Voir l'infiniment petit

Quel est le plus petit grain de matière ?

Si l'électron est une particule élémentaire (on n'a pas pu, jusqu'à présent, le couper en particules plus petites), le proton et le neutron ne le sont pas : chacun est constitué de 3 particules encore plus petites appelées "quarks".

Quel est le plus petit « grain » d'espace ?

L'espace est-il divisible à l'infini, est-il continu, discontinu ? Si la relativité d'Einstein remet en cause le caractère absolu de l'espace et du temps, ceux-ci n'en restent pas moins continus. Quant à la physique quantique, depuis son invention en 1927, elle ne s'interroge pas sur la nature continue de l'espace et du temps.

Les physiciens ont sorti de leur chapeau la valeur d'une longueur minuscule : la "longueur de Planck", qui vaut 10 -35 m. Est-ce le "quantum de longueur" cherché ou simplement une longueur en deçà de laquelle les théories actuelles de la physique ne s'appliquent plus ? Nul ne le sait !

Finalement, la question de la continuité ou discontinuité de l'espace n'est pas résolue.... Ce qui amène à une énigme plus inattendue : qu'est-ce que l'espace ?

La course à l'infiniment petit

Les microscopes sont des instruments permettant d'obtenir une image agrandie d'un objet petit et proche. L'histoire de la microscopie est une course à l'infiniment petit : comment voir des détails de plus en plus fins ?

Les microscopes optiques

Si la loupe était connue dès le XII^e siècle, il faut attendre 1595 pour que soit fabriqué le premier microscope, par les opticiens hollandais Jansen. Au XVII^e siècle, le microscopiste anglais Robert Hooke est le premier à observer une cellule (végétale, d'un morceau de liège). Il publie en 1667 Micrographia, or, Some Physiological Descriptions of Minute Bodies, recueil d'illustrations très précises issues de ses observations au microscope. Il y figure par exemple des organismes invisibles à l'oeil nu comme des "poux d'eau". Cet ouvrage fera sensation.

Les progrès techniques des microscopes optiques se poursuivent jusqu au XX^e siècle mais ces microscopes atteignent leurs limites : leur pouvoir séparateur (taille des détails les plus petits visibles) est limité par les propriétés intrinsèques de la lumière. En utilisant les longueurs d'onde les plus courtes (ultraviolets), la résolution atteint 0,25 microns.

Les microscopes électroniques

En remplaçant la lumière par un faisceau d'électrons, de longueur d'onde nettement plus courte, on peut voir des détails plus petits : jusqu' à quelques nanomètres (un millième de micron). Le microscope électronique en transmission apparaît en 1932, le microsope électronique à balayage en 1939.

Les microscopies à champ proche

Contrairement aux microscopies précédentes, on ne bombarde plus l'échantillon avec un projectile (photons de la lumière ou électrons), mais on promène à proximité de sa surface une pointe, qui en suit le relief. Dans la microscopie à effet tunnel (STM, 1981), on enregistre le petit courant électrique qui passe entre la surface et la pointe ; dans la microscopie à force atomique (AFM, 1986), on enregistre les forces s'exerçant entre la pointe et l'échantillon. Dans les deux cas, un traitement informatique permet de reconstituer en trois dimensions la surface observée.

Les résolutions atteignent le nanomètre. Les images d'atomes déposés sur des surfaces, ou d'ADN, sont obtenues par de tels microscopes. Ils permettent non seulement de "voir" les atomes mais aussi de les manipuler.