S. N. Bose, le physicien qui a inspiré le mot "Boson" et qui, avec Einstein, a prédit le cinquième état de la matière

"Monsieur respecté", commençait une lettre qu'Albert Einstein, déjà lauréat du prix Nobel et très célèbre, reçut un jour de juin 1924.

La missive venait de l'Université de Dacca, une ville alors partie de l'Inde britannique, donc en périphérie coloniale, loin du centre scientifique mondial où tout le savoir établi était en pleine révolution.

"Je me suis permis de vous envoyer l'article ci-joint pour que vous le lisiez et me donniez votre avis. J'aimerais savoir ce que vous en pensez. Si vous estimez que le travail mérite d'être publié, je vous serais reconnaissant d'en organiser la publication dans Zeitschrift für Physik."

La revue allemande Zeitschrift für Physik était alors l'une des publications les plus importantes au monde en physique théorique et expérimentale.

Qui était l'auteur de cette lettre et qu'est-ce qui l'avait poussé à formuler une telle demande ?

Il se présentait comme "un parfait inconnu" pour Einstein, mais précisait : "je ne ressens aucune hésitation à vous adresser cette demande, car nous sommes tous vos disciples."

Il révélait néanmoins qu'il ne s'agissait pas de sa première correspondance avec le maître : "je ne sais pas si vous vous souvenez encore que quelqu'un depuis Calcutta vous avait demandé la permission de traduire vos travaux sur la relativité en anglais. Vous aviez accepté cette demande. Le livre a été publié. J'ai été celui qui a traduit votre travail."

Et il signait : "respectueusement, S. N. Bose."

L'article était joint à la lettre ; Bose l'avait déjà soumis à la prestigieuse revue Philosophical Magazine de la Royal Society britannique, mais il avait été ignoré. Heureusement, il ne se découragea pas : il fallut le génie et la perspicacité d'Einstein pour apprécier l'importance de ce travail.

Le physicien et mathématicien Satyendra Nath Bose avait trouvé la solution à un problème qu'Einstein lui-même n'avait pas pu résoudre.

En l'espace de huit jours, le maître de la relativité avait déjà traduit l'article en allemand et l'avait envoyé pour publication dans Zeitschrift für Physik, accompagné d'une note dans laquelle il le qualifiait de "progrès important" et annonçait qu'il élargirait lui-même ces idées révolutionnaires.

À Bose, il envoya également une carte postale confirmant que son travail représentait "un pas important en avant", ajoutant : "cela me fait grand plaisir."

Ce pas en avant ne cessa de s'amplifier avec le temps.

De la brève mais significative collaboration entre Einstein et Bose naquirent des connaissances pionnières en physique quantique, qui continuent de transformer le monde.

Mais, malgré sa contribution à changer le visage de la science au XXᵉ siècle, et après avoir travaillé avec Marie Curie, inspiré le poète Tagore et fréquenté de grands scientifiques et artistes, le physicien indien reste peu connu.

Et c'est un plaisir de le découvrir.

110 sur 100

Bose est né le premier jour de l'année 1894 à Calcutta, au sein d'une famille liée à la Renaissance bengalie, un mouvement qui promouvait l'éducation moderne et le renouveau culturel dans l'Inde coloniale.

Très tôt, il se distingua par son intellect.

Parmi les nombreuses anecdotes qui circulent sur son génie - certaines vraies, d'autres sans doute embellies - on raconte qu'un professeur de son école, impressionné par l'un de ses travaux, lui attribua une note de 110 sur 100.

Le maître était convaincu que son élève deviendrait un mathématicien brillant.

Bose, toujours curieux de toute création intellectuelle et artistique, choisit effectivement les mathématiques comme voie professionnelle.

Et, tout comme son ami, camarade d'études et futur astrophysicien Meghnad Saha, il se passionnait pour la physique théorique, en particulier la nouvelle théorie quantique que les physiciens allemands commençaient à explorer.

Après leurs diplômes et leur accession au corps professoral de l'Université de Calcutta, Bose et Saha entreprirent une tâche inhabituelle : traduire en anglais les travaux originaux d'Einstein et d'Hermann Minkowski sur la relativité, ce qui n'avait encore été fait nulle part ailleurs.

Tu te souviens qu'Bose mentionnait dans sa lettre à Einstein qu'il lui avait déjà écrit ?

C'était pour cette raison : afin de ne pas violer les droits d'auteur du grand physicien, il demanda une autorisation spéciale.

Einstein l'accorda volontiers, et le livre The Principle of Relativity, publié en 1920, devint la première collection en anglais de ces articles fondamentaux.

Plus qu'une simple traduction, ce fut un véritable pont vers le savoir mondial, un geste qui facilita la diffusion d'idées révolutionnaires à une époque où les informations scientifiques mettaient beaucoup de temps à traverser les frontières.

Cependant, c'est lorsque Bose quitta Calcutta pour l'Université de Dacca qu'il entra vraiment dans l'histoire, avec son article intitulé "La loi de Planck et l'hypothèse quantique de la lumière" qu'il envoya à Einstein.

