• Histoire sciences physiques

     

    Histoire de la physique PDF Jean C. Baudet

    Le mot physique (du grecphysis = nature), comme l'indique son étymologie grecque, désigne, au départ, la science de la nature, science que les auteurs latins ont appelée philosophie naturelle, attendu que dans l'origine elle avait pour objet l'étude et l'explication des phénomènes que présentent tous les corps répandus dans l'univers. Dans l'enfance des sciences, cette dénomination suffisait, attendu que toutes les branches composant la philosophie naturelle, telles que l'astronomie, la mécanique, etc. , ne formaient qu'une science; mais peu à peu, à mesure que les faits débordaient les cadres, on fut obligé de séparer ces diverses branches, et de faire une science de chacune d'elles. Nous présentons ici un tableau de la marche que la Physique générale a suivie depuis les temps les plus reculés jusqu'au seuil de l'époque contemporaine.

    Les Temps anciens

    La plus ancienne observation remonte à Thalès de Milet (600 ans environ av. J.-C.). Ce savant constata l'attraction qu'exerce l'ambre, frotté sur les corps légers. Pythagore et ses disciples possédaient déjà certaines notions d'acoustiqueAristoteémit des théories originales sur l'arc-en-ciel, les couronnes, les halos lunaires et solaires, la rosée et l'aurore boréale. Son contemporain Archytas inventa la vis et la poulie; au IIIe siècle av. notre èreArchimède fonde la statique et l'hydrostatique, imagine la moufle, la vis sans fin, l'aréomètre ou pèse-liqueur attribué parfois à HypatieCtésibios construit des orgues hydrauliques, une pompe aspirante et une clepsydre. Son élève Héron d'Alexandrie utilise le premier la vapeur comme force motrice. Enfin, dans son Optique, le célèbre astronome Ptolémée(128-168) embrasse tous les phénomènes lumineux connus des Grecs.

    Puis vint une longue période de déclin, à laquelle les travaux de GeberAlbateginus,Alhazen et d'autres commentateurs arabes mettent un terme. L'Occident latin voit naître bientôt des physiciens. L'Auvergnat Gerbert, qui devint pape sous le nom de Sylvestre II (999), cultive avec succès les sciences physiques dont Albert le Grandet Roger Bacon se font, au XIIIsiècle, les ardents vulgarisateurs. Vers cette époque, se placent deux inventiens importantes : les miroirs étamés, signalés pour la première fois par Vincent de Beauvais et les lunettes à nez  ou besicles, qu'on doit probablement au Florentin Salvino degli Armati, mort en 1317

    Au commencement du XIVe siècle, on voit aussi se généraliser l'usage de la boussole, grâce à Flavio Gioja d'Amalfi. Le XVe siècle n'a presque rien produit en physique. Léonard de Vinci découvrit cependant la capillarité et étudia les frottements.

    Au XVIe siècle, la pesanteur, l'optique et le magnétisme s'enrichissent. Le médecin Fracastoro indique la loi de la composition des forces (1538), Cardan s'attache surtout à appliquer les mathématiques à la physique, Stevin formule les propositions fondamentales de l'hydrostatique; Benedetti se rend compte de la force centrifuge, Maurolycus tente d'expliquer l'action du cristallin par les effets des lentilles de verre, Jansen invente la première lunette d'approche (1590); Robert Norman signale l'inclinaison magnétique et W. Gilbert élabore son livre De magnete(1600), qui renferme les premières expériences scientitiques d'electricité et de magnétisme. Quant à Tycho Brahé et à Kepler l'éclat de leurs découvertes astronomiques a fait oublier leurs travaux d'optique.

    Le XVIIe siècle

    Avec Galilée, la physique moderne solidifie. On lui doit en particulier une conception rigoureuse de l'inertie de la matière, le principe des vitesses virtuelles, les lois de la chute des corps, du pendule, du mouvement des projectiles; il posa, en outre, les bases de l'hydrodynamique, perfectionna la lunette astronomique, que venait de réaliser Lippershey. Galilée inventa aussi le thermomètre, mais c'est Hooke qui plaça le zéro au point de fusion de la glace, Halley qui indiqua la fixité de l'ébullition de l'eau et Renaldini qui construisit un thermomètre dont les degrés représentaient des accroissements égaux de chaleur. Descartes établit définitivement les lois de la réfraction et la théorie de l'arc-en-ciel dans sa dioptrique, puis Torricelli construit le baromètre, dont Pascal se sert peu après pour mesurer les hauteurs. Les recherches de ce dernier savant sur l'hydrostatique le conduisirent à imaginer sa presse hydraulique.

    En cette même période, l'académie del Cimento, fondée à Florence par Léopold de Médicis (1657), contribue puissamment aux progrès des différentes branches de la physique, et Newton, à l'aide de l'attraction universelle, dévoile l'énigme des mouvements planétaires; il renouvelle l'optique (décomposition de la lumière en couleurs élémentaires, anneaux colorés, télescope à miroir, etc.). Bartholin découvre la double réfraction du spath d'Islande et Grimaldi la diffraction (1665); Roemermesure la vitesse de la lumière, Huygens édifie la théorie des ondulations, qui devait remplacer l'hypothèse newtonienne de l'émission. Mariotte trouve la loi de variation du volume d'un gaz sous l'influence d'une pression extérieure. Tandis qu'Otto de Guericke invente la machine pneumatique, perfectionnée bientôt par Boyle,Amontons construit un hygroscope, Hooke imagine l'anémomètre, Wren et Wallisénoncent les lois du choc, Papin construit, outre son autoclave, la première ébauche de la machine à vapeur, que Worcester, Savery, Newcomen rendent pratique.

