La querelle de l'atomisme

L’histoire du triomphe définitif de "l’hypothèse" atomiste n’a rien d’un long fleuve tranquille; elle fut marquée par des controverses féroces et de nombreux retournements.

Après sa naissance chez les philosophes de l’Antiquité, Leucippe et Démocrite (V^e s. av. J.-C.), après sa reprise passagère par le Grec Épicure (III^e s. av. J.-C.) et le Romain Lucrèce (I^er s. av. J.-C.), la doctrine atomiste connut, durant l’intermède chrétien, une longue éclipse. Il faut dire qu’elle était associée au matérialisme philosophique et à l’athéisme, ce qui n’aidait guère sa cause. En fait, c’est seulement au début du XIX^e siècle qu’elle fut ressuscitée avec éclat par le chimiste et physicien britannique John Dalton (1766-1844). On pourrait croire qu’elle fut alors plébiscitée avec enthousiasme, ne rencontrant ici et là que des résistances mineures. Pourtant, il fallut plus d’un siècle de débats acharnés avant qu’elle ne s’impose définitivement. Et contre toute attente, l’opposition ne vint pas seulement de l’Église ou de quelques détracteurs attardés, mais bien de la communauté scientifique elle-même. En fait, ce fut l’une des controverses les plus acerbes de son histoire, qui vit s’affronter des spécialistes reconnus, tous chercheurs compétents et sérieux. Il vaut la peine de s’arrêter un moment sur cet épisode étonnant, encore instructif pour nous, gens du XXI^e siècle¹.

Des lois fondamentales

Notre aventure commence en France, au début du XIX^e siècle, alors que le chimiste Joseph Louis Proust (1754-1826) mène des expériences (1802-1806) sur des composés métalliques. À sa grande surprise, il constate que lorsqu’on les combine, leurs constituants présentent des proportions régulières, toujours les mêmes. Il en tire une loi, encore appelée aujourd’hui la Loi des proportions définies. Peu de temps après, John Dalton (1766-1844), professeur britannique de physique², ajoute à la physico-chimie naissante une autre loi, qui précise et complète celle de Proust : la Loi des proportions multiples (1804). Elle stipule que la combinaison de deux éléments peut donner plusieurs composés différents, mais dans ce cas, on sera toujours en présence de rapports bien déterminés. En d’autres termes, lorsque A et B s’unissent pour former les composés C, D ou E, si A est constant, la masse de B variera suivant des multiples entiers de A.   

Il s’agit là de lois indiscutables de la stœchiométrie, la branche de la chimie attachée aux calculs lors de certaines réactions. Si notre histoire s’était arrêtée là, il n’y aurait pas eu de controverse. Mais Dalton tenait à trouver une explication de ces rapports pondéraux constants, et il ressuscita alors l’antique hypothèse des atomes (Nouveau système de philosophie chimique, 1808). La démarche paraissait plutôt naturelle puisque, contrairement à ce qui s’était passé dans l’Antiquité gréco-romaine, on disposait à présent de données mathématiques précises. On pouvait donc remplacer l’atomisme qualitatif de Démocrite par une doctrine quantifiée et l’asseoir sur des bases solides. En effet, si chaque corps est formé de groupements d’atomes à la fois stables et insécables, dont les poids respectifs sont en conséquence immuables, il est normal que la combinaison des substances suive des proportions fixes. 

Le seul hic, car il y a un hic, c’est qu’au moment où Dalton avance son ingénieuse théorie, il n’existe encore aucune technique suffisamment puissante pour vérifier l’existence de ces fameux atomes. En pareil cas, l’extrapolation est-elle justifiée? Pour lui, certes, car d’une part, l’expérience montre que, pour les diverses substances utilisées, la pondération des éléments ne varie pas. D’autre part, toujours à la même époque, le chimiste français Gay-Lussac (1778-1850) découvre que, pour peu que la température et la pression soient constantes, les deux lois déjà énoncées s’appliquent aussi aux gaz avec lesquels il a mené de nombreuses expériences (1809).

La naissance de l’équivalentisme

Pour comprendre comment est née la controverse, il faut ajouter un dernier personnage à notre galerie : le physicien et chimiste britannique William H. Wollaston (1766- 1828). Enthousiasmé par la nouvelle doctrine atomique, il en est d’abord un fervent avocat, avant de se retourner contre Dalton, son maître. Pourquoi? Dalton avait proposé l’idée des poids atomiques et publié une table de vingt éléments, les graduant en fonction de leur place respective. Comme il ne pouvait évidemment pas déterminer le poids absolu des atomes entrant dans la composition des éléments, il avait tout simplement retenu comme unité de base l’élément le plus léger, l’hydrogène, promu ainsi au premier rang, et attribué ensuite à chacun un numéro proportionnel à son poids.

