Pourquoi ce titre ? Un peu par modestie et puis j'avais bien aimé il y a quelques années " une histoire de la musique " ainsi baptisée parce que l'auteur avait bien aimé " une histoire de la littérature " de Kléber HAEDENS.

La physique : j'espère que personne ne doute ici que, les mathématiques mises à part -mais sont-elles une science ?- la physique est la science fondamentale, celle sur laquelle toutes les autres, chimie, médecine, botanique, biologie, ... s'appuient.

La physique se doit d'être cohérente, précise et prédictive :
- Précise, la physique l'est en ce sens que les conclusions auxquelles on aboutit doivent pouvoir être vérifiées. Pour le philosophe anglais Karl POPPER, ce qui caractérise la physique est la possibilité que nous avons de pouvoir la réfuter.
- Prédictive: "ce qui parle en faveur d'une théorie, plus encore que son aptitude à expliquer de phénomènes déjà constatés, c'est sa capacité d'en prédire de nouveaux, inconnus jusque là, mais que l'on peut vérifier". Ceci ne veut toutefois pas dire que la physique est déterministe.
- Cohérente car elle doit reposer sur un nombre limité de postulats. Il ne faut évidemment pas qu'il y ait autant de principes que de situations; ou alors, les principes ne sont que des recettes. Cette cohérence, cette logique sont nécessaires mais elles caractérisent finalement plus la physique qui s'enseigne au risque de la scléroser que la physique qui se fait et qui est surtout affaire d'imagination.

On a pu dire des physiciens qu'ils sont des conservateurs révolutionnaires :
- conservateurs parce qu'ils essaient d'appliquer d'abord les théories existantes, quitte à en étendre de façon déraisonnable le champ d'application ;
- révolutionnaires ensuite parce que si les théories existantes ne marchent pas, alors, tout est permis.

Le grand physicien allemand Max PLANCK tempère quelque peu cette audace dans son style inimitable :

"Une vérité scientifique ne s'impose pas tant par le fait que ses adversaires soient convaincus de sa valeur et s'y convertissent, mais bien plutôt que ses adversaires disparaissent progressivement en passant de vie à trépas et que la nouvelle génération fait d'office confiance à cette vérité."

Faire de la physique, c'est d'abord rechercher une explication, c'est-à-dire une harmonie. Or, il n'est pas sûr que cette harmonie existe. Je citerai EINSTEIN :

"Ce qu'il y a de plus incompréhensible, c'est que le monde est compréhensible"

Enfin, la physique est une science expérimentale. Les faits sont têtus et l'expérience est le juge qui peut détruire les théories les plus séduisantes. Il arrive parfois que les physiciens prennent quelque liberté avec l'expérience. On discute encore pour savoir si GALILEE a réellement fait les expériences qu'il décrit. Je citerai une dernière fois EINSTEIN parlant de Max PLANCK :

"C'était un des êtres les plus intelligents que j'aie jamais connus. Mais, pendant l'éclipse de 1919, il est resté debout toute la nuit pour voir si elle allait confirmer la déviation de la lumière dans le champ gravitationnel du Soleil. S'il avait vraiment compris la façon dont la théorie de la relativité générale explique l'équivalence de la masse inerte et de la masse gravitationnelle, il serait allé se coucher comme moi.".

On admet en général que la physique naît avec GALILEE.

On distingue donc :
- la physique avant GALILEE, c'est-à-dire la physique aristotélicienne,
- la physique des XVII et XVIIIèmes siècles, essentiellement la mécanique et l'optique. A l'époque, on a surtout à faire avancer des bateaux à voile et à se repérer. Nous ne sommes donc pas surpris outre mesure que GALILEE et NEWTON se soient essentiellement intéressés à l'optique et à la mécanique, même si leurs travaux débordent largement ce cadre étroit.
- au XIX^ème siècle, l'existence de la machine à vapeur conduit à la naissance de la thermodynamique. Les physiciens disposent de générateurs électriques, essentiellement au départ des piles chimiques. L'électromagnétisme peut donc voir le jour. La physique apparaît donc extrêmement associée aux techniques de l'époque.
- le XX^ème siècle est celui du changement d'échelle, vers les infiniment grand et petit.

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En gros, à une exception près, nous allons suivre cette présentation chronologique et je vous propose le plan suivant :

PLAN

N.B. : Les paragraphes précédés de * ne sont pratiquement pas abordés

• Avant-Propos
• La physique avant Galilée - Aristote (-350)
    - la Terre est immobile ;
    - le repos existe en soi ; une force est nécessaire pour créer le mouvement qui cesse dès que la force n'agit plus.
• La naissance de la physique
    1° Les observations astronomiques (Tycho-Brahé) et les calculs (Képler)
    2° Galilée (1620) :
           - le mouvement est relatif et "le repos est un mouvement partagé"
           - les résultats des expériences sont les mêmes dans un bateau à quai et dans le même bateau en mouvement d'un port à un autre.
  *3° Descartes (1660), Huyghens (1670) et Leibniz (1680)
• Newton et ses disciples
    1° Newton (1690) :
           - les mathématiques nécessaires au principe fondamental
           - la pomme et l'attraction universelle
           - le génie et les défauts de Newton.
  *2° Lagrange (1780), Laplace (1800), Hamilton (1830)
    3° Le Verrier (1840) et les premiers écarts à la théorie
• Le XIXème siècle
    1° Les ondes et l'électromagnétisme :
           *L'optique ondulatoire (Young, Huyghens et Fresnel)
           *La naissance de l'électromagnétisme (Ampère et Faraday 1820)
             L'effet Doppler (1840)
           *Les équations de Maxwell (1870)
    2° La thermodynamique et la naissance du concept d'énergie :
            Un précurseur Carnot (1820)
            La conservation de l'énergie (Clausius 1870) :
                   - l'idée de Leibniz
                   - une idée du premier principe de la thermodynamique
            L'application des statistiques, le problème de l'irréversibilité des phénomènes et l'entropie (Clausius, Gibbs, Boltzmann et Maxwell)
• Le XXème siècle
    1° La relativité (Einstein) :
            La relativité restreinte (1905)
          *La relativité générale (1920)
    2° La mécanique quantique :
            Les travaux de Balmer (1870)
          *Deux précurseurs: Planck et Einstein (190)
          *Les années vingt: les fondations (Bohr, de Broglie, Schrödinger et Heisenberg)
          *Les années trente: le développement (Pauli, Fermi, Dirac, Landau,)
  *3° La théorie des champs et la physique des particules à partir de 1950
    4° L'astrophysique :
            L'univers peut-il être stationnaire?
            La loi de Hubble (1930)
            L'expansion de l'univers
• Une modeste histoire des théories de la lumière
    1° Avant Huyghens et Newton
    2° Huyghens et Newton
    3° " Newton radote ", Fresnel et l'école française
    4° La théorie quantique
• En guise de conclusion.

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I/ Regardons brièvement quelle est la situation avant Galilée.

L'Eglise a fait sienne la position d'ARISTOTE qui distingue deux grandes disciplines :
- les mathématiques (y compris l'astronomie) qui s'intéresse à l'apparence des choses et vis à vis desquelles une relative tolérance est en général de mise ;
- la philosophie (y compris la philosophie naturelle, c'est-à-dire en gros la physique) qui s'intéresse à la réalité des choses et qui explique de façon raisonnée le monde. Là, la tolérance vis à vis des idées nouvelles est nettement moindre.

La force d'ARISTOTE est de concilier ces deux sciences.

Mais quelle est sa théorie ?
1° ARISTOTE n'a pas une idée très exacte de la notion de force; en plus il confond vitesse et variation de vitesse c'est-à-dire accélération. Le monde qu'il voit est petit, les moyens de locomotion sont le cheval et la voile. Alors, il remarque vaguement la force centrifuge et surtout il observe que si un bateau subit une risée, le matelot a tendance à tomber.
Ce sera le principal argument en faveur de l'immobilité absolue de la Terre: si celle-ci bougeait, tous les corps à sa surface resteraient en arrière.
2° ARISTOTE est myope en ce sens qu'il voit un monde petit, limité au Péloponèse et à la Macédoine. Il n'a d'ailleurs pas la moindre idée des dimensions astronomiques. La Terre lui paraît infinie. Elle seule dans l'Univers est immobile. Et ce géocentrisme plaira à l'Église. Du coup le caractère d'immobilité devient quelque chose de spécial à la Terre, de quelque chose de presque sacré. Le caractère d'immobilité est absolu, il s'oppose au mouvement. En d'autres termes, l'immobilité ou le mouvement d'un corps est une propriété intrinsèque de ce corps comme pourra l'être sa température. Mais la tendance de la nature est le repos. Si on exerce une force sur un corps, celui-ci est mis en mouvement; si la force cesse, le corps s'arrête. Le mouvement nécessite un moteur extérieur. Le mouvement ou la mise en mouvement (puisque la différence apparaît peu) ressemble à un changement d'état: le moteur de la mise en ébullition ou de la vaporisation d'une quantité d'eau est la source de chaleur.
3° Les astres flottent dans le ciel. S'ils ne tombent pas, c'est qu'ils sont légers. Aristote distingue plus généralement les mouvements violents qui nécessitent une force et sont contraires à la nature (mouvement d'une flèche, d'une pierre attachée à une corde,...) et les mouvements naturels vers le haut pour les corps légers, vers le bas pour les lourds.

Bien sûr, ARISTOTE a tout faux. On a beaucoup discuté pour savoir s'il avait du génie. Ses détracteurs ont pu prétendre que sa physique est celle du sens commun, celle qui plaît à celui qui n'a aucune culture scientifique mais qui utilise son intelligence. Notons qu'ARISTOTE s'est également intéressé à la biologie, qu'il est l'auteur d'écrits politiques, économiques et métaphysiques. Et, en physique, même plusieurs milliers d'années plus tard, on est frappé par la perfection architecturale de la théorie. Il a fallu attendre vingt siècles et l'arrivée de GALILEE pour que cet échafaudage s'écroule. Mais cela n'a bien sûr pas été immédiat. Chez MOLIERE, dans les femmes savantes, ARISTOTE est toujours d'actualité.

Plus tard, l'astronome grec PTOLEMEE essaie d'interpréter géométriquement les mouvements des planètes les plus proches et l'astronome danois TYCHO-BRAHE fait des observations d'une qualité qui restera longtemps insurpassée. Ni l'un ni l'autre ne remettent en cause la théorie d'ARISTOTE.

Les travaux de TYCHO-BRAHE sont importants pour la suite car ses mesures deviennent assez précises à tel point que l'on commence à avoir une idée des dimensions astronomiques. TYCHO constate que des comètes passent derrière la Lune et dans le sens rétrograde. Les sphères de cristal, rigides et concentriques, sur lesquelles on avait pu imaginer que les astres étaient "peints", n'existent donc pas.

 II/ Avant GALILEE et en même temps que lui, deux précurseurs remettent partiellement en cause cette théorie. Citons les parce qu'ils sont célèbres. Il s'agit de COPERNIC et de KEPLER.
La révolution est en fait mathématique.

Les observations astronomiques sont pour COPERNIC compatibles avec l'hypothèse d'un mouvement circulaire de la Terre autour du Soleil.
Les progrès de l'optique font que KEPLER obtient des résultats plus précis. Ses calculs montrent que le mouvement des planètes est elliptique et que la période de ces mouvements c'est-à-dire l'année planétaire est proportionnelle à la puissance 3/2 du grand axe de l'ellipse. Rappelons à ceux qui ne connaissent pas les coniques qu'une ellipse est la courbe qui s'obtient en plantant deux piquets dans le sol. Une corde fermée sur elle-même, de longueur supérieure à la distance entre les deux piquets, est tendue par un bâton dont une extrémité qui frotte sur le sol trace une courbe qui est une ellipse dont les foyers sont les piquets. Si les piquets sont très proches l'un de l'autre, l'ellipse est très voisine d'un cercle.

Mais il n'y a rien de plus du point de vue physique dans les calculs de KEPLER que dans les tables de TYCHO-BRAHE. Il ne s'agit pas d'une remise en cause profonde de la théorie d'ARISTOTE.

Enfin, COPERNIC et KEPLER sont maintenant à peu près illisibles.

III/ Arrive alors GALILÉE. C'est un esprit universel. Ses travaux concernent les mathématiques (c'est son métier), la mécanique y compris la résistance des matériaux, l'astronomie et l'optique. C'est un des premiers savants à s'intéresser au peuple, c'est-à-dire à la technique de son époque. Il s'occupe également de médecine, de musique (son père est un musicien encore joué de nos jours), un grand écrivain et un poète apprécié. Bref, à la différence de NEWTON, c'est quelqu'un de tout à fait fréquentable.

1° GALILÉE n'est probablement pas l'inventeur de la lunette astronomique qui porte son nom. Rappelons ici qu'une lunette ne comporte que des lentilles en verre alors qu'un télescope associe des lentilles et des miroirs.