    Le XVIIIe siècle

    Moins brillant que l'âge précédent, le XVIIIe  siècle ne fut cependant pas stérile pour la physique. L'acoustique s'établit sur des bases solides : Sauveur ébauche la théorie des cordes vibrantes, que perfectionnent successivement les mathématiciens TaylorDaniel BernoulliEuler et d'AlembertDufay observe les attractions et les répulsions électriques, que Coulomb mesure plus tard au moyen de sa balance de torsion; Musschenbroek  invente la bouteille de Leyde (1746);Franklin démontre l'analogie de la foudre et du fluide électrique (1752); Galvaniremarque les actions que le contact de deux métaux fait naître entre les nerfs et les muscles d'une grenouille, et cette expérience amène Volta à la découverte de la pile (1800), origine de l'électricité dynamique. 

    Avec Black, Wilke, Lavoisier et Laplace, la notion de chaleur spécifique s'introduit, et la calorimétrie prend naissance. Les frères Montgolfier parviennent à lancer un aérostat dans les airs, et bientôt. Pilâtre de Rozier exécute la première ascension en ballon (1783).

    Dollond réalise l'achromatisme des lentilles. Bouguer crée la photométrie, Lieberkükn, de Berlin, construit le microscope solaire et 's Gravesande, l'héliostat.

    Le XIXe siècle

    Au cours du XIXe siècle, le domaine de la physique s'agrandit considérablement. De nouvelles acquisitions viennent modifier les idées antérieurement reçues, mais, néanmoins, l'ensemble des faits observés se coordonne, les lois se précisent, les théories se généralisent, les applications se multiplient.

    L'acoustique s'enrichit méthodiquement. Chladni observe les plaques vibrantes; Colladon, SturmRegnaultViolle et Vautier déterminent la vitesse du son; Cagniard de La Tour et Seebeck imaginent des sirènes; Edison enregistre et reproduit la voix humaine par le phonographe, tandis qu'Hughes perçoit, à l'aide du microphone, les plus faibles bruits. Lissajous étudie optiquement les intervalles musicaux. Helmholtzet Koenig analysent, au moyen derésonateurs, les vibrations complexes. 

    Sadi Carnot, en énonçant les relations qui existent entre la chaleur et le travail (1824), jette les assises d'un nouvel édifice, la thermodynamique que Kelvin, Mayer, Clausius, Joule, Hirn et G. Lippmann contribuent à édifier solidement. 

    A la suite des recherches de DespretzPouilletDulong, Petit et Faraday, on vit que la loi de Mariotte n'est qu'approchée, puis, en 1877, Cailletet et Pictet liquéfient les gaz, alors réputés comme permanents. James Dewar solidifie même l'hydrogène.

    Le retour des conceptions atomistiques. 
    Jusqu'à Descartes et à Newton, la théorie atomique n'avait guère été qu'un concept philosophique très élémentaire. Daniel Bernoulli fit un premier pas vers la conception scientifique en expliquant (1738) la loi de Mariotte par les mouvements moléculaires. Au début du XIXe siècle, avec DaltonGay-LussacAvogadro et Ampère, l'atomisme prit possession de la chimie, et l'une des principales tâches des chimistes fut la détermination de la structure des combinaisons chimiques. En physique, la théorie mécanique de la chaleur amena un grand développement de l'atomisme la théorie moléculaire des gaz (Joule, Clausius, MaxwellVan der Waals, Boltzmann, Gibbs) devint l'une des parties les plus vivantes de la physique théorique. Plus tard, la théorie des solutions de Van't Hoff (1885) et la théorie des ions d'Arrhénius (1887) étendirent les idées fondamentales de l'atomisme aux substances dissoutes et aux électrolytes. A partir de 1895, l'étude des rayons cathodiques, la découverte des rayons X, celle de la radioactivité, amenèrent une nouvelle et puissante floraison des idées atomistiques, qui donnèrent à la connaissance de la matière une précision inconnue auparavant.

    L'étude de la matière sous de très faibles épaisseurs et des solutions très diluées apporta une première série de preuves directes de la structure granulaire de la matière et conduisirent à une première approximation très grossière des grandeurs moléculaires. Des résultats plus précis furent obtenus par l'étude du mouvement brownien (découverts par le botaniste R. Brown en 1827), qui agite constamment les petites particules (0,001 mm.) en suspension dans un liquide. 

    La physique moléculaire se développe, grâce aux nouvelles notions qui s'introduisent dans la science et aux phénomènes curieux qu'on découvre  : osmose (Dutrochet, Dubrunfaut, Graham, Van't Hoff); lois de l'élasticité (Wertheim, de Saint-Venant, Tresca, Warburg); expériences et théories relatives à la capillarité (Laplace, Plateau, Van der Mensbrughhe); point critique (Andrews et Van der Waals); tonométrie, cryoscopie (Raoult); hypothèses sur la matière radiante (Crookes); constitution des alliages (Le Chatelier, Behrens, Roberts-Austen, Osmond); rigidité des liquides (Schwedoff), etc.

    La lumière et l'électromagnétisme. 
    FizeauFoucault et Cornu mesurent la vitesse de la lumière par des méthodes terrestres. Malus découvre la polarisation par réflexion. Fresnel s'immortalise en multipliant les expériences et les calculs, afin d'asseoir la théorie des ondulations; ses successeurs BiotAragoHamiltonBrewsterPasteur agrandissent graduellement le champ de l'optique physique. Fraunhofer observe les raies du spectre solaire; Bunsen et Kirchhoffcréent la féconde méthode de l'analyse spectrale. Wollaston et Ed. Becquerel décèlent les radiations ultra-violettes, tandis que Fizeau (1847) et H. Rubens (1894-1901) portent leur attention sur la partie infrarouge du spectre. Signalons aussi quelques applications importantes de l'optique que le XIXe siècle vit éclore; d'abord la photographie, due à la collaboration de Niepce et de Daguerre (1839); puis la reproduction des objets avec leurs couleurs naturelles (Lippmann, 1891) et celle des personnages avec la succession de leurs mouvements par le cinématographe des frères Lumière. Grâce aux rayons X, Roentgen arrive à la photographie de l'invisible (1895).

