CEL~B~AZIONE DEL St~CONDO CENTENARIO DELLA NASCITA

DI ,LUI~I GALVANI

Bol.ogaa 18-21 Ott obre 1937-XV

At t i della X X I X Riu.nione della Soeiet~ [taliana di Fisica

e del Congresso di Fisica

E t a t a c t u e l de n o s c o n n a i s s a n c e s s u r la s t r u c t u r e de l ' E l e c t r i c i t ~ .

Prof. LouIs DE BROGLIE (Paris).

Depuis l 'gpoque off les mSmorables d~couvertes de GALVANI et de VOLTA on~t d~finitivement ouvert devant nous l'imm.ense domain,e de l 'Electricit~, le r51e qu'eile joue dans l 'ensemble de la Nature n ' a pas eess~ de nous apparMtre chaque jour plus grand. I1 n 'es t pas exag~r~ de dire que toute la s t ructure de la Mati~re nous s~mble au jourd 'hu i reposer sur l 'existence et les propri6t6s de cette Electri- cit6 ,d'ont ]es t ravaux des deux illustres Say.ants I~taliens ont contri- bu6 d 'une mani~re si d6eisive ~ nous r6veler ] ' importance. I1 est mSme curieux de noter qu 'h l ' heure actuelle nous cherchons K d6duire presque toutes les propri6t~.s de la Mati6re h pa r t i r de ee]les d 'une entit6 physique dont les savants ant6rieurs au X V I I F si6cle soup~on- naie~t ~ peine ]'existence. Ce.ci nous ~nontre .combien i~ est imprudent d 'aff i rmer Ie ca raet~re ~d6finitif d 'une th~orie physique, puisque ~es conceptions des physiciens de demain reposeront peut-~tre sur de~ fai ts que nous ignorons totalement au jourd 'hu i .

D~clench6e par l 'ceuvre capitMe de GALVANI et .de VOLTA, ]e dS- veloppement de la science de l 'Electrici[~ s 'est op~r~ d 'abord pa r l '~tude des ph~nom~ne ~lectriques qui sont ~t notre ~ehelle et mettent en jeu des quantit~s relat ivement importantes d 'Elec t r ic i tC te]s par exemple que les courants 6,1ectr~ques dans les conducteurs. I1 n ' cn r~sultait qu 'une connaissanee globale des propri~t~s de 1' ~lectricit5 prise en ,masse, eonnaissanee tr~s importante a ssur6ment ~t beaucoup de points de rue, notamment ~ eelui des applications prat iques et industrielles mais que ne nous faLsait pas connMtre de fad.on precise la s t ructure de l'SlectriMt~ pas plus que la eonnaissance des lois r~- gissant Ies mouvements gtobaux des ]iquides ne nous renseigne sur ta constitution intime de ces corps. Or, de m~'me que l 'hypoth~se ~a plus simple sur la s t ructure des l iquides est de se les figurer comme des

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fluides par fa i tement continus, de m~me l 'hypoth~se la plus simple que l '&ude des ph~nom~nes ~lectriques globaux pouvait sugg~rer sur la s t ructure de l 'Electricit~ &ait de l 'assimiler ~ un fluide parfai te- ment continu. Mats tout de suite se pr~sentait une certaine complica- tion due au fa i t qu ' i l y a deux ~lectricit~s, l '~lectricit~ positive et l '~lectricit~ n4gative, p r&en tan t l ' une par ' rappor t s l ' au t rc une sorte de sym&rie. L' id~e la plus naturei le ~tait a~ors d ' a d m e t t r e l 'exi- s~enee de deux fluides ~lectriques distincts et eette th~orie des deux !luJ~des cut ses partita,us dScid~s. Mats ~n.e ~elle conception ne s ' im- posait pas absoh~ment: on pouvait t rouver plus simple d ' adme t t r e l 'existence d ' u n seul fluide 61ectrique .correspondant s l'~]ectricit~ d 'un cer tain signe, l ' appar i t ion de l '~lectricit5 de l ' au t re signe ~tan[ alors interpr6t~e c~m:me un << mar~que >> ,de fl~ide 61.~ctrique. Dans cette th~orie du fluide unique qui eut aussi sos adeptes convaincus, un corps 51ectriquement neutre contiendrai t ane certaine quantit~ de fluide ~lectrique qui serait en quelque sorte la quantit~ normale et serait ind~eelable: un corps ~lectris~ contiendrait, suivant ie signe de sa charge, une quantit~ du fluide ~lectrique supSrieure ou inf& rieure ~ la quanti% normale, un e~c~s ou un d~faut de fluide 61ectri- que. Nous allons voir que la d~eo~verte ~e corpusculos ~l~m,entaires d'61ectricit~, tout en 6tablissant la s t ructure granulai~e de l'~lectri- cit~, a pa ru confirmer ]e point de vne de la th~orie des dcux ~luides. Puis, par un mouv~ment d 'osci l lat ien qui s 'observe fr~quemment au cours de l 'histoire des sciences, la r~ccnte th~oric des << trous'>> de M. Diane nous a r~m.en~ en un e,e.rtain sens vers l ' id~e du fluide ,uni- que, ma~s il se peut que cette th~orie se t ransforme un jour ou l ' au t re en se r~pprochant de ] 'hypoth~se dual~ste. Ce qui parMt acquis, de quelque fa~on qu 'on veui]le l ' expr imer , c 'est la sym~trie essentielle des deux ~]ectrieit~.s car m~me clans une th~orie du type << fluide uni- que >> on ne peut dire avee cert i tude t~quelle des deux ~.leetrieit~s est un <~ ,manque ~> de l 'aut re . Cette s~m~trie est sans doute une des r~alit~s les plus fondamentales .de route la Physique.

