Plusieurs problématiques parallèles s'imbriquent au cours des siècles :
déterminisme et physique probabiliste ;Laplace a à peine conçu le projet d'une explication mécaniste totale de lanature — une tradition qui culminera avecEinstein —, queFourier s'intéresse aux échanges de chaleur, ouvrant une voie qui y échappera complètement ;
objectif etsubjectif (ouuniversalisme etrelativisme) : la physique existe-t-elle en dehors de toute observation de laNature, ou la fondons-nous sur une idée d'expérimentateur quiparticipe involontairement au phénomène qu'il pense simplement décrire ? Ce dernier point de vue, en gestation dans la traditionempiriste, a gagné du terrain avec les notions derelativité (de Galilée, puis de Lorentz et Einstein, en passant par l'étrangeprincipe de Mach), l'interprétation de Copenhague en mécanique quantique et l'hypothèse d'Everett ;
réfutabilité : tous les concepts de la physique sont-ils bienréfutables au sens deKarl Popper ?
Durant laPréhistoire, les hommes faisaient des observations (Stonehenge ouCarcan en témoignent) et étaient amenés à reproduire desphénomènes.C'est sur les berges des fleuvesTigre etEuphrate (Irak actuel) et du fleuveNil (Égypte), puis plus tard en Grèce que les prémices des sciences ont vu le jour, il y a 5 000 ans. Celles-ci étaient transmises par desreligieux, ce qui assurait une continuité du savoir, la navigation assurant la propagation desconnaissances et l'écriture, sur tablettes ou papyrus, son « stockage ».
Dans l'observation dephénomènes se reproduisant encycles (diurne, lunaire ou annuel), la découverte des invariants de ces cycles constitue un début de raisonnement scientifique ; il y a là la notion que lemonde obéit à des règles, et que l'on peut probablementutiliser ces règles.
Sciences etReligion se mêlaient : les artisans faisaient des prières pendant la fabrication de leurs objets, prières qui pouvaient être un moyen de mesurer letemps lorsque la durée avait une importance dans le procédé.
La physique était considérée dans laGrèce antique, au plus tard à l'époque desstoïciens, mais sans doute déjà auparavant, comme une des trois branches de laphilosophie. On ne la distinguait pas véritablement de lamétaphysique. Les auteurs latins utilisent souvent le motphysici pour désigner lesprésocratiques, dont l'approche étaitmatérialiste, centrée sur la nature (Phusis)[1].
Les auteurs de l'Antiquité cherchent à formuler une explication des phénomènes observés par des lois naturelles, l'action desdieux est ainsi repoussée à causes plus lointaines[2]. La physique de l'Antiquité tend à manquer de vérification expérimentale, même s'il existe de nombreuses exception, surtout à la fin de l'Antiquité. Une partie de l'explication de la pauvreté de l'expérimentation est culturelle : letravail manuel est souvent méprisé, il est du ressort des bassesclasses et desesclaves[3].
La théorie des quatre éléments constitue probablement la première tentative d'expliquer le monde qui nous entoure d'une façon complète sans faire appel à l'animisme ou à lamythologie[4]. Les quatre éléments sont listés parEmpédocle : Feu, Air, Terre et Eau, dans cet ordre de primauté -Aristote modifiera l'ordre en Feu, Air, Eau et Terre.
Les Grecs se sont particulièrement intéressés à la nature même du mouvement.
Zénon d’Élée (490-) a formulé desparadoxes qui ont été rapportés un siècle plus tard par Aristote (384-) dans saPhysique[5]. Le plus célèbre de desparadoxes de Zénon concerneAchille et la tortue : si la tortue a de l’avance sur Achille, celui-ci ne la rattrapera jamais, quelle que soit sa vitesse, car pendant qu’Achille court pour atteindre le point d’où est partie, la tortue avance, de telle sorte qu’Achille ne pourra jamais annuler cette avance. Ce paradoxe illustre un présupposé suivant lequel l'infiniment petit n'existe pas, présupposé qui sera aussi celui des philosophesatomistes telDémocrite (460-).
Or, on sait, aujourd’hui, que la résolution mathématique du problème d’Achille et de la tortue démontre bien que la durée de la course reste finie même en acceptant son découpage en une infinité d'étapes : la somme d’une infinité de termes peut, en effet, constituer une grandeur finie.