    Au moyen de la pile, Carlisle et Nicholson décomposent l'eau (1801); Davy isole le potassium et le sodium (1807). Puis, successivement, de nombreux chercheurs s'attachent à perfectionner ou à modifier l'invention de Volta (piles de Zamboni, de Daniell, de Grove et de Bunsen, accumulateur de Planté, etc.); Wollaston démontre l'identité des électricités statique et dynamique; Œrsted observe la déviation d'une aiguille aimantée par un courant (1819); peu après, Ampère découvre les actions mutuelles des courants et Seebeck les phénomènes thermo-électriques, auxquels A.-C. Becquerel assigne des lois. La relation existant entre l'intensité du courant d'une pile et la résistance de son circuit se trouve établie expérimentalement par Pouillet, et mathématiquement par OhmFaraday découvre l'induction (1831) et formule, peu après, les lois de l'électrolyse. W. Thomson (Kelvin) imagine un électromètre et un galvanomètre très sensibles. 

    GaussHumboldt et, plus tard, Mascart, s'occupent du magnétisme terrestre, dont ils perfectionnent les méthodes d'observation. Ewing découvre l'hystérésis (1882) et Maxwell le changement de dimensions produit par l'aimantation ou magnétostriction, dont le Japonais Nagaoka a repris l'étude (1900). La Société météorologique de France, fondée à Paris en 1852, par Martins et Rendu, publie d'intéressants mémoires sur la physique du globe.

    L'optique et l'électricité étaient restées entièrement distinctes, bien que la rotation du plan de polarisation de la lumière sous l'influence d'un champ magnétique (Faraday, 1846) eût fait ressortir, sans l'expliquer, fuie relation entre les deux domaines. Lorsque Faraday eût mis le premier en évidence l'influence du milieu à travers lequel s'exercent les actions électromagnétiques. Maxwell (1831-1879), dans son Traité d'Électricité (1873), établit les équations caractéristiques des champs électrique et magnétique. Entre autres résultats, ses calculs prouvèrent qu'une perturbation électromagnétique se propage dans l'espace avec la vitesse de la lumière : il était dès lors logique de supposer que l'onde lumineuse est elle-même une onde électromagnétique et ainsi fut fondée la théorie électromagnétique de la lumière.

    Cette hypothèse hardie fut confirmée par les expériences directes de Hertz (1857-1894). Utilisant les décharges oscillantes d'un condensateur, il produisit (1888) les ondes appelées depuis ondes hertziennes, qui possèdent toutes les propriétés de la lumière et n'en diffèrent que par la longueur d'onde beaucoup plus grande, comme le rouge diffère du violet. Hertz avait fait en quelque sorte la synthèse électrique de la lumière.

    De nombreux chercheurs (Sarrazin et de la Rive, Branly. Lodge, Righi, Popoff) perfectionnèrent la technique d'émission et de réception des ondes hertziennes: Marconi, rassemb!ant et améliorant les dispositifs employés par ses prédécesseurs, obtint le premier des résultats pratiques en transmettant les ondes à plus de 20 kilomètres (1896). La télégraphie sans fil était né.

    Les travaux de Fresnel, de Faraday, de MaxwelI, de Hertz semblaient pouvoir faire connaître les propriétés de I'éther électromagnétique et lumineux; mais la liaison de l'éther avec la matière restait obscure. Que se passe-t-il dans l'éther lors de l'émission, de la dispersion ou de l'absorption des ondes? Comment s'expliquent les phénomènes d'électrisation produits par certaines radiations (photo-électricité) et les actions chimiques comme l'impression photographique? Qu'est-ce que l'électricité, elle-même par rapport à l'éther qu'elle peut ébranler et qui peut agir sur elle? Il fut répondu  provisoirement à ces questions par H.-A. Lorentz (1892) dont, par une heureuse coïncidence, les travaux théoriques furent constamment soutenus dans leur développement par Ies expériences sur les rayons cathodiques et les corps radioactifs.

    A cette époque, on n'avait pas encore sur les électrons de notions précises, mais l'électrolyse avait rendu familière à tous les physiciens l'idée d' « ions » positifs et négatifs. Lorentz expliqua tous les phénomènes électriques et optiques par le mouvement de corpuscules électrisés de masse définie, existant dans toute matière pondérable les vibrations de ces particules excitent les ondes électromagnétiques de l'éther, comme les vibrations du diapason produisent les ondes sonores dans l'air; leur action comme résonateur explique la réfraction, la dispersion et l'absorption des ondes. L'introduction de I'électron dans la théorie de Maxwell vint la féconder à la façon d'un germe et y fit lever une abondante moisson de conséquences nouvelles : parmi Ies phénomènes qu'elle mit en lumière, le plus remarquable consista dans la décomposition d'une raie spectrale sous l'influence du champ magnétique, décomposition que Lorentz avait prévue en 1895 et que Zeeman observa en 1896. L'expérience permit d'obtenir, par des mesures optiques, le rapport de la charge électrique à la masse des particules lumineuses et confirma que ces particules sont les é!ectrons cathodiques.