De m~me que les progr~s de nos connaissances sur ]a mati~r.e nous ont conduit, g eosser de .considSrer les liquides eomme des flui- des continus et g ,]eur a t t r ibuer unc constitution atomique, de 'm~me les progr~s r~alis~s duns l'4tu.de de l 'Eleetrici t~ vers la fin ~lu XIX ~ steele ont c,onduit g ]ui re,connaltre une s t r~eture granulaire. Je ne veux pas rappeler ici, .m~me sommairement, la suite des re- marquables investigations exp~rimenta]es qui ont conduit s ~mettre hors de doute 1'existence et les propr i~t& des grains d'~lectricit~ n~gative au~quels on a donn~ le n~m d'~leetrons, ni de celles qui out ensuite conduit & consid~rer ]e noyau du plus l~ger des atomes,

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! 'atome d'hydrog~ne, comme le grain ,d'~lectricit~ positive ou pro- ton. Pendar~t assez 1Gngtemps, on a pu croire teni r ]~ des ~16m.ents de ]a s t ructure corpusculaire des deux ituides 61ectriques. La sy- m~trie ~des deux ~lectri.cit6s ~tait net tement marquee par le fa i t que l '~lectron et le proton ont .des charges ~ectriques ~gaics et de signes contraires. Mats, en mSme temps, une dissym~trie assez inat-- tendue, bien que d~j5 sugg~r~e par .divers phSnom~nes, se .manifestait entre les .deux ~lec,tricit~s en .ce .qui ,con~ernait ~eurs rapports avec la masse. Le proton est en effet pros de 1850 ~ois plus lourd que l '~lectron et, si l 'on veut r6duire la mati~re neutre ~ un im~nense ensemble de protons et ,d'~lectrons en hombre ~gal, ce sont los grains tl'51ectricit~ positive qui apportent de bea~coup la plus importante contribution ~ ]a masse. De 1~, cette .mobilit~ plus grande de l'~lectri- cit~ n~gative dont rSsultait par exemple darts le modSle d'ato,me bien eonnu dfi ~ M. Bo~R ~a position centrale :et le cara,ct~re presque statique de ]'~lectricite positSve autour de ,laquelle tourbillonnenr des ~lectrons en mouv.em~nt rapide . .Cet te << affinitY, >> particuli~re de l'~lectricit~ positive et de ]a masse a ~t~ un .des fairs los plus importants que ]a d~couverte et l'Stu.de de la constitution gr~nu~aire ,de l 'E]ectrieit~ air permis d'~tablir.

AprSs la raise eu ~vidence de l '6]ectron et du proton, ~e .d~veIop~ pement des theories de l~atame nous a appris h. consid~rer chaque a,~ome coin,me for'm~ ,d'un ~aoyau charg~ positive~ens entour~ d'~- ~eetrons n~gatifs en 'mouvement. Je n 'a i pas ~ rappeler ici la pro- digieuse f~con, dit~ ,de cette hypoth~se, .mats je dots souligner qu'elle semblait confirmer, l'id~e que route ']a matiSre se r~duit ~t des gra- nules d'~lectrieit~. D~j~t l a th6orie ~lectromagn~tique av.ait montr~ qu 'on pout exp]iquer l ' inert ie d ' u n grain d'61ectricit~ pat- l '6ner- gie emmagasin~e .dans ]e .champ ~lectro~nagn~tique q~i l 'environne et de 15 ~ supposer que route la .m.ati.~re est consti tute pa r des eor- puscules ,d'~lectri.cit6 dont l ' iner t ie serait d'or~g~ne purement ~lectro- magn~tique, il n ' y avait qu 'un pas ,qui ru t f aci,l~ment ~ranchi. Le module d'aton~e de RVTm~ORD-Bon~ notes ayan t appris que presque toute ]a ~nasse d'un a tone r6side darts son n, oyau, (m supposa tout naturel lement que ]e noyau est ~ui mSme an agr6gat ,de protons e~ d'61ectrons, ag.r6gat se r6dui.sant d%illeurs ~ un soul proton darts ]e cas de l 'a teme d'hydrog~ne. Cette h y p o th ~e ~tait aussi for- tome~nt sugg~r~e par ,le r6sultat de la d~e~mposition spontan~e des noyaux telle qu'elle s'opSre .dans ~.es co,rps radioaeti~s. N~a:m,moins, il restait bien difficile de .comprendre cam~ment un groupement de protons et d'~leetrons pou~'ait subsister ~ l '6tat stable darts l 'espace si r~duit qu'oecupe un noyau d'atome.

