12 octobre 1999 : le jour où le fils de Damanhour a vu les atomes bouger — Ahmed Zewail et la chimie femtoseconde

Lors d'un petit anniversaire dans un foyer égyptien, on éteint les lumières, on allume les bougies, et quelqu'un lève son téléphone pour saisir l'instant du premier souffle. On appuie sur le déclencheur, puis on regarde la photo : elle est floue. La joue de l'enfant n'est qu'une tache de lumière, la bougie un filet de fumée étiré. On se dit que l'appareil était trop lent, que l'instant est allé plus vite que l'obturateur. Cette pensée fugace, qui ne vous occupera pas plus de deux secondes, est exactement la question qui a intrigué les chimistes pendant tout un siècle : comment photographier ce qui bouge plus vite que votre objectif ?

Et tout ce qui vous entoure, à y regarder de près, est une réaction chimique : l'allumette qui s'embrase, la pâte qui lève sous un torchon dans la cuisine, la feuille qui fabrique sa nourriture à partir de la lumière du soleil, le médicament qui dénoue le nœud de la douleur dans votre corps. La science connaissait le début de l'histoire et sa fin : des substances qui entrent, des substances qui sortent, une chaleur que l'on peut mesurer. Mais ce qui se passe entre les deux — l'instant où la liaison entre deux atomes se relâche avant de se rompre — restait une porte verrouillée : on la voyait fermée, puis on la voyait ouverte, sans jamais voir la main qui tournait la clé.

Les chimistes ont donné à cette configuration fugitive, qui n'est ni la matière de départ ni le produit final, le nom d'« état de transition ». Pendant des décennies, ce concept est resté théorique : on en calculait les effets sans jamais le voir, comme une empreinte de pas dans le sable qui trahit le passage de quelqu'un qu'on n'a pas aperçu. Puis vint le 12 octobre 1999, lorsque l'Académie royale des sciences de Suède annonça l'attribution du prix Nobel de chimie à un scientifique égyptien du nom d'Ahmed Zewail. La motivation officielle publiée sur le site du prix indiquait qu'il l'obtenait « pour ses études des états de transition des réactions chimiques au moyen de la spectroscopie femtoseconde ». Le California Institute of Technology (Caltech), dans son communiqué du jour, reprenant les attendus mêmes de l'Académie, expliquait que ces travaux avaient démontré qu'une technologie laser ultrarapide permettait de voir comment les atomes se déplacent à l'intérieur d'une molécule pendant une réaction, et que ces réactions se déroulent en un millionième de milliardième de seconde.

« Un millionième de milliardième de seconde » : la formule passe l'oreille sans laisser de sens, alors traduisons-la dans une langue que nous connaissons. Une femtoseconde vaut un millionième de milliardième de seconde ; son rapport à la seconde ressemble à peu près au rapport d'une seconde à environ trente-deux millions d'années. La lumière elle-même, ce qu'il y a de plus rapide dans l'univers, ne parcourt en une femtoseconde qu'environ un tiers de micromètre — une distance des centaines de fois plus fine que l'épaisseur d'un cheveu. Et c'est précisément dans cet intervalle de temps que vibrent les atomes à l'intérieur d'une molécule ; une seule vibration dure en général entre dix et cent femtosecondes. Autrement dit, toute « caméra » qui observe la réaction doit être plus rapide que la vibration elle-même, sous peine d'obtenir une image floue, comme celle de la bougie.

L'idée sur laquelle repose la chimie femtoseconde est assez élégante pour être expliquée à un lycéen. Une impulsion laser ultracourte est divisée en deux : la première atteint la molécule et lui donne l'énergie qui déclenche l'histoire, fixant avec précision l'instant zéro. La seconde est envoyée après elle avec un délai calculé — un délai qui n'est réglé par aucun circuit électronique, car aucune horloge électronique ne peut découper le temps aussi finement, mais en allongeant de quelques micromètres le trajet parcouru par la lumière, la distance supplémentaire devenant elle-même le temps supplémentaire. La seconde impulsion lit alors l'état de la molécule à cet instant précis. L'expérience est ensuite répétée plusieurs fois avec des délais différents, les mesures s'accumulant comme des photogrammes, et de ces photogrammes on construit un film.

Par souci d'honnêteté, disons ce qui ne s'est pas produit : personne ne s'est assis devant un objectif pour voir un atome de ses propres yeux, comme on voit un visage dans un miroir. Ce qui a été enregistré, c'est l'empreinte de la lumière absorbée ou émise par la molécule à chaque instant — une empreinte qui change avec l'arrangement des atomes et les distances qui les séparent — et c'est à partir de ces empreintes successives que l'image du mouvement est reconstituée. Le mot « caméra » est donc ici une métaphore fidèle quant au résultat, non une description littérale d'un objectif et d'une pellicule ; nous tenons à cette distinction, car simplifier la science ne doit jamais se transformer en une prétention plus grande que ce que les scientifiques ont réellement accompli.

L'importance de cette découverte tient à ce que la chimie n'est plus une science qui déduit seulement d'un « avant » et d'un « après ». Le chemin lui-même — pas seulement ses deux extrémités — est devenu mesurable, et l'état de transition, jusque-là simple hypothèse, est devenu quelque chose que l'on peut interroger et qui répond. C'est ainsi qu'est né tout un champ de recherche appelé « chimie femtoseconde » : comment une liaison se rompt, pourquoi une réaction suit un chemin plutôt qu'un autre, et à quel moment précis intervient un catalyseur. Qui comprend l'instant décisif du trajet peut, en principe, l'orienter — c'est là, depuis lors, l'essentiel de ce qui occupe les chercheurs en catalyse, en énergie et en pharmacie.