    La théorie électronique de Lorentz, prolongement naturel des travaux de Maxwell et de Hertz, donnait une interprétation très satisfaisante de la plupart des faits de l'électromagnétismeet de l'optique néanmoins, des difficultés considérables se présentèrent qui, pour être surmontées, exigeront bientôt de profondes modifications des concepts fondamentaux de l'ancienne, physique. La théorie des quanta, puis la théorie de la relativité, sortiront de cet effort d'adaptation de la théorie électromagnétique de la lumière aux faits expérimentaux.

    Le début du XXe siècle

    La radioactivité. 
    Un rapprochement fait par Henri Poincaré entre les rayons X et la phosphorescence conduisit Henri Becquerel (1896) à découvrir l'émission spontanée par l'uranium de rayons analogues aux rayons de Roentgen : telle est l'origine des travaux sur la radioactivité qui permirent aux physiciens d'effectuer de nouvelles et fécondes recherches.

    On songea tout naturellement à savoir si d'autres corps avaient les propriétés radioactives de l'uranium, et, dès 1898, Schmidt signala la radioactivité du thorium; Marie Curie, ayant constaté que la pechblende est huit fois plus active que ne le faisait prévoir sa teneur en uranium et en thorium, en conclut que ce minerai devait contenir des éléments inconnus fortement radioactifs. Le traitement chimique de la pechblende permit de caractériser, sans les isoler, le polonium (Marie Curie et Bémont, 1898), l'actinium (Debierne, 1899), et enfin de préparer les sels purs d'un nouveau métal, le radium, un million de fois plus actif que l'uranium (Pierre et Marie Curie, 1898-1902) le radium métallique fut isolé par Marie Curie en 1910.

    Les corps radioactifs émettent un rayonnement complexe que le champ magnétique divise en trois faisceaux : les rayons x, analogues aux rayons de Goldstein, formés de particules électrisées positivement, que l'on reconnut être des atomes d'hélium; les rayons déviés en sens contraire, formés d'électrons négatifs identiques aux électrons cathodiques; les rayons gamma, non déviés, analogues aux rayons X. On retrouvait les radiations du tube de Crookes.

    Un vaste ensemble de recherches expérimentales, où se distinguèrent les physiciens Ramsay, Rutherford et Soddy, vinrent élucider la nature de la radioactivité. Le premier fait acquis (1903), après de longues discussions - car c'était le premier exemple de transmutation d'éléments - fut le dédoublement du radium en émanation et en hélium. On reconnut ensuite que cette désintégration n'est pas unique et que la radioactivité est une véritable évolution discontinue, se faisant par cascades successives, donnant lieu chaque fois à la formation de nouveaux éléments, de vie plus ou moins éphémère.

    La théorie de la désintégration atomique (Rutherford et Soddy) aboutit ainsi à révéler la filiation des trente-neuf corps radioactifs et à les ranger dans deux familles distinctes, issues respectivement de l'uranium et du thorium, et aboutissant au plomb comme dernier corps stable.

    Les dédoublements atomiques, qui créent la descendance des corps radioactifs, sont spontanés, et l'on ne sait pas agir sur eux : de belles expériences  de Rutherford ont, depuis 1919, réalisé la désintégration artificielle des atomes de certains éléments légers : azote, bore, fluor, sodium, aluminium. Le bombardement de l'azote par des particules alpha de grande puissance a permis de constater la séparation de noyaux d'hydrogène, avec du carbone comme résidu possible. Ainsi les mondes atomiques s'entrouvrent à la curiosité des physiciens.

    La théorie des quanta. 
    Il est très important de connaître la distribution de l'énergie dans le spectre d'une source lumineuse : celle-ci est d'autant plus économique que son énergie de radiation est mieux concentrée dans le spectre visible. A partir de sa théorie électronique de la lumière, Lorentz avait obtenu une formule qui, concordant bien avec l'expérience pour les grandes longueurs d'onde, s'en écartait d'une façon inacceptable pour les petites longueurs. Cet écart attira l'attention sur un travail où Planck avait su (1900) adapter l'électrodynamique classique à la connaissance expérimentale du rayonnement : selon Planck, les échanges d'énergie entre l'éther et les atomes vibrants se font d'une façon discontinue, par multiples entiers d'un quantum d'énergie déterminé. La théorie des « quanta », qui imposait ainsi des idées toutes nouvelles sur les phénomènes périodiques, s'est montrée des plus fécondes; non seulement elle établit la concordance avec l'expérience pour l'énergie du rayonnement, mais elle contribua à élucider bien d'autres phénomènes : variations de la chaleur spécifique avec la température, effet photo-électrique, fusion des solides, absorption des rayons thermiques par les gaz. La formule de Planck permet de trouver la température d'un corps d'après la répartition spectrale de l'énergie qu'il rayonne il en résulte que la température du soleil est d'environ 5 600 °C.

    La théorie de la relativité. 
    L'expérience de Michelson et Morley (1887) avait inauguré une série de recherches pour mettre en évidence le mouvement de la Terre par rapport à l'éther; malgré l'extrême précision obtenue, on ne put déceler ce mouvement la vitesse de la lumière est la même dans toutes les orientations; elle est indépendante du mouvement de la Terre.

    Pour expliquer ces résultats négatifs, contraires à tout ce que l'on avait prévu, Lorentz admit que la forme et la masse des corps en mouvement varient avec la vitesse. Une telle doctrine parut d'abord singulière : Henri Poincaré prit une part considérable aux discussions qu'elle provoqua, et il est parmi les précurseurs de cette théorie de la relativité, dont on doit le développement complet à Einstein. Lorentz et Poincaré avaient reconnu que les équations de l'électromagnétisme admettent un groupe de transformations où le temps perd son caractère d'absolu : ce groupe est essentiellement différent de celui des équations de la mécanique classique, et dès lors il est impossible d'expliquer mécaniquement l'électricité.

