Cette page physique microscopique présente dans leur ordre historique, la découverte des concepts liés aux petites pièces qui forment la matière.
La connaissance de l'infiniment petit ne s'est faite que progressivement, au travers de l'évolution de différentes sciences et techniques, dont, la philosophie, la métallurgie, la thermodynamique, l'alchimie et la chimie, l'électricité, l'optique, la cristallographie, le magnétisme, la physique, la mécanique quantique. La question sous-jacente étant de savoir comment les phénomènes visibles se comportent à petite échelle.
Cette histoire commence par des spéculations philosophiques et des techniques de production, pour nous conduire dans les jours présents aux expériences en accélérateur de particules, tout aussi spéculatives.
Philosophie, Mythologie 2500 (aec, avant notre ère, -2500), dans le mythe babylonien Enuma Elish, l'eau est le substrat primordial à l'origine de tout. Les Grecs pensaient qu'il existait un matériau primordial chaotique à partir duquel le Chaos était devenu le Cosmos. Entre 650 et 400 aec : pour Thalès la matière primordiale était l'eau sous ses trois formes : solide, liquide et gazeuse. Pour Anaximène c'était l'air. Pour Héraclite le feu. Empédocle fut le premier à postuler la présence de 5 éléments primordiaux : la terre, l'eau, le feu, l'air et la quinte essence, substance très légère qui baignait l'univers tout entier. vers 500 aec, Leucippe émet l'idée que la matière est composée d'unités fondamentales indivisibles, les atomes du grec atomos qui veut dire insécable et l'idée d'un espace vide au sein duquel les atomes peuvent évoluer. 440 aec À la suite de Leucippe, son disciple Démocrite développe l'idée d'un univers de taille infinie et constitué d'espace vide habité par des particules solides et indivisibles, de formes et tailles différentes, toutes en mouvement. Il fonde la théorie atomiste qui sera ensuite intégrée à l'épicurisme vers 400 aec, Platon et surtout son disciple Aristote reprennent l'idée d'Empédocle : L'espace n'est pas vide, il est baigné d'une substance informe l'éther qui s'ajoute aux quatre autres éléments. L'idée aristotélicienne de l'horror vacui () va occuper tout le Moyen Âge vers 70 aec, Lucrèce, vulgarisateur de l'atomisme, décrit la nécessité du vide dans son poème De la nature des choses et la pluralité des mondes. À la même époque, l'Inde connait une philosophie (système Vaiseshika) dans laquelle rien ne se perd.
vers 1220, dans l'Edda poétique, l'univers n'est pas né du néant mais de deux constituants : l'un est constitué de froid et de glace, et l'autre de feu et de flammes. L'eau est à la rencontre de ces deux éléments primordiaux.
Les débuts de la chimie À la fin du , le vide est devenu un sujet scientifique à part entière. 1662 : Robert Boyle découvre la loi dite « de Boyle-Mariotte » donnant pour constant le produit pression volume d'un gaz. Il en déduit que la matière est composée de particules primaires et rejette donc les conceptions aristotélicienne et alchimique qui basaient la matière sur quatre éléments : la terre, l'air, l'eau et le feu. Vers 1700, Isaac Newton, fervent partisan de la théorie corpusculaire de la lumière découvre un système d'interférences appelé Anneaux de Newton. C'est à Christian Huygens que revient l'honneur de formuler la première théorie ondulatoire de la lumière qui restera en retrait durant 100 ans. 1766 : Henry Cavendish découvre et étudie l'hydrogène. 1778 : Carl Scheele et Antoine Lavoisier découvrent que l'air est composé essentiellement d'azote et d'oxygène. 1781 : Joseph Priestley crée de l'eau par combustion d'hydrogène et d'oxygène. 1789 : Antoine Lavoisier établit que la masse de la matière se conserve pour chaque élément chimique et pour l'ensemble des éléments chimiques participant à une réaction. 1800 : William Nicholson et Anthony Carlisle utilisent l'électrolyse pour séparer l'eau en hydrogène et oxygène 1805 : Thomas Young réalise l'expérience des fentes de Young. 