La mort de William Francis Giauque (1895-1982), lauréat du prix Nobel de chimie 1949, a mis fin le 28 mars 1982 à la carrière de l’un des scientifiques les plus illustres de Berkeley. Son association de 66 ans avec l’UC Berkeley – ininterrompue par des congés, des congés sabbatiques ou des absences autres que de courtes maladies et des vacances d’été – comprenait six ans en tant qu’étudiant, 40 ans en tant que membre régulier du corps professoral, 15 ans en tant que professeur émérite rappelé à service actif et cinq ans comme professeur émérite.
La production de Giauque d’enquêtes expérimentales méticuleuses et exhaustives sur les propriétés des substances chimiques était prodigieuse. Il impliquait quelque 98 substances chimiques et a abouti à 180 publications (sans compter huit critiques de livres et deux biographies) co-écrites de diverses manières avec 57 collaborateurs différents, dont 51 ont obtenu des diplômes d’études supérieures sous la direction de Giauque. Ses recherches expérimentales étaient généralement définitives ; des améliorations, même sur ses premières valeurs de propriétés thermo physiques, ne sont venues que grâce à des raffinements évolutifs de la technique. 
Ses recherches ont également produit des réalisations marquantes telles que l’invention de la démagnétisation adiabatique, la découverte des isotopes de l’oxygène, les tests qui ont définitivement établi la troisième loi de la thermodynamique, le raffinement des procédures d’application routinière de la mécanique statistique aux problèmes de thermodynamique chimique et de nombreuses techniques pionnières pour la recherche à très basse température. Ce sont ses « … réalisations dans le domaine de la thermodynamique chimique et en particulier ses travaux sur le comportement de la matière à très basse température et ses études étroitement liées sur l’entropie … » qui ont été citées par le Comité Nobel de chimie pour lui décerner le prix en 1949.
Bien que réputé pour la qualité de ses recherches, la constance de l’engagement de Giauque dans l’enseignement en classe n’en est pas moins remarquable. À partir de sa nomination comme instructeur en 1922, il a enseigné une section de laboratoire de discussion de la classe de chimie de première année à chaque semestre pendant 34 années consécutives. En 1926, GN Lewis lui a confié la responsabilité d’enseigner le cours de chimie physique avancée du collège (suivi principalement par des étudiants diplômés et quelques étudiants de premier cycle honorés). Giauque a enseigné ce cours chaque semestre de printemps par la suite jusqu’à sa retraite nominale en juin 1962. En 1943, il a également assumé la responsabilité d’une section de thermodynamique chimique (pour les étudiants diplômés et de premier cycle) et l’a enseigné chaque semestre d’automne jusqu’en 1962.
Au cours de la préparation des nécrologies pour GN Lewis et WM Latimer, Giauque a été frustré par la difficulté d’obtenir des informations concernant leurs années de formation. Avec sa passion caractéristique pour l’ordre et la prévoyance, il rédigea des notes traitant de sa propre jeunesse. Nous nous sommes inspirés de ces notes et les avons paraphrasées et les avons combinées avec d’autres sources dans ce qui suit.
Giauque est né le 12 mai 1895 à Niagara Falls, Ontario, Canada, l’aîné des deux fils et fille de William Tecumseh Sherman Giauque et Isabella Jane (Duncan) Giauque. William Tecumseh Sherman Giauque était né citoyen américain ; ainsi, en vertu des lois de l’époque, William Francis Giauque est né citoyen américain au Canada.
Aucun des parents de Giauque n’a terminé ses études secondaires formelles. Le père, expert en outils, habile comme charpentier et ébéniste et adepte des procédures mécaniques en général, a tenté de devenir ingénieur électricien grâce à des cours par correspondance, mais a été frustré par l’augmentation rapide des responsabilités familiales. Il a été employé de diverses manières comme peseur et agent de gare pour le Michigan Central Railroad. Giauque a estimé qu’il avait acquis son penchant mécanique et scientifique de son père.
