L’héritage de Jean Perrin

Jean Perrin dans son laboratoire, 1926. Agence Meurisse, BnF, domaine public.

Notre laboratoire porte le nom d’un homme qui a passé sa vie à rendre visible ce qui ne l’était pas. Jean Perrin (1870-1942) a prouvé que les atomes existent, écrit l’un des plus beaux livres de la physique française, fondé le Palais de la Découverte et le CNRS, et bâti à quelques centaines de mètres d’ici un institut où physiciens, chimistes et biologistes devaient travailler porte à porte. Un laboratoire de physique du vivant ne pouvait pas mieux choisir son parrain.

Un boursier de la République

Il naît à Lille le 30 septembre 1870, pendant que son père, capitaine blessé à Saint-Privat, est enfermé dans Metz avec l’armée du Rhin. Le capitaine meurt dix ans plus tard ; la famille vit de la pension de veuve et d’un bureau de tabac. Jean Perrin fera toutes ses études comme boursier : petit lycée de Saint-Rambert, lycée Ampère à Lyon, puis Janson-de-Sailly et l’École normale supérieure, où il entre en 1891.

À vingt-cinq ans, il tranche une controverse vieille de vingt ans. Les rayons cathodiques sont-ils de la lumière ou de la matière ? En 1895, Perrin les recueille dans un cylindre de Faraday et mesure la charge qu’ils y déposent : elle est négative. Ce sont des corpuscules, et non un rayonnement — J. J. Thomson en mesurera le rapport charge sur masse deux ans plus tard. L’année suivante, Perrin montre que les rayons X, eux, se comportent comme une lumière, et qu’ils ionisent les gaz qu’ils traversent. Il a alors l’âge de nos doctorants.

Vers 1908, au moment des expériences sur le mouvement brownien.

« Les atomes existent »

Il faut se souvenir qu’en 1900, l’atome n’est pas une évidence mais une opinion. Des savants influents — Ostwald, Mach — tiennent les molécules pour une commodité de calcul, une fiction utile dont la physique finira par se passer. Perrin, lui, veut les compter.

Son idée est pourant simple : si la matière est faite de grains en agitation perpétuelle, alors de gros grains visibles, en suspension dans l’eau, doivent se comporter comme des molécules énormes : ils doivent se répartir en hauteur exactement comme l’air se raréfie quand on monte. Entre 1908 et 1909, avec ses étudiants, Perrin fabrique des émulsions de gomme-gutte dont tous les grains ont le même rayon — un kilogramme de résine, quelques mois de centrifugation, quelques décigrammes utilisables — et il les compte au microscope, couche par couche, par milliers.

La raréfaction des grains avec la hauteur, dans une émulsion à l’équilibre. Planche des Atomes, 1913.

La répartition obéit à la loi attendue. « Une émulsion est bien une atmosphère pesante en miniature », écrit-il — « la hauteur des Alpes est représentée par quelques microns, mais les molécules individuelles sont aussi hautes que des collines ». De cette atmosphère de poche, il tire le nombre d’Avogadro. Puis il recommence autrement : il pointe les positions successives d’un même grain toutes les trente secondes, mesure le carré moyen des déplacements, et vérifie la formule qu’Einstein avait publiée en 1905 sans savoir si quelqu’un pourrait jamais la mettre à l’épreuve.

Un grain pointé de trente en trente secondes. Les segments ne sont pas la trajectoire : elle est, à toute échelle, aussi emmêlée que le dessin entier.

Treize méthodes indépendantes — viscosité des gaz, mouvement brownien, bleu du ciel, spectre du corps noir, radioactivité — finissent par donner le même nombre. C’est l’argument massue de son livre phare "Les atomes", et Perrin le formule dans une phrase célèbre : « On est saisi d’admiration devant le miracle de concordances aussi précises à partir de phénomènes si différents. […] Cela donne à la réalité moléculaire une vraisemblance bien voisine de la certitude. »

Au premier conseil Solvay, à Bruxelles en 1911, sa communication Les preuves de la réalité moléculaire convainc les derniers sceptiques. Poincaré en sort en disant que « l’atome des chimistes est devenu réalité » ; Ostwald, qui n’était même pas venu, se déclare converti à la lecture du texte. Le prix Nobel de physique suivra en 1926, « pour ses travaux sur la discontinuité de la matière, et particulièrement pour sa découverte de l’équilibre de sédimentation ».

Premier conseil Solvay, Bruxelles, 1911. Perrin est assis, la tête dans la main ; Marie Curie et Poincaré, penchés sur le même livre, ferment la table ; Einstein est debout, avant-dernier à droite.

Un physicien qui écrivait

Les Atomes paraît en 1913 chez Félix Alcan. C’est un traité d'une grande qualité scientifiqe, mais qui débute comme un roman : « Il y a vingt-cinq siècles peut-être, sur les bords de la mer divine, où le chant des aèdes venait à peine de s’éteindre, quelques philosophes enseignaient déjà que la Matière changeante est faite de grains indestructibles en mouvement incessant. » Louis de Broglie dira de cette phrase qu’elle « enchanta nos vingt ans ».

