Une petite histoire de la physique
de Isabelle Desit-Ricard

critiqué par Kinbote, le 16 février 2005
(Jumet - 65 ans)


La note: étoiles
La première science
La physique (de phusis, nature) est l’étude des phénomènes naturels, à l’exception du domaine du vivant.
Dans ce livre l’auteur s’emploie à faire connaître le contexte dans lequel est apparue une idée pour aider non seulement à la comprendre mais aussi à appréhender son intérêt ou sa nécessité.

La physique est certainement la science la plus ancienne. Les civilisations antiques se sont très vite intéressées aux mouvements des astres. L’étude du ciel permettait de construire de calendriers et de mesurer l’écoulement du temps. L’étude du mouvement et de ce qui en est à l’origine, les forces, relève de la mécanique. Dans cette première partie, les diverses conceptions de la Terre et du système solaire sont très clairement exposées. Quelque 500 ans avant J-C, Anaxagore en Asie Mineure remarque, à la faveur d’éclipes de lune, la forme circulaire de l’ombre de la Terre et ce sont les premiers disciples de Pythagore qui très vite vont envisager l’hypothèse d’une terre sphérique. Aristarque de Samos fut le premier à estimer, à partir du cône d’ombre généré lors d’une éclipse de Lune, la distance Terre-Lune ; le même – et 17 siècles avant Copernic - affirma que la Terre n’est pas le centre de monde et qu’elle tourne sur elle-même tout en tournant autour du soleil.
Quelques décennies plus tard, Erathosthène de Cyrène évalua la circonférence de la Terre en mesurant l’ombre de deux objets situés en deux points de latitude différente. Claude Ptlolémée, de l’école d’Archimède, deux siècles après J.-C. décrivait, lui, un système du monde dans lequel la Terre occupe le centre.

Il faut attendre les XVIème et XVIIème siècle pour voir des avancées prodigieuses en mécanique avec d’abord Galilée, considéré comme le fondateur de la méthode scientifique en physique. Grâce à l’étude du mouvement des taches solaires, il comprit que le Soleil tournait sur lui-même. Mais ce fut au prix de la perte de la vue car, ne connaissant pas les effets néfastes des rayons ultraviolets, il n’utilisait pas de protection. Galilée étudia les mouvements sans en déterminer les causes, tâche qui incombera à Newton qui nait en 1642, l’année de la mort de Galilée.
Il écrira les Principia qui constituent, d’après l’auteur, l’un des deux plus grands chefs d’oeuvre de mécanique de tous les temps.

Ensuite c’est au tour de la thermodynamique, science récente qui ne s’est vraiment développée qu’au XIXe siècle au moment de la révolution industrielle anglaise afin de tirer profit des applications du concept d’énergie mécanique. Ce retard est aussî dû au fait de la confusion qui a longtemps régné entre chaleur et température et de l’impossibilité dans laquelle on se trouvait de mesurer une température. Ce n’est qu’au XVIIème siècle que les thermomètres à alcool furent inventés. A noter que le baromètre a précédé l’invention des appareils de mesure de la température. C’est Joule qui montra que la chaleur, tout comme le travail, correspond à un tansfert d’énergie ; jusque là travail et chaleur ne s’exprimaient pas dans la même unité. La thermodynamique prit un nouvel essor avec la découverte, par Boltzmann, de la statistique. Si on a longtemps cru qu’un système évoluait dans le sens d’une entropie plus grande, donc de plus grand désordre, il revendra au prix Nobel belge, Ilya Prigogine, de montrer que, dans certaines situations, un milieu matériel peut passer d’un état moins ordonné à un état plus ordonné.