    Einstein osa accepter les dernières conséquences de ces équations et soutenir qu'elles imposent la relativité du temps et de l'espace : de sa théorie de la relativité restreinte, formulée de 1905 à 1912, résulta une mécanique nouvelle, dont la mécanique classique n'est qu'une première approximation, convenant aux corps animés de vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière. Enfin, appliquant son idée fondamentale au domaine entier de la physique, Einstein affirma que toutes les lois de la nature doivent prendre une forme indépendante du système de référence choisi pour les énoncer; la théorie de la relativité générale (1917 ) basée sur ce réquisit se présente comme une théorie de la gravitation, et fait de celle-ci une action se propageant de proche en proche avec la vitesse de la lumière.

    La relativité générale, qui permet de définir la structure de l'espace-temps en fonction de la distribution de matière, peut être appliquée à l'univers dans son ensemble. Elle apparaît un outil capable de fonder une cosmologie sur des bases scientifiques. En 1922, A. Friedmann résoud les équations de la relativité générale basées sur quelques hypothèses simples et élabore ainsi un premier modèle cosmologique (géométrie globale de l'espace-temps). Il résulte de ce travail que l'univers doit être en expansion. Conclusion théorique confirmée en 1927-1929 par l'observation de la récession ( = "fuite") des galaxies par Edwin Hubble et Milton Humason. La même année l'abbé Lemaître propose la théorie de l'atome primitif, sorte de préfiguration de ce qui sera plus tard la théorie du big bang.

    La structure des atomes. 
    Après que Wiener (1863) et surtout Gouy (1888) eurent établi que ce mouvement manifeste l'agitation moléculaire, les travaux théoriques d'Einstein (1905) et de Smoluchowsky (1907) et les expériences de Perrin (1908) confirmèrent l'origine moléculaire du phénomène et aboutirent au calcul du nombre d'Avogadro (nombre des molécules pesant le poids moléculaire).

    Depuis longtemps, l'idée atomique avait pénétré dans le domaine de l'électricité. D'après les remarques d'Helmholtz (1881), dès que l'on admet la structure atomique de la matière, les lois de l'électrolyse de Faraday impliquent la structure atomique de l'électricité ; elles imposent la conception de l'atome d'électricité, ou électron, et expriment que, dans l'électrolyse, un ion transporte un nombre d'électrons égal à sa valence. L'étude de la conductibilité. des gaz et de la radioactivité vint appuyer et préciser la notion d'électron, en permettant de compter les centres électrisés, de les saisir individuellement et de mesurer directement leur charge; tout un ensemble de recherches, commencées en 1898 et qui prirent leur forme la plus précise avec les expériences de Millikan (1911), démontrèrent de façon décisive l'existence de l'atome d'électricité égal à la charge que porte un atone d'hydrogène dans l'électrolyse. 

    Peu d'expériences sont plus directes, pour démontrer l'existence des atomes, que les « photographies d'atomes » de C. T. R. Wilson (1912). Dans une atmosphère saturée d'humidité, la trace des rayons d'hélium issus d'un corps radioactif est marquée par la condensation de la vapeur d'eau qui rend visible la trajectoire; les photographies sont si claires qu'elles ont mis fin à toutes les discussions sur l'existence des particules alpha.

    Ces recherches, qui considèrent l'atome dans son ensemble, n'en font pas connaître la constitution intérieure : celle-ci se manifeste surtout par la radioactivité et par l'émission de radiations (lumière et rayons X) décomposées par l'analyse spectrale. L'atome ne peut être considéré comme une unité insécable : les nombreuses raies du spectre optique montrent la complexité du système émetteur d'ondes et le grand nombre d'oscillateurs qui doivent le composer; d'autre part, les décompositions radioactives et la présence constante des électrons bêta font prévoir une certaine ressemblance dans la composition des divers atomes.

    Après le modèle atomique imaginé par J.-J. Thomson, les propriétés des rayons émis par les corps radioactifs et, en particulier, la dispersion des rayons alpha traversant les lames minces, conduisirent Rutherford (1911) à considérer l'atome comme une sorte de système solaire formé d'un noyau électrisé positivement, autour duquel gravitent de nombreux électrons négatifs. Rutherford évaluait leur nombre à environ la moitié du poids atomique ; une hypothèse voisine (Van den Broek, 1912) le fixa au nombre atomique (numéro d'ordre de l'élément dans le Tableau de Mendéleiev) et facilita l'explication des propriétés périodiques des éléments; elle fut généralement adoptée. Quant au noyau atomique, les dernières expériences de Rutherford laissent supposer qu'il contient des noyaux d'hydrogène, le plus souvent groupés par quatre en noyaux très stables d'hélium; c'est l'origine de la conception qui voit dans le noyau positif d'hydrogène (proton) et dans l'électron les deux constituants universels de toute matière.

    L'une des propriétés les plus remarquables de l'atome, la distribution des raies spectrales, échappait à la représentation de Rutherford; Niels Bohr (1885-1962),utilisant la théorie des « quanta » et distribuant les électrons satellites sur une ou plusieurs enveloppes concentriques au noyau, perfectionna le schéma de Rutherford; il donna en 1913 un modèle d'atome qui groupe un nombre considérable de propriétés de la matière et explique quantitativement la structure des spectres optiques et des spectres de Roentgen. Si la théorie de Bohr, perfectionnée en 1915par A. Sommerfeld, contient encore quelques contradictions, son accord avec les faits expérimentaux est souvent d'une exactitude surprenante, et peu de théories physiques possèdent un pareil pouvoir de persuasion. Elle permet notamment de prévoir les raies spectrales en accord avec les résultats expérimentaux et d'expliquer des phénomènes tels que l'effet Zeeman. 