La préface tient en une formule le programme de toute la physique statistique — « expliquer du visible compliqué par de l’invisible simple » — et contient, presque en passant, un passage que Benoît Mandelbrot citera soixante ans plus tard comme une préfiguration des fractales : Perrin y regarde un flocon de savon, ne parvient à lui fixer de tangente à aucun grossissement, et en conclut que les fonctions sans dérivée sont la règle et les belles courbes l’exception. Le livre se termine sur une phrase qui n’est pas non plus d’un manuel : « La Nature déploie la même splendeur sans limites dans l’Atome ou dans la Nébuleuse. »

Le bâtisseur

Visite présidentielle à l’Institut du radium, 1928 : Marie Curie au centre, Jean Perrin à sa gauche. Agence Rol, BnF, domaine public.

À partir des années 1920, Perrin consacre autant d’énergie à construire la recherche qu’à la faire. Il obtient de l’université de Paris, avec l’appui du député Léon Blum, un Institut de chimie physique, bâti de 1922 à 1926 à côté de l’Institut du radium de Marie Curie ; il s’occupe des plans, du chantier et jusqu’à la décoration de l’amphithéâtre.

Le chantier à peine fini, il en lance un autre : l’Institut de biologie physico-chimique, financé par la fondation Rothschild et inauguré en 1930. Son cahier des charges résume les valeurs fondatrices de notre laboratoire : l’institut devait abriter « des biologistes, des biochimistes, des chimistes, des physiologistes et des physiciens pour qu’en travaillant les uns près des autres, leur collaboration puisse être journalière ». On y crée aussi quelque chose de neuf : le métier de chercheur à plein temps, avec des contrats de plusieurs années — l’organisation de l’IBPC préfigure celle du CNRS.

Il obtiendra ensuite une décennie de textes et de budgets fondateurs : la Caisse nationale des sciences (1930), la Caisse nationale de la recherche scientifique (1935), le sous-secrétariat d’État à la recherche scientifique du Front populaire, qu’il prend en 1936 après la démission d’Irène Joliot-Curie, l’observatoire de Haute-Provence (1936), le Palais de la Découverte (1937) — où il voulait que le public voie des expériences se faire et non des vitrines — et enfin, par décret du 19 octobre 1939, un mois après la déclaration de guerre, le Centre national de la recherche scientifique. « Je veux que l’État puisse susciter dans la classe ouvrière des Ampère, des Faraday et des Pasteur », disait-il, lui-même qui avait été boursier.

L’homme

1926, l’année du Nobel. Agence Rol, BnF, domaine public.

Il n’a jamais séparé la science du reste. Dreyfusard de la première heure, il milite à la Ligue des droits de l’homme et enseigne dans les universités populaires ; ses amis de toujours s’appellent Émile Borel, Paul Langevin, Pierre et Marie Curie — un clan si soudé qu’il passe ses étés ensemble à l’Arcouest, sur la côte bretonne, au point qu’on surnomme l’endroit « Sorbonne Plage ». Il adhère à l’Union rationaliste dès sa fondation en 1930, au Comité de vigilance des intellectuels antifascistes en 1934, et s’oppose aux accords de Munich.

Ses élèves ont laissé de lui des portraits qui ne ressemblent pas à un buste. « Sa parole était ardente, parfois un peu hésitante et mystérieuse, puis, brusquement, des éclairs soudains illuminaient des perspectives infinies », se souvient Edmond Bauer. Hubert Bourgin, lui, note que « Perrin s’amusait de tout. Il aimait la fantaisie, la blague, la farce, la mystification. Un enfant terrible habitait le savant. »

La fin de sa vie est plus chaotique. En juin 1940, il embarque sur le Massilia pour Casablanca avec ceux qui veulent continuer la guerre hors de France, en lançant à qui veut l’entendre que « Pétain est un traître à la Patrie ». L’équipée échoue, il erre dix-huit mois, puis part pour New York fin 1941. Il y fonde avec Louis Rapkine l’École libre des hautes études, « ce nouveau foyer libre de culture française », et meurt trois semaines après l’inauguration, le 17 avril 1942. Ses cendres reviennent en 1948 et entrent au Panthéon le 17 novembre, le même jour que celles de Paul Langevin. Son épitaphe, écrite par un ami, dit de lui : « Il comptait des milliards de milliards d’univers dans une goutte de rosée. »

Ce qu’il nous laisse

Les activités de notre laboratoire sont, encore aujourd'hui, largement inspirées de son héritage. Compter des grains sous un microscope est devenu l’imagerie quantitative ; les émulsions qu’il fabriquait pour imiter une atmosphère sont devenues des objets biomimétiques dont on mesure l’adhésion et la mécanique ; le mouvement brownien qu'il a pointé grain par grain se transpose à la dynamique stochastique des systèmes vivants ; et l’idée qui a présidé à l’IBPC — mettre des physiciens et des biologistes dans le même couloir et attendre que quelque chose se passe — est exactement la nôtre.

Il nous laisse aussi une méthode, et c’est peut-être le plus utile : mesurer la même grandeur par des chemins qui n’ont rien à voir entre eux, et ne se déclarer convaincu que lorsqu’ils tombent d’accord.

Pour aller plus loin

1. Les Atomes (1913), texte intégral sur Wikisource — la préface et les conclusions se lisent en une demi-heure.
2. Le prix Nobel de physique 1926, sur le site de la fondation Nobel.
3. La réalité des molécules et l’œuvre de Jean Perrin, éloge de Louis de Broglie devant l’Académie des sciences, 17 décembre 1945 (PDF).
4. Micheline Charpentier-Morize, Jean Perrin, savant et homme politique, Belin, 1997 — la biographie de référence.