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L'6elosion de la nouvelle 1VL6cani, que quantique et ondulatoire n ' a pas apport~ .de grandes modifications en ce qui concerne nos conceptions sur la s t ructure ,de ~'Ed~ctrieit6. Assor tment e ] l e a pro- fond6ment modifi6 les repr6sentations que i~ous nous faisions d 'un corpuscule et nous a appris ~ nous m6fier des images t rop si, mplistes qu ' adop ta i t la Physique classique ~ la suite d ' une extrapolat ion t rop rapide et t rop hardie des donn~es macroscopiques. Mais elle ne met pas en doute la nature fonei.~rement granula i re de I 'E - lectrit6.

Plus impor tante pour le suje t qui nous occupe a ~t~ l ' appar i - tion, au ,eo.urs du d6veloppement des theories quantiques de l'~lec'tron, de la no.tion de << Spin >>. Pour expl iquer un grand no.mbre de faite. il a ~t6 en effe* n6eessaire ,d 'admettre que ]'61ectron ~ ' e s t pas .enti~- rement earaet~ris6 pa r sa charge et par sa masse, qu ' i l est encore dou6 d 'une sorte de rotation quantifi6e in terne; on peut, de cette rotation ,donner une image g.rossi~re en assimilant l'~le.e~ron ~ un~ sphere ,d'61ectricit6 n6ga~ive el1 ~rotati,on ant,our d ' un de ses dia- m~tres. C 'es t lg le spin qui joue au jourd 'hu i un rSle si important dans routes les Ch6ories d,e ,la Physi,q~e qaantiqu, e. La repr6senta- tion du spin par une rotation de l '~ieetron sur lui-m~me es~ nat~- rellement une image qui, bien que patrols utile et suggestive, e~* certainement trop si,mpliste et fa i t par t ie des repr6sentations in,dfi~ ~nent extrapol~es des grandes 6chelles aux petites. Le spin est, el~ r~alit~, sfirement quelque chose de beaucoup plus fondamental qu 'une simple rotation plus ou moins aceidentelle de l '~leetron sur l, ui-~n~me: ~1 est bien FlutSt ']'expressi,en d 'une par t ieular i t6 de la s t ructure m~me de l 'espace et son existence est sans douie reli6e

la constitution eorpuseu]aire e,t ~t ,]a dualit6 de signe de l 'Electr i - eit6. C 'es t du moins l ' impression que l 'on 6prouve en examinant de pros ia belle th6ori,e .de l'61.eetron dou6 de spin ,d'ue ~ M. DmAc. A eSt6 de bien d ' au t r e s succ~s, cette th6orie a pe~mis ~ son auteur de pr6voir ] 'existence d'61ectrons positifs de m~me masse que l '( ~- leetron n6gatif, mais de charge 6leetrique 6gale et de signe contraire. Ces 61eetrons positifs apparaissent , on le sai% d mas la th6orie de M. DIRAC e.om~n.e eonst i tuant ~ln r ~ a n q u e d'61e~trons >> dans une distr ibution ~orma~,om,ent satur6e ,d'6tats in~bserwhles, ~ 6n.ergie n~gativ.e, .de ]'61ectron. Cette ,assi~mi,lation ,de l'61,ec~ro.n posi t i f ~t une absence d'61eetrons n6gatifs n'es* pas, nous l 'av~ns not~, sans pre- senter une analogie assez curieuse avec l 'aneienne th6orie du fluide unique. Or l '~lectron posit if existe r6elloment; il a ~t~ d6couvert il y a 5 arts et sa ,d6couverte, avec eelle presque simultan6e du neu-

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tron, a profond6ment, modifi6 ~t plusieurs 6gards nos conceptions sur ]a s tructure de l'Elec~rieit6.