Si les propriétés de l’ambre qui, une fois frotté, attire les corps légers étaient connues depuis longtemps et celles de la boussole utilisées en navigation, il faudra attendre après le XVIème siècle pour analyser le phénomène d’électrostatique. Kepler au XVIème croyait que les forces magnétiques étaient la cause du mouvement elliptique des planètes qu'il avait si bien décrites. C’est Benjamin Franklin qui, à l’aide de paratonnerres et de cerfs-volants, démontrera la nature électrique de la foudre en 1750. Le autres grandes étapes de ce domaine de la physique furent la découverte par Coulomb en 1787 de la formulation de la force électrostatisque ; en 1800, l’invention du condensateur par Cavendish et en 1800 aussi de la pile de Volta ; en 1820, la découverte de l’électromagnétisme par le Danois Oersted et de l’intensité du courant électrique par Ampère la même année ; l’induction électromagnétique par Faraday en 1831 (un aimant rapproché d’un enroulement cylindrique d’un fil conducteur produit un courant électrique) ; la première dynamo par le belge Zénobe Gramme (1873).
A noter que c’est une erreur de manipulation lors de l’exposition internationale d’électricité se tenant à Vienne qui permit de découvrir que l’électricité pouvait générer un mouvement. Durant la seconde moitié du XVIIIème siècle, l’Ecossais Maxwell introduisit les concepts de champ électrique et de champ magnétique. Il montrera que ces champs obéissent tous deux à une équation analogue à l’équation de propagation d’une onde, définie un siècle plus tôt par D’alembert.

Du fait que la lumière est aussi une onde, l’optique devenait une branche de l’électromagnétisme. Certains physiciens grecs pensaient que la lumière était dans la nature même des objets (théorie du feu externe) ; d’autres, que l’oeil tenait un rôle actif en émettant un « feu visuel »... avant qu’une théorie mixte ne prenne en compte ces deux aspects. Il fallut attendre Alhazen, un Arabe, au XIe siècle, pour affirmer qu’il existait une lumière indépendante des moyens de vision. Lui-même puis Kepler mais aussi Descartes firent faire des avancées considérables à cette discipline, principalement dans le domaine des lois de la réflexion et de la réfraction (passage d’un rayon lumineux d’un milieu dans un autre). Fermat montra que plus le milieu est dense, plus la lumière s’y propage lentement. Huyghens démontra le caractère ondulatoire de la lumière et Newton proposera une théorie mixte dans laquelle les grains de lumière créent un phénomène ondulatoire.

Quel était l’état des connaissances en physique à l’aube du XXème siècle ? Il est admis depuis 1895 que la lumière est une onde et que le temps est absolu. Mais ces deux acquis vont être remis en cause...
La découverte des rayons X par Röntgen et de la radioactivité par Marie Curie appuieront l’hypothèse d’une matière discontinue formée d’atomes séparés par du vide. Deux problèmes vont remettre en cause la théorie ondulatoire de la lumière: l’effet photoélectrique et le spectre de la lumière émis par les corps chauds. Le second problème sera résolu par l’Allemand Max Planck en démontrant que les échanges d’énergie entre la matière s’effectuent par paquets d’énergie. Le premier le sera par un jeune Allemand émigré en Suisse : Albert Einstein qui s’appuiera sur les travaux de Planck. Dès lors que la théorie corpusculaire de la lumière est confirmée, il se pose le problème de savoir comment la lumière peut être à la fois une onde et un ensemble de particules qui se déplace. Louis de Broglie montrera la dualité onde-corpuscule en associant à tout corpuscule de matière une onde de matière. Dans la théorie quantique, il est impossible de savoir exactement où se trouve un électron. Les relations d’incertitude d’Heisenberg vont montrer que ce que l’on gagne en précision sur la connaissance de la position, on le perd sur la connaissance des vitesses, et réciproquement.

En 1905, Einstein découvre le photon. Mais aussi que l’éther dans lequel on croyait que se propageait la lumière n’existe pas ; donc la lumière se propage dans le vide. Il réécrit les lois de la mécanique classsique. Il remet en cause les notions de simultanéité et de temps absolu. En 1916, l’observation d’une éclipse du soleil va confirmer les théories du génial savant. En montrant la déviation des rayons lumineux au voisinage des corps de très grande masse.

Désormais les domaines d’investigation des physiciens porteront sur l’infiniment petit, et mettront en lumière des particules plus petites que les électrons et les protons, les quarks (on en connaît 18 aujourd’hui), les antiparticules et l’unification des interactions connues.

On le voit, ce livre retrace les principales découvertes de la physique en les replaçant dans leur contexte scientifique. On observe que cette science se construit brique après brique, toujours à partir des acquis précédents et que des avancées dans un domaine se font à partir des apports d’autres secteurs des sciences et aussi des aléas du hasard. Même si on ne peut tout comprendre après une première lecture, on aura pour sûr une meilleure idée de ce qu’est cette science passionnante, de ses enjeux et de son évolution jusqu’à aujourd’hui.