Dans l'une des plus grandes bibliothèques du monde, les chambres et les étagères semblent s'étirer pour toujours. Le nombre de volumes dans la
Bibliothèque du Congrès est de dizaines de millions. Chacun d'eux présente différentes histoires, des analyses détaillées, des documents historiques - tous avec leurs propres opinions. Mais tous ces millions de livres écrits en anglais ne se composent que de plusieurs dizaines de milliers de mots, et chaque mot se compose d'une combinaison de seulement 26 lettres - de A à Z [
plus les espaces, la ponctuation et les chiffres - env. perev. ].
Entre-temps, nous vivons tous entourés d'une grande et incroyable variété de matériaux - y compris ce qui constituait les nombreux types de structures biologiques qui composent notre corps et tous les corps d'animaux, de plantes et d'autres êtres vivants. La planète sur laquelle nous vivons est constituée de toutes sortes de pierres, dont certaines sont dures et cassantes, d'autres en plastique, avec différentes couleurs et textures. En plus de l'eau, nous avons de l'alcool, des acides, des sucres et des huiles sous diverses formes. Les aliments préparés au four dégagent diverses saveurs que nous respirons dans l'air. Les matériaux synthétiques, y compris une variété de plastiques, doivent être ajoutés aux sels, à la craie et aux alliages. Mais il est important de se rappeler que l'énorme richesse de la bibliothèque de matériaux consiste en un petit assortiment (bien que très divers) de molécules, qui, à leur tour, ne comprennent qu'une centaine d'atomes - des éléments de H à U et au-delà (de l'hydrogène à l'uranium et au-delà).
La complexité d'une langue écrite comme l'anglais est basée sur les mots, et la complexité des matériaux commence par les molécules. De la même manière, les instructions pour la construction d'un vaste ensemble de formes biologiques peuvent être codées dans l'ADN -
l'acide désoxyribonucléique - et plus précisément, dans les fils de ses syllabes tri-moléculaires, constituées de quatre molécules simples, les nucléobases. La raison de la complexité est basée sur un simple fait mathématique - une grande variété de combinaisons peut provenir d'un petit nombre d'ingrédients. Un ingrédient ne suffit pas. Seuls dix mots différents peuvent être constitués de la lettre «a», dont la longueur ne dépassera pas dix lettres: «a», «aa», «aaa», etc. Mais sur 26 lettres, 26
2 mots de deux lettres peuvent déjà être obtenus, soit 676, et des mots de dix lettres - 141 167 095 653 376, beaucoup plus que ce qui est requis pour la langue. Quelques dizaines de milliers de mots, choisis parmi plusieurs millions ou milliards de potentiels, suffisent pour créer toute la littérature anglaise. Les mêmes principes de croissance exponentielle du nombre de combinaisons permettent à notre environnement de se former à partir d'une centaine de variétés d'atomes, qui peuvent être constituées d'innombrables molécules, dont la taille varie de quelques atomes à des centaines et des milliers.
En commençant par des mots ou des molécules, vous pouvez vous déplacer dans deux directions à des fins de recherche. Vous pouvez essayer de comprendre comment les objets complexes sont assemblés à partir de leurs ingrédients: qu'est-ce qui se cache derrière l'existence d'un seul livre ou d'un ensemble de livres? D'où vient ce matériau ou cette classe de matériaux? Ou vous pouvez vous déplacer dans une direction différente, en déterminant la source des lettres et des atomes, les principaux éléments constitutifs.
Le but de cet article et des suivants est de répondre à la deuxième question, des molécules jusqu'aux sources. Bien sûr, il est très intéressant d'étudier une grande variété de matériaux trouvés dans la nature, dont il y a autant que des livres à la Bibliothèque du Congrès. Mais, d'autre part, l'origine des molécules et des atomes s'avère être un sujet moins vaste. Bien sûr, on ne peut pas dire que la réponse à ces questions est simple et directe. Il révèle de nombreux détails étonnants et inattendus de la physique atomique, nucléaire et de la physique des particules (ou hautes énergies). Comme dans le cas de la source des lettres de l'alphabet, les
conséquences de trouver la réponse à cette question s'avèrent de plus en plus intéressantes qu'on aurait pu imaginer au départ. Elle conduit à des découvertes qui ne se limitent pas aux simples propriétés des matériaux. Il conduit la physique à comprendre la lumière, le Soleil et les autres étoiles, l'histoire de la Terre, de l'espace et du temps, et l'Univers, sur lequel la Terre et le Soleil voyagent.
Mais avant cela, vous devez considérer quelques questions supplémentaires. Comment savons-nous que tous les matériaux sont constitués de molécules? Historiquement, la réponse à cette question a été obtenue grâce à des chaînes logiques complexes et une grande variété d'expériences scientifiques. Jusqu'à récemment, l'existence de molécules ne pouvait être devinée, pas directement, mais plutôt de manière convaincante pour parler sur la base d'analyses scientifiques astucieuses et d'expériences chimiques. Aujourd'hui, nous pouvons donner une réponse plus simple - car aujourd'hui, nous pouvons
«voir» la molécule . Nous les voyons à travers des microscopes, même si ce ne sont pas des types si classiques qui peuvent être mis sur la table et les regarder à travers les oculaires. Ce sont
des microscopes à force atomique , et leur méthode de visualisation ressemble plus à la lecture du braille; mais ils accomplissent leur tâche. Ils permettent aux scientifiques de prendre des photographies de matériaux, d'examiner leur structure en détail, confirmant les prédictions précédentes faites à son sujet. Ils ont même permis
de résoudre les énigmes précédentes de molécules spécifiques. De nouvelles méthodes vous permettent de vérifier directement tous les arguments indirects. Non pas que nous en doutions, car ils ont si souvent été utilisés avec succès dans la prédiction des résultats de réactions chimiques et dans le développement et la création de nouveaux matériaux! Néanmoins, il est bon de savoir que cette discussion n’est pas abstraite: les molécules existent vraiment, et avec l’aide des technologies modernes, nous pouvons les détecter directement.
Dans le prochain article, nous examinerons les atomes, de quoi ils sont faits et comment les molécules sont fabriquées à partir d'eux.