La mère a décliné l’insistance de ses parents à fréquenter l’école secondaire (éloignée du domicile familial) et a opté pour une formation intensive en couture et en couture. Elle a travaillé dans un atelier de couture sur mesure avant le mariage.
Le père est décédé lorsque Giauque avait 13 ans, laissant à la famille de maigres ressources financières qui ont dû être complétées par des emplois à temps partiel et d’été pour tous les membres. Mme Giauque a accepté un emploi à temps partiel comme couturière pour la famille du Dr JW Beckman, qui avait été muté à Niagara Falls par American Cyanamid Company. Un fort lien d’amitié s’est développé entre Mme Giauque et Mme Beckman. Ce lien a joué un rôle central dans la carrière de Giauque.
Les Beckman avaient été transférés à Berkeley, et lorsque Mme Giauque a écrit sur la décision de Giauque d’entrer en génie chimique, Mme Beckman a écrit sur l’admiration de son mari pour le travail que GN Lewis et ses collègues faisaient à Berkeley. Le contraste entre les frais de scolarité au Massachusetts Institute of Technology ou au Rensselaer Polytechnic Institute et les frais totaux de 10 $ par semestre à Berkeley a persuadé Giauque de déménager à Berkeley et de s’inscrire à l’UC. Il a persuadé le reste de la famille de le rejoindre lorsque son frère et sa sœur entré au collège.
Giauque a pesé la nomination de professeur offerte par GN Lewis avec ambivalence pendant plusieurs mois car il nourrissait encore l’espoir d’appliquer sa formation scientifique à des problèmes d’ingénierie. L’excellence de l’environnement de recherche que Lewis avait créé a persuadé Giauque que l’opportunité de rejoindre le groupe de Lewis méritait le sacrifice de ses ambitions d’ingénierie.
Giauque a beaucoup interagi avec RT Birge pendant ses études supérieures et à ses débuts à la faculté. Il a ainsi acquis une compréhension de l’application de la mécanique quantique en développement rapide à la spectroscopie des molécules diatomiques et au calcul de l’entropie absolue de tout gaz de molécules diatomiques dont les spectres avaient été analysés. Il s’est rendu compte que pour une telle substance, il avait une référence absolue avec laquelle il pouvait comparer les valeurs calorimétriques d’entropie et ainsi réaliser un test plus définitif de la troisième loi de la thermodynamique qu’il n’avait été possible jusqu’alors.
C’est l’utilisation des spectres des molécules diatomiques qui a conduit à la découverte des isotopes de l’oxygène. Alors que les spectres de O216 donnaient une entropie en accord avec les mesures calorimétriques, il y avait quelques lignes faibles dans les spectres d’oxygène qui restaient inexpliquées. Giauque n’a jamais rien laissé d’inexpliqué s’il pensait que cela pouvait être significatif. Après un examen approfondi de diverses possibilités, il lui vint à l’esprit que les lignes faibles pourraient provenir des molécules isotopiques O16-O18. Mais l’autorité sur les isotopes, Aston avait étudié l’oxygène et conclu que seul O16 existait. Insensible à l’autorité d’Aston, Giauque a calculé les fréquences pour une molécule O16-O18 et a trouvé un accord avec les faibles lignes inexpliquées rapportées. Cependant, ses calculs ont prédit un certain nombre de lignes supplémentaires d’intensité comparable. Il écrivit à Babcock, dont il utilisait les spectres, affirmant qu’il y avait d’autres raies qui auraient dû être signalées. En effet, il y en avait, mais Babcock ne les avait pas associés au spectre de l’oxygène. Le tableau était maintenant complet, et Giauque annonça la découverte d’O18 et plus tard d’O17.