Aristote s'est aussi penché sur la question du mouvement. Mais ce terme même a eu chez lui un sens particulier, puisqu’il faut y voir un changement, au sens le plus général, et non un simple changement de position. Aristote a en effet décrit le mouvement comme un passage d’un équilibre perdu vers un équilibre retrouvé et a considéré que les matières naturelles possèdent en elles-mêmes un principe de mouvement. Ainsi, contrairement aux éléates, il était convaincu que le mouvement est intelligible. Aristote a imaginé pour chaque corps un moteur intérieur capable de provoquer son déplacement lors d’un mouvement « naturel » ou d’engendrer le mouvement d’un autre corps lors d’un mouvement effectué « par violence ». Il n'a pas distingué le mouvement accéléré dumouvement rectiligne uniforme ; aussi, même s’ils s’inscrivent dans le domaine de la mécanique, est-il impossible de considérer ses travaux comme une analyse dynamique du mouvement des corps.[réf. nécessaire]
Leucippe etDémocrite ont élaboré une première théorie de l'atome. L'atome est perçu comme le composant ultime, élémentaire, de toute matière. Rien n'existe en dehors des atomes et du vide. Les atomes s'assemblent pour former les objets que nous connaissons. Leur forme varie ; ils sont plats, arrondis, crochus, creux, etc, ce qui rend leurs assemblage possible ou non. Bien qu'élaborée cette théorie reste du ressort de la spéculation intellectuelle, elle ne peut s'accompagner d'aucune approche expérimentale envisageable à l'époque[6],[7].
À partir dePlaton, des auteurs grecs écrivent amplement sur lalumière, qu'ils tendent cependant à amalgamer avec lavision qu'elle permet : ainsi pourSophocle, la lumière solairevoit les objets. Certains auteurs, commeEmpédocle, attribuent la vision à l'émission d'un rayon visuel de l'œil vers l'objet[8].
réfraction de la lumière
PourEuclide, ces rayons sont émis du centre de l’œil et prennent une forme conique. La propagation des rayons est considérée comme rectiligne, ce qui permet à Euclide d'appliquersa géométrie aux problèmes que l'on appellerait aujourd'hui deperspective, s'intéressant à la taille et la forme perçue des objets[9]. Son traité d'optique nous est parvenu, mais dans des versions largement modifiées par des auteurs ultérieurs[10]. Le sujet de laréfraction de la lumière est abordé sous la forme duproblème de la rame brisée : la rame parait rectiligne dans l'air, mais semble brisée lorsqu'elle est à moitié plongée dans l'eau. Cette observation sera surtout commentée, entre autres parCicéron comme une preuve des limites desens, l'occasion d'introduire une distinction entre la perception et la réalité des choses[11].
Le célèbre calcul du rayon de laTerre parÉratosthène constitue une application fructueuse des principes de l'optique et l'astronomie. En observant la différence dans la position apparente du soleil entreAlexandrie etSyène à l'aide degnomon, en faisant appel à unbématiste pour connaître la distance séparant ces deux villes et en appliquant des lois géométriques, Ératosthène évalue la circonférence de la terre à 252000stades, un chiffre étonnamment précis[12].
Perception sociale et intellectuelle de la physique dans l'Antiquité
Il a existé un débat d'historiens sur la question de savoir si la conception d'unprogrès scientifique, c'est-à-dire d'un avancement graduel vers une meilleure compréhension du monde, était présente dans l'Antiquité. Carrier répond par l'affirmative, en s'appuyant sur des auteurs commeTertullien,Claude Ptolémée etSénèque[13].
La découverte de lapoussée d'Archimède constitue l'un des accomplissement les plus remarquables de l'Antiquité en matière de physique, avec la mise en œuvre d'une méthode expérimentale, et la mise en évidence d'un phénomène quantifié. Selon l'histoire rapportée parVitruve[14],Archimède répondait à une demande du roi deSyracuse : vérifier si une partie de l'or de sacouronne n'avait pas été remplacée par de l'argent. Archimède trouve une solution : par immersion dans l'eau, il parvient à mesure levolume d'un objet de forme arbitraire, et peut alors en déterminer lamasse volumique[15].