L'homme derrière ces travaux est né le 26 février 1946 à Damanhour, et a grandi à Desouk. Diplômé avec mention de la faculté des sciences de l'université d'Alexandrie, il y obtient un master en spectroscopie — l'étude de la lumière émise par la matière — avant de partir préparer un doctorat à l'université de Pennsylvanie, obtenu en 1974. Deux ans plus tard, après un séjour comme chercheur invité d'IBM à l'université de Californie à Berkeley, il rejoint le corps enseignant de Caltech en 1976, où il occupera la chaire Linus-Pauling de physique chimique. En novembre 2009, il est nommé au sein du tout premier groupe d'envoyés scientifiques des États-Unis — trois scientifiques dont les noms sont annoncés ensemble —, un groupe dont le mandat couvre l'Afrique du Nord, le Moyen-Orient et l'Asie du Sud et du Sud-Est.

À qui lirait cette biographie en quête d'un miracle, il faut dire qu'il n'y en a pas. Il y a une école publique dans une petite ville, une faculté des sciences dans une université égyptienne, et ce dont tout étudiant, où qu'il soit, a besoin : un professeur qui s'intéresse à lui, et de longues années de patience devant un appareil qui refuse de donner un résultat dès le premier essai. Ahmed Zewail fut le troisième Égyptien à recevoir un prix Nobel, après le président Anouar el-Sadate pour la paix en 1978 et l'écrivain Naguib Mahfouz pour la littérature en 1988, et le premier dans les sciences. À notre connaissance, et à l'heure où nous écrivons ces lignes, il demeure le seul Égyptien à avoir remporté un Nobel dans l'une des sciences naturelles.

Vint ensuite le chapitre que les Égyptiens connaissent mieux que le laser lui-même : la ville de Zewail pour la science et la technologie. Elle fut créée par la loi n° 161 de 2012, publiée en décembre de cette même année, qui la définissait alors comme un établissement public de recherche scientifique indépendant, doté de la personnalité morale, à but non lucratif, et fixait son siège à Sheikh Zayed, dans la ville du 6-Octobre, gouvernorat de Gizeh. Selon le texte de 2012, elle comprenait une université des sciences et de la technologie, des instituts de recherche dans des domaines tels que l'énergie, la médecine, les matériaux, l'environnement, l'espace, les nanotechnologies et les systèmes d'information, ainsi qu'un centre de transfert de la recherche vers l'application pratique, alors appelé la « Pyramide de la technologie ». La loi la plaçait sous le contrôle de l'Organe central de la comptabilité et exonérait ses excédents et les revenus de son activité courante d'impôts et de taxes.

Puis fut promulgué le décret-loi n° 166 de 2019, modifiant la loi fondatrice de la ville, daté du 22 décembre 2019 et entré en vigueur le lendemain de sa publication au Journal officiel. L'amendement supprima du titre de la loi la mention « Projet national égyptien pour la renaissance scientifique », ajouta le mot « Innovation » au nom de la ville — qui devint « ville de Zewail pour la science, la technologie et l'innovation » —, fixa son siège principal dans la ville du 6-Octobre, gouvernorat de Gizeh, et rebaptisa le centre de transfert technologique, qui passa de « Pyramide de la technologie » à « Vallée des sciences et de la technologie » — nom qui figure encore aujourd'hui sur le site de la ville. Il remplaça également le texte des articles un à sept : la ville se dota ainsi d'un conseil de tutelle présidé par le ministre chargé de l'Enseignement supérieur, comptant dix scientifiques de renom et cinq personnalités publiques, et d'un conseil d'administration formé par décision du Premier ministre et présidé par le directeur général de la ville, lui-même nommé par décision du Premier ministre pour un mandat de quatre ans renouvelable une fois.

Nous mentionnons cet amendement comme un simple fait législatif, rien de plus : évaluer le parcours de la ville exige des chiffres et des rapports publiés, et à l'heure où nous écrivons ces lignes, nous ne disposons pas de données vérifiées sur le nombre de ses étudiants, de ses diplômés et de ses travaux de recherche à soumettre au lecteur ; nous nous limitons donc ici à ce que dit la loi, sans plus. Ce qui compte à nos yeux, c'est que l'idée d'« une ville pour la recherche scientifique » dispose désormais, en Égypte, d'un fondement législatif portant un numéro et une année, que tout citoyen peut consulter et lire, et à propos duquel il peut ensuite demander — de plein droit, non par faveur de quiconque — ce qui a réellement été accompli.

Ahmed Zewail est mort le 2 août 2016, à soixante-dix ans. Chaque 12 octobre revient l'anniversaire de l'annonce suédoise, et avec lui une question plus lourde qu'une célébration : que faire de l'héritage d'un homme qui a fait de son métier de regarder l'instant que personne d'autre ne voit ? La réponse, à notre sens, ne commence ni par des budgets ni par des bâtiments, mais par un laboratoire d'école dont le robinet fonctionne, par un professeur qui laisse son élève se tromper deux fois dans une expérience, et par une famille qui ne considère pas que son fils a « perdu deux ans » parce qu'il a refait une mesure dont le résultat ne le convainquait pas.

Aussi, la prochaine fois que vous reverrez cette photo floue de bougie sur votre téléphone, souvenez-vous que vous êtes face à la question même qui a occupé, un demi-siècle durant, un savant venu de Damanhour : ce qui nous semble un instant unique est en réalité une histoire avec un début, un milieu et une fin, et si nous ne la voyons pas, ce n'est pas qu'elle soit lente, c'est que nos yeux le sont. Montrez la photo à votre enfant, et racontez-lui qu'un homme égyptien a inventé une manière d'observer quelque chose de milliards de fois plus rapide que cela — et qu'il a commencé, lui aussi, dans une salle de classe comme la sienne.