Un tel outil représentait certes un pas important pour la recherche. Mais Wollaston s’avisa bien vite que son utilisation ne nécessitait pas l’hypothétique concept d’atome. On pouvait fort bien recourir au système pondéral de Dalton pour caractériser les substances, effectuer les calculs nécessaires et même classer les nouveaux éléments, tout en faisant l’économie de sa théorie litigieuse. Car en dernière analyse, le poids atomique ainsi conçu ne désignait rien d'autre qu’une proportion fixe des divers éléments; en d’autres termes, il s’agissait d’un répertoire d’équivalences. En bon pragmatique, Wollaston écarta donc les atomes, et décida d’utiliser plutôt l’oxygène comme étalon, tout en lui attribuant une nouvelle valeur conventionnelle (O = 100). Il décida en outre de se limiter à des formulations prudentes, telles que « nombres proportionnels » ou « poids équivalents  », plutôt que de parler, comme Dalton, de poids atomiques (On a Synoptic Scale of Chemical Equivalents, 1814). Ce choix prudent parut suffisamment séduisant pour faire école, et il devint ainsi le fondateur de l’équivalentisme.

Bref intermède philosophique

Avant d’aller plus loin, il faut glisser un mot d’Auguste Comte (1798-1857), initiateur d’une doctrine philosophique qui allait connaître un grand retentissement à l’époque. Appelée le positivisme, son principe fondamental est simple : puisque nous n’avons accès qu’aux phénomènes, si l’on veut favoriser le progrès de l’esprit humain, il faut fuir les abstractions inutiles et condamner les spéculations oiseuses, pour s’en tenir aux observations et aux faits. Les seules connaissances qui vaillent sont par conséquent celles mises au jour par la science. Rien de plus normal, si l’on en croit sa célèbre Loi des trois états. En effet, l’humanité, après avoir d’abord traversé l'âge théologique, celui des religions, puis l'âge métaphysique, marqué par la philosophie, serait maintenant entrée dans l’ère positive, celle de la science. Comte voyait d’ailleurs dans cette périodisation la pierre d’assise d’une nouvelle science, qu’il avait lui-même baptisée la sociologie.

On s’en doute, cette approche exerça une profonde influence sur nombre d’esprits importants de son siècle, par exemple le physiologiste Claude Bernard, le linguiste Émile Littré ou le sociologue Émile Durkheim³. Signalons d’ailleurs que, sous une forme à peine modifiée, la doctrine comtienne a refait surface au XXe siècle : c’est ce qu’on appelle l’école néopositiviste, ou le Cercle de Vienne qui, à partir de l’entre-deux-guerres, a profondément marqué la science et la philosophie américaines.

La situation s’envenime

Mais revenons à notre récit. Aiguillonné par la doctrine de Comte, un important chimiste français, Jean-Baptiste Dumas (1800-1884), s’imposa rapidement comme chef de file des équivalentistes. Fidèle à l’approche fonctionnelle du mouvement, il prétendait que la chimie devait être une science strictement positive, c’est-à-dire une pratique expérimentale, libre de toute hypothèse superflue sur la structure exacte de la matière. Comme le concept d’atome outrepassait l’expérience, il fallait non seulement s’en dispenser, mais combattre ce type d’excroissance pernicieuse, ce qu’il fit avec autant de conviction que d’énergie.

Sous sa gouverne, les chimistes français adoptèrent le système de Wollaston. Pendant ce temps, les défenseurs de la conception de Proust et Dalton, auxquels s’était rallié Avogadro (1776-1856), un partisan de poids (si l’on peut dire), continuaient à croire que les atomes, ces unités discrètes et quantifiables de matière, pouvaient seuls donner un sens aux observations. À ce titre, l’atomisme constituait pour eux une hypothèse raisonnable, en même temps qu’un prolongement parfaitement légitime de l’expérimentation.La controverse durait maintenant depuis quarante-cinq ans. Comme les deux blocs campaient résolument sur leurs positions, la situation était devenue intenable. En effet, l’adhésion à l’un ou l’autre des deux courants théoriques impliquait des paramètres de quantification différents pour le poids des éléments. L’absence d’une méthode de calcul uniforme entravait sérieusement la communication entre chercheurs et menaçait le progrès des connaissances. Il fallait trancher.

Le grand congrès de Karlsruhe

Pour sortir de l’impasse, on décida de convoquer en 1860 un congrès extraordinaire, à Karlsruhe, en Allemagne. Et pour en présider les débats solennels, on choisit quelqu’un d’une grande notoriété, dont la compétence faisait déjà autorité: le chimiste allemand Friedrich A. Kekulé⁴ (1829-1896). L’objectif fondamental de cette rencontre internationale pouvait se formuler simplement : trouver un terrain d’entente apte à réconcilier atomistes et équivalentistes.