1808 : John Dalton introduit la théorie des atomes en chimie et établit que la matière est composée d'atomes de différentes masses : le poids atomique. 1811 : Amedeo Avogadro établit que des volumes égaux de gaz doivent contenir un nombre égal de molécules. 1820 : Hans Christian Ørsted démontre la connexion intime entre l'électricité et le magnétisme en observant la déviation de l'aiguille d'une boussole en présence d'un courant électrique. Mickaël Faraday montrera l'inverse en 1831 : un aimant qui bouge crée un courant électrique. 1821 : Augustin Fresnel, armé du principe d'économie, parvient à décrire. la théorie ondulatoire de la lumière et le principe d'interférence. 1832 : Michael Faraday établit la théorie fondamentale de l'électrolyse. 1864 : James Clerk Maxwell réussit à faire la synthèse des diverses connaissances de l'époque en électricité et magnétisme : les 4 équations de Maxwell. 1871 : Dmitri Mendeleïev examine son tableau périodique, établi en 1869, et prédit l'existence du gallium, du scandium, et du germanium. 1873 : Maxwell parvient à faire la synthèse de l'électricité, du magnétisme et de l'optique. 1873 : Johannes van der Waals introduit l'idée qu'il existe des forces faibles attractives entre les molécules. 1885 : Johan Balmer trouve l'expression mathématique qui donne la longueur d'onde des différentes raies du spectre de l'hydrogène. 1887 : Heinrich Hertz découvre l'effet photoélectrique. 1887 : Albert Michelson et Edward Morley, grâce à une expérience d'interférométrie sur le vent d'éther, montre que la vitesse de la lumière est constante quelle que soit sa direction de propagation et quel que soit le mouvement du référentiel de l'observateur. 1894 : Lord Rayleigh et William Ramsay découvrent l'argon par analyse spectroscopique du gaz restant après le retrait de l'azote et de l'oxygène de l'air. 1895 : William Ramsay découvre l'hélium terrestre par analyse spectroscopique du gaz produit par la désintégration de l'uranium. 1896 : Henri Becquerel découvre la radioactivité de l'uranium. 1896 : Pieter Zeeman étudie la décomposition des raies D du sodium quand il est chauffé dans un champ magnétique intense. 1897 : Joseph John Thomson découvre l'électron, signifiant ambre en grec. 1898 : William Ramsay et Morris Travers découvrent le néon, le krypton, et le xénon. 1898 : Marie et Pierre Curie isolent et étudient le radium et le polonium. 1899 : Ernest Rutherford découvre que les rayonnements émis par l'uranium sont composés de particules alpha chargées positivement et de particules bêta chargées négativement.
L'ère de la mécanique quantique
1900 : Paul Villard découvre les rayons gamma en étudiant la désintégration de l'uranium. 1900 : Johannes Rydberg affine l'expression mathématique concernant les longueurs d'onde des raies de l'hydrogène. 1900 : Max Planck établit l'hypothèse quantique et la loi de radiation du corps noir. 1902 : Philipp Lenard observe que l'effet photoélectrique ne dépend pas de la puissance du faisceau lumineux mais de sa fréquence. 1902 : Theodor Svedberg propose que les fluctuations du bombardement moléculaire crée le mouvement brownien. 1905 : Albert Einstein explique l'effet photoélectrique par la quantification de l'énergie. 1905 : Albert Einstein introduit la théorie de la relativité restreinte. 1905 : Albert Einstein propose une description théorique (vérifiée) du mouvement brownien. 1906 : Charles Glover Barkla découvre que chaque élément peut être caractérisé par rapport à son comportement aux rayons X et que la pénétration des rayons X dans un échantillon d'élément est reliée à la masse atomique de cet élément. 1909 : Hans Geiger et Ernest Marsden découvrent que des particules alpha peuvent être fortement déviées par des feuilles métalliques minces. 1909 : Ernest Rutherford et Thomas Royds démontrent que les particules alpha sont des atomes d'hélium ionisés deux fois. 1911 : Ernest Rutherford explique l'expérience de Geiger-Marsden en utilisant un modèle atomique nucléaire et définit la notion de section efficace. 