Arthur Schidlof, un pionnier de la physique théorique suisse

Jan Lacki, Uni Genève

 

Arthur Schidlof (1877-1934), né à Vienne, naturalisé Suisse en 1907, et dont toute la carrière scientifique se déroule à Genève, fait partie de physiciens qui ont participé à l’émergence de la physique théorique en Suisse : en Suisse romande, Schidlof peut même en être considéré comme le pionnier 1. Il fut en effet le premier tenant de la chaire de physique mathématique crée à Genève en 1930, la première du genre en Suisse romande, mais qu’il n’eut le temps d’occuper que durant quatre ans avant de disparaître à l’âge de 57 ans 2.

Arthur Schidlof n'est pas qu’un personnage de l’histoire de la physique locale. Il a laissé son nom dans l’histoire grâce à un article publié en 1911 où, parmi les premiers, et bien avant Niels Bohr (1913), il applique la théorie de quanta de Max Planck au problème de la structure atomique. Si on examine de près ses domaines de recherche, et le contenu de ses travaux, on ne peut qu’être frappé par le large spectre de ses intérêts et la pertinence de ses analyses qui n’avaient rien à envier aux ténors de la physique de l’époque. Rien ne laissait pourtant présager initialement la direction théorique qu’allait prendre sa recherche. Les premières années de l’éducation de Schidlof se passent à Vienne et ensuite à Graz (études secondaires classiques). Il enchaîne ensuite avec des études scientifiques l’Université de Genève et décroche son diplôme d’ingénieur chimiste en 1903. Délaissant la chimie, il effectue la suite de sa formation sur le terrain de la physique expérimentale avec une thèse sur l’hystérésis magnétique sous la direction de Charles-Eugène Guye. Dans les années qui suivent, Schidlof sera successivement assistant au Laboratoire de Physique de l’Université, chef de travaux, privat-docent (1906), professeur extraordinaire de physique spéciale (1918), puis enfin professeur ordinaire de physique mathématique (1930). Depuis 1910, et presque jusqu’à la fin de sa vie, il remplira aussi les fonctions de maître de physique à l’Ecole des Arts et Métiers de Genève, ce qui lui apportent le complément financier nécessaire à subvenir aux besoins de sa famille.

L’intérêt de Schidlof pour les questions théoriques devient manifeste dès la fin des années 1900. En 1907 il publie déjà un article sur la théorie de l’électron de Lorentz et Poincaré. Durant les quart de siècle qui suit, il sera l’auteur de nombreux articles sur des sujets aussi variés que la théorie de l’électron, le mouvement brownien, l’optique des milieux absorbants, la relativité restreinte et générale, la thermodynamique et mécanique statistique des gaz classiques et quantiques, la physique nucléaire et, sur le versant le plus abstrait, les théories unificatrices à cinq dimensions et l’usage des algèbres de Clifford dans les formalismes de l’électrodynamique et de la théorie de l’électron de Dirac.

L’article de 1911 mérite bien que l’on s’y attarde 3. Il convient tout d’abord d’esquisser son contexte. A l’époque de sa parution, cela fait plus d’une décennie que Max Planck a proposé sa loi de la répartition spectrale de l’énergie du rayonnement du corps noir ainsi qu’une tentative de l’expliquer en termes d’un mécanisme discontinu des échanges énergétiques entre matière et rayonnement électromagnétique. Autant la loi de Planck est immédiatement saluée comme une réussite majeure qui rend compte des résultats expérimentaux sur le rayonnement de cavité, autant son hypothèse des discontinuités, les quanta, laisse la communauté sceptique 4. Les travaux d’Einstein de 1905 et 1907 contribueront de manière essentielle à lui donner une crédibilité. Dans son premier article intitulé « Un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière » 5, qui précède celui fondant la théorie de la relativité restreinte, Einstein montre que la loi de Planck dans la limite des hautes fréquences et basses températures conduit à considérer un volume d’énergie électromagnétique monochromatique de fréquence ν comme un gaz de corpuscules énergétiques dont l’énergie E est donnée par la relation E=hν, où h est la constante de Planck. Il applique ensuite cette observation à l’explication de l’effet photo-électrique 6. En 1907, Einstein s’appuie sur les conséquences de l’hypothèse des quanta de Planck pour expliquer la décroissance des chaleurs spécifiques avec la température, un des problèmes qui minait la physique classique de son temps 7. Malgré leur excellence, les travaux d’Einstein, qui n’a pas encore la notoriété que l’on sait, ne suffisent pas à faire accepter de manière inconditionnelle l’existence des quanta de Planck. Ainsi, l’année 1911 est encore celle des doutes, avant que, suite à la première conférence Solvay à Bruxelles, l’existence de quanta ne soit enfin admise au sein de la communauté.

