Edward Mills Purcell : le physicien qui a entendu chanter l'hydrogène

Par un après-midi de décembre 1945, dans un laboratoire de Harvard datant de la guerre, qui sentait encore la soudure et les pièces de radar, Edward Mills Purcell et deux collègues ont dirigé un échantillon de paraffine vers un récepteur radio et ont capté, pour la première fois, le faible signal d'absorption des noyaux atomiques basculant dans un champ magnétique. Il leur a fallu des semaines pour se convaincre que le signal était réel. Il faudra trois décennies à la médecine pour le transformer en scanner IRM.

Un ingénieur de la ceinture agricole découvre la physique

Purcell est né le 30 août 1912 à Taylorville, dans l'Illinois, de Edward A. Purcell et Mary Elizabeth Mills, et a grandi en fréquentant les écoles publiques de cette ville et de la ville voisine de Mattoon. Il est entré à l'université Purdue avec l'intention de devenir ingénieur électricien, obtenant son diplôme en 1933, mais un stage de premier cycle en recherche sur la diffraction des électrons sous la direction du professeur K. Lark-Horovitz l'a réorienté vers la physique. Une année en tant qu'étudiant d'échange à la Technische Hochschule de Karlsruhe, en Allemagne, sous la direction du professeur W. Weizel, a encore aiguisé cet intérêt. Il est retourné aux États-Unis pour des études supérieures à Harvard, obtenant son doctorat en 1938 et restant brièvement comme instructeur de physique avant que la Seconde Guerre mondiale ne remodèle sa carrière, comme ce fut le cas pour presque tous les physiciens de sa génération.

Le radar au MIT

En 1940, Purcell a rejoint le MIT Radiation Laboratory, le programme intensif qui a construit le radar à micro-ondes pour l'effort de guerre allié, et a fini par diriger son groupe de développements fondamentaux. Ce travail l'a placé côte à côte avec I. I. Rabi et d'autres physiciens explorant les propriétés moléculaires et nucléaires par des méthodes radio, et a rendu Purcell familier avec l'électronique micro-ondes exacte dont il aurait besoin pour sa propre découverte d'après-guerre. La recherche sur le radar était, en un sens, un apprentissage de cinq ans de l'instrumentation de la résonance, même si personne sur le projet ne pensait à l'imagerie médicale.

Découverte de la résonance magnétique nucléaire

De retour à Harvard en tant que professeur associé après la guerre, Purcell a travaillé avec Robert Pound et Henry Torrey pour détecter l'absorption par résonance magnétique nucléaire dans la matière condensée - le phénomène par lequel les noyaux atomiques dans un champ magnétique absorbent et réémettent de l'énergie radiofréquence à une fréquence qui dépend de leur environnement chimique local. Felix Bloch et son équipe à Stanford ont découvert le même effet indépendamment et presque simultanément, en utilisant une méthode de détection différente, et les deux équipes ont partagé le prix Nobel de physique 1952 "pour leur développement de nouvelles méthodes pour des mesures magnétiques nucléaires de précision et les découvertes connexes". Le langage du comité Nobel était sec ; la conséquence ne l'était pas. La RMN a donné aux chimistes un moyen précis et non destructif de lire la structure des molécules, et des décennies plus tard, elle est devenue la base physique de l'imagerie par résonance magnétique, permettant aux médecins de voir à l'intérieur d'un corps vivant sans scalpel ni dose de rayons X. Purcell lui-même est rapidement passé aux recoins les plus subtils du phénomène - relaxation par écho de spin, temps de relaxation magnétique nucléaire et le concept étrange mais réel de température de spin négative, un résultat qui s'avérerait plus tard pertinent pour la théorie du laser.