GALILÉE n'est probablement pas le meilleur astronome du moment. Mais il perfectionne suffisamment son instrument pour voir des milliers de corps célestes. D'autres avaient vu la même chose, d'autres avaient vu plus de choses mais personne n'est impressionné comme il l'est. Il voit des montagnes sur la lune et il constate que Jupiter a comme la Terre des lunes. Il observe minutieusement les taches du Soleil, il les voit évoluer et en conclut que le Soleil tourne sur lui-même. Il en arrive à penser que la prétendue perfection de l'univers est illusoire, qu'il y a des objets dans le ciel analogues à la Terre qui n'a plus aucune raison d'être le seul objet immobile.

2° Il fait donc sienne la théorie de COPERNIC mais va beaucoup plus loin. A partir du moment où la Terre n'est plus considérée comme immobile, l'immobilité apparente des corps terrestres n'est plus qu'un mouvement partagé, pour reprendre le mot de Françoise BALIBAR.
Le repos n'existe plus en tant que tel. Les faits sont têtus, ils sont aussi ténus. Mais GALILÉE a confiance en lui et publie ses idées dans deux ouvrages écrits en italien et non en latin et maintenant traduits en français. Celui qui fait le plus de bruit est édité en 1632: c'est le " Dialogue concernant les deux plus grands systèmes du Monde " qui aura un retentissement immense et qui se présente comme une conversation entre 3 personnages :
- Salviati : porte parole de GALILÉE,
- Sagredo : honnête homme sans préjugés, celui qu'il faut convaincre,
- Simplicio : tenant de la tradition aristotélicienne, l'autre grand système du Monde.

GALILÉE est donc le premier vulgarisateur puisque sa théorie est écrite dans une langue vulgaire et qu'elle est présentée de façon accessible. Mais je vais laisser GALILÉE faire la conférence à ma place. Vous n'y perdrez pas au change. Vous avez sous les yeux quelques passages:

 " L'entrée en scène de la physique, au sens moderne du terme "

SALVIATI : Considérons d'abord simplement l'immense masse que constitue la sphère étoilée comparée à la petitesse du globe terrestre, qui y est contenu plusieurs millions de fois, pensons en outre quelle vitesse doit avoir son mouvement de révolution complète en un jour et une nuit; pour ma part, je ne puis me persuader que ce soit plus raisonnable et facile à croire: la sphère céleste ferait le tour et le globe terrestre resterait immobile!

SAGREDO: (...) celui qui jugerait plus raisonnable de faire se mouvoir tout l'univers afin de maintenir la stabilité de la Terre me paraîtrait plus déraisonnable encore que l'homme qui, montant au sommet de votre Coupole pour donner un coup d'oeil à la ville et à sa campagne exigerait alors, pour ne pas se fatiguer en tournant la tête, qu'on fasse tourner tout le paysage autour de lui.

(...)

SALVIATI : ...le mouvement est mouvement et agit comme mouvement, en tant qu'il est en relation avec des choses qui en sont privées; mais, pour ce qui concerne les choses qui y participent toutes également, il n'agit nullement et il est comme s'il n'était pas. Ainsi, les marchandises dont un navire est chargé se meuvent en tant que, quittant Venise, elles passent par Corfou, par la Crète, par Chypre, et vont à Alep; lesquels Venise, Corfou, Crète, etc., demeurent et ne se meuvent pas avec le navire; mais, pour ce qui concerne les balles, caisses et autres colis dont le navire est rempli et chargé, et respectivement au navire lui-même, le mouvement de Venise en Syrie est comme nul et ne modifie en rien la relation qui existe entre eux; cela, parce qu'il est commun à eux tous et que tous y participent. Et si, parmi les marchandises qui se trouvent dans le navire, une des balles s'écartait d'une caisse -ne serait-ce que d'un seul pouce- cela constituerait pour elle un mouvement plus grand, relativement à la caisse, que le voyage de deux mille milles fait par elles ensemble.

SIMPLICIO : Cette doctrine est bonne, solide, et conforme à l'école des péripatéticiens.

SALVIATI : Je la tiens pour plus ancienne; je ne doute pas qu'Aristote qui l'a apprise à bonne école, ne l'ait entièrement comprise; mais je me demande si en la retranscrivant sous forme altérée, il n'est pas à l'origine d'une confusion transmise par ceux qui veulent soutenir chacun de ses propos. Quand il écrit que tout ce qui se meut se meut sur quelque chose d'immobile, je me demande s'il n'a pas voulu dire que ce qui se meut se meut respectivement à quelque chose d'immobile, cette dernière proposition ne soulevant aucune difficulté, alors que la première en soulève beaucoup... Il est donc manifeste que le mouvement qui se trouve commun à plusieurs mobiles est oiseux et comme nul s'agissant des relations entre ces mobiles, parce que rien ne change entre eux; il n'agit que sur la relation que ces mobiles entretiennent avec d'autres qui sont privés de mouvement, leurs positions au sein de ces derniers se trouvant changées.(...)

(...)

SIMPLICIO : Il y a par ailleurs l'expérience si caractéristique de la pierre qu'on lance du haut du mât du navire: quand le navire est au repos, elle tombe au pied du mât; quand le navire est en route, elle tombe à une distance égale à celle dont le navire a avancé pendant le temps de la chute de la pierre; et cela fait un bon nombre de coudées quand la course du navire est rapide. (...)

SALVIATI : (...) Vous dites: quand le navire est à l'arrêt, la pierre tombe au pied du mât, et quand le navire est en mouvement, elle tombe loin du pied; inversement donc, quand la pierre tombe au pied du mât, on en conclut que le navire est à l'arrêt, et quand elle tombe loin du mât, on en conclut que le navire est en mouvement; comme ce qui arrive sur le navire doit également arriver sur la Terre, dès lors que la pierre tombe au pied de la tour, on en conclut nécessairement que le globe terrestre est immobile. (...)
Avez-vous jamais fait l'expérience du navire?

SIMPLICIO : Je ne l'ai pas faite mais je crois vraiment que les auteurs qui la présentent en ont soigneusement fait l'observation; (...)

SALVIATI: (...) ... et il trouvera en effet que l'expérience montre le contraire de ce qui est écrit: la pierre tombe au même endroit du navire, que celui-ci soit à l'arrêt ou avance à n'importe quelle vitesse.

SALVIATI : Enfermez-vous avec un ami dans la plus vaste cabine d'un grand navire et faites en sorte que s'y trouvent également des mouches, des papillons et d'autres petits animaux volants, qu'y soit disposé un grand récipient empli d'eau dans lequel on aura mis des petits poissons; suspendez également à bonne hauteur un petit seau et disposez le de manière à ce que l'eau se déverse goutte à goutte dans un autre récipient à col étroit que vous aurez disposé en dessous; puis, alors que le navire est à l'arrêt, observez attentivement comment ces petits animaux volent avec des vitesses égales quel que soit l'endroit de la cabine vers lequel ils se dirigent; (...) si vous lancez quelque objet à votre ami, vous ne devrez pas fournir un effort plus important selon que vous le lancerez dans telle ou telle direction, à condition que les distances soient égales; et si vous sautez à pieds joints, comme on dit, vous franchirez des espaces semblables dans toutes les directions.
(...) Faites se déplacer le navire à une vitesse aussi grande que vous voudrez; pourvu que le mouvement soit uniforme et ne fluctue pas de-ci de-là, vous n'observerez aucun changement dans les effets nommés, et aucun d'entre eux ne vous permettra de savoir si le navire avance ou bien s'il est arrêté: si vous sautez, vous franchirez sur le plancher les mêmes distances qu'auparavant et, si le navire se déplace, vous n'en ferez pas pour autant des sauts plus grands vers la poupe que vers la proue, bien que, pendant que vous êtes en l'air, le plancher qui est en dessous ait glissé dans la direction opposée à celle de votre saut; si vous jetez quelque objet à votre ami, il ne faudra pas le lancer avec plus de force pour qu'il lui parvienne, que votre ami se trouve vers la proue et vous vers la poupe, ou que ce soit le contraire; (...) enfin les papillons et les mouches continueront à voler indifféremment dans toutes les directions. Et on ne les verra jamais s'accumuler du côté de la cloison qui fait face à la poupe, ce qui ne manquerait pas d'arriver s'ils devaient s'épuiser à suivre le navire dans sa course rapide.

extrait du Dialogue concernant les deux plus grands Systèmes du Monde cité dans Galilée, Newton lus par Einstein par F. Balibar (op.cit.)

 L'argument essentiel de GALILÉE en ce qui concerne l'hypothèse du mouvement terrestre est un argument d'économie ou de simplicité, presque d'ordre esthétique. EINSTEIN saura s'en souvenir.
La relativité du mouvement est évidemment bien perçue. En langage moderne c'est-à-dire corrigé par NEWTON, POINCARE et EINSTEIN, les lois physiques sont les mêmes dans deux référentiels en translation rectiligne uniforme l'un par rapport à l'autre. Le vol des papillons a davantage de poésie.

3° Mais GALILEE se trompe doublement. D'abord, il n'a pas lu KEPLER et les mouvements qu'il croit être circulaires sont en réalité elliptiques. Mais surtout, le mouvement le plus naturel, le moins violent, celui qui est le plus susceptible d'être considéré comme nul, celui qui ramène au point de départ ne peut être pour GALILEE que le mouvement circulaire qui peut être répété infiniment et auquel il attribue en réalité les propriétés du mouvement rectiligne uniforme. GALILEE rejette le mouvement rectiligne qui, pour être éternel, nécessite un univers infini. GALILEE, chrétien sincère, n'émet pas une telle hypothèse qui lui paraît sacrilège. Corrigeons donc et faisons une entorse à l'histoire.

Mouvement rectiligne uniforme et immobilité sont donc la même chose. C'est une affaire de point de vue. Nous dirons en physique moderne qu'il s'agit d'une affaire d'observateur ou plutôt de référentiel.

4° GALILÉE, empêtré dans son mouvement circulaire en arrive pourtant presque au principe d'inertie: un corps qui n'est plus soumis à aucune force continue son mouvement puisque vu autrement, il paraîtrait immobile. Changeons de point de vue: si un corps est au repos est qu'il n'est soumis à aucune force, il reste au repos.

5° L'objet qui tombe du haut du mât d'un navire.
Un objet qui tombe du haut du mât arrive au pied de celui-ci quand le bateau est à quai. Qu'en est-il quand le bateau avance?
GALILÉE prétend que l'expérience montre qu'il en est de même. Pour un observateur sur le quai, l'objet a acquis une certaine vitesse horizontale, celle du bateau et sa trajectoire est parabolique. Cette composante horizontale va être conservée et l'objet arrive en bas du mât. Cette vision moderne des phénomènes est correcte mais semble de portée limitée: n'est-elle pas valable parce que les équations des mouvements verticaux et horizontaux sont découplées?
Pour un observateur sur le bateau, le mouvement de l'objet est une chute libre. Rien ne distingue pour les expériences qui sont faites à bord le bateau à quai du bateau en mouvement.

6° GALILÉE se trompe souvent: son interprétation de la pression en un point d'un liquide sera corrigée, après les expériences de TORRICELLI élève de GALILEE, par PASCAL. Sa théorie des comètes est également mauvaise.
Mais il est souvent génial. Ses expériences sur la chute libre des corps probablement lâchés du haut de la tour de Pise, après avoir été très critiquées par certains historiens qui en contestaient même la réalité, sont maintenant admises comme réelles. GALILEE n'a pas une idée très claire de la force. Mais son interprétation du fait que tous les corps ont la même loi de chute est tout à fait moderne: la masse a une double signification, gravitationnelle dira NEWTON et inertielle. Si l'une augmente, l'autre croît dans les mêmes proportions et le résultat, la loi de chute reste la même.

Faisons un aparté sur le rôle de l'expérience en physique. GALILEE s'est vanté d'avoir fait les expériences de chute libre après coup. On peut d'ailleurs douter que la précision des mesures possibles à l'époque ait pu lui permettre de tirer des conclusions définitives. La précision des mesures possibles maintenant aurait d'ailleurs probablement tout embrouillé. Il s'agit en réalité d'une expérience de pensée (Gedankenexperiment de MACH) dont les physiciens se servent souvent. NEWTON parlera du mouvement des corps dans le vide qu'il n'aura jamais pu réaliser.

  IV/ NEWTON naît l'année de la mort de GALILÉE. Le hasard fait parfois bien les choses.
1° Tous les deux ont la même originalité : ils sont des mathématiciens hors-pair mais sont à la fois habiles de leurs mains et très intéressés par la technique.
- Comme mathématicien NEWTON développe en même temps que LEIBNIZ l'analyse c'est-à-dire les calculs différentiel et intégral et surtout, pour ce qui nous occupe, l'étude des mouvements. Il comprend le caractère vectoriel des notions de vitesse et d'accélération. Pour rester simple, il comprend que la vitesse peut varier de deux façons, en intensité (c'est l'accélération ou le freinage au sens trivial du terme) et en direction. Dans un mouvement circulaire uniforme (c'est-à-dire à vitesse constante, il n'est pas évident qu'il y a un vecteur accélération dirigé vers le centre). Disons pour simplifier qu'il est capable de saisir très vite la notion de force centrifuge.
- comme physicien et technicien, NEWTON met au point un télescope dont le principe est encore utilisé de nos jours. Il réalise les premières expériences de décomposition et de recomposition de la lumière.
Bref, NEWTON a parfaitement assimilé les leçons de GALILEE et il possède des outils bien supérieurs.