 

L'équipe du laboratoires de recherches physiques à Genève, année académique 1912-1913. Son directeur, Charles-Eugène Guye est assis au centre ; Arthur Schidlof est débout, troisième depuis la gauche. A la gauche de Guye est assis Lavanchy, l'assistant avec qui Guye fait, dans cette période, ses expériences décisives sur la masse relativiste des rayons cathodiques (voir Jan Lacki, Charles-Eugène Guye et la relativité, Communications de la Société Suisse de Physique, no 25 (octobre 2008), pp. 14-17)

 

A la lumière de ces circonstances, l’article de Schidlof apparaît dans toute son originalité. Cela est d’autant plus vrai qu’il s’y aventure dans un domaine hautement hypothétique, celui de la structure atomique dont, dans les années 1910, on ne sait pas encore grand-chose. Après la « découverte » de l’électron par Thomson en 1897, c’est son modèle de l’atome, dit le « plum pudding model » (1903), qui domine les conceptions: une sphère de densité de charge uniforme positive à l’intérieur de laquelle orbitent les électrons 8. Vers la fin de la décennie, la validité de ce modèle est remise en question, mais il constitue encore le cadre de référence pour penser l’atome 9. A l’époque, peu sont encore les chercheurs qui songent à rapprocher le problème de la structure atomique avec l’hypothèse des discontinuités de Planck. Partisan de première heure des quanta, l’Allemand Johannes Stark applique la constante de Planck aux problèmes de la structure atomique et moléculaire dans ses travaux de 1908. En 1910, l’Autrichien Arthur Haas examine le mouvement d’un électron à la surface d’une sphère chargée positivement. Supposant que l’énergie potentielle de cette configuration correspond au produit de la fréquence du mouvement orbital par la constante de Planck, il est en mesure de dériver le rayon de Bohr, et manque de peu l’obtention d’une valeur correcte de la constante de Rydberg 10.

Dans son article, Schidlof va encore plus loin. Il vise autant les détails d’une structure atomique que les raisons qui pourraient « expliquer » l’existence d’un quantum d’action au sens de la constance et de l’universalité de la constante de Planck. Il est bon de rappeler à ce stade que les contemporains de Schidlof comprenaient bien qu’en l’absence d’un principe de conservation de l’action, la constance de h demeure totalement inexpliquée. Le point de départ de Schidlof est le modèle de Thomson. Il suppose cependant que la grande majorité des électrons forment une sphère de charge négative, interne et concentrique à la sphère positive, et susceptible, sous l’influence d’un champ externe, des mouvements d’oscillation. Il assimile alors cette situation à un résonateur au sens de Planck, un système possédant une fréquence propre d’oscillation ν, et dont Planck et Einstein avaient montré, dans le cadre de la théorie du rayonnement du corps noir, qu’il ne pouvait échanger avec un rayonnement externe que des paquets d’énergie discrets, les quanta, de valeur E=hν. Pour y faire écho, Schidlof suppose que l’absorption ou l’émission de l’énergie du rayonnement ne peut se faire qu’avec l’éjection ou la capture d’un électron. Il peut obtenir sous ces hypothèses aussi bien la fréquence propre de l’atome résonateur que la valeur du quantum d’énergie que celui-ci échange avec le rayonnement. Cela lui permet ainsi de calculer la valeur de h=E/ν. La formule qu’il obtient, et qui explique la constance de h, dépend du rapport e/m de l’électron. En supposant que toute la masse est d’origine électromagnétique 11, et avec les valeurs de l’époque, Schidlof obtient une valeur raisonnablement proche de la valeur de h connue.

La tentative de Schidlof prête bien sûr ample flanc à la critique : avec le recul que nous possédons, son raisonnement pèche par son conservatisme, qui ramène la constante de Planck à la physique classique au lieu d’en souligner au contraire l’irréductible nouveauté 12. Remis dans le contexte de son temps, il frappe au contraire par son modernisme, et sa combinaison des spéculations théoriques de pointe avec les derniers résultats expérimentaux démontre une complète maîtrise de son sujet.

