Même si nous ne pouvons pas les voir, nous savons que ces particules virtuelles sont "vraiment là" dans le vide car elles laissent une trace détectable de leurs activités. L'un des effets des photons virtuels*, par exemple, est de produire un léger changement dans les niveaux d'énergie des atomes. Ils provoquent également un effet d'entraînement, un changement minime dans le moment magnétique des électrons. Ces minuscules mais significatives altérations ont été mesurées avec une grande précision grâce à des techniques spectroscopiques.

Il est actuellement très improbable que les éléments chimiques encore indivisibles soient des substances absolument irréductibles. Il semble plutôt que les atomes des éléments ne soient pas les constituants finaux, mais seulement les constituants immédiats des molécules des éléments et des composés - la molécule étant la première division de la matière, les atomes étant considérés comme le second ordre, à leur tour constitués de particules de matière d'un troisième ordre plus élevé.

(Spéculant en 1870 sur l'existence de particules subatomiques, dans la remarque d'ouverture de l'article par lequel il s'est imposé comme co-découvreur de la loi périodique).

Sous l'apparente complexité de l'univers se cache une élégante dichotomie : toutes les particules fondamentales se répartissent en deux royaumes distincts, les bosons et les fermions, régissant respectivement les forces et la matière. Cette division binaire structure l'essence même de la réalité physique.

Les deux royaumes des particules

Les bosons, nommés en hommage à Satyendra Nath Bose, se caractérisent par leur capacité à coexister dans des états identiques. Comme les photons formant un rayon laser, ils peuvent s'empiler à l'identique dans le même état quantique. Ce comportement collectif sous-tend toutes les forces fondamentales :

- Les photons médiatisent la force électromagnétique

- D'autres bosons orchestrent les forces nucléaires

- Les hypothétiques gravitons relèveraient aussi de cette famille1.

Les fermions, honorant Enrico Fermi, obéissent au principe d'exclusion : deux particules identiques ne peuvent occuper le même état quantique. Cette règle façonne la diversité de la matière :

- Les électrons s'organisent en couches atomiques distinctes, engendrant la richesse chimique du tableau périodique

- Les quarks (constituants des protons et neutrons) et neutrinos sont des fermions fondamentaux

- Leur nature exclusive empêche l'effondrement de la matière1.

Genèse historique et découvertes clés

En 1924, Bose établit avec Einstein la statistique quantique des bosons, décrivant leur aptitude à occuper simultanément un même état. Fermi et Dirac résolurent indépendamment en 1926 le paradoxe des électrons dans les métaux, révélant leur nature fermionique et leur obéissance au principe d'exclusion1.

Spin et théorème fondamental

La distinction s'incarne dans une propriété quantique :

- Les bosons possèdent un spin entier (0,1,2...)

- Les fermions exhibent un spin demi-entier (1/2, 3/2...)1.

Le théorème spin-statistique (Fierz-Pauli, 1939-1940) démontre l'indissociabilité de ces deux caractéristiques : toute violation conduirait à briser des principes physiques sacrés comme la causalité.

Implications dimensionnelles

Notre univers tridimensionnel n'autorise que ces deux types de particules. Cependant :

- En 2D, émergent des anyons aux propriétés hybrides

- En 1D, la distinction bosons/fermions s'efface, révélant une unité sous-jacente.

Cette dualité particulaire, née des travaux visionnaires de Bose, Fermi, Dirac et Einstein, demeure l'un des piliers les plus profonds expliquant l'architecture de notre réalité physique.

 

Jusque-là inimaginable, le mouvement d’un électron capté pour la première fois en direct !

Des physiciens californiens ont observé le mouvement d’un électron de valence pendant une réaction chimique. Cette découverte ouvre la voie à une meilleure maîtrise des mécanismes moléculaires, notamment pour la synthèse de molécules pharmaceutiques.

Une découverte électrisante. Pour la première fois, une équipe de physiciens du National Accelerator Laboratory en Californie a regardé, au mois de septembre, en direct le mouvement d’un électron pendant une réaction chimique. On connaît leur existence depuis près de 130 ans. Les électrons, ce sont ces minuscules grains de matière chargés électriquement. Ils forment et transforment les liaisons chimiques de tout ce qui nous entoure. Mais jusqu’à présent, personne n’avait directement observé ces électrons en action.

Ils étaient à la fois trop petits et trop rapides pour les voir. Leur mouvement se fait sur des temps extrêmement courts. Tout le mouvement dure au total 500 fs, c’est-à-dire millionnièmes de milliardièmes de seconde, mais en plus, ils sont un million de fois plus petits que la longueur d’onde de la lumière elle-même. Impossible, donc, de les voir avec de la lumière. En septembre, les physiciens ont donc rusé et employé des rayons X. D’habitude, ils sont utilisés pour voir les atomes, qui sont 10 000 fois plus gros que les électrons. Avec ces rayons X, ils ont observé une molécule d’ammoniac en pleine réaction chimique.

Le mouvement d’un électron de valence

Grâce à cette technique, l'équipe de physiciens a pu détecter et suivre le mouvement d’un électron de valence.(Nouvelle fenêtre) Ce n’est pas un électron originaire de la Drôme, mais un électron de la couche extérieure des atomes. Ce sont ces électrons-là que les atomes vont se partager pour créer des liaisons chimiques. Quand deux personnes veulent marcher ensemble, elles se donnent la main ; quand deux atomes veulent former une molécule, ils se donnent les électrons de valence.

Cet électron n'est pas une petite bille, comme on nous le montre sur les schémas à l’école. Il ressemble plutôt à un petit nuage. C’est à cause de la physique quantique. Les très petits objets, comme les électrons, ne sont pas localisés à un seul endroit comme vous et moi, ils sont un peu partout à la fois et forment un nuage diffus de probabilité de présence qu’on appelle une orbitale. Cette nuée, les physiciens ont pu l’observer en direct et la voir se déplacer entre les atomes lors de la réaction chimique. Depuis qu’ils ont vu ça, ils sont sur un petit nuage, car cette observation nous promet de mieux maîtriser les mécanismes à l’œuvre pour la synthèse de molécules, notamment pharmaceutiques.

La science souhaite donc à ce nuage d’électrons de nous offrir d’autres avancées foudroyantes… et de nous tenir au courant !