2° GALILÉE était pratiquement arrivé au principe d'inertie: un corps soumis à un ensemble de forces de somme nulle possède un point animé d'un mouvement rectiligne uniforme, c'est-à-dire d'accélération nulle. Mais il lui manquait la perception fine des notions de force et de cinématique que possède NEWTON.
Celui-ci comprend en effet rapidement la notion de force dont il repère les effets par rapport à son absence :
          force nulle, F = O : vecteur vitesse V constant
          force non nulle, vecteur vitesse V varie.
F est liée à la variation du vecteur vitesse qu'on appelle accélération : F = ma (autrefois F = m g ).

Exercée parallèlement au mouvement initial, cette force est capable de freiner ou d'accélérer (au sens de faire aller moins vite ou plus vite) un objet, la trajectoire restant la droite support de la vitesse initiale.

Exercée autrement, la force courbe la trajectoire. L'accélération due à cette courbure vaut V²/R, R étant le rayon de courbure de la trajectoire. NEWTON sait parfaitement que la force centrifuge (quittons pour les puristes le référentiel galiléen) vaut F= m.V²/R.

NEWTON peut traiter les problèmes de chute libre et de balistique, c'est-à-dire le mouvement (en gros parabolique) des projectiles.

3° Mais que fait la Lune dans le Ciel? Pourquoi ne tombe-t-elle pas? Il faut situer ici l'anecdote de la pomme. Peut-être pure invention mais invention due à NEWTON lui-même.

Vacances 1665 à Woolthorpe. Le soir. Un verger, un pommier, une pomme qui tombe, la Lune qui ne tombe pas. Pourquoi?

Et puis soudain, l'illumination. La Lune tombe et sa trajectoire s'incurve comme celle d'un projectile. Et cette courbure est juste celle qui la maintient à distance constante de la Terre dans un état de chute permanent.

4° La Lune est donc attirée par la Terre. Que vaut cette force d'attraction? Le jeune NEWTON reprend le cas d'une planète sur sa trajectoire circulaire de rayon R qui nous suffira ici.

KEPLER a vérifié expérimentalement que le carré de la période T est proportionnel au cube du rayon de la trajectoire T = a R^3/2. Or, T = 2p R/V. On en déduit V = ß R^-1/2. La force responsable de la courbure de la trajectoire vaut F = mV²/R donc F = g m/R².

(NB: les lettres grecques a , ß et g signifient "proportionnel à")

5° NEWTON maîtrise parfaitement son sujet. Il affinera les résultats obtenus :
- il va montrer que la force centrale en R^-2 entraîne que les planètes ont une trajectoire elliptique dont le Soleil est un des foyers. Ce problème posé par HALLEY et qui n'est pas trivial avait fait sécher un bon nombre de physiciens de l'époque dont Robert HOOKE, probablement parce qu'ils cherchaient à placer le Soleil au centre de l'ellipse; il retrouve tous les résultats de KEPLER (trajectoires planes, constance de la vitesse aréolaire) et montrent que ce sont des conséquences du caractère central de la force de gravitation ;
- il énonce le principe d'action réaction qui dit que l'action du Soleil sur une planète est l'opposé de l'action de cette planète sur le Soleil. La loi de l'attraction universelle entre 2 masses m et m' s'écrit donc en réalité F = Gmm'/R². c'est la célèbre loi de NEWTON dite de l'attraction universelle ;
- il reprend les expériences de GALILÉE sur les balles de tennis (pardon pour cet anachronisme) et vérifie (en réalité sur des pendules) que le mouvement des corps dans le champ de pesanteur est indépendant de leur masse. Il comprend que mathématiquement cela vient de la simplification par m:

F = ma = Gmm'/R²

mais que physiquement cela pose un problème: le m de gauche n'est pas le m de droite. Et que ce qu'il fait c'est identifier la masse d'inertie et la masse de gravitation.
- il s'attaque au caractère non ponctuel des planètes et balaie les dernières objections que pouvaient faire ses contemporains.
- il balaie la théorie des tourbillons de DESCARTES chère à ceux qui ne pouvaient s'imaginer que les forces ne peuvent s'exercer que par contact.

6° L'édifice laissé par NEWTON est impressionnant. Mais il n'est peut-être pas inutile de donner quelques mots de la personnalité de NEWTON, personnage fort peu sympathique auquel on ne trouve que des défauts (mesquinerie, malhonnêteté intellectuelle dans ses rapports avec ses contemporains LEIBNIZ, HUYGENS, HOOKE, FLAMSTEED, cruauté dans sa charge de contrôleur des finances, avarice,..).
Sa théorie de la gravitation utilise des éléments de géométrie discutables si on les prend au pied de la lettre alors qu'il est un des fondateurs de l'analyse moderne. Il est donc pratiquement sûr que NEWTON était capable d'écrire ses Principia dans un langage plus moderne et scientifiquement indiscutable. S'il ne l'a pas fait, c'est probablement qu'à la même époque LEIBNIZ, autre fondateur de l'analyse moderne, utilise des notations beaucoup plus simples. L'utilisation de mathématiques élaborées aurait conduit à une comparaison défavorable à NEWTON.
Le génie et la personnalité de NEWTON sont tels qu'il écrase le siècle suivant, surtout en Angleterre où l'idolâtrie dont il fait l'objet n'est que fort peu féconde.
C'est en France que les travaux de NEWTON seront le plus intelligemment étudiés et utilisés et où les continuateurs de NEWTON seront les plus productifs. Citons LAGRANGE, LAPLACE notamment et le physicien irlandais HAMILTON.
Enfin, NEWTON s'est beaucoup intéressé à la chimie ou plutôt à l'alchimie. Le résultat de ses travaux dans ce domaine est à peu près nul. Peut-être l'intelligence du chimiste n'est-elle pas celle du mathématicien?

V/ Une physique est très convaincante quand elle est prédictive. Or la théorie de NEWTON va expliquer les comètes sur lesquelles avait buté GALILEE et prévoir les futurs passages de la comète de HALLEY, du nom d'un astronome l'un des rares contemporains de NEWTON avec lequel le maître se soit entendu.

La gravitation est le moteur des satellites du XX^ème siècle.

NEWTON avait pressenti que la gravitation s'exerce aussi entre les planètes dont le mouvement va être ainsi perturbé. Ironie de l'histoire, une double anecdote va correspondre au triomphe de NEWTON et aux premiers écarts à sa théorie :
1° La planète Uranus a un mouvement plus irrégulier que ne le laisse prévoir la théorie. Indépendamment ADAMS et LE VERRIER attribuent cette anomalie à une planète Neptune effectivement découverte par l'astronome allemand GALLE en 1846 quelques mois après la publication des calculs de LE VERRIER. C'est le triomphe de NEWTON : on prédit la position des planètes.
2° La même anomalie est constatée sur le mouvement de Mercure. Mais le miracle ne se renouvelle pas : la planète Vulcain prévue par LE VERRIER n'existe pas. Ce sera une des gloires d'EINSTEIN et une des preuves les plus convaincantes de la véracité de la relativité générale que d'expliquer cette anomalie.

Les siècles précédents avaient été ceux de la mécanique et de l'optique. Pour simplifier, disons que le XIX^ème sera largement celui de la thermodynamique et de l'électricité.

La thermodynamique naît en effet au début du XIX^ème siècle. Ce n'est pas un hasard. NEWTON et GALILEE sont de l'époque de l'optique et de la mécanique, du temps où apparaissent les premiers bons instruments d'optique et où on cherche à perfectionner les bateaux à voile, les treuils, les palans et les leviers. Le XIX^ème commençant voit l'apparition des machines à vapeur.
La fabrication de celles-ci relève de l'empirisme le plus total, ce que remarque un très jeune physicien de génie Sadi CARNOT. Mais la thermodynamique va commencer par un loupé: les travaux de CARNOT sont, il est vrai, théoriques, abstraits et difficiles. Pourtant, Sadi CARNOT est polytechnicien, fils de Lazare, donc membre d'une famille très connue. Mais ses travaux viennent trop tôt. CARNOT a compris le deuxième principe, le plus difficile, avant le premier. Il a clairement perçu la nécessité de la source froide et le sens des échanges; il n'a pas compris la conservation de l'énergie, ce qui va brouiller les pistes.

LE XIX^ème siècle

A) De toute la physique des ondes, de l'électricité ou plutôt de l'électromagnétisme, à regret, je ne dirai pas grand chose. On ne peut pas tout traiter. Peut-être quelqu'un vous parlera-t-il d'AMPERE, de FARADAY et de MAXWELL une autre fois.
1° Une onde est caractérisée par une source qui émet un signal en général répétitif (on dit en physique périodique) qui se reproduit toutes les T secondes. Ce signal est transporté par le milieu ambiant et il arrive en des points qui peuvent être fort éloignés de la source.
Les ondes diffèrent les unes des autres par la nature du signal, la valeur de la période T de l'émission et la vitesse de propagation c. Le produit de c par T est la longueur d'onde. Le traitement mathématique des problèmes que posent les ondes a été maîtrisé au XIXème siècle.
2° Dans le cas des ondes sonores, le signal qui ne peut se propager que dans l'air (ou un autre milieu matériel) est une petite surpression ou dépression et la vitesse de propagation dans l'air est de 330 m/s. Les sons audibles ne sont qu'une petite partie des ondes de ce type. Un son de faible période (quelques millionièmes de seconde) est aigu (ou ultrasonore s'il dépasse les possibilités de l'oreille humaine), un son de grande période (quelques centièmes de seconde) est grave (ou infrasonore).
3° Le cas des ondes électromagnétiques: Sous ce vocable un peu barbare, on désigne un grand nombre de phénomènes: la lumière, les ondes radio et radar, les rayons X,...Le signal est un champ que nous n'expliciterons pas et qui peut se propager dans le vide où sa vitesse de propagation est de 3*10⁸ m/s. L'œil humain ne voit qu'une infime partie des ondes dont les périodes sont de l'ordre du millionième du milliardième de seconde; dans ce domaine, les grandes périodes correspondant au rouge, les petites au violet. Quand on sort du spectre visible, on va, pour les grandes périodes, vers l'infrarouge et les ondes radar puis radio, pour les petites vers l'ultraviolet et les rayons X.

Grâce au physicien écossais James Clerk MAXWELL, on est arrivé vers 1870 à faire la synthèse des phénomènes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques se propagent en obéissant à 4 équations célèbres dans le monde de la physique appelées équations de MAXWELL qui nous intéressent particulièrement car elles vont jouer en plus un grand rôle dans la naissance de la relativité.

LES EQUATIONS DE MAXWELL

établies en 1856 ; ici, écrites en notation moderne

¶ / ¶ t ¶ / ¶ t + m ₀

div = div = 0

4° Je voudrais juste dire un mot d'un phénomène qui n'a peut-être pas un caractère aussi fondamental que le reste mais qui aura une grande importance dans la suite. C'est le phénomène qui porte le nom d'effet DOPPLER et qui se produit quand la source (lumineuse ou sonore) et le récepteur (l'antenne, l'oeil ou l'oreille) sont en mouvement l'un par rapport à l'autre. Il est clair que deux parties identiques du signal (car celui-ci est périodique) émises successivement ne vont pas parcourir le même chemin et qu'elles seront reçues séparées par un intervalle de temps T' période apparente différente de T.
On constate et on montre que si source et récepteur s'éloignent l'un de l'autre,
- un signal audible est reçu plus grave; ce phénomène est un peu analogue à celui qu'on constatait sur les vieux tourne-disques quand on passait en 33 tours un disque prévu pour tourner à 45 tours par minute (ou l'inverse) ;
- un signal lumineux visible est vu décalé vers le rouge: émis violet ou bleu, il peut être vu comme vert, orange, rouge ou même infrarouge: ce phénomène est connu sous le nom du red shift.

B) La thermodynamique naît au début du XIX^ème siècle. Ce n'est pas un hasard. NEWTON et GALILÉE sont de l'époque de l'optique et de la mécanique, du temps où apparaissent les premiers bons instruments d'optique et où on cherche à perfectionner les bateaux à voile, les treuils, les palans et les leviers. Cette mécanique reste simple; elle s'applique bien au système solaire où les frottements habituels n'existent pas. Mais ce n'est pas le cas général des transformations qui se passent sur Terre. Et le XIX^ème siècle commençant voit l'apparition des machines à vapeur.
La fabrication de celles-ci relève de l'empirisme le plus total, ce que remarque un très jeune physicien de génie Sadi CARNOT. Mais la thermodynamique va commencer par un loupé: les travaux de CARNOT sont, il est vrai, théoriques, abstraits et difficiles. Pourtant, Sadi CARNOT est polytechnicien, fils de Lazare, donc membre d'une famille très connue. Mais ses travaux viennent trop tôt. CARNOT a compris le deuxième principe, le plus difficile, avant le premier. Il a clairement perçu la nécessité de la source froide et le sens des échanges; il n'a pas compris la conservation de l'énergie, ce qui va brouiller les pistes. Une autre difficulté était "la puissance du raisonnement mécanique", capable d'utiliser des principes allant du très grand au très petit. Dans ces conditions, une science nouvelle trouve difficilement sa place.