On connaît mal le détail des idées anciennes en physique et leurs vérifications expérimentales. La quasi-totalité des sources directes les concernant a été perdue lors des deux grands incendies de labibliothèque d'Alexandrie : avec plus de 40 000 rouleaux perdus, et 696 par le général'Amr ibn al-'As qui présida à la destruction totale du fonds (hormisAristote dont les rouleaux furent sauvésin extremis et clandestinement par des admirateurs de ses œuvres).
Depuis l'Antiquité, on a essayé de comprendre le comportement de la matière : pourquoi les objets sans support tombent par terre, pourquoi les différents matériaux ont des propriétés différentes, et ainsi de suite. Les caractéristiques de l'univers, comme la forme de laTerre et le comportement descorps célestes comme laLune et leSoleil étaient un autre mystère. Plusieurs théories furent proposées pour répondre à ces questions. La plupart de ces réponses étaient fausses, mais cela est inhérent à la démarche scientifique ; et de nos jours, même les théories modernes comme lamécanique quantique et larelativité sont simplement considérées comme « des théories qui n'ont pas pour le moment été contredites » (bien qu'elles soient dans leur état actuelincompatibles l'une avec l'autre).
Les théories physiques de l'Antiquité étaient dans une large mesure considérées d'un point de vuephilosophique, et n'étaient pas toujours vérifiées par des expérimentations systématiques. Il est ici important d'avoirconscience que, dans laGrèce antique, la philosophie est née des débats etdiscours (logos) issus de l'observation de la nature (physikê en grec). On trouve donc lesétymologies de beaucoup de termes employés aujourd'hui dans les sciences : suffixe -logie (technologie, …), et physique.
Pour revenir à l'expérimentation, l'une d'entre elles jouera un rôle important : l'effet derame brisée qui conduira à l'étude de laréfraction. Néanmoins, l'idée de méthode expérimentale commença d'être élaborée de manière précise parÉpicure et lessceptiques, méthode qui jouera également un rôle important dans le développement de la médecine.
Hormis pour des précurseurs comme les philosophes de l'école milésienne,Démocrite, et bien d'autres, le comportement et la nature du monde étaient expliquées par l'action dedieux. Vers, un certain nombre dephilosophesgrecs (par exempleThalès de Milet) commençaient à admettre que lemonde pût être compris comme le résultat de processusnaturels. Certains reprirent la contestation de lamythologie amorcée par ce même Démocrite concernant par exemple les origines de l'espèce humaine. (Ils anticipaient en cela les idées deCharles Darwin — mais cela entre dans l'histoire de la biologie plutôt que dans celle de laphysique.)
Faute de matériel expérimental perfectionné (télescopes…) et d'instruments précis de mesure dutemps, la vérification expérimentale de telles idées était difficile sinon impossible. Il y eut quelques exceptions : par exemple, le penseur grecArchimède décrivit correctement lastatique des fluides après avoir remarqué un jour, si l'on en croit la légende, que son propre corps déplaçait un certain volume d'eau alors qu'il entrait dans son bain. Un autre exemple remarquable fut celui d'Ératosthène, qui - persuadé pour d'autres raisons, dont leséclipses de lune, que laTerre était sphérique - parvint à calculer sa circonférence en comparant les ombres portées par des bâtons verticaux en deux points éloignés de la surface du globe. En appliquant le résultat des mêmes observations à une Terreplate il en eût déduit la distance du soleil, ce qui nous rappelle quetoute interprétation s'appuie nécessairement sur des présuppositions antérieures (voirinférence bayésienne).
Desmathématiciens grecs, dont à nouveauArchimède, ont songé à calculer le volume d'objets comme lessphères et lescônes en les divisant en tranches imaginaires d'épaisseur infiniment petite ; ce qui faisait d'eux des précurseurs, de près de deux millénaires, ducalcul intégral. Mais ils comprenaient mal pourquoi on ne convergeait pas ainsi vers la valeur de en divisant la diagonale du carré en petitesmarches d'escalier successives !
AuMoyen Âge précoce, à la suite desgrandes invasions, l'Occident a oublié une partie de l'héritage de l'Antiquité, surtout les textes de laGrèce antique. La période 550-750 peut être qualifiée de temps obscurs, au cours desquels se conserva malgré tout, grâce àBoèce,Cassiodore,Isidore de Séville, etBède le Vénérable, un savoir de base autour desarts libéraux. Lesarts libéraux formèrent l'enseignement de base des écoles carolingiennes. Cependant la physique n'en faisait pas partie.