Cet article fut comme une clé ouvrant la porte à de nouvelles connaissances.

Parallèlement, et grâce à Einstein, Bose obtint une bourse de recherche lui permettant de voyager en Europe et de travailler avec les meilleurs laboratoires et chercheurs de l'époque.

La rencontre amusante avec Marie Curie

Bose arriva à Paris en octobre 1924 et s'intégra rapidement aux cercles scientifiques, assistant à des conférences et à des exposés de figures telles que les physiciens Paul Langevin et Louis de Broglie.

Intéressé par l'apprentissage des techniques expérimentales en radioactivité, Langevin lui remit une lettre de présentation pour rencontrer Marie Curie à l'Institut du Radium.

Bose raconta que, après l'avoir salué "avec affection", elle lui dit :

"Tu auras sans doute l'occasion de travailler avec moi, mais pas tout de suite, dans trois ou quatre mois. D'abord, tu dois apprendre la langue ; sinon, il te sera difficile de te débrouiller au laboratoire."

Elle ajouta :

"Tu dois aussi connaître une belle Française dont tu dois apprendre."

Ainsi, ils cherchèrent dans Paris cette femme si charmante. Bose précise qu'il savait lire et écrire en français, mais qu'il ne put le dire à Madame Curie car celle-ci parlait sans arrêt.

Tout l'épisode parut humoristique à Bose. En attendant son intégration formelle dans le laboratoire de Curie, il profita de son séjour à Paris pour travailler avec d'autres chercheurs et se familiariser avec les techniques les plus avancées de la physique expérimentale.

Parmi eux se trouvait la physicienne française Jacqueline Zadoc-Kahn Eisenmann, avec qui il noua une profonde amitié.

La correspondance entre les deux illustre les échanges intellectuels vibrants de la physique quantique de l'époque, comme en témoigne cette lettre que Bose lui écrivit depuis Berlin, en 1925 :

"Ma douce Jacqueline, ta réponse rapide m'a réjoui, mais avec elle se mêle une sensation de tristesse : elle me rappelle combien je t'ai peu vue le dernier jour.

"Il semble que tout le monde à Berlin soit très enthousiasmé par l'évolution de la physique.

"Les 1er et 28 du mois dernier, [Werner] Heisenberg a parlé au colloque de sa théorie. Tout le monde est très déconcerté, et bientôt une discussion aura lieu sur les travaux de [Erwin] Schrödinger.

"Einstein semble très enthousiaste à ce sujet. L'autre jour, en revenant du colloque en train, nous l'avons trouvé montant dans le même compartiment que nous, et il a immédiatement commencé à parler avec passion de ce que nous venions d'entendre.

"Nous sommes tous restés silencieux, tandis qu'il parlait presque tout le temps, sans remarquer l'intérêt et la fascination qu'il suscitait chez les autres passagers. »

De retour à la maison

Tout physicien visitant Berlin dans les années 1920 devait se sentir un peu comme un musicien visitant Liverpool dans les années 1960, commenta la physicienne et écrivaine scientifique Sharon Ann Holgate dans le portrait radiophonique de Bose, The Indian Particle Man de la BBC.

Certaines des esprits les plus brillants du début du XXᵉ siècle y discutaient des subtilités de la nouvelle théorie quantique, si étrange qu'elle paraissait presque incompréhensible.

"Jamais dans ta vie tu n'auras l'occasion de rencontrer d'aussi grands hommes de science", observa Bose.

Mais l'Inde et sa famille l'attendaient.

À son retour, Bose s'imposa comme une figure centrale de la physique en Inde, combinant enseignement, recherche et leadership institutionnel, et influençant des générations de scientifiques.

Il défendit avec conviction l'importance de l'enseignement des sciences dans les langues natives de l'Inde, plutôt qu'en anglais.

Selon son petit-fils, Falguni Sarkar, qui s'exprimait à la BBC, Bose admirait des pays comme Israël et le Japon, pour avoir su créer une culture scientifique solide et des contributions de premier plan basées sur l'usage de leur langue propre.

Cette idée rencontra cependant une forte résistance. Le physicien indien Partha Ghose, disciple de Bose, se souvient d'un jour où il lui demanda pourquoi il insistait tant sur cette question, et reçut une réponse très convaincante :

"Je ne pense pas aux personnes comme toi, qui se consacrent à la science, dit Bose. Je pense à l'Indien moyen : pourquoi devrait-il apprendre une langue étrangère pour comprendre les choses fondamentales de la science ?"

Son activité ne se limita pas à la science : Bose était également un intellectuel humaniste, profondément intéressé par la musique - en particulier la musique classique indienne -, la littérature et les arts, et il participa activement aux cercles culturels de son époque, convaincu que la créativité scientifique faisait partie d'un élan créatif plus large.

Mais revenons à la créativité scientifique de Bose et Einstein, et à cet article.