La thermodynamique est souvent considérée comme la partie la plus abstraite donc la plus difficile de la physique. Deux grandeurs, bien abstraites, l'énergie et l'entropie vont jouer un rôle fondamental. Pour simplifier, le 1er principe de la thermodynamique postule la conservation de l'énergie: on obtient une condition nécessaire pour que des transformations soient possibles. Mais, bien évidemment, si une transformation est effectivement observée, la transformation inverse vérifie également le principe de conservation de l'énergie. Or, dans la réalité, ce retour n'est pas possible: on n'a jamais vu une balle de caoutchouc mousse initialement au repos sur le sol faire des bonds de plus en plus grands tout en se refroidissant. Pourquoi?

Le second principe précise ce point. Il introduit la notion d'entropie qui mesure le degré de désordre de l'Univers. Afin de clarifier les choses, nous allons quitter l'approche qui est pratiquement restée jusque là purement chronologique.

1° Laissons donc provisoirement CARNOT et revenons à LEIBNIZ.
Prenons un pendule. Regardons le osciller. N'a-t-on pas un sentiment de pérennité. Bien sûr, il va finir pas s'arrêter. Mais, si les frottements sont réduits au minimum (oscillations dans le vide, axe sur roulements à billes bien lubrifiés,;.), le nombre d'oscillations va être très grand avant que le freinage ne se fasse sentir. A la limite, il est infini.
De la vitesse s'échange contre de l'altitude ou encore la somme d'un terme contenant la vitesse et d'un terme contenant de l'altitude reste constant. On appellera énergie cinétique le terme contenant la vitesse, énergie potentielle de pesanteur celui contenant l'altitude. La somme constante est l'énergie. Pour les systèmes de ce type, tout cela peut être trouvé à partir des équations de NEWTON.
Cela est vrai si le pendule oscille sans frottements et cela sera vrai pour tous les systèmes idéalisés de ce type. Si les contacts sont parfaits, le système {Terre + pendule} suffit à notre description du phénomène. La Terre contient en réalité surtout le champ de pesanteur et l'axe support avec lequel le pendule n'échange d'ailleurs pas d'énergie. On dit que le système Terre + pendule est isolé. Son énergie reste constante.
S'il y a des frottements, et il y en a toujours, on constate un échauffement de l'axe. De la chaleur apparaît. L'énergie mécanique diminue: elle n'est plus constante mais se transforme en chaleur.

2° On conçoit que les mesures de chaleur ne soient pas faciles.
On comprend qu'il n'est pas facile de penser que l'énergie cinétique, terme contenant la vitesse est homogène c'est-à-dire est mesurable avec même nature et mêmes unités que la chaleur qui apparaît.
Une grande partie de la difficulté vient de ce qu'il est malaisé de savoir ce qu'est la chaleur. Il a fallu le génie de CLAUSIUS pour clarifier la situation. C'est que pendant longtemps, deux écoles s'affrontaient :
- la première regroupait ceux pour qui, remarquant que la chaleur allait forcément du chaud vers le froid, étaient surtout sensibles au transfert: ils voyaient dans la chaleur quelque chose comme un fluide, le calorique, quelque chose qui va se conserver. Pour eux -et CARNOT était de ceux-là bien que ses derniers écrits attestent que ses convictions étaient en train de changer- cette notion de conservation était primordiale mais ils ne conservaient pas la bonne grandeur.
- la seconde faisait remarquer que par frottement, on fait naître autant de chaleur que l'on désire. La seule chose que l'on sache produire sans limitation, c'est le mouvement ou plutôt l'agitation. Tout cela est juste et bien vu mais il manquait à ces physiciens dont RUMFORD était le chef de file la possibilité de faire des mesures quantitatives et suffisamment précises pour rattacher cette agitation à autre chose. RUMFORD est un personnage étonnant dont un metteur en scène talentueux pourrait faire un film : espion, agent double, triple ou quadruple. Sa vie tient de celle de Beaumarchais, da Ponte ou Casanova. Il a rendu de grands services à la science puisqu'il a commencé par consoler la veuve de Lavoisier.

Les premiers résultats quantitatifs sur les échanges d'énergie réellement utilisables ont été l'œuvre d'un expérimentateur de génie James Prescott JOULE.
Et CLAUSIUS qui possédait l'intuition et les connaissances mathématiques qui faisaient défaut à celui-ci a pu mettre tout le monde d'accord.

3°Il ne s'agit pas d'énoncer ici le premier principe de la thermodynamique. Disons qu'il précise que l'énergie ainsi que les transferts d'énergie apparaissent sous de multiples formes. En réalité, il serait plus satisfaisant de raisonner pour un temps donné (1 seconde par ex.) et de parler de puissance.
Observons cette machine. Ce n'est pas celle de CARNOT. J'ai pris un ensemble moteur génératrice conçu par deux professeurs de l'académie.
Le 220 V alternatif de l'EDF est transformé en tension hachée 12-0 V par un système appelé justement hacheur.
Cette énergie électrique est transformée par le moteur en énergie mécanique. Ce moteur entraîne une génératrice qui fournit une tension continue qui alimente la lampe et qui transforme donc l'énergie mécanique en énergie électrique.
De la chaleur apparaît dans chaque appareil.

 

On obtient EEDF = EL + Q1 + Q2 + Q3 + Q4 et des relations intermédiaires par exemple, EM = EG + Q3

Le premier principe de la thermodynamique donne à l'énergie d'autres propriétés: il lui confère le statut de fonction d'état, c'est-à-dire finalement de coordonnée physique. Mais pour simplifier, on peut dire que l'énergie est essentiellement quelque chose qui se conserve. Le grand physicien américain Richard FEYNMANN en compare la conservation à celle du nombre de cubes que possède un gamin que la mère (qui va faire des courses) laisse enfermé dans l'appartement. Quand la mère s'en va, le gosse possède 25 cubes. A son retour, elle doit retrouver les 25 cubes, certains peut-être cachés sous le tapis ou dans l'eau de la baignoire. S'il en reste moins, c'est que certains ont été balancés par la fenêtre; si on en trouve davantage, c'est qu'un copain est venu.
La conservation de l'énergie, c'est aussi la possibilité de comptabiliser, c'est-à-dire d'ajouter des termes qui pourraient apparaître de natures (donc d'unités) différentes : chaleur, énergie électrique, énergie chimique ou nucléaire, énergie lumineuse,...
Cette conservation de l'énergie a résisté victorieusement à toutes les attaques des théoriciens et des expérimentateurs. La mécanique quantique en a modifié l'énoncé rigoureux mais en gros l'idée reste. La confiance dans cette conservation a même permis de penser que quelque chose de bien réel était passé inaperçu quand le bilan d'énergie donnait un déficit (radioactivité ß)

4° le problème de l'irréversibilité

Problème très difficile. Peut-être ai-je tort de l'aborder?
La machine peut-elle marcher à l'envers? Pas celle-là, globalement en tous cas. La lumière peut être transformée en énergie électrique mais pas de cette façon.
Pourtant, si on envoyait de la lumière sur la lampe et si toutes les énergies se manifestaient dans l'autre sens, on rendrait de l'énergie à l'EDF et la conservation de l'énergie serait vérifiée.
Remarquons que contrairement à ce qu'une observation superficielle pourrait faire croire, le moteur et la génératrice ne correspondent pas à deux fonctionnements rigoureusement inverses (au sens thermodynamique) d'une même machine. En effet, les deux appareils produisent de la chaleur. Il faudrait que l'un fasse du froid.

La chaleur qui, de ce point de vue, n'apparaît pas comme le contraire du froid, joue un rôle fondamental. C'est elle qui apparaît toujours dans le même sens et fait chuter les rendements. Elle correspond à des pertes.
Une autre façon de dire cela est que la chaleur, énergie d'agitation désordonnée, est de qualité médiocre, contrairement aux autres énergies, électriques ou mécaniques, mises en jeu.
Un moteur thermique, par exemple à essence, part de chaleur fournie par la combustion du carburant qu'il transforme en énergie mécanique. Les rendements ne dépassent pas 40%.
Un bon moteur électrique n'utilise pas comme matière première une énergie de basse qualité comme la chaleur. On obtient des rendements de l'ordre de 80%. Ces moteurs-là qui obéissent surtout à des impératifs de coût de fabrication et de solidité ont des rendements qui dépassent 50%, même dans des régimes de fonctionnement en commutation pour lesquels ils ne sont pas conçus.

CARNOT avait remarqué que les moteurs de l'époque (nous sommes en 1820 !) pouvaient être schématisés de la façon simple suivante: une masse de gaz est mise successivement en contact avec une source chaude S1 de température T1 puis avec une source froide de température T2 (T1 > T2). S1 peut représenter le carburant en feu, S2 le condenseur ou le liquide de refroidissement.
La plupart des observateurs voyaient dans l'existence de la source froide un moyen commode de ramener le gaz à son état initial. CARNOT est frappé par la nécessité de cette deuxième source car la chaleur "tombe" spontanément du chaud vers le froid.
CARNOT constate qu'un fonctionnement cyclique en moteur n'est possible que si S₁ fournit la chaleur Q₁ et S₂ la chaleur Q₂. La conservation de l'énergie à laquelle CARNOT ne croyait pas donne que le travail mécanique W vaut
W = Q₁-Q₂.

Énoncer un principe d'évolution revient à définir une grandeur qui doit varier dans un sens. C'est l'entropie S qui, pour un système isolé, doit avoir, après une transformation, une valeur supérieure à celle qu'elle avait avant. Le problème est d'en trouver l'expression. Commençons par quelques considérations :
- "Crise de l'énergie ou crise d'entropie?" se demande le chimiste américain Paul ATKINS. Les transformations physiques conservent l'énergie. La combustion des forêts, des carburants fossiles en général se font à énergie constante. Mais cette énergie se dégrade car elle est transformée en énergie de basse qualité, la chaleur, que de simples frottements suffisent à produire. La variation d'entropie doit témoigner de cette dégradation et la chaleur doit figurer dans son expression: on peut postuler que la variation d'entropie d'un système est proportionnelle à la chaleur qu'il reçoit.
Plutôt que de crise de l'énergie, on devrait parler de crise de l'entropie; ce terme est d'ailleurs tout aussi "vendable" dans certains milieux intellectuels. De l'énergie, nous en avons toujours autant, mais elle est de moins en moins accessible.
- Il est bien connu des géologues que de l'eau chaude souterraine est une source d'énergie d'autant mieux exploitable qu'elle est à température élevée. Dans la machine de CARNOT, la chaleur rejetée Q2 l'est dans une source froide et elle est perdue à moins qu'on ne dispose d'une troisième source S3 de température T3 < T2. On voit que cette dégradation est d'autant plus grande que la température est faible.

On peut donc proposer pour expression de la variation d'entropie quelque chose comme : DS = Q/T, formule symbole que les physiciens ne peuvent d'ailleurs utiliser qu'avec d'infinies précautions.

Pour le système de CARNOT,
- s'il n'y avait que les deux sources sans la machine, Q1 = Q2 qui va directement du chaud vers le froid. Dans ces conditions,
D S = Q2/T2 - Q1/T1 (D S > 0 puisque Q1 = Q2 et T1 > T2).
- avec la machine, D S a même expression. En effet, la source S1 à la température T1 perd Q1, S2 à T2 reçoit Q2; quant au moteur lui-même, il nous faut admettre qu'il ne crée pas d'entropie: son rôle est de créer de l'énergie de bonne qualité et il n'a aucune structure. Mais Q2, rendue à la source froide donc perdue, doit être suffisante pour que D S soit positive.

