Travaux et découvertes

Premières recherches

Sa carrière institutionnelle bien amorcée, Langevin continue ses travaux scientifiques. Dans un premier temps, il prolonge ses recherches sur les gaz ionisés en s’attaquant à l’étude des ions atmosphériques et installe ses expériences au sommet de la tour Eiffel en 1904. S’intéressant au mode d’évaporation des gouttelettes d’eau, il identifie deux catégories d’ions bien différents, en démontre les propriétés thermodynamiques et calcule leur conductivité électrique grâce à un électromètre de son invention.

Les années qui suivent comptent parmi les plus productives dans la carrière scientifique de Langevin. Portant son attention sur de nombreux sujets, divers en apparence, il s’efforce de combiner diverses approches théoriques, notamment par des formalisations mathématiques qu’il maîtrise parfaitement, afin de résoudre les contradictions entre la mécanique classique et les phénomènes encore incompris observés en électromagnétisme et thermodynamique.

Il a notamment recours à la théorie cinétique des gaz et à la physique statistique qui visent à expliquer les comportements des systèmes macroscopiques à partir des propriétés de leurs constituants microscopiques, particules, atomes, ions ou électrons.

Sur le magnétisme

La théorie que Langevin propose en 1905, Sur le magnétisme, s’inscrit directement dans les pas de son maître, Pierre Curie, et constitue un apport majeur à la physique classique.

D’après les mesures prises lors des changements d’état en fonction de la température, il établit une loi expérimentale, selon laquelle la faculté d’un matériau paramagnétique à s’aimanter sous l’action d’un champ magnétique est inversement proportionnelle à la température (Loi de Curie).

Langevin aborde ce phénomène par une approche microscopique en s’appuyant à la fois sur le modèle de l’électron proposé par H. A. Lorentz et sur les équations de physique statistique, en particulier la théorie cinétique de J. C. Maxwell et de L. Boltzmann. Il introduit l'idée selon laquelle le moment magnétique d'un corps peut être la somme des moments magnétiques de chaque atome de ce corps.

Sur le mystérieux mouvement brownien

On appelle mouvement brownien le mouvement spontané, erratique et incessant de petites particules en suspension dans un liquide au repos. Observé à partir de grains de pollen par le botaniste Robert Brown en 1827, qui exclut une manifestation d’origine biologique, le phénomène intrigue les physiciens. Certains d’entre eux pressentent en effet que ce mouvement des particules pourrait venir de l’agitation moléculaire dans le liquide.

(Particules animées d'un mouvement brownien. Source : Brownian motion of 350 nm polymer nanoparticles; crédit : Yasrena, Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International)

En 1905, Albert Einstein en vient lui aussi à s’intéresser au mouvement brownien et l’explique par la collision perpétuelle des particules observées avec des particules plus petites du milieu porteur. A partir de ce phénomène, il propose une formule permettant de prédire le nombre d’Avogadro, soit le nombre d'entités élémentaires (atomes, molécules, ou ions en général) qui se trouvent dans une mole (ou molécule-gramme) de matière.

A la suite de cet article, Paul Langevin et Jean Perrin se penchent à leur tour sur le phénomène. Alors que Perrin s’attèle à démontrer la théorie d’Einstein de manière expérimentale, Langevin l’aborde sur le plan théorique. Par un processus habile empruntant à la mécanique statistique et à la loi des probabilités, Langevin parvient à établir l’équation de l’énergie moyenne, et à confirmer l’équation d’Einstein : en moyenne, le carré des déplacements est proportionnel au temps écoulé. L’équation de Langevin est la première équation différentielle stochastique : une équation différentielle dont un terme est aléatoire. Elle est toujours d’une grande utilité dans de nombreux domaines d’application, notamment celui de la matière molle.

Quant aux travaux de Perrin, ils lui permettent en 1908 de mesurer par voie expérimentale le nombre d’Avogadro. Son livre, Les Atomes, publié en 1913, qui montre la grande concordance des résultats de détermination du nombre d’Avogadro obtenus par treize méthodes différentes, est considéré comme ayant définitivement apporté la preuve de la structure atomique de la matière.

Le scientifique et l’ingénieur

C’est paradoxalement la guerre qui donne l’occasion à Langevin, pacifiste convaincu, de revenir vers les sciences appliquées et démontrer toute son ingéniosité dans ce domaine.

Pour les scientifiques de la génération de Langevin, rêvant d’une science universelle, progressiste et partagée par tous, le déclenchement de la Première Guerre Mondiale représente un véritable traumatisme. La Science prend part à la guerre et n’échappe pas aux excès nationalistes et xénophobes du reste de la société. Sans tomber dans aucune dérive haineuse, les membres du petit groupe de Sorbonne-Plage s'engagent à leur manière : Marie Curie déploie ses unités mobiles de radiologie le long de la ligne de front, Jean Perrin et Emile Borel dirigent le Cabinet technique de la « Direction des Inventions intéressant la défense nationale », mise en place en 1915 par le mathématicien Paul Painlevé, devenu ministre de l’Instruction publique et des Inventions.

Progrès scientifique fondamental, la technologie ingénieuse du sonar trouve tout au long du siècle de nombreuses applications civiles, dont l’échographie dans la sphère médicale notamment, et représente aujourd’hui un champ de recherche toujours actif et porteur d’innovations.