Le neutron est .une particule de masse presque identique h cetle du proton et de charge nulle (ou du ,moins si petite qu 'on n 'a pu la d6celer). Son appari t ion en Physique a assur6ment marqu6 un recul assez net de l 'id6e que l ' inert ie est d 'origine 61eetromagn6- t ique et est n6cessairement li4e ~ la charge 61eetrique. D 'au t re part, ]a d6couverte du positon a r6tabli une sym6trie .compl~te entre les deux 61ectricit6s car si l 'on consid~re l'51ectron et le positon comme ~tant les particules 616mentair.es fondamentales de ,deux 61ectricit6s, ces deux particules forment un couple enti~re,ment sym6trique, ce qui n '6tai t pas le .cas du couple 6]eetron-pro~on envisag6 auparavant (en raison de la diff6rence des masses). En ne consid6rant que le neutron et ~les ,deux 61ectr~oa,s, on peut dire qu 'on a d 'uae par t l 'unit6 61~mentaire de masse assoei~e s une charge 61ectrique nu~le et d ' au t re par t les deux unit6s parfai tement sym6triques d'6lectri- cit6 positive et d'61ectricit4 n6gative assoei6es ~ une trhs faible masse. E t l 'on obtient ainsi ~ne c]assifi.eation ,t.rbs a t t rayante par sa simplicit6. Mats i,l y a le proton dont le r61e clans la structure de la Mati~re est essentiet! O~a peut adme~tre que le proton est une particule complexe fo~m6e par l 'union ,d'un neutron et d 'un 61ectron positif; et en faveur de cette hypoth~se, on pourra i t invoquer les anomalies pr4sent6es par ]e spin du proton (en ce qui eoneerne te moment magn6tique propre) et le rappor t des masses du proton et du neutron. Mats 1' hyp,oth~se qui ~ 1' heure actuelle paral t pr6- valoir consiste s ,eonsid6rer ~e proton et le neutron ,combine deu~ 6tats d 'une seule partieule, le passage de l '6tat proton ~ l '6tat neu- tron s 'op6rant avec cr6ation et 6mission ,d'un 61ectron positif tandis que le passage inverse de l '6tat neutron ~ l '6tat proton s 'op6rerait avee cr6ation .et 6mission d 'un 61ectron n6gatif. Ainsi il existerait une partieule de gTande masse, le neutron-proton, susceptibite de deux 6tats, 1 'un 61eetriquement neutre et 1 'autre 61ectri.s6 positivement. Cet- te hyphot~se utilis6e dans les r6centes th6ories du noyau de ]'ato~me pe~met en parti.cu]ier :d'~ttribuer aux interactions entre les eo,nsti- tuants ]e earact~re d ' interact io~ d'6change, ee qui parait n6cessaire pour expliquer ]a stabilit6 ,de l'6difiee nucl6aire. La ~n~me ~d6e se re- trouve d'ai l leurs dans la belle et profonde th6o~rie de t ' 6mission des spectres continus ~ par les corps radioactifs qui est due '~ M. ENRICO F~'RMI. Quel ,que soit le sort final r6serv6 ~ ces tn6ories eneore ~ leurs d~buts, il y a un fai.t fondamen~al qui devra toujours ~tre exprim6 d 'une mani~re ou d 'une autre, c 'est l'affinit6 partieu- ]i~re qui existe entre la masse et l'61ectrieit6 positive, tout au moins

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dans les conditions qui preva len t ordinairement autour de nous. Sans dotlte on peut eo~acevoir avee eertains physiciens, M. GAMOW en part iculier , l 'existenee de protons n~gatifs off la masse s 'altie- rai t h l'61ectri,cit~ n6gative, mais il est certain que la stabilit6 de la 'mati~re, telle que zmns la e.oanaissons habituellement cst li6e "~ l'affinit~ ide la ,masse et de l '~lectricit6 positive.

Sy, mStrie des deux sortes d'61ectrons, existence de particules re la t ivement lourdes et non ~lectris6es, conception nouvelle de la na ture du proton, telles sont les id6es essentie]les que .]es ,d6couver- tes r6centes nous ont fournies sur la s t ructure ultime ,de .la MatiSre et de l 'Electricit6. D6j~ l 'Stude des ph~nom~nes nuM~aires commen- cent ~ nous donner des indications sur lea formes d ' in te rac t ion entre neutrons et protons, neutrons et neutrons, protons et protons ~ l ' in- t6rieur du domaine inimaginablement peti t du noyau des atomes. Nous ne sommes eacore q u ' a u ,d6but de ees recherches, mais il est certains qu'elles nous appor teront .d'ici peu des connaissances nou- velles sur ]e r61e fondamental que jouent les grairLs ~16mentaire,~ d 'Elect r ic i t6 dans l ' a rehi tec ture de la Mati~re. E t eette conclusion ne fai t ,que rehausser la gloire de ceux qui, comme LVlGI GALVANI, ont p a r l curs i'm~nortelles d6couvertes r~ndu possibles les mervei]leux progr~s de l 'Atomisti,que contemporaine.