5° Pourquoi cette irréversibilité alors que les équations de NEWTON semblent admettre la réversibilité? Le système choisi, la machine de CARNOT ou la maquette que voici, est bien compliqué.
a) Prenons un système beaucoup plus simple: on pourrait choisir un objet qui se refroidit dans un environnement plus grand mais cela nécessiterait de parler savamment de la température. Alors envisageons la détente brutale d'un gaz qui double de volume: le gaz qui se trouve donc dans le compartiment de gauche va se répartir dans les deux récipients dès que l'on ouvre la communication.
Pourquoi la transformation inverse (gaz dans les deux récipients qui spontanément passe en entier à gauche) n'est-elle pas possible? Du point de vue des probabilités, c'est peu vraisemblable. En effet, une molécule a une probabilité 1/2 d'être à gauche. La probabilité de trouver toutes les molécules à gauche est (1/2)N. N étant très grand (1 suivi de 23 zéros), ce nombre est extrêmement faible.
b) Revenons à la transformation réelle: gaz à gauche qui se répartit dans les deux récipients. Voyons les choses d'une autre façon et prenons un argument dû à LIOUVILLE, BOLTZMANN, CLAUSIUS et GIBBS que j'essaie de ne pas caricaturer. Cet illustre parrainage me permet de me placer dans un espace des phases simplifié qui a un nombre de coordonnées égal à 3 fois le nombre de molécules du gaz.
Dans cet espace, le système est caractérisé par un point. Ce point a pour coordonnées x₁, y₁, z₁, x₂, y₂, z₂,...x_N, y_N, z_N, N étant le nombre de molécules du gaz, typiquement de l'ordre de 1 suivi de 23 zéros.
Dans l'état initial, toutes les molécules sont dans un volume V. Le volume de l'espace des phases accessible au point caractéristique du système est V^N. Argument : dans un espace à une dimension l'équivalent du volume est la longueur du cube L ; à 2 dimensions l'équivalent est la surface L²; à trois dimensions, c'est le volume L³ . Quand il y a 3N dimensions, il faut prendre L3N soit V puissance N.
Dans l'état final, le volume accessible au gaz est V+V' = 2´ V; celui de l'espace des phases accessible au point caractéristique du système est donc (2´ V)^N. Le rapport des deux volumes, probabilité que le point reste dans le volume initial est donc (V/2V)^N = (1/2)^N qui est très petite.
Le point caractéristique du système n'a aucune chance de rester dans le volume V. Ce nombre (1/2)^N apparaît comme un rapport de deux volumes dans un espace particulier.
Ce résultat est assez général. L'irréversibilité a une origine statistique.
MAXWELL disait, dans une lettre à lord RALEIGH, autre grand physicien :

"Le second principe a le même degré de vérité que l'affirmation selon laquelle si l'on jette un verre d'eau dans la mer, on ne peut pas en retirer le même verre d'eau."

c) Où on retrouve l'entropie :
On a raisonné sur des grandeurs mal commodes. Ce terme V^N augmente trop quand le volume double.
Ce volume V^N d'un espace à 3N dimensions est proportionnel au nombre W d'états accessibles au système. Si on prend comme système la réunion de deux systèmes ayant W ₁ et W ₂ états sans interaction, à chaque état de l'un correspond un état de l'autre. L'ensemble des deux aura donc W _{1 ´} W ₂ états possibles.
Or il est agréable de définir une fonction qui caractérise ce nombre d'états, qui n'augmente pas trop quand le nombre d'états double et qui soit additive, c'est-à-dire qui soit la somme des fonctions des états constituants. On reconnaît l'usage des logarithmes et on obtient la désormais célèbre fonction entropie

S = k Log W

qui caractérise le désordre et que la ville de Vienne a fait inscrire sur la tombe de Ludwig BOLTZMANN. Il faut dire que celui-ci, physicien génial et moins incompris qu'il ne pensait l'être mais dépressif, s'était suicidé.
Tout cela est, je vous l'accorde, bien difficile. Cela a été trouvé à une époque où l'existence des atomes et des molécules était encore plus que discutée. Les statistiques étaient dans les limbes. Mais CARNOT et CLAUSIUS avaient du génie.

5° Pourquoi cette irréversibilité (variante plus simple) alors que les équations de NEWTON semblent admettre la réversibilité ?
Pour une machine réelle, dans une transformation qui a effectivement lieu, de la chaleur se dégage : la flèche chaleur est, pour reprendre le mot de Stephen HAWKING, la flèche du temps. Cette apparition de la chaleur, énergie d'agitation de qualité médiocre, donne une augmentation de l'entropie. Reprenons la balle de tennis : pourquoi la balle chaude, globalement au repos sur la table (situation 1) ne peut-elle pas se refroidir et remonter (situation 2) ?

C'est qu'il y a un très grand nombre W ₁ de situations 1 et un très petit nombre W ₂ de situations 2 : W ₁ >>W _{2 .}
Comme il n'y a pas de raison pour que ces situations aient des probabilités très différentes, le retour de 1 à 2 n'a pratique-ment aucune chance de se produire.
Comparer 2 nombres très grands W n'est pas très commode. On en prend le logarithme et on pose S = k log W, k étant la constante de BOLTZMANN.

Cette fonction a un autre intérêt : elle transforme un produit en somme, donc : S₁ - S₂ = k log W₁ - k log W₂ > 0. La transformation 2 ® 1 qui correspond à une augmentation de l'entropie est réelle ; l'inverse, 1 ® 2 , à une diminution ne peut pas avoir lieu. Pourtant, toutes les deux vérifient la conservation de l'énergie.
Par ailleurs, les grandeurs physiques sont en général additives : imaginons 2 systèmes indépendants ' et " indépendants. le nombre de situations de l'ensemble W est le produit des nombres de situations possibles pour chacun des systèmes car, à chaque état possible de ' , on peut associer un état possible de " : W = W ' ´ W " . L'entropie globale est
S = k log W = k log (W ' ´ W ") = k log W ' + k log W " = S' + S" .
L'irréversibilité aurait donc une origine statistique (point de vue maintenant contesté notamment par Vladimir PRIGOGINE) : MAXWELL disait, dans une lettre à Lord RALEIGH, autre grand physicien :

" Le second principe a le même degré de vérité que l'affirmation selon laquelle, si on jette un verre d'eau dans la mer, on ne peut pas en retirer le même verre d'eau. "

Cette formule S = k log W est célèbre : la ville de Vienne l'a fait inscrire sur la tombe de Ludwig BOLTZMANN. Il faut dire que celui-ci, physicien génial et moins incompris qu'il ne le pensait, mais dépressif, s'était suicidé.
Tout cela est, je vous l'accorde, bien difficile. Il faut en outre avoir à l'esprit que BOLTZMANN, GIBBS et CLAUSIUS vivaient à une époque où l'existence des atomes et des molécules, ainsi que la validité des calculs statistiques étaient plus que discutées.

 Le XX^ème siècle

La fin du XIX^ème siècle marque le triomphe de la physique classique. Les succès de la thermodynamique et de l'électromagnétisme s'accompagnent de réalisations spectaculaires dans la fabrication des moteurs et des machines thermiques ainsi que dans l'utilisation de l'électricité (ondes radioélectriques, fabrication, distribution et utilisation de l'énergie électrique).
On cite parfois le cas d'un physicien français déconseillant à un de ses élèves de choisir cette branche car il n'y a plus grand chose à y découvrir.
Deux physiciens vont tout bouleverser: Max PLANCK et Albert EINSTEIN

1° La mécanique quantique correspond à une transformation radicale des idées de temps, de position, d'énergie. Je serai très bref sur ce sujet, d'autant plus que, si les calculs donnent des résultats dont l'accord avec l'expérience peut être excellent, l'interprétation qui en est faite est encore source de controverse. La discussion a commencé très tôt (vers 1930) entre EINSTEIN et BOHR.
La controverse porte sur les points suivants :
- Une physique peut-elle se contenter d'être fondamentalement probabiliste ?
- Les particules peuvent-elles avoir une mémoire ou un signal peut-il se propager à une vitesse supérieure à celle de la lumière? (" fantomatique action à distance " d'EINSTEIN).
- Existe-t-il une réalité objective ou bien les propriétés d'un système physique n'existent-elles que quand on fait une mesure?
Ces questions ont fait l'objet de réflexions théoriques (paradoxe EPR en 1935 pour EINSTEIN-PODOLSKY et ROSEN), de théorèmes (inégalités de BELL 1960) et expériences d'ASPECT (1980).
Nous nous limiterons à donner les quelques résultats importants pour ce qui nous occupe, c'est-à-dire les conclusions obtenues après les tout premiers travaux.

a) les spectres des atomes

Un corps excité par une décharge électrique émet un spectre c'est-à-dire un ensemble de longueurs d'onde (couleurs), caractéristique de l'atome. On a pu dire qu'un spectre d'émission est la carte d'identité de l'atome. C'est de cette façon qu'on sait, sans jamais y avoir été, qu'une étoile contient tel ou tel élément. La même chose se produit avec les molécules et on peut savoir que l'atmosphère de telle ou telle planète contient tel produit.
Les spectres d'émission des atomes sont discontinus: ils contiennent des raies bien particulières et pas d'autres. Cette discontinuité est inexplicable par la mécanique newtonienne.

b) L'hypothèse de PLANCK

Pour interpréter le rayonnement thermique émis par les parois d'une cavité, Max PLANCK est obligé de supposer que les échanges d'énergie entre le rayonnement et les parois se font par paquets (quanta). Un quantum d'énergie dépend de la valeur d'une constante h (constante de PLANCK) très petite qui correspond en gros à la cellule quantique.
Pour interpréter l'émission d'électrons par un métal irradié (dans certaines conditions) par de la lumière, EINSTEIN reprend l'hypothèse de PLANCK.
Cette hypothèse d'échanges discontinus d'énergie matière-rayonnement est difficilement compatible avec la théorie ondulatoire du rayonnement qui a été bâtie pour expliquer d'autres phénomènes.
Par exemple, la célèbre expérience des trous d'YOUNG dans laquelle de la lumière issue d'une source éclaire 2 trous très rapprochés donne sur un écran des raies alternativement sombres et claires (interférences). Il est impossible de savoir si les particules lumineuses passent par tel trou plutôt que par tel autre. Retenons que la physique de NEWTON correspond à notre échelle. Dès qu'on quitte ce domaine, elle n'est plus valable. Le domaine microscopique (atomique et subatomique) est celui de la mécanique quantique.
Reste à faire le lien entre ces différentes physiques, c'est-à-dire à montrer que la somme des conceptions quantiques peut redonner la physique classique.
La mécanique quantique, physique du très petit, a quand même des conséquences à l'échelle humaine: citons la supraconductivité, le ferromagnétisme.

  2° La relativité: La relativité apparaît en comparaison tout à fait classique, tout comme EINSTEIN apparaît comme le dernier grand physicien classique.

a) L'invariance de GALILÉE prise en défaut. Nous avons vu dans les travaux de GALILEE que tous les observateurs (référentiels) en translation rectiligne uniforme les uns par rapport aux autres voyaient les mêmes phénomènes, avaient la même physique. De façon plus mathématique, si x est l'abscisse d'un point quelconque P dans un premier référentiel, x' celle dans un second en translation rectiligne uniforme de vitesse v par rapport au premier, x et x' sont reliées par x' = x - vt.
Le remplacement de x par x' (transformation dite de GALILEE) dans les équations de la physique doit laisser invariantes ces équations.
Or, les équations de MAXWELL ne vérifient pas cette invariance. Différents physiciens (LORENTZ, FITZGERALD, POINCARE) avaient trouvé la bonne transformation qui laissent invariantes les équations de MAXWELL mais il leur manquait la compréhension du phénomène.

b) L'expérience historique de MICHELSON et MORLEY sur la vitesse de la lumière et l'impossibilité de l'ajouter à une autre vitesse n'a pas joué le rôle initial que d'autres ont prétendu. Mais il est intéressant d'en parler quelque peu.
Soit un tapis roulant qui avance à la vitesse V sur lequel marche un piéton à la vitesse U. Un observateur au sol peut penser que le piéton avance à la vitesse W = U + V. C'est la loi de composition des vitesses qui paraît découler de la somme des segments.
En réalité, l'expérience de MICHELSON et MORLEY a montré que si le piéton est de la lumière, (U = c) la loi d'addition ne s'applique pas et que, à la précisions des mesures près, W = c.

c) EINSTEIN postule alors que la paille dans le raisonnement précédent est que le temps sur le tapis roulant est t' différent de t. Le quotient de MP par t n'est donc pas U.
Il postule également que la vitesse de la lumière reste la même dans tous les référentiels galiléens c'est-à-dire qu'il suppose exact le résultat expérimental obtenu par MICHELSON.
Dans ces conditions, un raisonnement un peu subtil mais accessible lui donne les formules de transformation dites de LORENTZ et MINKOWSKI qui effectivement laissent invariantes les équations de MAXWELL.
Aux très faibles vitesses, U ~ O : on retrouve approximativement les résultats de GALILEE et NEWTON qu'on peut considérer comme intuitifs.

d) Les conséquences des résultats d'EINSTEIN ne sont pas de simples corrections à la mécanique newtonienne. Une des plus importantes est la relation masse énergie E = mc2. Le mot équivalence, parfois utilisé, ne me paraît pas très bien choisi car il suggère qu'on peut faire disparaître n'importe quelle masse et recueillir l'énergie correspondante. Plus exactement, une double interprétation est correcte :
- la masse de l'ensemble de 2 objets accolés (par ex. 2 aimants) est plus faible que la somme des masses de chacun des 2 objets ;
- 2 particules p₁ et p₂ en mouvement et qui se heurtent peuvent donner naissance par exemple p₃ et p₄ :
                                                   p₁ + p₂ ® p₁ + p₂ + p₃+ p₄ ;
p₁ et p₂ sont ralenties et l'énergie qu'elles ont perdue doit être au moins égale à l'énergie de masse des particules p₃ et p4 qui ne peuvent toutefois pas être quelconques car d'autres lois doivent également être vérifiées.

e) La relativité générale : La relativité restreinte ne remet pas en cause l'image d'un univers infini et plat. EINSTEIN a une idée bien caractéristique de sa façon de penser: il existait au départ 4 mouvements naturels: le mouvement nul, le mouvement rectiligne uniforme, la chute des corps et le mouvement des planètes. Après GALILEE et NEWTON, il n'en reste que 2 (cf H. Andrillat op.cit.)
- le mouvement inertiel que traduit la relation F = m a,
- le mouvement gravitationnel F = GMM'/R2.
L'identité expérimentale des masses m et M lui fait penser que cette distinction n'a pas lieu d'être : tout mouvement naturel est inertiel et il est possible de remplacer localement l'effet d'une force gravitationnelle par une accélération bien choisie du référentiel. Les lois physiques sont alors invariantes dans tous les référentiels.
Nous ne parlerons pas de cette théorie mathématiquement très élaborée. Une image assez simple est de dire que la gravitation courbe l'espace et que dans un espace à 4 dimensions une représentation assez juste de notre univers est l'équivalent de la surface d'un ballon sphérique. La lumière irait en ligne droite dans l'univers à 4 dimensions mais les rayons lumineux seraient courbés dans notre espace à 3 dimensions, un peu comme un avion va en ligne droite dans le ciel mais son ombre sur le sol a la trajectoire compliquée par le relief (image due à Steven HAWKING). 