Le travail que nous venons de commenter date de la période où Schidlof s’occupe en parallèle de physique expérimentale. Ce sera le cas durant encore des longues années où, vraisemblablement en rapport avec sa charge de chef de travaux du Laboratoire de Physique, il s’implique passablement dans les études expérimentales en cosignant des nombreux articles avec ses étudiants parmi lesquels on trouve, c’est intéressant de le relever, des nombreuses femmes 13. A côté de sujets en rapport avec l’hystérèse magnétique, on constate son intérêt pour la détermination de la charge élémentaire de l’électron, ainsi que pour des questions annexes touchant les principes de la méthode de Millikan. Au fil du temps, ses intérêts théoriques finissent cependant par s’exprimer pleinement. A partir des années vingt, il ne publie plus des travaux expérimentaux. Les dernières années de sa vie le montrent entièrement occupé par des sujets théoriques, et en particulier par la physique quantique. Celle-ci vient de connaître, à la fin des années vingt, un développement remarquable avec la mécanique matricielle (1925), la mécanique ondulatoire (1926), et la synthèse des deux sous la forme de la mécanique quantique que nous connaissons aujourd’hui. Schidlof suit de près ces nouveautés. Avant de disparaître, il aura le temps d’appliquer la nouvelle mécanique à des questions de physique nucléaire, et de se lancer dans un programme ambitieux de réécrire la physique de son temps en langage des nombres de Clifford, en collaboration avec Gustave Juvet, professeur à l’Université de Lausanne.

Il transparaît des échanges administratifs concernant Schidlof (voir plus bas) combien les activités au Laboratoire de physique auxquelles il dût se livrer pour honorer ses obligations l’ont empêché de se consacrer plus à fond aux investigations théoriques. En effet, bien que ces dernières reçurent de son temps une attention certaine, il ne put s’en prévaloir pour assurer son assise financière. En 1929, âgé de 52 ans, Schidlof n’est que premier assistant-chef des travaux, et sa situation est toujours précaire. Son titre de professeur extraordinaire est pour l’essentiel honorifique, et les cours de physique mathématique qu’il donne ne lui sont pas rétribués. Plutôt qu’une défiance vis-à-vis de la personne de Schidlof, il faut y lire le faible statut institutionnel dont la physique théorique pâtit encore à l’époque.

Sa situation prend un tour dramatique quand, cette année, suite à des problèmes qu’il rencontre à l’Ecole des Arts et Métiers, son poste de maître de physique y est mis en danger. On lui reproche de ne pas tenir assez la discipline, ses élèves se plaignent d’un enseignement qui les dépasse, et on lit entre les lignes des rapports que son enseignement est jugé trop…théorique. La direction de l’établissement penche en faveur des élèves et signifie son intention de se priver des services de Schidlof. Le patron de la physique genevoise à l’Université, Charles-Eugène Guye, intercède auprès des autorités pour trouver une compensation financière pour Schidlof dans le cadre de ses charges universitaires. Il fait valoir combien cela ne serait que justice au vu de l’excellence de son protégé, et de l’importance que la physique théorique gagne à l’époque. C’est un témoignage important d’une prise de conscience de l’importance de ce domaine, et il faut rendre hommage à Guye, lui-même expérimentateur, d’avoir perçu avec justesse la situation.

Malgré ses intercessions, Guye ne parvient pas à un résultat concret. L’histoire connaîtra cependant, de manière imprévue, un dénouement favorable à Schidlof. A la fin des années vingt, Guye connaît des ennuis de santé persistants au point de l’obliger à renoncer à ses enseignements de l’année 1929. C’est Schidlof qui assure l’intérim. L’état de santé de Guye empire encore et le contraint à démissionner de son poste de professeur en 1930 au grand dam de tous. Il propose Schidlof comme son successeur. Les autorités universitaire ne suivront que partiellement cette recommandation. Il est décidé, en 1930, de diviser la chaire vacante en deux chaires, une de physique expérimentale, et l’autre de physique mathématique. On fait appel à Schidlof pour occuper cette dernière, alors que la première est proposée à Jean Weiglé, un Suisse expatrié aux Etats-Unis et qui poursuit une brillante carrière de professeur à l’université de Pittsburg. Dès les années trente, deux chaires ordinaires de physique vont donc coexister à l’Université de Genève. Le partage des responsabilités dans la gestion des affaires de l’Institut de physique ne laisse cependant aucun doute : la position de Weiglé, en tant que directeur du Laboratoire de physique, est, du moins tacitement, supérieure à celle de Schidlof. Celui-ci ne profitera de toute façon pas longtemps de son nouveau statut académique: il sera emporté par une attaque en 1934.