    Les perfectionnements de la physique quantique. 
    Malgré cela, la théorie de Bohr n'a pas tenu plus d'une douzaine d'années. Elle a montré en effet rapidement deux insuffisances : d'une part, il devenait nécessaire de comprendre l'atome aussi avec les nouveaux outils offerts par la théorie de la relativité, et d'autre part, les objets du monde quantique se présentait sous deux aspects constradictoires, demandant qu'on les décrive pour certains phénomènes comme des ondes et pour d'autres comme des particules (dualité onde-corpuscule). Un constat qui a ouvert la voie aux travaux théoriques de Louis de Broglie (onde associée à une particule en mouvement, 1924) puis d'Erwing Schrödinger(formulation de la fonction d'onde, 1926), fondateurs de la mécanique ondulatoire, puis à ceux de Werner Heisenberg, avec sa mécanique des matrices (1925), qui sera bientôt perfectionnée, avec l'introduction dans le monde quantique de la théorie relativité, par Paul Dirac (quantification du champ électromagnétique, 1927), Pascual Jordan, Wofgang Pauli et Eugene Wigner (introduction de la théorie des groupes en mécanique quantique, 1931). 

    Avec eux s'installe un renouvellement de tous les principes d'une physique qui devient probabiliste. Ainsi le principe d'incertitude, formulé par Heisenberg (1926), qui énonce l'impossibilité de mesurer simultanément certaines grandeurs (par exemple la position et la quantité de mouvement) avec la même précision. Dès lors, la question de la mesure, de l'incidence de l'observation sur les phénomènes observés, vient-elle remettre  en question de la notion même de causalité, qu'il faut désormais distinguer de celle de déterminisme et ouvre un débat l'interptrétation de la physique quantique. Deux camps s'affrontent, celui des "réalistes", dans lequel se range notamment Einstein, et pour lequel le caractère probabiliste de la théorie quantique dénote seulement l'inadéquation de la théorie, et le camp partisan de l'interprétation proposée dès 1926 par Max Born et Pascual Jordan, mais dite "de Copenhague" (c'est-à-dire, en fait, de Bohr), pour lequel ce n'est pas la théorie qui est défectueuse, mais la nature qui possède intrinsèquement ce caractère probabiliste. C'est ce deuxième point de vue, qui a reçu un appui expérimental, qui est aujourd'hui admise. 

    Les avancées théoriques des années 1920, et des années 1930, s'accompagnent de découvertes expérimentales importantes. De nouvelles particules sont révélées, comme le neutron, par Chadwick (1932). Ces découvertes vont aussi, et de plus en plus souvent, être précédées de prévisions théoriques. Dirac prédit par exemple l'existence de deux particules ayant même masse que le proton et l'électron, mais qui devaient porter des charges opposées : l'antiproton et l'antiélectron ou positron (mis en évidence par Irène et Frédéric Joliot-Curie avec la radioactivité artificielle), autrement dit de l'antimatière. Yukawa, qui cherche à comprendre la nature des forces qui assurent la cohésion du noyau, fait l'hypothèse d'une nouvelle particule, le méson (identifiée en 1937 par Anderson dans le rayonnement cosmique); en 1930, Fermi et Pauli, étudiant la désintégration bêta sont amenés à supposer l'existence d'un neutron de faible masse, le neutrino, qui sera, lui aussi, mis en évidence plus tard. 


    Chemin faisant, de nouvelles grandeurs associées aux objets quantiques s'imposent, qui sont comme des analognes de la charge électrique et qui prennent comme elle des valeurs discrètes. Tel est, par exemple le spin. Celui-ci va être un des outils employés pour mettre de l'ordre dans le foisonnement des nouvelles particules. Ainsi distinguera-t-on les particules à spin demi-entier ou fermions, qui obéissent à la statistique dite Fermi-Dirac (1925) et les particules à spin entier ou bosons, tributaires de la statistique de Bose-Einstein (1924). Une division justifiée par le principe d'exclusion, formulé par Pauli en 1925 : les fermions (toutes les particules de matière : électrons, protons, etc.) s'excluent mutuellement et ne peuvent se rencontrer dans le même état quantique, ce qui fournit l'explication de l'impénétrabilité des corps matériels; les bosons (par exemple les photons, vecteurs de l'interaction électromagnétique) ont, au contraire, un comportement grégaire (explication du laser, par exemple). 

    Les sciences physiques au commencement

    Nous savons que la physique ne prend racine qu'à la préhistoire et dans l'antiquité. Grâce aux archéologues, nous savons avec certitude que les hommes préhistoriques étaient de bons observateurs. Des monuments, tel celui du mégalithique « Stonehenge » nous en apportent des preuves. Les hommes de la préhistoire connaissaient cet ardent désir d'en savoir plus sur notre univers et ont tenté de reproduire certains phénomènes, ils ont ainsi fondé le premier élément d'une démarche scientifique qui est l'observation.

    Aussi, les premiers objets servant à mesurer le temps ont vu leur apparition durant cette période de notre histoire. L'os d'Ishango, l'os de l'abri Blanchard, mais encore Stonehenge, et Carnac étaient les premiers instruments pouvant mesurer le temps. C'est là le début de la physique : la description de certains mécanismes astronomiques. La physique de l'antiquité, quant à elle, nous est connue de manière beaucoup plus précise. Le temps fût également une préoccupation importante. Le gnomon, la clepsydre et le cadran solaire nous sont des héritages de l'antiquité.

