À Francfort, au début de 1922, deux physiciens sortent d'un appareil une plaque de verre sur laquelle un mince filet d'atomes d'argent a été projeté pendant des heures. Ils la regardent, et ils ne voient rien.
Ce qu'il y avait à voir n'est apparu qu'ensuite, sous la fumée de leurs cigares. C'est l'une des expériences fondatrices de la physique du XXᵉ siècle, et elle a failli n'être lue par personne.
Une expérience que personne ne pouvait payer
L'Allemagne de ces mois-là entre dans l'hyperinflation, et un institut de province n'a pas de quoi entretenir un électro-aimant, une pompe à vide et un four à argent.
L'argent est venu de trois côtés : le Physikalischer Verein de Francfort ; la billetterie des conférences publiques que Max Born donnait sur la théorie quantique ; et des dons — celui d'Einstein, qui avait été le maître d'Otto Stern, et celui d'un banquier américain retiré des affaires, Henry Goldman, fils du fondateur de Goldman Sachs, sollicité par Born et qui envoya quelques centaines de dollars.
L'une des expériences décisives de la physique moderne a donc été payée, pour partie, par des entrées de conférences et par un banquier de New York.
Ce qu'ils cherchaient
La question venait de Niels Bohr : un atome placé dans un champ magnétique peut-il s'orienter dans n'importe quelle direction, ou seulement dans quelques-unes ?
La physique classique répond « n'importe laquelle », et prévoit alors une tache continue. La théorie de Bohr répond « quelques-unes seulement », et prévoit un faisceau qui se dédouble.
L'expérience a ceci de rare qu'elle ne demande aucune interprétation : on projette des atomes d'argent à travers un champ magnétique non uniforme, on recueille leur dépôt sur une plaque, et l'on regarde. Il y a une trace, ou il y en a deux.
La nuit du 7 au 8 février 1922
L'idée est de Stern ; la construction et la conduite de l'appareil, de Walther Gerlach. Stern avait quitté Francfort à la fin de 1921 pour une chaire à Rostock : la nuit décisive, Gerlach était seul.
Il fit tourner l'appareil toute la nuit du 7 février. Le lendemain matin, la plaque fut révélée : deux traces.
Gerlach télégraphia à Stern que Bohr avait raison malgré tout, et adressa le 8 février à Bohr lui-même une carte postale portant la photographie du faisceau dédoublé — ci-joint la preuve expérimentale de la quantification spatiale, et nos félicitations pour la confirmation de votre théorie. Une découverte fondamentale annoncée à son auteur par carte illustrée.
Le cigare
Reste l'épisode qui a donné son nom à cette histoire, et que Stern racontait lui-même. Un dépôt d'argent de quelques atomes d'épaisseur ne se voit pas. Privatdozent, il n'avait pas les moyens des bons cigares ; il fumait donc les mauvais, chargés de soufre. Son haleine sur la plaque aurait transformé l'argent en sulfure d'argent, d'un noir intense — « comme on développe une pellicule », disait-il.
En 2003, Bretislav Friedrich et Dudley Herschbach ont refait le geste pour voir. Le souffle sulfureux, seul, ne produit rien ; c'est l'exposition à la fumée du cigare qui noircit la plaque autour du masque.
Le fait tient, sa cause change : ce n'est pas l'haleine, c'est la fumée. Un témoin de première main s'est donc trompé sur sa propre histoire — non sur ce qui est arrivé, mais sur ce qui l'a fait arriver. Les deux hommes passèrent ensuite à un développement photographique en règle, et continuèrent de fumer au laboratoire.
Ce que cette expérience a d'abord dû résoudre n'est pas comment produire l'effet, mais comment le rendre visible. Elle n'est pas la seule : une part considérable du travail expérimental consiste à trouver quoi regarder, et avec quoi.
Ce qu'il advint des deux hommes
Otto Stern, né en 1888 à Sohrau, en Haute-Silésie, dans une famille juive, était professeur de chimie physique et directeur du laboratoire à l'université de Hambourg. En août 1933, après le renvoi de plusieurs de ses collaborateurs les plus proches, juifs comme lui, il démissionna : son service au front de 1915 à 1918 le mettait pour un temps hors d'atteinte des lois raciales, ce qui ne lui parut pas une raison de rester. Il partit pour les États-Unis, enseigna à Pittsburgh, fut naturalisé le 8 mars 1939.
Il reçut le prix Nobel de physique de 1943, pour le développement de la méthode des jets moléculaires et la découverte du moment magnétique du proton. Entre 1925 et 1945, il aura été proposé quatre-vingt-deux fois : la deuxième personne la plus nommée de l'histoire du prix.
Walther Gerlach resta. Le 1er janvier 1944, il prit la direction de la section de physique du Conseil de la recherche du Reich et devint plénipotentiaire pour la physique nucléaire — ses biographes soutiennent que l'objectif poursuivi n'était pas la bombe mais un réacteur. De juillet 1945 à janvier 1946, il fut interné en Angleterre, à Farm Hall, avec neuf autres savants allemands, dans une maison dont ils ignoraient qu'elle était sonorisée.
Vingt-trois ans plus tôt, ils s'étaient penchés ensemble sur la même plaque, dans la même fumée, pour y lire la même trace double.