Pieter Zeeman : Fractionner la lumière avec un aimant

Le 12 mars 1862, vers la fin de sa vie professionnelle, Michael Faraday a placé une source lumineuse entre les pôles d'un aimant et a cherché à travers un spectroscope le moindre changement. Son carnet enregistre le résultat : « pas le moindre effet démontrable, ni avec de la lumière polarisée ni avec de la lumière non polarisée ». Huit ans plus tard, James Clerk Maxwell a écrit qu'aucune force dans la nature ne pouvait altérer, même très légèrement, la masse ou la période d'oscillation des particules émettant de la lumière. Entre eux, les deux plus grandes autorités dans le domaine avaient clos la question. En août 1896, un professeur néerlandais de trente et un ans l'a rouverte.

De Zonnemaire à Leiden

Pieter Zeeman est né le 25 mai 1865 à Zonnemaire, dans la province néerlandaise de Zélande. Il a étudié à l'université de Leiden sous la direction de Hendrik Antoon Lorentz, alors le physicien théoricien le plus remarquable des Pays-Bas, et a commencé à y enseigner en 1890. Six ans plus tard, il a réalisé l'expérience qui l'a rendu célèbre.

L'effet Kerr et une idée

La pensée n'est pas sortie de nulle part. « L'idée m'est venue », a déclaré Zeeman devant le public du prix Nobel en 1902, « lors d'une enquête sur l'effet découvert par Kerr sur la lumière réfléchie par des miroirs magnétiques ». Si le magnétisme pouvait altérer la lumière ayant rebondi sur une surface magnétisée, pourquoi ne pourrait-il pas altérer la lumière au moment de son émission ? Faraday avait déjà établi qu'un champ magnétique fait tourner le plan de polarisation de la lumière traversant un milieu. Faraday avait également cherché l'effet le plus fondamental sans rien trouver, et le résultat négatif de Faraday avait, comme l'a noté Zeeman, probablement découragé quiconque d'essayer pendant des décennies.

Août 1896

À Leiden, Zeeman a placé une flamme de sodium entre les pôles d'un puissant électroaimant et a examiné sa lumière avec un réseau de diffraction de Rowland — à cette date, l'instrument spectroscopique le plus précis existant. Le sodium produit deux lignes jaunes nettes, parmi les caractéristiques les plus familières de tout spectre. Avec l'aimant sous tension, chaque ligne s'élargissait.

L'élargissement est un résultat suspect ; c'est ce que l'on obtient avec la chaleur, la pression, la contamination et une douzaine d'autres causes banales. Ce que Zeeman a établi, c'est que la flamme n'émettait pas simplement sa fréquence d'origine mais des oscillations supplémentaires de période plus grande et plus petite — la ligne n'était pas brouillée mais scindée. L'amplitude était minuscule, environ un trentième de l'écart entre les deux lignes de sodium. Le simple fait de le détecter était une prouesse d'instrumentation.

Les trois lignes de Lorentz

Lorentz a fourni l'explication, et c'est cette explication qui a rendu le résultat historique. Selon sa théorie, les atomes contiennent de petites particules chargées électriquement — les électrons — dont la vibration produit de la lumière. Placez une telle charge vibrante dans un champ magnétique et son mouvement se résout en trois composantes : une oscillation en ligne droite le long du champ, non affectée, et deux oscillations circulaires dans des sens opposés dont les périodes sont décalées, l'une vers le haut et l'autre vers le bas. Cela prédit quelque chose de très spécifique. Vu à angle droit par rapport au champ, vous devriez voir trois lignes, celle du milieu polarisée parallèlement au champ et les deux extérieures perpendiculairement à lui. Vu le long du champ, vous ne devriez en voir que deux, et elles devraient être polarisées circulairement dans des directions opposées.

Zeeman a regardé, et chacune de ces prédictions s'est vérifiée. « Vous voyez à quel point les conséquences découlant de la théorie du professeur Lorentz ont été magnifiquement confirmées par l'observation », a-t-il déclaré à Stockholm.