1911 : Jean Perrin prouve l'existence des atomes et des molécules. 1912 : Max von Laue propose l'utilisation de réseaux cristallins pour diffracter les rayons X. 1912 : et diffractent les rayons X par du sulfure de zinc. 1913 : William Henry Bragg et William Lawrence Bragg trouvent la condition de Bragg pour la réflexion des rayons X forts. 1913 : Henry Moseley montre que le numéro atomique est le vrai critère de discrimination des éléments. 1913 : Niels Bohr présente le modèle quantique de l'atome. 1913 : Robert Millikan mesure la charge électrique fondamentale. 1913 : Johannes Stark démontre que des champs électriques intenses dédoublent les raies spectrales de l'hydrogène. 1914 : James Franck et Gustav Hertz observent l'excitation atomique. 1914 : Ernest Rutherford montre que les noyaux atomiques chargés positivement contiennent des protons. 1915 : Arnold Sommerfeld affine le modèle atomique de Bohr en introduisant des orbites elliptiques pour expliquer la structure fine des raies de l'atome d'hydrogène. 1916 : Gilbert Lewis et Irving Langmuir présentent le modèle en couches électroniques pour expliquer les liaisons chimiques. 1917 : Albert Einstein présente l'idée d'émission stimulée de radiation.
1921 : Alfred Landé définit le rapport gyromagnétique. 1922 : Arthur Compton étudie la dispersion de photons X par des électrons. 1922 : Otto Stern et Walther Gerlach observent la quantification du spin. 1923 : Louis de Broglie suggère la dualité onde-particule. 1923 : Lise Meitner découvre l'effet Auger. 1924 : John Lennard-Jones propose une description semi-empirique des forces d'interaction inter-atomiques. 1924 : Satyendranath Bose et Albert Einstein définissent la statistique de Bose-Einstein. 1925 : Wolfgang Pauli établit le principe d'exclusion quantique. 1925 : George Uhlenbeck et Samuel Goudsmit postulent l'existence du spin de l'électron. 1925 : Pierre Auger découvre l'effet Auger (2 ans après Lise Meitner). 1925 : Werner Heisenberg, Max Born et Pascual Jordan formulent la mécanique quantique sous forme de matrices. 1926 : Erwin Schrödinger établit l'équation de Schrödinger qui définit la mécanique quantique sous forme analytique. 1926 : Erwin Schrödinger prouve que les deux formulations de la mécanique quantique sont mathématiquement équivalentes. 1926 : Oskar Klein et Walter Gordon établissent l'équation de la mécanique quantique relativiste. 1926 : Enrico Fermi découvre le théorème spin-statistique. 1926 : Paul Dirac définit la statistique de Fermi-Dirac. 1927 : Clinton Joseph Davisson, Lester Germer, et George Paget Thomson confirment la nature ondulatoire des électrons. 1927 : Werner Heisenberg établit le principe d'incertitude. 1927 : Max Born interprète de manière probabiliste les fonctions ondulatoires. 1927 : Walter Heitler et Fritz London présentent la théorie quantique de la liaison chimique établie à partir de la molécule d'hydrogène. 1927 : Llewellyn Thomas et Enrico Fermi développent le modèle de Thomas-Fermi. 1927 : Max Born et Robert Oppenheimer présentent l'approximation de Born-Oppenheimer. 1928 : Chandrashekhara Venkata Râman étudie la dispersion de photons optiques par des électrons. 1928 : Paul Dirac établit son équation d'onde relativiste pour l'électron qui généralise et améliore l'équation de Klein-Gordon. 1928 : Charles Galton Darwin et Walter Gordon résolvent l'équation de Dirac pour un potentiel coulombien. 1928 : Friedrich Hund et Robert S. Mulliken présentent le concept d'orbitale moléculaire. 1929 : Oskar Klein découvre le paradoxe de Klein. 1929 : Oskar Klein et Yoshio Nishina étendent la section efficace de Klein-Nishina aux photons de haute énergie émis par des électrons. 1929 : Nevill Mott étend la section efficace de Mott à une émission coulombienne d'électrons relativistes. 1930 : Paul Dirac présente la théorie électron-trou.