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Maths, Physique & Chimie

La vitesse du mouvement brownien enfin mesurée

Des physiciens américains sont parvenus à mesurer la vitesse d'une molécule effectuant un mouvement brownien. Une prouesse qu'Einstein avait estimé impossible à réaliser.

Tremblement de molécules

Robert Brown (1773-1858) © DR

Donner tort à Albert Einstein lui-même, c'est le fantasme de tout physicien. Et c'est un rêve devenu réalité pour quatre Américains de l'université du Texas à Austin. Pour la première fois, ils sont parvenus à mesurer la vitesse propre d'une molécule animée par un mouvement brownien. Un mouvement découvert par hasard en 1827 par le botaniste écossais Robert Brown. En scrutant l'intérieur de grains de pollen, le chercheur avait en effet observé que les molécules visibles au travers de son microscope, les plus grosses donc, étaient prises d'une sorte de tremblement ; elles s'agitaient toutes seules... sans que rien ne les y force. Brown pensa alors que ces mouvements chaotiques étaient le fruit de l'énergie vitale. Sur quoi, il avait tort. Des physiciens le démontrèrent par la suite.

Car si ces grosses molécules ont la bougeotte, c'est parce qu'elles sont en permanence bombardées par des molécules plus petites. Des molécules vibrionnantes qui s'agitent pour dissiper l'énergie du système, énergie qui est elle-même liée à la température du milieu. Ainsi, plus la température est élevée, plus ces molécules gigotent rapidement et plus, en retour, les grosses molécules se trémoussent. Ce phénomène est formalisé en 1905 par Albert Einstein et constitue l'une des bases du théorème d'équipartition de l'énergie, théorème qui édicte : l'énergie globale d'un milieu se répartit, à parts égales, entre toutes les molécules qui le composent.

L'erreur d'Einstein

Lévitation Un bout de verre de 5 micromètres tenu en lévitation par des lasers © DR

Une théorie qui, en pratique, reste bien difficile à démontrer car cela nécessite une mesure très précise de la vitesse d'agitation des molécules. Une mesure si fine qu'en 1907 Albert Einstein a jugé l'entreprise tout bonnement impossible à réaliser. Sur quoi, à son tour, il a eu tort. Pour preuve, l'expérience conduite au département de physique d'Austin. A l'aide de deux rayons laser, les chercheurs sont parvenus à placer une bille de verre de 5 micromètres en lévitation et à en mesurer la vitesse d'agitation. 

En jouant sur l'intensité des rayons laser, ils ont pu faire varier l'énergie du système et donc jouer, d'une certaine façon, sur la température (T. Li et al., Sciencexpress, 20 mai 2010). Ils ont ainsi pu observer que, comme le prédisait la théorie, la vitesse d'agitation des molécules animées d'un mouvement brownien augmente avec la température. Il s'agit de la première vérification expérimentale du théorème d'équipartition de l'énergie.

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