    Mais au-delà de la mesure du temps, un savoir grec s'est constitué avec des physiciens tel Archimède, Thalès de Milet, ou encore Erasthostène. S'intéressant à la matière et ses phénomènes, la plupart de ces philosophes ont ainsi fait progresser notre compréhension de l'univers. Le mot « atome » nous vient du grec « atomon » signifiant « indivisible ». En effet, Démocrite (-460 - -370 Av-JC) suppose que la matière est constituée de particules séparées par du vide. Ces particules qui sont dites insécables, car considérées comme les plus petits éléments seront nommées des atomes. "Enfin les corps que nous voyons durs et massifs, doivent leur cohérence à des corpuscules plus crochus, plus intimement liés ... Ce sont au contraire des corpuscules lisses et ronds qui forment les corps de nature liquide et fluide" affirme-t-il. Archimède (-287 - -212 Av-JC) est désigné aujourd'hui comme le fondateur de la mécanique statique : il est à l'origine de nombreuses machines à traction, mais certaines de guerre également, comme la catapulte.

    Mais c'est surtout par ses travaux sur la mécanique des fluides qu'il est connu. Ayant crié « Eurêka » d'après la légende, il découvre les propriétés des corps plongés dans un fluide, et énonce ainsi le "principe d'Archimède" : Tout corps plongé dans un liquide (ou un gaz) reçoit une poussée, qui s'exerce de bas en haut, et qui est égale au poids du volume de liquide déplacé. Cette poussée sera nommée la "poussée d'Archimède". Nous ne citerons pas ici tous les physiciens de l'Antiquité, mais il convient quand même de s'intéresser à Eratosthène. Ce dernier calcula la circonférence de la Terre à partir de menhirs et en usant des mathématiques simples. En effet, en supposant les rayons du Soleil parallèles, il parvient à mesurer à midi à Alexandrie l'angle des rayons solaires avec la verticale (menhir) et trouve 7°. Au même moment à Syène, ville située presque sur le même méridien, les rayons du Soleil ne forment aucun angle dans un puits. En utilisant une relation de proportionnalité, il en déduit la circonférence de la Terre de 40349 km, soit une erreur de 10% par rapport à la valeur mesurée de nos jours avec précision. Ainsi la physique progresse et le savoir s'accumule à travers l'observation, la formulation d'hypothèses, et l'élaboration de théories à l'aide d'outils mathématiques.

    Une progression constante

    alhazenLe Moyen-Âge s'installe, et les guerres se multiplient. Invasions, conquêtes, guerres ... et le savoir grec accumulé de l'Antiquité se perd excepté quelques philosophes, tel Boèce, qui conservent à travers le Quadrivium quelques héritages scientifiques de l'Antiquité. Alors que l'Occident est plongé dans une période d'oubli, la civilisation arabo-musulmane poursuit le travail engagé par les grecs, notamment en conservant les écrits de découvertes, et en reprenant ces travaux pour les approfondir et ainsi fonder une civilisation de savoir : c'est l'âge d'or du progrès arabo-musulman. L'invention du zéro par les arabes provoque un bouleversement des sciences mathématiques et va permettre des progrès dans le domaine, comme nous l'illustre l'algèbre et des scientifiques tel Averroès (1126-1198). L'astronomie est également approfondie par l'invention d'un premier télescope à eau par le physicien astronome Alhazen (965-1039). Ce dernier parvient à expliquer des phénomènes d'optiques comme par exemple la Lune qui apparaît plus grosse dans le ciel à certains moments, ou encore pourquoi la Lune brille-t-elle. Il est également le premier à parler de phénomène de réfraction, idée qui sera reprise par les physiciens des siècles suivants. En mécanique, Alhazen énonce le principe de l'inertie, qui sera plus tard repris par Galilée, et parle également de l'attraction des masses, idée qui sera principalement reprise par Isaac Newton des siècles plus tard. La Renaissance a vu de nombreux scientifiques révolutionner le monde des sciences physiques. Vient Galilée (1564-1642), l'astronome physicien devenu très célèbre pour de nombreuses inventions telle la lunette astronomique. Ses travaux en dynamique lui apprennent à comprendre le mouvement des planètes. Aussi, il énonce le principe de l'inertie qui stipule que si un objet n'est soumis à aucune force ou à des forces dont la résultante est nulle, alors le corps en question est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme. Ce principe constituera quelques années plus tard la première loi de Newton. René Descartes (1596-1650), quant à lui travaille davantage sur l'optique et exprime mathématiquement la loi de la réfraction de la lumière, et évidemment celle de la réflexion.

     

    isaac_newtonMais le progrès majeur du XVIIème siècle fût sûrement les travaux du scientifique Isaac Newton (1643-1723). Il travaille dans de nombreux domaines, tel l'optique, la mécanique et les mathématiques, et révolutionne notre compréhension de l'Univers. Newton poursuit les travaux de Descartes (et de Snell) sur la réfraction de la lumière : il montre qu'un prisme décompose la lumière en plusieurs couleurs, et que ce sont ces couleurs qui forment la lumière blanche. Il étudie également la diffraction et sera l'inventeur du télescope de Newton qui permettra une meilleure vue et visibilité que la lunette astronomique de Galilée. En mécanique, Isaac Newton explique le mouvement des corps de façon mathématique se servant des vecteurs pour modéliser les forces. Ainsi il établit trois lois que l'on appellera par la suite les "lois de Newton" et parvient à expliquer le fonctionnement de la gravité en énonçant la loi de la gravitation universelle, qu'il publiera dans son ouvrage "Les principes de la philosophie naturelle" grâce à son ami l'astronome Halley (1656-1742). Enfin Leibniz (1646–1716) fût un physicien important du moment : ses découvertes théoriques sur la conservation de l'énergie et la modélisation théorique des dimensions spatiales et temporelles auront été d'une grande utilité pour les scientifiques qui vont suivre.

