Histoire de la physique
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2008-05-30T08:50:10Z
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{{histoire des sciences}}
L''''histoire de la physique''' essaie de retracer l'origine et l'évolution des idées, des méthodes, des hommes et des connaissances des sciences physiques.
Les physiciens en ont souvent une conscience aiguë ([[Albert Einstein|Einstein]], [[Werner Heisenberg|Heisenberg]], [[Erwin Schrödinger|Schrödinger]], [[Ilya Prigogine|Prigogine]], [[Richard Feynman|Feynman]], etc.). La place de la physique est d'ailleurs primordiale dans l'[[histoire des sciences]], et l'[[épistémologie]] repose largement sur son histoire.
Pour échapper à la pure chronologie, on peut noter l'imbrication de plusieurs problématiques parallèles :
* [[déterminisme]] et physique probabiliste ; [[Pierre-Simon Laplace|Laplace]] a à peine conçu le projet d'une explication mécaniste totale de la [[nature]] --une tradition qui culminera avec [[Albert Einstein|Einstein]]--, que [[Jean Baptiste Joseph Fourier|Fourier]] s'intéresse aux échanges de chaleur, ouvrant une voie qui y échappera complètement
* équilibre stable et turbulences ; jusqu'au {{XXe siècle}}, la physique s'était intéressée aux lois qui gouvernaient les états d'équilibres, considérant les phénomènes hors de l'équilibre comme ''dissipatifs'' ([[entropie]]) ; plus récemment, une nouvelle tradition s'est intéressé aux phénomènes d'ordre loin de l'équilibre ([[Ilya Prigogine|Prigogine]], [[Humberto Maturana|Maturana]])
* [[Objectif (neutre)|objectif]] et [[subjectif]] (ou [[universalisme]] et [[relativisme]]) : la physique existe-t-elle en dehors de toute observation de la [[Nature]], ou la fondons-nous sur une idée d'expérimentateur qui ''participe'' involontairement au phénomène qu'il pense simplement décrire ? Ce dernier point de vue, en gestation dans la tradition [[empirisme|empiriste]], a gagné du terrain avec les notions de [[théorie de la relativité|relativité]] (de Galilée, puis de Lorentz et Einstein, en passant par l'étrange [[principe de Mach]]), l'[[interprétation de Copenhague]] en mécanique quantique et l'[[Hugh Everett|hypothèse d'Everett]].
* réfutabilité : tous les concepts de la physique sont-ils bien ''réfutables'' au sens de [[Karl Popper]] ?
=== Préhistoire ===
Durant la [[préhistoire]], les hommes faisaient des observations ([[Stonehenge]] ou [[Carnac]] en témoignent) et étaient amenés à reproduire des [[phénomène]]s.
C'est sur les berges des fleuves [[Tigre (fleuve)|Tigre]] et [[Euphrate]] (Irak actuel) et du fleuve [[Nil]] (Égypte), puis plus tard en Grèce que les prémices des sciences ont vu le jour,il y a 5000 ans. Celles-ci étaient transmises par des [[religieux]], ce qui assurait une continuité du savoir, la navigation assurant la propagation des [[connaissance]]s et l'écriture, sur tablettes ou papyrus, son « stockage ».
Dans l'observation de [[phénomène]]s se reproduisant en ''cycles'' (diurne, lunaire ou annuel), la découverte des invariants de ces cycles constitue un début de raisonnement scientifique ; il y a là la notion que le [[monde (univers)|monde]] obéit à des règles, et que l'on peut probablement ''utiliser'' ces règles.
Cette période vit l'apparition de techniques agraires, [[architecturale]]s et guerrières, l'invention de la [[métallurgie]] ([[âge du bronze]] au III{{e}} millénaire av. J.-C., [[âge du fer]] vers [[Années -1000|1000 av. J.-C.]]), le début de l'architecture et de la mécanique.
[[Sciences]] et [[Religion]] se mélaient : les artisans faisaient des prières pendant la fabrication de leurs objets, prières qui pouvaient être un moyen de mesurer le [[temps]] lorsque la durée avait une importance dans le procédé.
=== Antiquité ===
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 la [[Terre]] et le comportement des [[corps céleste]]s comme la [[Lune]] et le [[Soleil]] 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 la [[mécanique quantique]] et la [[théorie de la relativité|relativité]] sont simplement considérées comme « des théories qui n'ont pas pour le moment été contredites » (bien qu'elles soient dans leur état actuel ''incompatibles'' l'une avec l'autre).
