin que suit une molécule peut se trouver, à chaque instant, modifié par le hasard d'une rencontre avec une autre, par un choc qui la peut faire rebondir dans une nouvelle direction.

La difficulté serait insoluble, si le hasard luimême n'avait pas ses lois. C'est Maxwell, le premier, qui pensa à introduire dans la théorie cinétique le calcul des probabilités ; W. Gibbs et M. Boltzmann ont développé depuis cebte idée, et ont fondé une méthode statistique qui ne comporte peut-être pas une certitude absolue, mais qui est certainement des plus intéressantes et des plus Curieuses.

On réunit les molécules on groupes tels que celles qui appartiennent au même groupe puissent être considérées comme ayant le même état de mouvement, cela fait, on examine quel peut être le nombre des molécules qui se trouvent dans chaque groupe et quels sont les changements de ce nombre d'un instant à l'autre, il est ainsi souvent possible de déterminer la part que les différents groupes ont dans les propriétés d'ensemble du système et dans les phénomènes qui se peuvent produire.

Une telle méthode, analogue à celle qu'emploient les statisticiens pour suivre les phénomènes sociaux dans une population, est d'autant plus légitime que le nombre des individus englobés dans les moyennes est plus considérable ; or, le nombre des molécules contenus dans un espace

restreint, par exemple dans un centimètre cube pris dans les conditions normales est tel, qu'aucune population ne saurait jamais atteindre un chiffre aussi élevé.

Toutes les considérations, aussi bien celles que nous avons indiquées, que d'autres que l'on pourrait encore, invoquer (par exemple les récentes recherches de M. Spring sur la limite de visibilité de la fluorescence) amènent à ce résultat qu'il y a. dans cet espace, quelque vingt millions de milliards de molécules ; chacune d'elles doit, sur un espace d'un millimètre, recevoir environ dix mille chocs, être dix mille fois détournée de sa route. Le libre parcours de la molécule est donc bien petit, maïs on peut le rendre singulièrement plus grand en diminuant le nombre de ces molécules ; Tait et Dewar calculaient que, dans un bon vide moderne, la longueur du libre parcours des molécules résiduelles, qui n'avaient pas été enlevées par la machine avide, atteint aisément quelques centimètres.

En développant la théorie, on arrive à considérer que, pour une température donnée, toutes les molécules (et même toute particule individuelle atome ou ion) qui prend part au mouvement a, en moyenne, dans chaque corps la même énergie cinétique, et que cette énergie est proportionnelle à la température absolue, de sorte qu'elle est représentée par cette température multipliée par une constante qui est une constante universelle.

Ce résultat n'est pas une hypothèse mais une probabilité très grande, la probabilité augmente encore lorsque l'on constate que l'on retrouve la même valeur de la constante par l'étude de phénomènes très variés ; par exemple dans certaines théories sur le rayonnement.

LES PRINCIPES iOl

Connaissant la masse et l'énergie d'une molécule, on peut calculer aisément sa vitesse ; on trouve que la vitesse moyenne est environ de 400 mètres à la seconde pour l'anhydride carbonique, 500 pour l'azote, 1850 pour l'hydrogène pris à zéro degré et à la pression ordinaire. Nous aurons occasion, plus loin, de parler de vitesses beaucoup plus considérables dont sont animées d'autres particules.

La théorie cinétique a permis d'expliquer la diffusion des gaz, de calculer les diverses circonstances du phénomène, de montrer, par exemple, comme l'a fait M. Brillouin que le coefficient de diffusion de deux gaz ne doit pas dépendre de la proportion des gaz dans le mélange; elle donne une image très saisissante des phénomènes de viscosité et de conductibilité, elle conduit à penser que les coefficients de frottement et de conductibilité sont indépendants de la densité ; et toutes ces prévisions ont été vérifiées par l'expérience. Elle s'introduit en optique : en s' appuyant en outre sur le principe de Doppler, M. Miehelson a su en tirer une explication de la longueur que présentent les raies spectrales même des gaz les plus raréfiés.

Mais quelque intéressants que fussent ces résultats, ils n'auraient pas suffi à vaincre la répugnance de certains physiciens pour des spéculations qui, malgré un appareil mathématique imposant, leur semblaient par trop hypothétiques; d'ailleurs la théorie s'arrêtait à la molécule et paraissait ne suggérer aucune idée qui pût conduire à trouver la elef des phénomènes où les molécules s'influencent mutuellement. Aussi l'hypothèse cinétique était-elle restée assez en défaveur, particulièrement tn France auprès d'un grand nombre de personnes, jusqu'à ces dernières années où toutes les décou-

vertes récentes sur la conductibilité des gaz et les nouvelles radiations vinrent lui procurer une floraison nouvelle et luxuriante; Ton peut dire qu'aujourd'hui la synthèse atomistique hier encore si décriée est vraiment triomphante.

Les éléments qui interviennent dans la théorie cinétique ancienne et que l'on devrait, pour éviter les confusions, désigner toujours sous le nom de molécules, n'étaient pas, à vrai dire, aux yeux des chimistes le terme ultime de la divisibilité de la matière ; on sait que, pour eux, sauf dans quelques corps particuliers comme la vapeur de mercure ou comme l'argon, la molécule renferme plusieurs atomes, et que, dans les corps composés, le nombre de ces atomes peut même être assez considérable; mais les physiciens avaient rarement besoin d'avoir recours à la considération de ces atomes, ils en parlaient pour expliquer certaines particularités de la propagation du son, pour énoncer des lois relatives aux chaleurs spécifiques, mais, en générales s'arrêtaient à la considération de la molécule.

Les théories actuelles poussent la division bien plus loin encore. Nous n'insisterons pas en ce moment sur ces théories ; pour les bien comprendre, il convient d'avoir examiné beaucoup d'autres faits, mais pour éviter toute confusion, il restera entendu qure, contrairement sans doute à fétymologie, mais conformément à l'habitude actuelle, on continuera, dans tout ce qui suivra, à eppeter atomes, ces particules de matière dont il a été parlé jusqu'à présent; ces atomes étant euxmêmes, d'après les vues modernes, des édifices singulièrement complexes, constitués avec des éléments dont on aura plus loin occasion d'indiquer lanature.