Écouter la galaxie

La curiosité scientifique de Purcell ne s'est pas arrêtée au banc de laboratoire. Il a prédit puis aidé à confirmer la détection de la raie d'émission radio de 21 centimètres des atomes d'hydrogène neutre dispersés dans l'espace interstellaire - un signal si faible que sa découverte a nécessité l'extension des mêmes techniques de résonance qui avaient produit la RMN à des distances astronomiques. La raie de 21 centimètres a permis aux astronomes de cartographier pour la première fois la structure spirale de la Voie lactée et a effectivement fondé la radioastronomie en tant que discipline systématique. C'était un cas rare où la technique de laboratoire d'un physicien a remodelé à la fois la médecine et la cosmologie au cours d'une seule carrière.

Professeur, auteur de manuels, conseiller présidentiel

De retour à Harvard, Purcell est devenu professeur titulaire en 1949 et a finalement obtenu le titre de professeur d'université Gerhard Gade. Il a été président de l'American Physical Society et a appartenu à la National Academy of Sciences et à l'American Academy of Arts and Sciences. Son statut scientifique l'a conduit au service du gouvernement : il a siégé au comité consultatif scientifique du président à partir de 1957 sous Dwight Eisenhower et a continué à conseiller John F. Kennedy et Lyndon Johnson, faisant partie de la génération de physiciens-hommes d'État que la guerre froide a appelés à Washington. Il a également laissé une marque dans la pédagogie de la physique bien au-delà de ses propres découvertes, en écrivant le manuel Électricité et Magnétisme dans le cadre du cours de physique de Berkeley, un projet financé par la NSF à l'ère du Spoutnik, remarquable pour avoir intégré la relativité restreinte directement dans la présentation de l'électromagnétisme - un choix pédagogique toujours admiré par les professeurs de physique. On se souvient également de lui pour une conférence largement citée en 1976, "Life at Low Reynolds Number", qui expliquait avec une clarté surprenante pourquoi la nage à l'échelle microscopique - pour une bactérie, par exemple - obéit à des règles physiques totalement différentes de la nage à l'échelle humaine, et a introduit ce qui est devenu le théorème de la coquille Saint-Jacques pour le mouvement réciproque dans les fluides visqueux. Les honneurs ultérieurs ont inclus la médaille Oersted en 1967 et la médaille nationale de la science en 1979.

Pourquoi Edward est qualifié de génie

L'argument pour qualifier Purcell de génie repose moins sur un éclair d'intuition que sur une rare constance de l'intuition dans la construction d'instruments appliquée à des échelles très différentes. La même technique - exciter les spins nucléaires avec des ondes radio et lire le faible signal qu'ils renvoient - lui a permis de trouver un phénomène de laboratoire avec un gain chimique et médical immédiat et, quelques années plus tard, de détecter un murmure provenant d'atomes d'hydrogène dispersés à travers la galaxie. Ses collègues et les historiens des sciences ont souligné cette étendue, ainsi que sa capacité à expliquer la physique difficile dans un langage clair, comme la marque d'une intuition physique exceptionnellement profonde plutôt que d'une simple facilité technique. Le contre-argument honnête est que Purcell n'a pas découvert la RMN seul ou de manière isolée : l'équipe de Felix Bloch a atteint la même physique indépendamment en quelques semaines en utilisant une méthode différente, et Purcell s'est appuyé directement sur l'électronique radar de guerre développée par des centaines d'ingénieurs au MIT Radiation Laboratory. Son génie, tel qu'il était, résidait dans la reconnaissance de ce qu'une pièce de matériel radar familière pouvait révéler sur l'intérieur invisible de la matière - puis dans l'explication de cette révélation, dans des manuels et des conférences, si clairement qu'elle est devenue une connaissance commune pour la prochaine génération de physiciens.

Héritage

Purcell est décédé le 7 mars 1997 à Cambridge, dans le Massachusetts, à l'âge de quatre-vingt-quatre ans. La technique qu'il a aidé à découvrir dans un laboratoire de radar converti se trouve maintenant dans les suites IRM des hôpitaux et les départements de chimie du monde entier, et la méthode de cartographie du ciel dont il a été le pionnier reste un outil de travail de la radioastronomie - un cas rare où l'intuition d'un physicien remodèle la médecine et la cosmologie en même temps.