Comme preuve encore de la fragilité institutionnelle que connaissent toujours, dans les années trente, les recherches théoriques, rapportons ici qu’après la mort de Schidlof, les autorités s’interrogèrent sur l’opportunité de repourvoir sa chaire. Seule une prise de position ferme de la Faculté des sciences permit de la sauver. Ce n’est qu’avec le successeur de Schidlof, E.C.G Stueckelberg, que la physique théorique à Genève, et à travers elle toute l’activité théorique en Suisse romande, atteindront enfin une véritable stabilité et une pleine reconnaissance institutionnelle 14.

 

1 Walter Ritz, natif de Sion, un éminent théoricien dont la carrière brillante fut brutalement interrompue par se mort précoce en 1909, mena toute ses activités scientifiques hors de la Suisse, et n’eut ainsi aucun impact sur le développement de la physique dans notre pays, voir J. Lacki, Ritz et la physique de son temps, actes du colloque Walter Ritz, Sion, 2009, à paraître dans la revue Vallesia.
2 Pour une biographie succincte de Schidlof et la liste complète de ses travaux, voir son obituaire par son élève André Mercier, paru dans les Actes de la Société Helvétique des Sciences Naturelles, Einsiedeln, pp. 484-489.
3 Zur Aufklärung der universellen elektrodynamischen Bedeutung der Planckschen Strahlungskonstanten h, Annalen der Physik, vol. 340 (1911), pp. 90-100.
4 Voir l’ouvrage classique de Max Jammer, The conceptual development of quantum mechanics, New York : McGraw-Hill, 1966.
5 Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik, vol. 17 (1905), pp. 132-148.
6 Ce sera la raison officielle de son prix Nobel en 1921.
7 Die Plancksche Theorie der Strahlung und die Theorie der spezifischen Wärme, Annalen der Physik, vol. 22 (1907), pp 180-190.
8 Les résultats des fameuses expériences de Rutherford sur la diffusion des particules alpha sur des atomes ne conduiront à la thèse de l’existence d’un noyau que dans le courant de 1911. Pour une étude des modèles atomiques proposés dans le cadre de la physique classique, voir Bruno Carazza et Nadia Robotti, Explaining Atomic Spectra within Classical Physics: 1897-1913, Annals of Science, vol. 59 (2002), pp. 299 – 320.
9 Dès 1906, on sait grâce à J. J. Thomson que le nombre d’électrons dans l’atome est de l’ordre du nombre atomique, ce qui rend problématiques les modèles, comme le sien, qui multiplient le nombre d’électrons pour assurer la stabilité de l’atome, voir Lacki, op. cit.
10 Über die elektrodynamische Bedeutung des Planckschen Strahlungsgesetzes und über eine neue Bestimmung des elektrischen Elementarquantums und der Dimension des Wasserstoffatoms, Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien. 2a, 119 (1910), pp 119-144. Les raisons de cette réussite s’expliquent par les liens qui existent entre le modèle de Bohr et celui de Haas, voir par exemple A. Pais, Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World, Oxford University Press, 1986.
11 Le début du XXe siècle est marqué, avant que ne survienne la relativité d’Einstein, par l’hypothèse de la réduction de toute la physique à l’électromagnétisme, voir à ce sujet les derniers chapitres du livre d’Oliver Darrigol, Electrodynamics from Ampère to Einstein, Oxford University Press, 2000.
12 Il est vrai cependant qu’en supposant que l’échange d’énergie ne se fait qu’à l’occasion de l’éjection ou de l’absorption d’un électron, Schidlof rompt avec la physique classique.
13 Dans les années du début du siècle, l’Université de Genève accueille des nombreux étudiants des pays de l’est, et parmi eux des femmes qu’attire à Genève la possibilité d’y effectuer des études supérieures, voir par exemple l’article de Natalia Tikhonov, « Les universités suisses, pionnières de l'introduction de la mixité dans l'enseignement supérieur (1870-1930) ». In A. Houel et M. Zancarini-Fournel (eds). Ecole et mixités. Lyon, Presses Universitaires de Lyon, 2001, pp. 27-35.
14 La reconstruction des événements qui ont mené à la chaire de physique mathématique en 1930 se base sur les minutes des réunions et les échanges épistolaires entre les différents organes et personnes en charge de la Faculté des Sciences et du Département de l’instruction publique de Genève. Ils sont conservés aux Archives de l’Etat de Genève et à celles de l Université de Genève (BGE).

 

[Publié: septembre 2011]