Le génie de Bose

À la fin du XIXᵉ siècle, les physiciens étaient confrontés à un problème apparemment simple : comment un objet chaud émet-il de la lumière ? Plus précisément, quelle quantité de lumière émet-il dans chaque couleur selon sa température ? Si l'on chauffe un métal, combien de lumière rouge produit-il ? Combien de bleu ? Comment cette répartition change-t-elle quand la température augmente ?

La physique classique tenta de répondre en utilisant les lois connues de l'électromagnétisme et de la thermodynamique… et échoua de manière spectaculaire.

Ses équations prédisaient qu'un corps devrait émettre une quantité infinie de rayonnement ultraviolet, ce qui était évidemment impossible. Cet absurde théorique fut baptisé, avec une pointe d'ironie, la catastrophe ultraviolette.

Le problème était profond : il ne s'agissait pas d'une erreur expérimentale, mais d'une contradiction interne de la théorie. Les mêmes lois qui décrivaient avec succès le monde quotidien conduisaient ici à un non-sens mathématique.

Comprendre comment un corps chaud émet de la lumière n'était pas un détail technique mineur, mais un signal que quelque chose de fondamental posait problème dans la conception même de l'énergie et du rayonnement.

Le résoudre exigeait de changer les règles du jeu.

En 1900, le physicien allemand Max Planck résolut l'énigme en proposant quelque chose de radical pour l'époque : l'énergie ne s'échangeait pas de manière continue, mais par petits "paquets" ou quanta, dont la taille dépendait de la fréquence du rayonnement.

Sa formule décrivait avec précision comment les objets émettent de la lumière selon leur température.

Ce qui était vraiment profond, ce n'était pas seulement que cela fonctionnât, mais ce que cela impliquait : l'énergie était quantifiée. Cette rupture avec la physique classique ouvrait précisément la porte à la physique quantique.

Quelques années plus tard, Einstein poussa l'idée un peu plus loin et l'appliqua directement à la lumière, proposant que la radiation elle-même se déplaçait en quanta - les photons - pour expliquer des phénomènes que la théorie classique ne pouvait rendre compte.

Pourtant, la nouvelle physique avançait sur des fondations conceptuelles encore instables. La loi de Planck fonctionnait parfaitement, mais sa justification théorique restait insatisfaisante, reposant sur des postulats hérités de la physique classique, de plus en plus fragiles.

C'est là que Bose changea radicalement l'approche.

Il traita la lumière non pas comme une onde continue, mais comme un ensemble de quanta indiscernables, et calcula leurs distributions possibles sans recourir aux artifices conceptuels de la physique classique.

Le résultat fut à la fois simple et puissant : la loi de Planck émergeait de manière naturelle, sans correctifs ni contradictions.

Ainsi, Bose clarifia non seulement le fondement d'une des formules les plus importantes de la physique moderne, mais montra également que l'hypothèse des quanta de lumière n'était pas un simple artifice provisoire, mais une pièce centrale d'une nouvelle manière de comprendre la nature.

Le génie d'Einstein

Einstein comprit immédiatement.

Il vit que Bose n'avait pas utilisé un simple tour de mathématiques, mais avait découvert une nouvelle façon de compter, une méthode inédite pour décrire les systèmes formés par des particules indiscernables.

Et c'est là qu'arrive le tournant surprenant.

Einstein se demanda : si cette façon de compter fonctionne pour la lumière, que se passerait-il si on l'appliquait à la matière ?

En le faisant, il prédit quelque chose de totalement inattendu : à des températures extrêmement basses, un grand nombre de particules pouvait s'effondrer dans un même état quantique, se comportant comme un unique objet macroscopique.

C'est ainsi que naquit, du moins sur le papier, le condensat de Bose-Einstein, connu populairement comme le cinquième état de la matière.

Il fallut presque sept décennies avant que les scientifiques ne confirment expérimentalement la prédiction d'Einstein.

Aujourd'hui, les idées de Bose et Einstein soutiennent des technologies de pointe : des ordinateurs quantiques aux aimants supraconducteurs utilisés dans les résonances magnétiques et les grands accélérateurs de particules du CERN.

Même les mathématiques de la supraconductivité ont inspiré les idées qui ont mené à la découverte de la particule de Higgs et à la compréhension de son rôle dans la structure de l'univers.

Bien que de nombreuses découvertes inspirées par ce cadre théorique aient valu un Prix Nobel, Bose lui-même n'en reçut jamais. Son héritage, cependant, reste immortel dans la physique.

Son nom a donné naissance aux bosons, l'une des deux grandes familles de particules fondamentales, formé à partir de "Bose" et du suffixe grec "-on", courant dans la nomenclature subatomique.

Comme le souligna l'éminent physicien et biographe d'Einstein, Abraham Pais (1982) :

"L'article de Bose est le quatrième et dernier des articles révolutionnaires de l'ancienne théorie quantique ; les trois autres sont de Planck, Einstein et Bohr."

Rien de moins que l'élite de la physique qui a transformé notre monde !