Les théories physiques de l'[[Antiquité]] étaient dans une large mesure considérées d'un point de vue [[philosophie|philosophique]], et n'étaient pas toujours vérifiées par des expérimentations systématiques. Il est ici important d'avoir [[conscience]] que, dans la [[Grèce antique]], la philosophie est née des débats et [[discours]] (''logos'') issus de l'observation de la nature (''physikê'' en grec). On trouve donc les [[étymologie]]s de beaucoup de termes employés aujourd'hui dans les sciences : suffixe -logie (technologie,...), et physique.
La physique était considérée dans la [[Grèce antique]], au plus tard à l'époque des [[Stoïcien]]s, mais sans doute déjà auparavant, comme une des trois branches de la [[philosophie]]. On ne la distinguait pas véritablement de la [[métaphysique]].
Pour revenir à l'expérimentation, l'une d'entre elles jouera un rôle important : l'effet de ''rame brisée'' qui conduira à l'étude de la ''réfraction''. Néanmoins, l'idée de méthode expérimentale commença d'être élaborée de manière précise par [[épicure|Epicure]] et les [[Scepticisme (philosophie)|sceptiques]], 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 d'Abdère|Démocrite]], et bien d'autres, le comportement et la nature du monde étaient expliquées par l'action de [[dieu]]x. Vers [[-600|-600 av. J.-C.]], un certain nombre de [[philosophe]]s [[Grèce antique|grec]]s (par exemple [[Thalès de Milet]]) commençaient à admettre que le [[monde (univers)|monde]] pût être compris comme le résultat de processus [[naturel]]s. Certains reprirent la contestation de la [[mythologie]] amorcée par ce même Démocrite concernant par exemple les origines de l'[[espèce humaine]]. (Ils anticipaient en cela les idées de [[Charles Darwin]] — mais cela entre dans l'[[histoire de la biologie]] plutôt que dans celle de la [[physique]].)
Faute de matériel expérimental perfectionné ([[télescope]]s...) et d'instruments précis de mesure du [[temps]], la vérification expérimentale de telles idées était difficile sinon impossible. Il y eut quelques exceptions : par exemple, le penseur grec [[Archimède]] décrivit correctement la [[statique 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 les ''éclipses de lune'' que la [[Terre]] 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 Terre ''plate'' il en eût déduit la distance du soleil, ce qui nous rappelle que ''toute interprétation s'appuie nécessairement sur des présuppositions antérieures'' (voir [[inférence bayésienne]]).
Des [[mathématicien]]s grecs, dont à nouveau [[Archimède]], ont songé à calculer le volume d'objets comme les [[sphère]]s et les [[cône (géométrie)|cône]]s en les divisant en tranches imaginaires d'épaisseur infiniment petite ; ce qui faisait d'eux des précurseurs, de près de deux millénaires, du [[calcul intégral]]. Mais ils comprenaient mal pourquoi on ne convergeait pas ainsi vers la valeur de <math>\sqrt2</math> en divisant la diagonale du carré en petites ''marches d'escalier'' successives !
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 la [[bibliothèque d'Alexandrie]] : [[-48]] avec plus de 40 000 rouleaux perdus, et [[696]] par le général [['Amr ibn al-'As|`Amr ben al-`As]] qui présida à la destruction totale du fonds (hormis [[Aristote]] dont les rouleaux furent sauvés ''in extremis'' et clandestinement par des admirateurs de ses œuvres).
=== Moyen Âge ===
{{Article détaillé|Science du Moyen Âge}}
Le [[Moyen Âge]] a été réévalué depuis une trentaine d'années, par des historiens tels que [[Georges Duby]], [[Jean Favier]], [[Pierre Riché]], ou [[Jacques Le Goff]].
Au [[Moyen Âge]] précoce, à la suite des [[grandes invasions]], l'occident a oublié une partie de l'héritage de l'Antiquité, surtout les textes de la [[Grèce antique]]. La période 550-750 peut être qualifiée de temps obscurs, au cours desquels se conserva malgré tout, grâce à [[Boèce]], [[Cassiodore]], [[Isidore de Séville]], et [[Bède le Vénérable]], un savoir de base autour des [[arts libéraux]]. Les [[arts libéraux]] formèrent l'enseignement de base des écoles carolingiennes. Cependant la physique n'en faisait pas partie.
La [[civilisation arabo-musulmane]] conserva la mémoire de la science grecque. Les principaux progrès scientifiques au cours du [[Science du Moyen Âge#Haut Moyen Âge (768-1024)]] sont d'ailleurs le fait de savants arabes (mathématiques, mécanique, médecine, astronomie) et indiens (mathématique, avec l'invention du [[zéro]] vers l'an [[500]]).