La découverte de la démagnétisation adiabatique est également née des vastes intérêts scientifiques de Giauque ainsi que de son esprit vif et innovant. Un autre collègue de Berkeley, Nelson W. Taylor, s’intéresse au magnétisme et persuade Giauque de collaborer à un séminaire sur la thermodynamique du magnétisme. Un rapport de Leiden sur la susceptibilité magnétique à basse température de Gd2(SO4)3•8H20 est devenu disponible à cette époque et Giauque a appliqué à ces données les équations qu’il venait de développer. Il a été surpris de voir que des champs magnétiques facilement disponibles pouvaient éliminer de grandes quantités d’entropie de ce matériau ou de matériaux paramagnétiques similaires à des températures très basses mais actuellement accessibles. Avec un grand changement d’entropie, il vit immédiatement qu’il disposait d’un réfrigérateur capable de produire des températures encore plus basses.
Giauque a combiné une ténacité de bouledogue pour s’attaquer à un problème avec une capacité de détail apparemment infinie pour exploiter ses connaissances à la fois en mécanique quantique et en ingénierie dans la réalisation de ses recherches. Son flair pour l’ingénierie et son intérêt continu pour l’ingénierie se reflétaient dans sa conception personnelle et le développement des liquéfacteurs, des aimants et des calorimètres nécessaires pour exécuter ses recherches et dans sa préférence déclarée pour travailler « … à l’échelle d’une usine semi-pilote… » Le nombre et la qualité de ses recherches lui ont valu de nombreuses distinctions dont la Charles Frederick Chandler Foundation Medal, Sc.D. (Columbia University), Elliott Cresson Medal of the Franklin Institute, Faculty Research Lecturer (University of California, Berkeley), Nobel Laureate in Chemistry, Willard Gibbs Medal of the American Chemical Society, Gilbert Newton Lewis Award de la section californienne de l’American Chemical Society, membre honoraire de Phi Lambda Upsilon, Gilbert N. Lewis Memorial Lecturer et LL.D. (UC Berkeley).
En plus des recherches qui ont produit les publications citées ci-dessus, Giauque a dirigé un programme d’ingénierie pendant la Seconde Guerre mondiale qui a conçu et construit une usine mobile de génération d’oxygène liquide. Les échangeurs de chaleur conçus dans le cadre de ce programme étaient les précurseurs des unités géantes désormais utilisées dans le monde entier pour la liquéfaction efficace du gaz naturel. Muriel Frances Ashley, BS, chimie, UC, 1922, était une amie de longue date de la sœur et de la mère de Giauque, mais ce n’est qu’après son retour à Berkeley pour ses études supérieures en physique qu’il s’intéressa à elle. Le jour où elle a déposé son doctorat. thèse en 1932, elle et Giauque se sont mariés. L’union a produit deux fils, William Francis Ashley Giauque et Robert David Ashley Giauque, et quatre petits-enfants. Muriel est devenue une botaniste accomplie – pendant de nombreuses années, elle a étudié les spores de fougères recueillies pour elle par un réseau mondial d’amis. Bien qu’elle lui ait fait des éloges directs, il était évident pour ceux qui le connaissaient que Giauque était intensément fière de ses réalisations. Mme Giauque est décédée le 28 juillet 1981.
Giauque a projeté une image pragmatique et strictement commerciale que les étudiants trouvaient parfois rébarbative – jusqu’à ce que l’image soit trahie par un sens de l’humour intrinsèquement vif et un amour pour la narration d’histoires (ce qui pourrait être déconcertant pour quelqu’un avec un emploi du temps serré qui l’a approché pour une décision mineure.) Il a généralement exprimé ses opinions et ses positions avec force, les a défendues avec force et les a modifiées à contrecœur. Il était à l’abri de toute pression pour se conformer aux modes sociales. Il ne fumait pas de tabac ni ne buvait de boissons alcoolisées – non pas à cause d’objections morales mais simplement parce qu’il n’aimait pas le goût de l’un ou de l’autre. Pendant des années, il n’a pas possédé d’automobile, succombant aux pressions familiales pour en acheter une seulement après avoir reçu le prix Nobel en 1949. Même alors, il a refusé d’apprendre à conduire,
La marque de son existence était son amour de la science et de la recherche et son dévouement à l’Université de Californie. À l’exception de la période de la Seconde Guerre mondiale, ses années ont consisté en une période de plus de 10 mois à Berkeley avec au moins un séjour de six semaines en juillet et août dans son lieu d’été sur la rivière russe, la navigation de plaisance, la natation, le jardinage et la menuiserie. Il déclamait souvent à de nouvelles connaissances que la plupart des gens tolèrent un travail qu’ils n’aiment pas pendant plus de onze mois par an afin qu’ils puissent passer trois semaines à faire ce qu’ils aiment vraiment faire alors qu’il rentrait de ses vacances pour passer les dix prochains mois à faire ce qu’il vraiment aimé.
