Histoire de la physique

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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 (Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Prigogine, 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 dialectiques parallèles :

• déterminisme et physique probabiliste ; Laplace a à peine conçu le projet d'une explication mécaniste totale de la nature --une tradition qui culminera avec Einstein--, que Fourier s'intéresse aux échanges de chaleur, ouvrant une voie qui y échappera complètement
• équilibre stable et turbulences ; jusqu'au XX^e 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 (Prigogine, Maturana)
• 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 empiriste, a gagné du terrain avec les notions de 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'hypothèse d'Everett.
• réfutabilité : tous les concepts de la physique sont-ils bien réfutables au sens de Karl Popper ?

Image:GonioX.jpg Cet article concernant la science fait partie de la série physique

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Formulaire

Sommaire 1 Préhistoire 2 Antiquité 3 Moyen Âge 4 Renaissance 5 Ère industrielle 6 Ère informatique

Préhistoire

Durant la préhistoire, les hommes faisaient des observations (Stonehenge ou Carnac en témoignent) et étaient amenés à reproduire des phénomènes. C'est sur les berges des fleuves Tigre et Euphrate (Irak) et du fleuve Nil (Égypte), puis plus tard en Grèce que les prémisses 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 connaissances et l'écriture, sur tablettes ou papyrus, son « stockage ».

Dans l'observation de phénomènes 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 obéit à des règles, et que l'on peut probablement utiliser ces règles.

Cette période vit l'apparition de techniques, agraires architecturales et guerrières, l'invention de la métallurgie (âge du bronze au III^e millénaire av. J.-C., âge du fer vers 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 célestes 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 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 philosophique, et n'étaient que rarement vérifiée par une expérimentation systématique. 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 Epicure et les 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, et bien d'autres, le comportement et la nature du monde étaient expliquées par l'action de dieux. Vers -600 av. J.-C., un certain nombre de philosophes grecs (par exemple Thalès de Milet) commençaient à admettre que le monde pût être compris comme le résultat de processus naturels. 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 (télescopes...) 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. Il est à noter qu'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 mathématiciens grecs, dont à nouveau Archimède, ont songé à calculer le volume d'objets comme les sphères et les cônes 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 Al-as Amrou 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

Au Moyen Âge, sous l'influence de l'Église, l'Europe a très largement occulté l'héritage de l'Antiquité (obscurantisme), nous n'en avons conservé la mémoire que grâce aux Arabes. Les principaux progrès scientifiques sont d'ailleurs le fait de savants Arabes (mathématique, médecine, astronomie) et Indiens (mathématique, avec l'invention du zéro vers l'an 500). La physique en elle-même (étude de la matière) ne semble pas faire de progès notable dans cette période, mais elle voit la mise en place d'outils mathématiques (algèbre, algorithmique) qui seront précieux.

Renaissance

Les débuts de la physique datent sans doute de Galilée, dont on peut dire qu'il fut le premier physicien au sens moderne : sa foi en les mathématiques pour décrire le 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).

La rigueur qui manquait encore à Galilée fut sans doute apportée par Descartes dans son « Discours de la Méthode » dont on peut dire qu'il marque le début de la démarche scientifique.

Isaac Newton ouvrit une ère nouvelle pour la physique en introduisant le calcul différentiel pour ses calculs de mécanique céleste et en décrivant la gravitation de façon universelle et mathématique. Il inventa ce qu'on appelle maintenant la mécanique classique.

Ère industrielle

Ensuite, on invente la thermodynamique, pour étudier les machines à vapeur, initialement. 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'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 Maxwell 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 champs électriques et magnétiques. A l'époque, une constatation est faite : les équations de Maxwell ne sont pas invariantes par transformation de Galilée, mais par une transformation plus bizarre : la transformation de Lorentz. A l'époque, 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. Oui, mais lequel ? L'éther est évoqué comme un hypothèse possible. Les 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. 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 et Henri Poincaré simultanément. 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 de Newton n'avait qu'un domaine limité de validité. 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 galaxies 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 XX^e 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 mis un terme définitif à l'âge d'or de la mécanique de 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 et Marie Curie, France
• 1897 : électron, Joseph John Thomson, Royaume-Uni
• 1898 : polonium, 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. 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 alpha et bêta) et que la radioactivité s'accompagne d'une transmutation. Il découvre aussi que les atomes comportent un noyau, sorte de graine positive.

Ère informatique

Toute information peut être 'stockée' et être 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 météologie). Ceci va profondément aider les sciences expérimentales à généraliser sa méthode et éliminer toutes les pseudo hypothèses qui renaissent de façon récurrente.