La période de l'[[An mil]] n'est pas cette période de terreurs légendaires, image véhiculée par les historiens du XIXe siècle, comme Jules Michelet, mais plutôt une renaissance. Un peu avant l'[[An mil]], un certain [[Gerbert d'Aurillac]] fit un séjour en Catalogne, dont il ramena des connaissances scientifiques, qui permirent de réintroduire le [[quadrivium]] en occident. Cette période voit ainsi le début de la mise en place d'outils mathématiques ([[algèbre]], [[algorithmique]], entre autres) qui seront précieux pour la suite
Le mot physique apparaît au {{XIIe siècle}}, dans le sens de médecine, science de la nature (aujourd'hui : [[sciences naturelles]]). La physique correspondait à l'un des traités d'[[Aristote]], qui fut traduit à partir du {{XIIe siècle}} en [[occident]]. Dans la philosophie d'[[Aristote]], l'observation de la [[nature]] tient en effet une grande place. Dans le sens plus proche de l'utilisation moderne du terme, on voit des progrès dans les techniques d'[[architecture]] (chantiers des églises romanes et gothiques), de navigation. Les disciplines sont la mécanique, la métallurgie, l'hydraulique, l'orfévrerie,...
La physique en elle-même ne semble pas avoir fait encore de progrès décisifs dans cette période, hormis la mécanique, et la métallurgie.
Vers la fin du {{XVe siècle}}, le mot physique prit le sens de science des causes naturelles (première utilisation en ''1487'' selon le Petit Robert), toujours dans la philosophie [[scolastique]].
=== Renaissance et XVIIe siècle ===
Les débuts de la physique au sens moderne datent sans doute de [[Galileo Galilei|Galilée]] ([[1564]]–[[1642]]), dont on peut
dire qu'il fut le premier physicien dans le sens actuel : sa foi en les
[[mathématiques]] pour décrire le [[monde (univers)|monde]] 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 fameuse [[lunette astronomique]], apporta des progrès décisifs en [[cinématique]] (mouvement uniformément accéléré).
La rigueur qui manquait encore à [[Galileo Galilei|Galilée]] dans la formulation mathématique fut sans doute apportée par [[René Descartes|Descartes]] : [[coordonnées cartésiennes]], travaux en optique (la loi de Descartes est en fait la loi de Snell). Le fameux ''[[Discours de la Méthode]]'', écrit en [[français]], 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 raisonnements [[logique]]s de [[déduction]]. Cette démarche fit progresser la physique dans des domaines comme la mécanique classique, l'optique, le calcul différentiel, la géométrie analytique...
[[René Descartes|Descartes]] s'aventura plus loin sur le plan [[philosophique]] : dans les [[méditations sur la philosophie première]] ([[1641]]), il dénonça la science [[aristotélicienne]], qui était coupable de n'avoir pas compris le mouvement des planètes comme l'annonçaient Copernic et Galilée. L'expression [[aristotélicien]] prit alors un sens très péjoratif, pour dénoncer les errements de la [[scolastique]] alors en déclin.
[[Blaise Pascal]] ([[1623]]–[[1662]]) décrivit les phénomènes de [[pression atmosphérique]], et fit de nombreux apports en [[hydrostatique]] et [[hydrodynamique]]. En [[mathématiques]], il inventa les [[probabilité]]s, qui eurent des applications ultérieurement en physique.
[[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 que Robert 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 la [[gravitation]] 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. [[Isaac Newton]] ouvrit une ère nouvelle pour la physique en introduisant le [[calcul différentiel]] pour ses calculs de [[mécanique céleste]].
[[Leibniz]] ([[1646]]–[[1716]]) inventa le [[calcul infinitésimal]] à peu près au même moment que Newton, qui développa de son côté un procédé similaire avec le calcul des [[fluxion]]s. Ses apports en physique furent considérables : l'[[énergie]], la loi de conservation, les définitions de l'espace et du temps, la dualité onde-corpuscule.
On peut dire que c'est de cette époque que le mot ''physique'' commence à changer de sens : de ''science des causes naturelles'', la physique devient la science qui étudie les propriétés générales de la matière et établit des lois qui rendent compte des [[phénomène]]s matériels : la première utilisation dans ce sens date de [[1708]] (''Petit Robert'').
=== Ère industrielle ===
Avec [[Nicolas Léonard Sadi Carnot|Sadi Carnot]] apparait la [[thermodynamique]], initialement pour améliorer les performances des [[machine à vapeur|machines 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 ».
[[ludwig Boltzmann|Boltzmann]] comprend alors l'origine [[statistique]] du second 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 du [[magnétisme]]. C'est [[James Clerk Maxwell|James 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 des [[champ électrique|champs électrique]]s et [[champ magnétique|magnétique]]s.
À l'époque, une constatation est faite : les [[équations de Maxwell]] ne sont pas invariantes par les [[transformations de Galilée]]. Et une controverse fait rage : si la [[lumière]] est une [[onde]], elle se déplace dans un milieu, puisque c'est le cas pour toutes les ondes que l'on connaît. L'[[hypothèse de l'éther|éther]] est évoqué comme hypothèse pour ces deux problèmes.