3° La théorie des champs et la physique des particules

Nous n'en dirons rien. Simplement, la théorie est forcément très compliquée car la relation d'EINSTEIN fait que des particules peuvent naître. Une théorie à 1 particule est forcément inadéquate.

4° L'astrophysique

a) D'un point de vue expérimental,
- dans les années 1930, utilisant le s possibilités alors offertes par le grand télescope du Mont Wilson, l'astrophysicien américain Edwin HUBBLE a pu mesurer séparément la distance des galaxies et leur vitesse par rapport la Terre. L'observation d'un décalage systématique des raies d'émission des atomes a été interprété comme un effet DOPPLER dû à la vitesse de fuite des galaxies par rapport à la Terre. HUBBLE a pu vérifier qu'il existait la relation v = Hd avec H = 50 km/s/Mpc avec 1 Mpc = 3 * 10¹⁹ km. On sait maintenant que cette relation n'est qu'approchée.
Mais la loi de HUBBLE est importante car elle est dans l'histoire la première relation quantitative sur laquelle une cosmologie peut compter. On peut dire que toute théorie cosmologique était prématurée avant cette loi qui a eu du mal à s'imposer. En effet, l'inverse de H est l'ordre de grandeur de l'âge de l'Univers; les premières mesures de HUBBLE conduisait à un âge beaucoup trop faible. On peut voir sur un schéma dû à Steven WEINBERG que cette relation est grosso modo conforme au principe cosmologique, à savoir que l'Univers doit paraître le même quel que soit l'endroit d'où on le regarde. L'endroit Z, A, B, C ou D en-dessous duquel se trouve un point est le lieu d'observation supposé de vitesse nulle. Les flèches indiquent alors les vitesses des autres lieux.

Les données expérimentales se sont multipliées ces dernières années. On sait maintenant que l'Univers est homogène à l'échelle des super-amas de galaxies.
- L'observation de quasars présentant un décalage spectral énorme donc une très grande vitesse de fuite donc situés à de très grandes distances de la Terre (si on suppose correcte l'hypothèse de l'effet DOPPLER et si on applique la relation de HUBBLE) a remis récemment beaucoup de choses en question.
La nature de ces quasars est encore inconnue. Ils sont intéressants parce que la lumière qui en vient met plusieurs milliards d'années à nous parvenir. Les quasars témoignent donc de l'état de l'univers dans un état très éloigné de notre époque.
Leur évolution est sensible, ce qui entraîne que leur taille ne peut pas être pas très grande, ce qui est difficilement compatible avec l'énorme quantité d'énergie émise.
Le décalage spectral ne serait pas dû à un simple effet DOPPLER. Il semble que ce décalage soit interprétable dans le cadre de la relativité générale. La courbure de l'espace due à la gravitation pourrait expliquer ce phénomène. H. Andrillat propose une analogie (op.cit.) : les deux points A et B se déplacent en même temps sur deux trajectoires identiques dont la courbure varie. Le segment reliant A (dans la position où est émis le photon) à B dans la position où il reçoit augment au cours du temps.

 

Des calculs faits dans les années 1930 par le physicien américain Howard ROBINSON et le mathématicien britannique Arthur WALKER récemment remis au goût du jour donneraient des résultats compatibles avec les observations.
L'Univers serait un ballon à 3 dimensions dans un espace à 4. Les étoiles seraient des taches peintes sur sa surface; C'est un peu ce que voyaient les anciens, mais dans un espace à 3 dimensions ; c'est un peu ce que croit l'astrologie qui admet que les étoiles et les planètes sont toutes à la même distance de nous.
Les étoiles les plus lointaines s'éloigneraient les unes des autres. Mais c'est un mouvement d'ensemble et aucune tache ne serait le centre de cette expansion.

b) En théorie, l'Univers peut-il être statique ou stationnaire?

- À très grande distance, la seule force importante est l'attraction universelle. L'Univers a donc tendance à se contracter.
En mécanique classique, un problème analogue se pose souvent: un corps lancé très fort peut échapper à l'attraction terrestre; si sa vitesse initiale est insuffisante, il va finir par retomber sur la Terre. Pour rendre possible une cosmologie newtonienne qui ne dispose que d'une force attractive, différents mathématiciens et astronomes du XIXème siècle (Bertrand, Darboux, Halphen, Seeliger et Neumann) avaient imaginé des forces proportionnelles à la distance qui, elles aussi, peuvent donner des trajectoires elliptiques mais de centre l'astre attracteur (voir la controverse Hooke-Newton).
En relativité générale, les équations donnent des résultats analogues et un univers statique est impossible, ce qu'avaient remarqué le physicien russe Alexander FRIEDMANN et le chanoine belge LEMAITRE: ou bien l'expansion est très forte et la gravité est insuffisante pour l'arrêter ou bien c'est le contraire et la gravité va finir par l'emporter et une phase de contraction doit finir par arriver.
Ce résultat déplaisait à EINSTEIN qui trouvait notamment que le big-bang ressemblait trop à la genèse telle que la voient les religions. Il "truqua" donc ses équations en y introduisant une constante cosmologique c'est-à-dire une force d'antigravité (voir le Nouvel Observateur), la seule qui puisse permettre à l'Univers de rester immobile.

- La naissance de l'Univers à partir d'une phase infiniment contractée et infiniment chaude (big-bang) avait été proposée en 1934 par le physicien russe Georges GAMOV, auteur de la série des Mister TOMKINS et farfelu de génie. L'article original portait la signature Alpher, Bethe, Gamov pour alpha, beta, gamma! (Alpher était un étudiant de Gamov et Bethe le nom d'un physicien célèbre qui s'était prêté à la plaisanterie). La découverte d'un rayonnement fossile par les physiciens américains PENZIAS et WILSON dans les années soixante était prévu par la théorie qui du coup a bénéficié d'un sursaut de crédibilité. Il n'est évidemment pas possible de remonter à des conditions initiales infinies; on se contente en général des conditions de PLANCK :

- En gros, les théories actuelles donnent les résultats suivants : si la masse volumique actuelle de l'Univers est suffisante (c'est-à-dire supérieure à une valeur critique estimée à 5 * 10^-30 g/cm³, l'Univers actuellement en expansion va se contracter (big crunch qui va succéder au big bang) ou bien elle est suffisante et l'Univers va se dilater indéfiniment.
À l'heure actuelle, la masse mesurée est de un millième de la masse critique. Cette valeur qui justifie une expansion éternelle apparaît toutefois faible. D'où le problème de " la masse manquante de l'Univers ", joli terme qui a remporté un certain succès.

Pour terminer quelques données qui donnent le vertige :
l'Univers a pour âge 15 * 10⁹ ans, son rayon serait de 10²⁶ m; il contiendrait 10¹² galaxies ayant chacune en moyenne 10¹¹ étoiles et sa masse totale serait de 10⁵³ kg.

- Les difficultés actuelles et les succès :
La cosmologie a longtemps souffert du peu de résultats expérimentaux fiables et suffisamment précis disponibles.
La gravitation, seule force importante à grande distance, est attractive. Elle s'oppose à l'expansion de l'Univers. les physiciens cherchent à unifier l'ensemble des forces :
     - gravitationnelle,
     - nucléaires forte et faible,
     - électromagnétique,
en une seule force, la superforce. Pour les 3 dernières, la solution est bien avancée mais la première reste rétive.
Il semble que cette superforce puisse être répulsive dans une phase primitive.
Mais l'explosion à partir d'un point central devrait donner une répartition de l'Univers à symétrie globalement sphérique même si des inhomogénéités locales peuvent fort bien apparaître. les étoiles pas plus que les galaxies ni les amas de galaxies n'ont de répartition homogène. En revanche, les amas d'amas (ou superamas) de galaxies présentent une distribution homogène. On aurait là le "grumeau" de base de la soupe cosmique.

D'où vient l'Univers? Le plus simple est de partir du vide même s'il est vrai que le vide du physicien est assez différent de l'idée que s'en fait le commun des mortels. Je ne résiste pas au plaisir de vous lire quelques lignes extraites de l'ouvrage d'Henri ANDRILLAT " l'Univers sous le regard du temps ". Après, plus personne ne pourra dire que les physiciens n'ont pas d'imagination :

UNE MODESTE HISTOIRE DES THEORIES DE LA LUMIERE

En physique ou en histoire de la physique, il est souvent question de lumière. Et il est vrai que la nature de celle-ci a beaucoup préoccupé les physiciens. Et cette interrogation s'est poursuivie tout au long des siècles que nous avons survolés. C'est pourquoi, il a paru utile de séparer ce chapitre de l'histoire de la physique.
Deux courts extraits de l'ouvrage de Richard FEYNMANN cité en référence 1 de la bibliographie résument bien la situation :

"Aujourd'hui, nous savons que la lumière est faite de particules parce que nous possédons des instruments extrêmement sensibles qui font "clic" chaque fois qu'ils reçoivent de la lumière, et ce même si l'intensité de la lumière est abaissée considérablement: les "clics" sont les mêmes, seul leur nombre diminue."

"(...) une période où l'intelligence des physiciens fut mise à rude épreuve: la lumière, disait-on, doit être considérée soit comme une onde, soit comme un ensemble de particules... selon les situations expérimentales. C'est ce qu'on a appelé la "dualité onde-corpuscule". (...) à cette époque la lumière était une onde les lundis, mercredis et vendredis, et un ensemble de particules les mardis, jeudis et samedis. Restait le dimanche pour réfléchir à la question. Mon intention ici est précisément de vous montrer comment ce mystère a finalement été élucidé."

Comme précisément Richard FEYNMANN fait partie du trio considéré comme responsable de la résolution de cette énigme, son ouvrage cité en référence 1 est très recommandé.

Globalement, si l'époque newtonienne constitue presque une illustre parenthèse, la croyance en la nature ondulatoire de la lumière l'a souvent emporté. C'est un peu surprenant parce que, expérimentalement, le fait n'est pas très évident. Mais, pendant longtemps, ce sont les mêmes physiciens qui étudient la lumière et le son. Par ailleurs, la foudre qui associe l'éclair et le tonnerre frappe les esprits. Dans une certaine mesure, l'optique va bénéficier des progrès de l'acoustique parce que le caractère ondulatoire du son est plus accessible; mais sa propagation nécessite un milieu matériel, ce qui va mettre les physiciens de la lumière sur la fausse piste de l'éther.

  I/ Avant HUYGENS et NEWTON.

