James Franck : le physicien qui a prévenu le premier

Le 11 juin 1945, un groupe de scientifiques travaillant sur la bombe atomique américaine a signé un document suppliant leur propre gouvernement de ne pas l'utiliser sans avertissement. « Si les États-Unis étaient les premiers à lâcher ce nouveau moyen de destruction indiscriminée sur l'humanité », écrivaient-ils, « ils sacrifieraient le soutien de l'opinion publique mondiale et précipiteraient la course aux armements. » Le rapport porte le nom de l'homme qui présidait le comité — un lauréat du prix Nobel qui avait déjà démissionné d'un poste de professeur par principe douze ans plus tôt, et qui avait consacré sa carrière à prouver que les atomes n'acceptent l'énergie que par quantités exactes.

Hambourg, Heidelberg, Berlin

Franck est né le 26 août 1882 à Hambourg. Il a fréquenté le Wilhelm Gymnasium, puis a étudié la chimie à Heidelberg avant de passer à la physique à Berlin, où il a étudié sous la direction d'Emil Warburg et Paul Drude. Il a obtenu son doctorat à Berlin en 1906, a travaillé brièvement comme assistant à Francfort, et est retourné à Berlin pour travailler avec Heinrich Rubens. En 1911, il donnait des cours de physique à l'Université de Berlin, devenant professeur associé et occupant ce poste jusqu'en 1918, avec une interruption pour le service militaire pendant la Première Guerre mondiale.

Électrons et atomes

Les travaux principaux de Franck concernaient ce qui se passe lorsqu'un électron frappe un atome. Avec Gustav Hertz, il a conçu des expériences qui ont mesuré l'échange avec précision — et a découvert que l'atome ne prendrait pas des quantités arbitraires d'énergie. Il acceptait des quantités spécifiques et rien entre les deux. Ce fut la première démonstration expérimentale directe des niveaux d'énergie quantifiés que la théorie quantique avait proposés, et elle a transformé un postulat abstrait en un fait de laboratoire mesurable. Le prix Nobel de physique 1925 a été décerné conjointement aux deux hommes « pour leur découverte des lois régissant l'impact d'un électron sur un atome ».

Après la guerre, Franck a dirigé la division de physique de l'Institut Kaiser-Wilhelm sous Fritz Haber, continuant à étudier la cinétique des électrons et le comportement des atomes dans les gaz.

Göttingen

En 1920, il est devenu professeur de physique expérimentale à Göttingen, et pendant treize ans, il a formé la moitié du partenariat qui a fait de la ville la capitale mondiale de la physique théorique, travaillant en étroite collaboration avec Max Born. Parmi les étudiants qui y sont passés figure J. Robert Oppenheimer. C'est à Göttingen que Franck a développé le principe connu aujourd'hui sous son nom et celui d'Edward Condon, qui explique la dissociation photochimique — comment les molécules se brisent lorsqu'elles absorbent la lumière.

Démission, 1933

Lorsque le régime nazi est arrivé au pouvoir, Franck s'est opposé publiquement à ses lois raciales et a abandonné son poste plutôt que de servir sous eux. C'était un refus inhabituellement précoce et visible, fait par un vétéran décoré qui aurait pu demander une exemption. Il est d'abord allé à l'Université Johns-Hopkins en tant que professeur Speyer, a passé une période à Copenhague, et en 1938 a rejoint la faculté de physique de l'Université de Chicago.

Chicago et la bombe

Pendant la Seconde Guerre mondiale, Franck a dirigé la division de chimie du Laboratoire métallurgique, la branche de l'Université de Chicago du Projet Manhattan. Alors que l'arme approchait de son achèvement, il a présidé le comité qui a produit le Rapport Franck de juin 1945, signé aux côtés de Leo Szilard, Glenn Seaborg, Donald J. Hughes, J. J. Nickson, Eugene Rabinowitch et J. C. Stearns.

Le rapport s'opposait à une attaque atomique sans préavis sur le Japon et proposait plutôt une démonstration dans une zone inhabitée. Son raisonnement était tout autant stratégique que moral. Les scientifiques insistaient sur le fait que le secret ne pourrait pas être gardé, prédisant que dans dix ans, d'autres pays posséderaient des bombes capables de détruire des villes, et exhortaient à l'établissement d'« un contrôle international efficace des explosifs nucléaires » avant qu'une course aux armements ne devienne imparable. Ils ont été désavoués. Ils avaient aussi, sur le calendrier, raison.

Photosynthèse

Après la guerre, Franck a dirigé le groupe de recherche sur la photosynthèse de Chicago jusqu'en 1956, appliquant les outils de la chimie physique à la question de savoir comment les plantes convertissent la lumière en énergie chimique — dans un sens, le même problème que le principe Franck-Condon, appliqué à la matière vivante. Les honneurs se sont accumulés : la médaille Max Planck en 1951, la citoyenneté d'honneur de Göttingen en 1953, la médaille Rumford en 1955, et l'élection à la Royal Society en 1964. Il est décédé le 21 mai 1964 lors d'une visite à Göttingen, la ville qu'il avait quittée trente et un ans auparavant.

Pourquoi James est appelé un génie

La faculté en question est l'imagination expérimentale : la capacité de concevoir un appareil qui force la nature à répondre à une question qu'elle évitait. L'atome de Bohr, avec ses états d'énergie discrets, était une proposition théorique que beaucoup de physiciens considéraient comme une fiction commode. Franck et Hertz ont construit un dispositif dans lequel cette proposition est devenue visible sous la forme d'un motif répétitif dans un courant électrique — une preuve que n'importe qui pouvait lire sur un instrument. Convertir une abstraction contestée en une mesure indiscutable est l'une des choses les plus difficiles qu'un physicien puisse faire, et la citation du comité Nobel, « les lois régissant l'impact d'un électron sur un atome », crédite précisément cela. Le principe Franck-Condon montre la même habitude mentale appliquée aux molécules et à la lumière.

Le contre-argument mérite d'être exposé. La théorie qui a donné un sens à ses résultats n'était pas la sienne ; elle appartenait à Bohr, et la mécanique quantique qui a suivi à Born, Heisenberg et d'autres à l'institution même où Franck travaillait. Il était un superbe mesureur au sein d'une révolution que les théoriciens menaient. Le prix a été partagé, le principe porte deux noms, et ses recherches substantielles sur la photosynthèse après-guerre n'ont rien produit de stature comparable. Il est aussi juste d'observer qu'une bonne part de la réputation moderne de Franck repose sur la conscience plutôt que sur la physique — la démission de 1933 et le rapport de 1945. C'est une distinction réelle, et sans doute plus rare, mais c'est une clarté morale plutôt qu'une brillance intellectuelle, et les deux ne devraient pas être silencieusement fusionnées.

Héritage

L'expérience Franck-Hertz est aujourd'hui un exercice de laboratoire standard pour les étudiants de premier cycle, ce qui est le plus grand compliment que la physique puisse faire : un résultat si sûr que l'on demande aux étudiants de le reproduire. Le rapport Franck a eu une vie après la mort plus étrange. Ignoré en 1945, il est devenu le document fondateur du mouvement des scientifiques pour le contrôle des armements et se lit aujourd'hui moins comme une protestation que comme une prévision — le moment où les personnes qui ont construit l'arme ont dit à leur gouvernement exactement à quoi ressembleraient les cinquante prochaines années, et n'ont pas été crues.