Les [[expérience d'interférométrie de Michelson et Morley|expériences de Michelson et Morley]] conduisent cependant à penser que la [[vitesse 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 : la [[transformation de Lorentz]], énoncée par Fitzgerald (et aussi par Voigt) en 1889 et indépendamment par [[Hendrik Antoon Lorentz|Lorentz]] en 1892.
C'est surtout l'expérience de Kennedy-Thorndike qui donna le coup de grâce au concept d'éther.
L'ère de la [[mécanique classique]] se referma sans doute lorsque fut découverte la [[relativité restreinte]], par [[Albert Einstein]], ([[Henri Poincaré]] ayant partiellement pressenti cette élaboration théorique, très peu de temps avant Einstein).
Cette théorie, en postulant que le [[temps]] pouvait être relatif, mettait un point final aux débats sur l'existence de l'éther, et permettait de constater que la [[mécanique classique|mécanique de Newton]] n'avait qu'un domaine limité de validité.
[[Albert Einstein|Einstein]], continuant dans cette voie, mettra au point la théorie de la [[relativité générale]], avec l'aide de [[David Hilbert]] en utilisant un domaine tout jeune des mathématiques.
Cette théorie conduira à expliquer les constatations de [[Edwin Hubble]], qui annonce en [[1929]] que les [[galaxie]]s qui nous entourent s'éloignent de la notre.
Cette constatation conduira à l'hypothèse du commencement de l'univers dans une grande explosion appelée ironiquement « [[Big Bang]] ».
Au début du {{XXe siècle}}, suite aux travaux de [[Max Planck]] et d'Einstein démontrant l'existence du [[photon]] (quantum de [[lumière]]) se produisit la plus grande révolution conceptuelle de la physique : la naissance de la [[mécanique quantique]].
Cette théorie mit un terme définitif à l'âge d'or de la mécanique de [[Isaac Newton|Newton]] : on considère que celle-ci ne décrit guère qu'une petite partie des phénomènes naturels, ceux qui se produisent à notre échelle, en gros.
* [[1896]] : [[radioactivité]], [[Antoine Henri Becquerel]], [[France]]
* [[1896]] : [[radium]], [[Pierre Curie|Pierre]] et [[Marie Curie]], [[France]]
* [[1897]] : [[électron]], [[Joseph John Thomson]], [[Royaume-Uni]]
* [[1898]] : [[polonium]], [[Pierre Curie|Pierre]] et [[Marie Curie]], [[France]]
La découverte de la [[radioactivité]] et son interprétation se produit en même temps - le début du {{XXe siècle}} est une succession de découvertes scientifiques qui remettent complètement en cause notre vision de l'univers et du [[monde (univers)|monde]].
Si la radioactivité est découverte par [[Henri 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 appellera [[particule alpha|alpha]] et [[particule bêta|bêta]]) et que la radioactivité s'accompagne d'une transmutation.
Il découvre aussi que les [[atome]]s comportent un [[noyau atomique|noyau]], sorte de graine positive.
=== Ère informatique ===
Toute information peut être « mémorisée » grâce à des procédés de stockage, et consultable à distance et dans le [[temps]].
Les capacités de stocker les mesures sont telles que, même si on n'a pas de modèle pour expliquer un [[phénomène]], on est de plus en plus capable de suivre son évolution 'numériquement' (voir [[météorologie]] par exemple).
Les outils d'[[informatique]] scientifique et technique devraient profondément aider les [[scientifique]]s et les [[ingénieur]]s à fiabiliser les [[méthodes expérimentales]] et à éliminer toutes les pseudo-hypothèses qui renaissent de façon récurrente.
Cependant, un problème subsiste lorsqu'on utilise l'[[informatique]] pour des [[usage]]s de [[gestion]] : par rapport à l'immense quantité d'[[information]]s nécessaires à l'élaboration d'un produit, à l'évaluation d'un marché potentiel, à la prise de décision de l'encadrement, lesquelles choisir ? Quelles sont les [[interaction]]s avec les [[partenaire]]s ? Comment anticiper ?
On est alors confronté à des questions qui relèvent davantage de l'[[intelligence économique]] que de la physique proprement dite.
=== Bibliographie ===
* [[Dominique Lecourt ]] (dir.), ''Dictionnaire d’histoire et philosophie des sciences'' (1999), 4{{e}} réed. Quadrige/[[Presses universitaires de France|PUF]], 2006.
* [[Jean C. Baudet]], ''Penser le monde'', [[Vuibert]], Paris, 2006.
== Voir aussi ==
* [[Frise chronologique de la physique microscopique]]
* [[Histoire de la thermodynamique et de la mécanique statistique]]
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