La physique moderne naît avec GALILÉE. Effectivement, les premières expériences donnant des résultats quantitatifs datent du début du XVII^ème siècle. Mais, jusqu'à HUYGENS, les théories portant sur la nature de la lumière sont plutôt spéculatives. Et GALILEE lui-même se préoccupe assez peu de ce sujet précis.
Curieusement, "alors que le son fut d'abord considéré du point de vue de sa production, on envisagea la description physique de la lumière sous l'angle de sa propagation" (cf. ref.7). Très tôt, la lumière est assimilée à un mouvement de projectiles, qu'ils soient émis par les corps lumineux pour DEMOCRITE (-460, -370), ou qu'ils soient émis par l'oeil pour EUCLIDE (3ème siècle av. J.C.). Chez PLATON (-428, -348), on trouve même une situation intermédiaire, rencontre de 2 particules, l'une émise par l'oeil, l'autre par l'objet observé.
Le milieu dans lequel se propage la lumière joue souvent un rôle considérable au point que la propagation passe au second plan. Pour LUCRECE (-98, -55), par exemple, il est question d'éléments qui s'entrechoquent ou se poussent les uns les autres. Il est assez difficile de savoir ce qu'est exactement le vide ou l'air pour ARISTOTE (-384, -322); pour lui, comme pour beaucoup d'autres savants, l'impossibilité qu'a la lumière de se propager dans le vide est généralement admise.
Il semble qu'ensuite l'expérience fasse surtout des progrès avec SENEQUE, GALIEN (129, 199) qui étudie l'œil et PTOLEMEE (90, 168) qui établit pratiquement les lois de la réfraction.
Les progrès viennent ensuite d'Égypte où le grand savant arabe IBN AL-HAYTHAM dit ALHAZEN (965, 1039) surnommé le second Ptolémée, étudie beaucoup l'œil et la réfraction et établit une véritable théorie corpusculaire de la lumière. Pour lui, la lumière est bien émise par le corps lumineux, indépendamment de l'observateur (cf ref.7). L'optique instrumentale fait aussi de gros progrès en Égypte puisqu'on fabrique dès le XI^ème siècle les premiers lorgnons pour presbytes, rendant aux vieillards la jeunesse de leur vue (ref.6).
Il semble que l'idée de la nature ondulatoire de la lumière soit clairement affirmée pour la première fois par les franciscains anglais Robert GROSSETESTE (1170, 1253), mélomane connu pour être un adepte de la méthode expérimentale en sciences et Roger BACON (1214, 1294) qui étudie beaucoup la réflexion, notamment sur les miroirs sphériques. Ce dernier dont les écrits sont considérés comme subversifs, meurt en prison.
Bien qu'il semble que PTOLEMEE soit allé plus loin dans l'étude des lois de la réfraction, KEPLER (1571, 1660) est connu pour les lois qu'il établit. Il a le mérite de poser clairement le principe de la propagation (qu'il suppose avec une vitesse infinie) de la lumière de la source vers l'objet. Il accorde une grande importance au rayon lumineux si bien qu'on peut le supposer plutôt convaincu de la nature corpusculaire de la lumière. Mais lorsqu'il étudie la formation d'une image à l'aide d'une lentille, il envisage plutôt le problème de façon ondulatoire et on est alors proche de l'onde sphérique (cf ref 7).
GALILEE (1564, 1642) décrit des méthodes de mesure de la vitesse de la lumière. Sa tentative de mesure échoue mais le fait qu'elle ait eu lieu donne à penser que son auteur ne croyait pas trop en l'existence d'une vitesse infinie. La nature même de la lumière ne semble pas trop préoccuper GALILEE.
DESCARTES (1596, 1650) fait connaître les lois de la réfraction établies par SNELL (1591, 1626). Mais ses théories de la lumière sont confuses et pleines de contradictions. Il semble que la notoriété de l'écrivain philosophe leur ait donné une importance excessive. Pour DESCARTES en effet, la lumière résulte de frottements entre tourbillons qui font naître de la lumière qui se propage avec une vitesse infinie. Mais la réflexion est envisagée comme le rebond d'un projectile et la réfraction comme la traversée par ces projectiles d'une toile tendue qui les accélère si le deuxième milieu est plus réfringent. Le XVIIème siècle aura beaucoup de mal à se débarrasser des tourbillons de DESCARTES; ce sera l'objet d'un des premiers écrits de NEWTON.
FERMAT (1601, 1665) retrouve les lois de la réfraction à l'aide du principe de moindre temps. Mais la position de son auteur ainsi que la difficulté qu'ont éprouvé ses contemporains à lier son principe aux autres théories font que FERMAT aura moins d'influence qu'en mathématiques.
GRIMALDI (1618, 1663) qui étudie la diffraction et MALEBRANCHE (1638, 1715) , disciples respectifs de GALILEE et DESCARTES croient en la nature ondulatoire de la lumière. C'est surtout net chez le premier qui essaie d'interpréter les franges de diffraction ainsi que la décomposition de la lumière blanche (cf ref. 7).

  II/ HUYGENS et NEWTON

Christian HUYGENS (1629, 1695) qui connaît personnellement DESCARTES a le mérite de s'affranchir rapidement des théories cartésiennes. Il pense que l'univers est rempli de particules dont les mouvements oscillatoires se transmettent de proche en proche. L'ensemble des particules qui vibrent en même temps constitue une ondelette; l'enveloppe des ondelettes forme l'onde lumineuse. Cette onde est longitudinale. Une telle théorie est visiblement inspirée par les rides qui se forment à la surface de l'eau. Elle permet à son auteur d'expliquer les phénomènes de réflexion, de réfraction et même de double réfraction de la lumière par la calcite découverte par BARTHOLLIN (1625, 1698).
HUYGENS n'a pas une idée très claire des phénomènes d'interférences et plus généralement des relations de phase. Cela rend sa théorie parfois obscure. Mais l'intuition du savant hollandais est rarement prise en défaut. Il a une bonne idée du principe dit d'HUYGENS-FRESNEL qui ne sera démontré que beaucoup plus tard par KIRCHHOFF. Curieusement, HUYGENS envisage également l'existence de particules et les rapports qu'il cherche entre celles-ci et les ondes ont des résonances étrangement brogliennes.
La théorie de HUYGENS est impressionnante par la variété des phénomènes interprétés. Mais la notoriété de NEWTON (1642, 1727) va tout balayer. Pourtant celui-ci ne parviendra jamais à établir une théorie de la lumière qui soit satisfaisante pour lui comme pour ses contemporains. Mais la notoriété de l'auteur de la théorie de la gravitation et le caractère du personnage vont faire que les objections seront rapidement écartées. Les travaux de NEWTON en optique sont importants et la date de publication de ses deux traités (1672 pour la Théorie des couleurs, 1709 pour l'Optique) montre que leur auteur a toujours été préoccupé par le sujet.

Sur le plan expérimental, NEWTON réalise le premier télescope et étudie la décomposition de la lumière par un prisme. Il étudie aussi la lumière émises par les fours et ce qu'on appelle maintenant le corps noir est un des sujets qui le préoccupent.
En gros, il pense que la lumière est constituée de corpuscules qui se propagent plus vite dans un milieu transparent que dans le vide. L'hypothèse de la nature ondulatoire lui paraît fantaisiste. Pourtant les expériences qu'il réalise (anneaux d'interférences) ou la façon dont il les envisage (réflexions multiples sur des vitres) plaident plutôt en faveur de la seconde. En outre, NEWTON est l'auteur d'une théorie ondulatoire du son. Il semble en mesure de faire le choix ondulatoire (ses écrits indiquent clairement tous les doutes qu'il a eus et toutes les questions qu'il s'est posées). Mais il préfère compliquer sa théorie corpusculaire (par exemple, il envisage des actions instantanées à distance entre surfaces réfléchissantes: cf ref 1) et essaie ne vain d'interpréter des phénomènes de nature ondulatoire avec des corpuscules lumineux.
Les contemporains de NEWTON seront dans l'ensemble faciles à convaincre. Toutefois, avec une relative clairvoyance (car il faut tenir compte des rapports entre les individus), HOOKE ne sera jamais un adepte de la théorie newtonienne. Il en sera de même de Leonard EULER.
Rappelons enfin que la première mesure de la vitesse de la lumière est réalisée en 1675 par Olaf ROMER (1644, 1710) qui utilise l'observation des satellites de Jupiter découverts par GALILEE. Une deuxième mesure est faite en 1728 par James BRADLEY (1693, 1762).

  III/ "NEWTON radote" : Thomas YOUNG et l'école française

La théorie de NEWTON va résister un siècle. Puis la théorie ondulatoire va revenir.
D'abord les mathématiciens (EULER, CLAIRVAUX, D'ALEMBERT, BERNOUILLI, HAMILTON, LAGRANGE et FOURIER) vont fournir aux physiciens les outils qui manquaient à HUYGENS pour que celui-ci soit totalement convaincant.
Ensuite les expériences du type diffraction et interférences vont livrer leurs secrets.
Le médecin anglais Thomas YOUNG (1773, 1829) est un esprit universel puisqu'il est capable d'écrire dans l'encyclopédie Britannica des articles sur la vision, l'arc-en-ciel, le mouvement des fluides et les marées, la capillarité, la pesanteur, l'architecture navale, la médecine, la rosée, les hiéroglyphes (il découvre que certains mots de la pierre de Rosette sont écrits de manière phonétique et prépare les travaux de CHAMPOLLION).
YOUNG réalise une série d'expériences dont celle qui porte son nom. Le fait que les deux rayons lumineux réfractés par un cristal de calcite ne donnent pas d'interférences lui fait supposer que la lumière est une vibration transversale. FRESNEL aura plus tard et indépendamment la même idée. YOUNG se disperse quand même quelque peu.
FRESNEL (1788, 1827) est donc l'auteur d'une théorie complète de la lumière polarisée. Très jeune, il se plaît à dire avec irrespect pour le grand homme que "Newton radote" (cf ref. 7) et il est un des premiers physiciens qui se spécialisent réellement en ne s'intéressant qu'à un seul domaine. La théorie du vecteur lumineux est impressionnante. FRESNEL a des idées somme toute assez justes sur la cohérence mais il bute sur l'éther.
On peut considérer FOUCAULT (1819, 1868), FIZEAU (1819, 1896), CORNU (1841, 1902) et même MICHELSON (1852, 1931) comme ses disciples. LORENTZ est l'auteur d'une étude de l'œuvre de FRESNEL (ref.4).
FRESNEL est accompagné dans ses travaux par MALUS (1775, 1812), partisan, lui d'une théorie corpusculaire de la lumière, ce qui surprend quelque peu si l'on songe aux expériences et aux lois qui portent son nom. Comme NEWTON, il va essayer, pour expliquer les résultats auxquels il parvient, de bâtir une théorie corpusculaire trop "tarabiscotée" pour être convaincante et qui ne résistera pas.
FIZEAU et FOUCAULT effectuent des expériences de mesure de la vitesse de la lumière. Au départ, les résultats ne sont guère meilleurs que ceux obtenus par ROMER et BRADLEY. Mais l'intérêt de ces mesures est qu'elles vont permettre de mesurer la vitesse dans différents milieux matériels (donc de vérifier qu'elle y est plus faible que dans le vide), ce que ne permettait pas les méthodes antérieures qui faisaient appel à l'astronomie.
FRAUNHOFER (1787, 1826) est un contemporain de FRESNEL. Il est surtout un expérimentateur. Le progrès technique permet aux physiciens de disposer de sources lumineuses réellement satisfaisantes: arc électrique de DAVY, lampe électrique à incandescence de MOYLENS puis d'EDISON, tube à décharge de GEISSLER(cf ref. 10). De nouveaux physiciens, les spectroscopistes, apparaissent: les premiers sont les Allemands BUNSEN (1811, 1899) et KIRCHHOFF (1825, 1887). Mais les travaux théoriques du dernier sont également importants puisqu'il démontre le principe d'HUYGENS-FRESNEL.
Il est inutile de rappeler ici l'importance des travaux de MAXWELL et les conséquences qu'ils ont sur la théorie de la lumière considérée définitivement, croit-on alors, comme une onde électromagnétique transversale. C'est l'apogée de la physique classique.

  IV/ La révolution quantique.

Elle commence en 1900 et curieusement puisque Max PLANCK (1858, 1947) est un "conservateur profondément attaché à la physique classique" (cf ref.8).
Le sujet auquel il s'attaque ne concerne qu'indirectement l'optique puisqu'il s'agit de l'étude du rayonnement électromagnétique à l'intérieur d'une cavité, en équilibre thermique avec les parois. De nombreux physiciens : JEANS (1877, 1946), RAYLEIGH (1842, 1919), STEFAN (1835, 1893), KIRCHHOFF, WIEN (1864, 1928), ... se sont attaqués à ce difficile problème que PLANCK espère résoudre avec ses élèves (RUBENS et VON LAUE) en utilisant les outils que lui ont laissés CLAUSIUS et MAXWELL. Il raisonne en thermodynamicien et utilise les densités spectrales (énergie et entropie par unité de volume et d'intervalle de fréquence). Pour mener à bien son calcul, PLANCK imagine un modèle simple de paroi faite, pour chaque valeur de la fréquence, d'oscillateurs harmoniques constitués d'une charge rappelée par un ressort. Il arrive péniblement à déterminer le nombre moyen d'oscillateurs par unité de volume et d'intervalle de fréquence qu'il identifiera par la suite à un nombre de modes d'ondes stationnaires de rayonnement (résultat également obtenu par RAYLEIGH de façon plus simple quelques années auparavant). Les travaux de KIRCHHOFF lui permettent de penser que le résultats obtenus ont une validité qui dépasse de très loin le modèle choisi.
Connaissant les expressions asymptotiques aux faibles et hautes fréquences (résultats de WIEN et de JEANS notamment), ce que lui-même appelle une heureuse trouvaille permet à PLANCK de trouver, sans justification théorique convaincante, l'expression analytique générale de la densité spectrale en énergie (loi du rayonnement de PLANCK). On pourra consulter les références 8, 9 et 11.
L'expression de la densité spectrale en entropie rappelle à PLANCK les travaux de BOLTZMANN. Celui-ci, désirant répartir des molécules dans l'espace des vitesses et voulant calculer une probabilité, est obligé de donner à l'espace des vitesses une structure cellulaire. De façon un peu analogue, PLANCK désire distribuer une énergie de rayonnement entre des résonateurs ou des modes de rayonnement dont la structure est discontinue. Il est obligé d'imiter BOLTZMANN et de donner à l'énergie rayonnante une structure également discontinue.
Le caractère arbitraire du modèle choisi et un certain conservatisme font que PLANCK met du temps à se persuader que "le quantum élémentaire d'action joue dans la physique un rôle beaucoup plus important" qu'il ne le croit au début. Pendant longtemps, il pense que "la structure discontinue du rayonnement n'apparaît que lorsque ce rayonnement entre en réaction avec la matière" (cf ref.8). Il est d'ailleurs curieux que cette idée soit venue lors de l'étude d'un spectre continu. Il convient en effet de bien distinguer la continuité ou la discontinuité d'un spectre et la quantification du rayonnement électromagnétique que l'on a tendance à confondre trop souvent.

