Voyage dans l'histoire de la matière

L'essentiel

Vers 1590, des lunetiers hollandais (on cite souvent Hans et Zacharias Janssen) ont l'idée d'aligner deux lentilles dans un tube : c'est le microscope composé. Soixante-quinze ans plus tard, l'Anglais Robert Hooke améliore cet instrument et publie Micrographia, un livre rempli de dessins de puces, de moisissures et d'objets minuscules.

En observant une fine tranche de liège, il voit des milliers de petites cases vides qui lui rappellent les chambres des moines. Il les appelle « cells », cellules. En réalité, il ne voyait que les parois de cellules mortes.

Et Leeuwenhoek ?

À Delft, le drapier Antoni van Leeuwenhoek fabrique ses propres microscopes avec une seule minuscule lentille, polie avec une précision incroyable. Ils grossissent jusqu'à environ 270 fois, bien mieux que ceux de Hooke.

À partir de 1674, il observe dans l'eau d'un lac, dans de l'eau poivrée ou dans le tartre de ses dents des êtres vivants invisibles à l'œil nu : il les appelle des « animalcules ». Ce sont des micro-organismes, dont des bactéries. Il observe aussi les globules rouges et les spermatozoïdes.

L'essentiel

Pendant près de deux siècles, on observe des cellules sans comprendre qu'elles sont la base de tout le vivant. Les microscopes s'améliorent au début du XIX^e siècle (lentilles qui ne déforment plus les couleurs), et les observations deviennent plus fiables.

• 1831 · Robert Brown remarque dans les cellules d'orchidée une petite tache ronde : il la nomme noyau.
• 1838 · Matthias Schleiden, botaniste, affirme que toutes les plantes sont faites de cellules.
• 1839 · Theodor Schwann montre que c'est aussi vrai pour les animaux.
• 1855 · Rudolf Virchow complète : une cellule naît toujours d'une autre cellule, par division.

La théorie cellulaire

On la résume en trois idées : 1) tous les êtres vivants sont formés d'une ou de plusieurs cellules ; 2) la cellule est la plus petite unité vivante ; 3) toute cellule provient de la division d'une cellule déjà existante.

C'est un bel exemple de savoir construit petit à petit, par plusieurs scientifiques qui confrontent leurs observations.

L'essentiel

Certains noyaux d'atomes sont instables. Un jour ou l'autre, ils se transforment en un autre noyau en émettant un rayonnement invisible : c'est la radioactivité. On ne peut pas prévoir quand un noyau précis va se désintégrer, mais on sait qu'au bout d'une durée appelée demi-vie, la moitié des noyaux d'un échantillon s'est transformée.

Cette découverte a bouleversé une idée très ancienne : l'atome n'est pas immuable, la matière peut changer de nature toute seule.

Marie Curie

Née Maria Skłodowska à Varsovie, Marie Curie choisit pour sa thèse d'étudier les « rayons uraniques » découverts par Becquerel. Elle mesure leur intensité avec un appareil très sensible inventé par Pierre Curie et son frère.

Elle remarque qu'un minerai, la pechblende, est bien plus actif que l'uranium qu'il contient : il doit cacher d'autres éléments. En 1898, Marie et Pierre Curie découvrent ainsi le polonium (nommé en l'honneur de la Pologne) puis le radium. C'est Marie Curie qui invente le mot « radioactivité ».

L'essentiel

Au début du XX^e siècle, on sait que l'atome contient des électrons (chargés négativement), découverts par J. J. Thomson en 1897. Thomson imagine l'atome comme une boule de charge positive dans laquelle les électrons sont dispersés, un peu comme les raisins dans un gâteau.

Rutherford veut tester ce modèle. Il utilise justement la radioactivité : certains éléments émettent des particules α (alpha), chargées positivement et très rapides. Il s'en sert comme de minuscules projectiles.

Conclusion

L'atome est surtout fait de vide. Toute sa charge positive et presque toute sa masse sont concentrées dans un noyau minuscule, environ 100 000 fois plus petit que l'atome. Si l'atome avait la taille d'un stade de football, le noyau serait une bille au centre.

L'essentiel

En 1927, le Belge Georges Lemaître, prêtre et physicien, montre à partir des équations d'Einstein que l'Univers ne peut pas être immobile : il doit être en expansion. Les galaxies s'éloignent les unes des autres, et d'autant plus vite qu'elles sont loin. En 1929, l'astronome américain Edwin Hubble confirme cette fuite des galaxies par l'observation.

En 1931, Lemaître va plus loin : si l'Univers grandit, alors dans le passé il était beaucoup plus petit, plus dense et plus chaud. Il propose l'idée d'un « atome primitif ». Le nom moqueur de « Big Bang » sera donné plus tard, en 1949, par l'astronome Fred Hoyle.

D'où vient la matière ?

Dans les premières minutes, il fait si chaud que seuls les noyaux les plus simples se forment : hydrogène et hélium. Les éléments plus lourds (carbone, oxygène, fer…) seront fabriqués bien plus tard, au cœur des étoiles, puis dispersés quand elles meurent. Les atomes de notre corps viennent donc en grande partie d'anciennes étoiles.