Sciences des basses températures
La température est l’une des rares propriétés physiques de la matière que nous mesurons quantitativement dans le cadre de notre vie quotidienne. Le matin, nous vérifions la température extérieure pour décider des vêtements à porter et du nombre de couches à enfiler. Lorsque nous préparons un repas, nous pouvons préchauffer le four à une certaine température ou vérifier si la viande est cuite à l’aide d’un thermomètre. Lorsque nous nous sentons malades, nous pouvons surveiller la température de notre corps pour voir s’il y a de la fièvre.
Mais qu’est-ce que la température au sens scientifique du terme ? En physique, la température indique la direction dans laquelle l’énergie thermique s’écoulera spontanément. Lorsque deux objets sont en contact thermique – ce qui signifie qu’un transfert de chaleur peut se produire entre eux – l’énergie circule toujours de l’objet à température plus élevée vers l’objet à température plus basse. Le zéro absolu, la température théorique la plus basse possible, est le point auquel aucune énergie thermique ne peut plus être extraite d’un objet. Quantitativement, le zéro absolu correspond à -273,15° C ou zéro kelvins (K).
Au début des années 1700, le concept d’une limite au degré de froid est apparu pour la première fois lors des expériences du physicien français Guillaume Amontons. En étudiant l’aérothermomètre, un instrument qui mesure la température par la variation du volume d’un gaz, il s’est rendu compte qu’il y aurait un point où le volume de l’air serait réduit à néant. Étonnamment, le zéro estimé par la méthode d’Amontons (-270° C ou 3,15 K) il y a plusieurs siècles, n’était pas très éloigné de la valeur moderne que nous connaissons aujourd’hui.
Aujourd’hui, les basses températures atteintes par l’homme en laboratoire se situent juste un peu au-dessus du zéro absolu, dépassant de loin tout ce que l’on peut trouver dans la nature. En 2003, une équipe du Massachusetts Institute of Technology a refroidi un gaz de sodium à un demi-billionième de degré au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse jamais enregistrée. À de telles températures, les atomes se comportent très différemment, les propriétés étranges des matériaux commencent à apparaître et les effets des interactions au niveau de la mécanique quantique peuvent être observés. La quête pour atteindre les températures les plus froides jamais enregistrées a conduit à plusieurs découvertes récompensées par le prix Nobel dans le domaine de la supraconductivité, de la superfluidité et de la condensation de Bose-Einstein.
Lors de la clôture de sa conférence publique de 2019 à Lindau, le lauréat du prix Nobel William D. Phillips a évoqué l’odyssée scientifique des températures toujours plus froides et les applications des atomes ultra froids à la société.
William Francis Giauque (1895-1982)
Physicochimiste américain d’origine canadienne et lauréat du prix Nobel de chimie en 1949 pour ses « réalisations dans le domaine de la thermodynamique chimique et en particulier ses travaux sur le comportement de la matière à très basse température et ses études étroitement liées sur l’entropie ». On se souvient particulièrement de lui pour sa découverte de la démagnétisation adiabatique comme moyen d’atteindre des températures proches du zéro absolu ainsi que pour ses études thermodynamiques exhaustives et méticuleuses, au cours d’une vie de recherche, qui ont utilisé la troisième loi de la thermodynamique tout en développant un grand corps de preuve de sa validité.
https://www.mediatheque.lindau-nobel.org/topic-clusters/low-temperature-sciences
Une réponse sur « 28 Mars 1982 – William Giauque, chimiste canadien, lauréat du prix Nobel »
Ok
Thank you very much
With best regard