En 1905, EINSTEIN (1879, 1955) montre que les lois de l'effet photoélectrique établies par Philip LENARD (1862, 1947), ne peuvent s'interpréter que si on introduit de façon beaucoup plus radicale que ne l'avait fait PLANCK un corpuscule, le photon, auquel il associe une énergie cinétique et une quantité de mouvement. L'effet COMPTON, plus simple dans son principe, est une confirmation particulièrement convaincante des idées d'EINSTEIN.
Les travaux d'EINSTEIN remettent donc la nature corpusculaire de la lumière à la mode. Ils n'effacent pas pour autant toutes les expériences qui ne peuvent être correctement interprétées qu'avec une hypothèse ondulatoire (interférences, diffraction notamment). Le photon serait à la fois une onde et un corpuscule. On sait avec Louis DE BROGLIE que toutes les particules présentent une telle dualité. On a pu proposer le mot quanton pour désigner cette double entité.

Il n'en reste pas moins que pendant longtemps cette dualité est inconfortable pour le physicien. Les expériences d'interférences notamment sont particulièrement rebelles à une interprétation corpusculaire (cf ref.2 et 3), même si on adopte un point de vue statistique, car on sait maintenant faire arriver les photons un par un.
Entre 1945 et 1950, R. FEYNMANN, S.I.TOMONAGA et J. SCHWINGER développent la théorie de l'électrodynamique quantique qui, même exposée sous une forme grand public et "sans faire appel à une quelconque relation d'incertitude", (cf ref. 1) permet une interprétation cohérente des phénomènes ondulatoires et corpusculaires.
Il faut lire en effet Lumière et matière de Richard FEYNMANN ; on y trouve notamment la réponse à la question suivante :
La lumière va (dans un milieu homogène) en ligne droite parce que c'est le chemin le plus court pour aller d'un point à un autre (il vaudrait mieux dire avec FERMAT que le chemin est stationnaire). Mais comment fait-elle pour savoir que c'est le plus court chemin ? A-t-elle essayé tous les autres ?

En guise de conclusion :

Il y a quelques années, un physicien français, Michel HULIN, qui fut directeur du Palais de la Découverte, avait conclu après étude à l'impossibilité d'enseigner la physique. Pour la santé de la discipline, il aurait mieux fait de s'abstenir. Mais il était malade, probablement déprimé et mourut peu après.
Prenons le problème à l'envers: pour enseigner la physique, comme pour enseigner le reste mais peut-être plus que pour le reste, il faut avoir la foi. C'est cet enthousiasme que j'ai tenté de vous communiquer et je vous remercie de m'avoir écouté.

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BIBLIOGRAPHIE

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Ouvrages généraux et très abordables
Emilio SegrèN : Les physiciens classiques et leurs découvertes (de la chute des corps aux ondes hertziennes) Fayard le temps des sciences
Emilio SegrèN : Les physiciens modernes et leurs découvertes (des rayons X aux quarks) Fayard; le temps des sciences
Jean-Pierre Maury : Petite histoire de la physique Larousse collection références histoire
Michel Biezunski : Histoire de la physique moderne Editions de la Découverte

Les bandes dessinées de Jean-Pierre Petit :
     Les aventures d'Anselme Lanturlu aux éditions Belin
     Plusieurs albums; notamment Cosmic Story

Les ouvrages dans des collections grand public consacrés à un savant ou à un sujet particulier :
Découvertes Gallimard
    Galilée, le messager des étoiles (n°1O)
    La révolution des savants (n°48)
Un savant, une époque. Belin
    YukawaN: l'itinéraire intellectuel d'un physicien
     Max PlanckN: une conscience déchirée
Les cahiers de Science et Vie (les grandes controverses scientifiques): numéros consacrés à Galilée, Newton, Fresnel, Einstein,..
Chaleur et désordre par P.W. Atkins
L'héritage d'Einstein par Julian SchwingerN
(Ces derniers deux ouvrages sont de la collection l'univers des sciences Editions pour la science diffusion Belin)
Mister Tomkins par George Gamov (réédition 1993) Dunod

Ouvrages un peu plus difficiles :
Philosophies; P.U.F.
Galilée, Newton lus par Einstein; espace et relativité(n° 1) par Françoise Balibar
Einstein 1905; de l'éther aux quanta (n° 35) par Françoise Balibar
Carnot et la machine à vapeur (n° 10) par Jean-Pierre Maury
Daniel J. Kevles les physiciens (histoire de la profession qui a changé le monde) Anthropos

en réalité, ouvrage consacré aux physiciens américains
Steven Hawking, une brève histoire du temps (du big bang aux trous noirs) Flammarion
Steven WeinbergN, les trois premières minutes de l'Univers
I. Bernard Cohen, les origines de la physique moderne
Richard FeynmannN, la nature de la physique

ces trois derniers ouvrages sont à la très intéressante collection Points sciences au Seuil
Hubert Reeves Patience dans l'azur le Seuil
Astronomie & astrophysique par Jean-Pierre Verdet collection textes essentiels Larousse

extraits de textes originaux mais adaptés de Platon à Einstein
Henri Andrillat L'Univers sous le regard du temps (la cosmologie théorique moderne et ses racines) Collection De caelo Masson

ouvrage très intéressant (en particulier, mais pas uniquement, pour les passionnés d'histoire de l'astronomie et des cosmologies)) et la plupart du temps très accessible, les parties plus difficiles étant nettement séparées du reste.

Les ouvrages originaux sont maintenant souvent faciles à trouver mais la lecture en est assez difficile de nos jours.

Les deux ouvrages de Galilée maintenant traduits en français :
Discours concernant deux sciences nouvelles A. Colin (1970)
Dialogue sur les deux grands systèmes du monde Le Seuil (1992)

L'ouvrage de Newton: Principes mathématiques de la philosophie naturelle

Sadi Carnot: Réflexions sur la puissance motrice du feu (éditions Jacques Gabbay)

Ludwig Boltzann: Lectures on gas theory (traduction anglaise) Oxford University Press

Albert Einstein : la théorie de la relativité restreinte et générale Gauthier-Villars

Il existe un certain nombre d'ouvrages de vulgarisation d'EINSTEIN. Ils sont évidemment plus récents donc d'un abord plus facile. Mais le contenu en est souvent subtil.

Ouvrages portant sur des points souvent plus particuliers :
L'astronomie et son histoire Jean René Roy presses de l'université du Québec et Masson
Connaissance du Cosmos, Marc Lachièze-Rey Albin Michel
La Révolution Galiléenne, William Shea le Seuil
Le Rêve des physiciens, J.P. Pharabod et B. Pire
La Science est-elle nécessaire?, Max F. PerutzN
ces deux ouvrages édités chez Odile Jacob
La science sous le Troisième Reich, ouvrage édité sous la direction de Josianne Olff-Nathan au Seuil
La danse des éléments, Gary Zukav, Robert Laffont
Superforce, Paul Davies Espace des sciences Payot

Les théories de la lumière :
(Pour ceux que ce chapitre passionne plus particulièrement, en plus des ouvrages précédents)
Richard FEYNMANN ; Lumière et matière, une étrange histoire; Interéditions. à lire absolument
Le cours de physique de R. FEYNMAN; Interéditions. un chef d'oeuvre difficile à déguster lentement.
Alfred KASTLER; Max PLANCK et le concept d'énergie lumineuse; conférence dont le texte a été publié par le CUIDE.
Hubert GIE; L'introduction de la constante d'action h; BUP n° 679 page 327; "Cet exposé s'inspire très directement" du texte de la conférence ref. 8 qui est difficile à trouver.
Histoire de la physique ; tome 1, direction J. ROSMORDUC ; tome 2, J.P. MATHIEU coor-donnateur ; petite collection d'histoire des sciences, Lavoisier Tec & Doc.
José LEITE-LOPES; Fondements de la physique atomique; Hermann.
Les cahiers de Science et Vie, les grandes controverses scientifiques n° 5: FRESNEL, qu'est-ce que la lumière ?

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CITATIONS ET APHORISMES, SÉRIEUX ET PAS SÉRIEUX

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Alphonse X, roi de Castille et Leon,
       (devant la complexité du système de Ptolémée)
       - Si Dieu m'eût consulté lorsqu'il créa l'Univers, tout aurait été dans un ordre meilleur et plus simple!

Galilée
      - E pur, se muovere! (Et pourtant, elle tourne!)
      - Et, dans cette circonstance, j'ai été deux fois meilleur philosophe qu'eux qui, à l'erreur, ont encore ajouté le mensonge en prétendant avoir vu l'expérience. Car, moi, j'ai fait l'expérience, avant quoi le raisonnement naturel m'avait fermement convaincu que l'effet devait s'ensuivre comme il s'ensuit réellement.
      - (à l'enterrement de son vieil ennemi LIBRIS) Toute sa vie, il a refusé de regarder dans ma lunette. J'espère qu'il verra les étoiles au passage en allant vers le Ciel!

Laplace
       - Une intelligence qui, pour un instant donné, connaîtrait toutes les forces dont la nature est animée et la situation respective des êtres qui la composent, si d'ailleurs elle était assez vaste pour soumettre ces données à l'analyse, embrasserait dans la même formule les mouvements des plus grands corps de l'univers et ceux du plus léger atome: rien ne serait incertain pour elle, et l'avenir, comme le passé, serait présent à ses yeux.

Max Planck
       - Une vérité scientifique ne s'impose pas tant par le fait que ses adversaires soient convaincus de sa valeur et s'y convertissent, mais bien plutôt que ses adversaires disparaissent progressivement en passant de vie à trépas et que la nouvelle génération fait d'office confiance à cette vérité.

Albert Einstein
        - Il paraît difficile de regarder dans le jeu de Dieu. Mais je ne puis croire un seul instant qu'il joue aux dés et qu'il se serve de moyens "télépathiques" (ainsi que l'affirme la théorie quantique).
        - Le Seigneur est subtil mais il n'est pas malveillant.
        - Ce qu'il y a de plus incompréhensible, c'est que le monde est compréhensible.
        - (à propos de Max Planck) C'était un des êtres les plus intelligents que j'aie jamais connus. Mais, pendant l'éclipse de 1919, il est resté debout toute la nuit pour voir si elle allait confirmer la déviation de la lumière dans le champ gravitationnel du Soleil. S'il avait vraiment compris la façon dont la théorie de la relativité générale explique l'équivalence de la masse inerte et de la masse gravitationnelle, il serait allé se coucher comme moi.
        - (Newton, verzeih'mir) Newton, excuse moi ! La voie que tu as ouverte était la seule qu'un homme doué d'une intelligence brillante et d'un esprit créateur pouvait trouver à l'époque. Les concepts que tu as élaborés guident encore aujourd'hui nos raisonnements en physique, même si nous savons qu'il nous faut désormais les remplacer par d'autres concepts qui, plus éloignés de l'expérience directe, nous permettront seuls de parvenir à une compréhension plus profonde des relations entre les choses.
       - Toute ma vie, j'ai détesté les institutions. Et le Seigneur m'a puni: je suis devenu moi-même une institution.

Niels Bohr (devant les difficultés posées par la m. quantique)
       - Quiconque n'est pas surpris par la mécanique quantique ne l'a pas comprise

Werner Heisenberg
      - (idem) la Nature peut-elle être vraiment aussi absurde que ces expériences atomiques semblent nous l'indiquer ?
      - (se non è vero,..) Si la Nature conduit à des formes mathématiques d'une belle et grande simplicité (...) que personne n'a encore rencontrées, nous ne pouvons éviter de croire qu'elles sont "vraies", qu'elles révèlent un trait authentique de la Nature.
      - (sur son lit de mort ?) Je poserai à Dieu deux questions : pourquoi la relativité et pourquoi la turbulence ?

Paul Dirac
     - Dieu a utilisé de merveilleuses mathématiques en créant le monde.
     - Il est plus important qu'une équation soit belle qu'en accord avec l'expérience.

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DEUX SOTTISES

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Lord Kelvin
      - En cette fin de XIXème siècle, la physique est pratiquement achevée: seuls restent deux problèmes mineurs à résoudre...
C'étaient le résultat négatif de l'expérience de Michelson et Morley et les infinis apparaissant dans le calcul du rayonnement du corps noir; ces 2 problèmes ont joué un grand rôle dans la naissance de la relativité et de la mécanique quantique.

Thomas Henry Huxley
       - La science n'est que le bon sens entraîné et organisé
et
Sir Arthur Eddington
      - Il paraît que la théorie de la Relativité n'est comprise que par 3 personnes? Je me demande bien qui peut être la troisième.

Newton (en vingt ans de présence au Parlement)
     - Peut-on ouvrir les fenêtres?

Pauli
     - Ce que vient de dire le professeur Einstein n'est pas complètement idiot !