Lacivilisation arabo-musulmane conserva la mémoire de la science grecque. Les principaux progrès scientifiques au cours duhaut Moyen Âge sont d'ailleurs le fait de savants arabes (mathématiques, mécanique, médecine, astronomie) et indiens (mathématique, avec l'invention duzéro vers l'an 500).
La physique d'Aristote se révélait en fait insuffisante pour expliquer le mouvement des corps. Vers la fin du Moyen Âge fut introduite en Occident la doctrine de l'impetus afin d'expliquer le mouvement des corps physiques.
Les débuts de la physique au sens moderne datent sans doute deGalilée (1564–1642), dont on peut dire qu'il fut le premier physicien dans le sens actuel : sa foi en lesmathématiques pour décrire lemonde et les phénomènes fut ce qui le distingua de ses prédécesseurs, même si on ne peut pas toujours dire qu'il ait été un expérimentateur très scrupuleux. Galilée perfectionna des instruments optiques pour l'astronomie, la fameuselunette astronomique, et apporta des progrès décisifs encinématique (mouvement uniformément accéléré).
La rigueur qui manquait encore àGalilée dans la formulation mathématique fut sans doute apportée parDescartes :coordonnées cartésiennes, travaux en optique (la loi de Descartes est en fait la loi de Snell). Le fameuxDiscours de la Méthode, écrit enfrançais, chercha à décrire une manière déductive de traiter les problèmes, beaucoup moins fondée sur l'intuition. On peut dire qu'il marque le début de la démarche des sciences dites « exactes », fondées sur les raisonnementslogiques dedéduction. Cette démarche fit progresser la physique dans des domaines comme la mécanique classique, l'optique, le calcul différentiel, lagéométrie analytique...
Isaac Newton (1643-1727) a formulé les « lois » qui portent son nom, qui ont permis l'essor de ce qu'on appelle la mécanique classique. En mathématique infinitésimale, il trouva un moyen de lever les indéterminations dans le calcul des tangentes ou dérivées. En 1685, il généralisa les lois de la gravitation queRobert Hooke venait de formuler et les utilisa comme base de son système du monde, où la gravitation, force d'attraction universelle, est la cause du mouvement. Son ouvrage majeur,Principes mathématiques de la philosophie naturelle publié en 1687, décrivit lagravitation de façon universelle et mathématique. Il permit de confirmer la théorie de l'héliocentrisme sur le plan de sa formulation mathématique (la preuve optique n'était pas encore obtenue). Les méthodes de calcul qu'il y utilise en font un précurseur du calcul vectoriel.
Leibniz (1646–1716) inventa lecalcul infinitésimal à peu près au même moment que Newton, qui développa de son côté un procédé similaire avec le calcul desfluxions. ToutefoisIsaac Newton n'utilise pas son calcul dans son œuvre majeure, lesPrincipia, en 1687. Les apports de Leibniz en physique furent considérables. Citons la force vive, lointain ancêtre de l'énergie, ou la loi de conservation.
On peut dire que c'est de cette époque que le motphysique commence à changer de sens : descience des causes naturelles, la physique devient la science qui étudie les propriétés générales de la matière et établit des lois qui rendent compte desphénomènes matériels : la première utilisation dans ce sens date de 1708 (Petit Robert).
La mécanique analytique se développe au long du siècle avec Varignon, D'Alembert, Maupertuis, Lagrange et quelques autres, poursuivant ainsi l’œuvre de Jacques Bernoulli sur l'analyse mathématique (poursuivie par son frère Jean Bernoulli, et Euler), qu'il avait lui-même fondé sur la formalisation de Leibniz du calcul différentiel et intégral[17]. Outre la gravitation, les savants s'intéressent aux systèmes à liaisons, puis appliquent le formalisme aux milieux continus, ce qui permettra à D'Alembert en 1747 de déterminer l'équation des cordes vibrantes, et à Euler en 1755 d'établir les équations générales de l'hydrodynamique, après que Daniel Bernoulli (Hydrodynamica, 1738) et Jean Bernoulli aient apporté d'importantes contributions.