Pour la première fois dans l’histoire de la chimie, le gratin mondial de la discipline se trouvait rassemblé en un seul lieu⁵. Durant trois jours, on débattit avec ferveur des mérites respectifs des deux grands systèmes en présence, mais aussi de la nomenclature des éléments, de leur classification et de leur notation. De fait, on réussit à convenir d’une échelle unique pour déterminer le poids atomique. Mais ce fut une victoire en demi-teinte, car malheureusement, malgré le plaidoyer de Stanislao Cannizzaro (1826-1910), un jeune chimiste italien qui, pour réconcilier les partis et combler le fossé qui les séparait, proposa, lors du dernier jour, de retenir la fructueuse distinction autrefois avancée par son compatriote Avogadro entre atome et molécule, on ne parvint pas à trouver un terrain d’entente définitif sur la théorie atomique elle-même⁶.

La victoire finale des atomistes

Malgré tout, il faut marquer ce congrès d’une pierre blanche dans l’histoire de la chimie. En effet, sauf en France, où les équivalentistes défendirent encore leur bastion pendant plus de quarante ans, l’atome avait presque gagné la partie et les progrès de la discipline chimique furent dorénavant spectaculaires. Car il se trouve que Mendeleïev (1834-1907) était à Karlsruhe. Il utilisa la distinction ravivée par Canizzaro pour élaborer sa fameuse classification périodique des éléments (1869), laquelle, améliorée et complétée, fait encore autorité aujourd’hui. Par ailleurs, cette distinction servit aussi à asseoir progressivement la notation atomiste actuelle, qui avait commencé à se répandre. Enfin, du côté des physiciens, la fondation de la mécanique statistique par James C. Maxwell (1831-1879) et Ludwig Boltzmann (1844-1906) allait bientôt imposer l’existence de la molécule. De sorte qu’en 1906, les observations sur le mouvement brownien du physicien français Jean Perrin (1870-1942) purent enfin apporter la première preuve empirique de l’existence des atomes⁷.

Les dangers du strict positivisme

Comme on a pu le constater, l’histoire du triomphe définitif de « l’hypothèse » atomiste n’a rien d’un long fleuve tranquille; elle fut marquée par des controverses féroces et de nombreux retournements. Que se serait-il donc passé si les équivalentistes l’avaient emporté? La chose était-elle seulement possible? On ne le saura jamais. Mais cette aventure assez rocambolesque illustre en tout cas les risques inhérents à une attitude positiviste trop stricte. Sur le plan méthodologique, le scientifique n’a guère le choix : il doit s’en tenir aux faits et à l’observation, même si, on l’a depuis longtemps montré, il n’existe rien de tel qu’un fait brut. Mais limiter l’ensemble de l’approche scientifique à un positivisme contraignant, comme le souhaitaient les équivalentistes, reviendrait à la priver de sa créativité et de son audace, une dimension essentielle à la recherche ; il faut parfois aller au-delà de l’expérience pour expliquer le passé ou préparer l’avenir. Car comme se plaisait à l’affirmer Einstein, « l’imagination est plus importante que le savoir. »

[Pour les besoins de ce bref texte, j’ai dû simplifier de nombreux aspects de cette longue et complexe controverse. Ceux et celles qui désirent des renseignements plus complets pourront consulter l’excellent article de Bernadette Bensaude-Vincent, historienne reconnue de la chimie : Les tribulations de l’atome au pays de la chimie ». Et pour un historique très détaillé, on pourra se reporter à la livraison de déc. 1997 (no 42) de la splendide collection bimestrielle Les Cahiers de Science & Vie, qui a consacré un numéro complet à la question, sous un titre évocateur : Atomes — Une guerre de cent ans.] 

Notes :

• Faute d’espace, on traitera surtout ici le domaine de la chimie. Mais la controverse fut tout aussi vive en physique.
• Dalton est aussi célèbre pour une autre raison. Affligé d’une vision déficiente, il fut le premier à analyser méthodiquement l’anomalie dont il était porteur. On la baptisa en conséquence de son nom, ce qui nous vaut le... daltonisme.
• La devise de la Société positiviste fondée par Auguste Comte est même devenue celle du Brésil, et elle figure sur le drapeau national : « Ordre et progrès! »
• Il avait, trois ans plus tôt, établi la tétravalence du carbone, et montré que la liaison carbone-carbone était possible, ce qui allait donner une impulsion décisive à la jeune chimie organique.
• Les passionnés d’histoire trouveront une liste détaillée des participants (selon les témoins, elle varie de 127 à 140) dans l’article anglais de Wikipédia consacré au Congrès.
• D’ailleurs, détail qui en dit long, les actes du congrès ne furent pas publiés...
• Deux ans plus tard, il fut même en mesure de déterminer de façon exacte combien il faut d'atomes d'hydrogène pour obtenir 1 g, soit 6,02.10²³.