    Les sciences physiques post-Newtoniennes

    On comprend mieux l'énergie et la dynamique : cinématique et dynamique, va alors se créer une branche qui unit les deux sous-domaines : la thermodynamique. Comme son nom l'indique, qui vient du grec ancien "thermos" : la chaleur, et "dunamis" : la puissance (d'où le nom dynamique), cette branche des sciences physiques met en relation le mouvement et l'énergie (la chaleur n'est qu'un moyen de transport de l'énergie). Avec cette nouvelle branche de la physique, l'industrie va faire des progrès (à l'âge industriel justement) et les machines à vapeur vont se développer. Apparaît également une autre nouvelle branche : l'électromagnétisme, avec Maxwell (1831–1879). Cette nouvelle branche unifie l'électricité au magnétisme, et ceci avec des expériences simples (ainsi qu'en théorie avec les mathématiques) : un courant électrique circulant dans un fil engendre un champ magnétique. C'est le déplacement d'électrons libres qui créé un champ magnétique, en même temps qu'un courant électrique. Mais la découverte la plus importante du siècle sera sans doute celle de la mesure de la vitesse de la lumière à l'aide de l'interféromètre par deux prix Nobel : Edward Morley (1838-1923) et Albert Abraham Michelson (1852-1931). Ils constatent que la vitesse de la lumière est la même dans tous les référentiels d'un même milieu, découverte qui crée un bouleversement dans la dynamique. En effet, un observateur se déplaçant à une vitesse élevée, et un observateur étant immobile, dans un certain référentiel, verront un photon passer à la même vitesse, ce qui est contraire à la dynamique de la physique : un observateur se déplaçant dans le même sens du photon à une vitesse élevée, devrait le voir progresser moins vite qu'un observateur au repos (dans un certain référentiel) [1] . Ceci ne peut-être expliqué qu'avec le principe de contraction des longueurs, dont Fitzgerald (1851-1901) et Lorentz (1853-1928) sont à l'origine. La mécanique classique est donc contredite.

     

    albert-einsteinIl faudra attendre Einstein (1879-1955) pour concilier cette découverte surprenante avec la mécanique. En 1905, il publie sa théorie de la relativité restreinte qui prouve que si la vitesse de la lumière ne change pas, un mouvement s'ensuit d'une déformation de l'espace et du temps. Ainsi il montre que l'espace et le temps ne sont pas des constantes, mais se dilatent et se contractent, d'où l'expérience imaginée des jumeaux de Langevin (1872-1946) dont la vieillesse serait différente selon qu'ils aient fait un voyage à vitesse élevée ou non (par rapport à un certain référentiel) [1]. La relativité générale élaborée entre 1907 et 1915 par Einstein permettra de concilier la relativité restreinte avec une théorie de la gravitation. En effet Albert montre que la gravitation n'est selon lui qu'une déformation de l'espace-temps. Comme une bille que l'on poserait sur une feuille de caoutchouc, la déformation de cette dernière engendrerait une attraction car un corps suit les lignes gravitationnelles que l'on appelle les géodésiques.

    La relativité générale réduira le champ d'application de la mécanique Newtonienne, cette dernière ne fonctionnant plus pour les corps se déplaçant à vitesse très importante. Elle conduira également à de nouveaux concepts, tel le trou noir, et détectés depuis peu. Aussi le physicien Hubble (1889-1953) montrera que les galaxies s'éloignent les unes des autres (contrairement à ce que la mécanique Newtonienne pourrait nous amener à croire) d'où l'idée de l'expansion de l'Univers, suite à un événement qui sera nommé "Big Bang". Dans le domaine de la mécanique quantique, Ernest Rutherford (1871-1937) conduira à d'extraordinaires découvertes en physique nucléaire. Il découvre les rayons ionisants comme la radioactivité, les rayons alpha, et bêta. Son expérience avec l'atome d'or mettra en avant l'existence d'un noyau réunissant les charges positives de l'atome et responsable de sa masse.

    De nos jours

    La physique a donc des bases solides afin de permettre de nouvelles découvertes, et de nouvelles inventions. Reste toujours à résoudre l'incompatibilité entre la mécanique quantique et la relativité générale, qui sont radicalement différentes. Toutes les découvertes de ces deux cent dernières années semblent conduire à un même point, converger, d'où l'idée d'une théorie du tout, et d'une équation maîtresse qui est actuellement l'objet d'intenses recherches par les physiciens. Les ordinateurs et les machines permettent à la physique d'avancer plus rapidement avec plus de précision. Récemment l'ouverture du LHC ("Large Hardron Collider" ou "Grand Collisionneur de Hadrons") du CERN ("Conseil européen pour la recherche nucléaire", officiellement : "Organisation européenne pour la recherche nucléaire") permettra de découvrir les secrets de la matière et peut-être même de reconstituer l'Univers à ses débuts, bref, il nous promet bien des surprises. Grâce aux mathématiques, à l'informatique, et la technologie, les sciences physiques continuent de progresser, et l'histoire de cette magnifique science continue de s'écrire ...

    [1] On parle toujours de mouvement par rapport à un référentiel (solide considéré comme fixe)

     

    Bibliographie

    - Jean Rosmorduc, Une histoire de la physique et de la chimie. Points Sciences, 1985.

    - Jean Perdijon, Histoire de la physique. Dunod, 2008.