Tandis que d'Alembert publie en 1743 son très remarquéTraité de dynamique dans lequel il tente de réduire toute la dynamique à la statique, Maupertuis invente le principe de moindre action, et Lagrange, en 1788, va magistralement parachever l'œuvre[18]. C'est véritablement avec ce dernier que la mécanique devient une nouvelle branche de l'analyse mathématique.
La science des machines se développe à partir des résultats séminaux d'Antoine Parent sur les roues hydrauliques au tout début du siècle. Deparcieux, Smeaton, Borda, au milieu du siècle, puis Coulomb à la fin du siècle, apportent leurs contributions.
AvecSadi Carnot apparait lathermodynamique, initialement pour améliorer les performances desmachines à vapeur. C'est la fin du rêve du « mouvement perpétuel » : une théorie scientifique établit maintenant qu'il n'est pas possible de tirer de l'énergie de nulle part, et que l'énergie se « dégrade ».Boltzmann comprend alors l'originestatistique dusecond principe, le seul qui fasse apparaître une distinction entre passé et futur en physique.
Une autre théorie très importante est l'électromagnétisme, unification de l'étude de l'électricité et dumagnétisme. C'estJames Maxwell (1831–1879) qui finira d'unifier les deux théories, et qui introduira les derniers termes dans les équations qui portent maintenant son nom et qui décrivent le comportement deschamps électriques etmagnétiques. À l'époque, une constatation est faite : leséquations de Maxwell ne sont pas invariantes par lestransformations de Galilée. Et une controverse fait rage : si lalumière est uneonde, elle se déplace dans un milieu, puisque c'est le cas pour toutes les ondes que l'on connait. L'éther est évoqué comme hypothèse pour ces deux problèmes.
Lesexpériences de Michelson et Morley conduisent cependant à penser que lavitesse de la lumière est la même quelle que soit la direction, ce qui est en contradiction avec l'idée d'un éther fixe dans lequel la lumière se propagerait, sauf si on accepte l'hypothèse de la contraction des longueurs émise par Fitzgerald et Lorentz : latransformation de Lorentz, énoncée par Fitzgerald (et aussi par Voigt) en 1889 et indépendamment parLorentz en 1892.C'est surtout l'expérience de Kennedy-Thorndike qui donna le coup de grâce au concept d'éther.
L'ère de lamécanique classique se referma sans doute lorsque fut découverte larelativité restreinte, parAlbert Einstein, (Henri Poincaré ayant partiellement pressenti cette élaboration théorique, très peu de temps avant Einstein). Cette théorie, en postulant que letemps pouvait être relatif, mettait un point final aux débats sur l'existence de l'éther, et permettait de constater que lamécanique de Newton n'avait qu'un domaine limité de validité.
Einstein, continuant dans cette voie, mettra au point la théorie de larelativité générale, avec l'aide deDavid Hilbert en utilisant un domaine tout jeune des mathématiques.
Cette théorie conduira à expliquer les constatations deEdwin Hubble, qui annonce en 1929 que lesgalaxies qui nous entourent s'éloignent apparemment de la nôtre.Cette constatation conduira à l'hypothèse du commencement de l'Univers dans une grande explosion appelée ironiquement « Big Bang ».
Cette théorie mit un terme définitif à l'âge d'or de la mécanique deNewton : celle-ci ne décrit qu'une petite partie des phénomènes naturels, ceux qui se produisent à notre échelle.
La découverte de laradioactivité et son interprétation se produit en même temps.
Si la radioactivité est découverte parHenri Becquerel,Ernest Rutherford jouera un rôle essentiel dans la compréhension de ce phénomène : c'est lui qui comprend que plusieurs rayonnements sont à l'œuvre (il les appelleraalpha etbêta) et que la radioactivité s'accompagne d'une transmutation.Il découvre aussi que lesatomes comportent unnoyau, sorte de graine positive.
Apports de l'informatique à la résolution de problèmes physiques
Les capacités de stocker les mesures sont telles que, même si on n'a pas de modèle pour expliquer unphénomène, on est de plus en plus capable de suivre son évolution numériquement (voirmétéorologie par exemple).
Les outils d'informatique scientifique et technique devraient aider profondément lesscientifiques et lesingénieurs à fiabiliser lesméthodes expérimentales et à éliminer toutes les pseudo-hypothèses qui renaissent de façon récurrente.
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