Un nombre colossal

Le résultat le plus profond provenait de la taille de la scission, car le décalage dépend du rapport de la charge de la particule oscillante à sa masse. Zeeman a calculé le nombre et a obtenu environ 10⁷ unités c.g.s. par gramme — « un nombre colossal », environ mille fois plus grand que le chiffre correspondant dérivé de l'électrolyse. Ce qui vibrait à l'intérieur de l'atome pour produire de la lumière pesait environ un millième de la masse de l'atome lui-même. Il a été direct sur ce que cela signifiait pour sa propre fortune : si le rapport ne s'était pas révélé étonnamment grand, « je n'aurais pas eu l'honneur de vous parler à Stockholm aujourd'hui ».

Il est allé plus loin. À partir de la direction du doublet et du sens de la polarisation, il a déterminé le signe : les électrons oscillants sont chargés négativement. Et les propriétés correspondaient à celles mesurées pour les rayons cathodiques, ce qui suggérait — selon sa propre formulation prudente — que ce qui vibre dans la source lumineuse est la même chose que ce qui voyage dans un tube à rayons cathodiques. C'était en 1896 et 1897, précisément au moment où l'électron devenait un objet réel plutôt qu'une commodité théorique.

Amsterdam et après

Zeeman est devenu professeur de physique à l'université d'Amsterdam en 1900 et directeur de son institut de physique à partir de 1908. En 1902, lui et Lorentz ont partagé le prix Nobel de physique, la citation de Zeeman nommant sa découverte de l'effet qui porte son nom. Ses recherches ultérieures se sont tournées vers la propagation de la lumière à travers des milieux en mouvement — eau, quartz, verre flint — un travail optique délicat du genre de celui qu'il était le seul à pouvoir accomplir. Il est décédé à Amsterdam le 9 octobre 1943, à l'âge de soixante-dix-huit ans.

Pourquoi Pieter est appelé un génie

La qualité est spécifique et sous-estimée : la volonté de rouvrir une question que les plus grands noms du domaine avaient déclarée close, combinée à l'habileté expérimentale pour voir quelque chose mille fois plus petit que ce que quiconque avait cherché. Faraday avait essayé et échoué. Maxwell l'avait déclaré impossible en principe. Zeeman a continué, et le facteur décisif n'était pas seulement l'audace mais le savoir-faire — savoir qu'un réseau de Rowland pouvait résoudre ce qu'un spectroscope du milieu du siècle ne pouvait pas, reconnaître une véritable scission à l'intérieur de ce qui ressemblait à un élargissement ordinaire, puis tester méthodiquement les prédictions de polarisation de Lorentz au lieu de se contenter du titre. Extraire un rapport charge/masse de la taille d'un décalage spectral, et un signe de la latéralité de la polarisation circulaire, est une inférence d'un ordre élevé.

Le contre-argument est réel et Zeeman aurait été le premier à le faire. La théorie était celle de Lorentz, pas la sienne ; le prix Nobel était partagé, et une grande partie de ce qui rend la découverte importante — le modèle de l'électron, le triplet prédit, les règles de polarisation — provenait de son professeur. C'était un expérimentateur qui se trouvait par hasard à côté du bon théoricien au bon moment. Il ne pouvait pas non plus expliquer les modèles de scission compliqués plus tard appelés l'effet Zeeman anormal, qui se sont avérés nécessiter le spin de l'électron et la mécanique quantique — une machinerie à deux décennies de là. Et J. J. Thomson, travaillant indépendamment à Cambridge, reçoit généralement le crédit pour l'électron. Celui de Zeeman est un génie de la mesure plutôt que des idées, ce qui est un type de renommée moindre et non un type de science moindre.

Héritage

L'effet Zeeman est devenu l'un des outils de diagnostic les plus productifs de la physique. Parce que la séparation des lignes est proportionnelle à l'intensité du champ, un spectre devient un magnétomètre : les astronomes l'utilisent pour mesurer les champs magnétiques dans les étoiles et les taches solaires, à des distances où rien ne peut être mesuré directement. En laboratoire, il vérifie les niveaux d'énergie atomique et révèle les propriétés de spin et nucléaires, et il sous-tend la résonance paramagnétique électronique et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire — l'ancêtre, par une longue lignée de descendance, du scanner IRM. Faraday, qui avait grandement intitulé ses propres tentatives « la magnétisation de la lumière » et « l'illumination des lignes de force », avait raison sur tout sauf sur la question de savoir si cela pouvait être fait.