Histoire de la physique - Cours d’épistémologie
Publié le 10/10/2018
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La dynamique : de GaLilée à Newton
Galilée est le fondateur de la « dynamique » moderne, dont il énonce les principes.
• Tous les corps, quelle que soit leur masse, chutent à la même vitesse (on néglige les frottements de l'air). Cette dernière est telle que la distance parcourue croît en raison du carré du temps - dès lors le temps devient un des paramètres du mouvement.
• Un corps qui n'est soumis à aucune contrainte est immobile ou en déplacement rectiligne uniforme.
• Les lois du mouvement sur un bateau en déplacement rectiligne uniforme (référentiel « galiléen ») sont les mêmes que sur la terre ferme. Ce principe
s'accompagne d'une loi de « composition des vitesses », qui permet de décrire un même mouvement dans les deux référentiels. Isaac Newton étend le troisième principe à tout l’Univers et en ajoute deux autres :
• l'accélération d'un corps est proportionnelle à la force qui s'exerce sur lui ;
• les actions que deux corps en contact exercent l'un sur l'autre sont égales et opposées.
Enfin, il intègre la loi de chute des corps dans sa théorie de la gravitation universelle : les forces qui s'exercent entre deux corps éloignés sont proportionnelles au produit de leur masse et inversement proportionnelles au carré de la distance.
Lumière et optique
La constitution de l'optique moderne est ponctuée par l'opposition entre ceux qui considèrent la lumière comme une onde (théorie ondulatoire) et ceux qui l'imaginent formée de particules (théorie corpusculaire). Au xvii' siècle, Kepler établit les premiers principes (concept de« foyer » d'un faisceau lumineux, loi « approchée » de réfraction, etc.). Mais c'est Destartes (1596-1650) qui fonde l'optique géométrique et définit la lumière comme propriété mécanique d'un « éther » incompressible qui remplit l'espace.
Il en déduit que sa propagation est instantanée. Pour Huygens (16291695), l'éther étant un fluide élastique, la lumière se propage à vitesse finie. Newton décompose la lumière blanche. Sous son autorité, la théorie corpusculaire s'impose jusqu'au début du xix' siècle. Entre 1800 et 1820, Young (1773-1829), Arago (1786-1853) et surtout Fresnel (1788-1827) démontrent sa nature ondulatoire par des expériences de diffraction et d'interférence. Maxwell (1831 -1879) découvre la nature électromagnétique des ondes lumineuses.
L'« INTERLUDE » ROMAIN
Avec l'annexion de l'empire grec - qui s'achève entre le ler et le IIe siècle de l'ère chrétienne-, les Romains héritent de tout le savoir hellène consigné dans les livres, qu'ils inventorieront et recopieront scrupuleusement. Par ailleurs, les anciennes cités grecques, qui gardent leur autonomie, poursuivent l'activité scientifique. Parmi les savants de cette période, citons Claude Ptolémée (env. 90-168).
Grec résidant en Alexandrie (Egypte), Ptolémée, conçoit le premier modèle « mécanique » de l'Univers. Centré sur la Terre (système« géocentrique»), il prétend décrire la trajectoire des astres à partir du seul mouvement circulaire uniforme. Comme, vue de la Terre, la trajectoire des planètes est complexe, le système de Ptolémée inclut des superpositions de mouvements circulaires qui compliquent le modèle. Quelques siècles plus tard, les savants arabes tenteront de s'affranchir de ce système. Mais c'est seulement au XVI' siècle, qu'un chanoine polonais, Nicolas Copemic, découvrira le « bon » modèle d'Univers, centré sur le Soleil.
LA SCIENCE ARABOMUSULMANE
La transmission
Jusqu'au viiie siècle, l'acquis grec se conservera mais évoluera peu. C'est la naissance d'un nouvel empire, l'empire arabe, qui marquera la « renaissance » de la science antique. La dynastie abbasside, qui règne à partir du viiie siècle sur le monde musulman, possède un empire qui s'étend de l'Asie Centrale à l'actuel Maroc (le sud de l'Espagne est aux mains d'une autre dynastie musulmane : les Omeyyades). Occupant une partie de l'ancien empire romain, les Abbassides deviennent dépositaires des œuvres scientifiques grecques. Le Calife Härün Al-Rachid (règne de 786 à 809) - que Les Mille et Une nuits ont immortalisé - déclenche, le premier, la dynamique de regroupement et de traduction des livres grecs en faisant construire une « Maison de la Sagesse », à Bagdad. Mais ce sera sous le règne de son fils, le Calife Al-Ma'mûn (règne de 813 à 833), que ce processus se systématisera. l'arabe devient la langue de la science (comme aujourd'hui, l'anglais). l'effervescence scientifique arabe se maintiendra jusqu'au xiiie siècle.
Les « physiciens » arabes
Parmi les très nombreux savants arabes, citons les frères Banû Mûsâ, qui furent mécènes et scientifiques, notamment dans les domaines de la mécanique et de l'astronomie ; l'astronome Thâbit lbn-Qurra (826901), grand traducteur des œuvres grecques ; Al-Bîrûnî (973-1050), astronome et physicien, qui s'intéresse à la nature et la transmission de la lumière et de la chaleur ; Ibn AI-Haytham (9651040), qui conteste le modèle cosmologique de Ptolémée (dans Doutes sur Ptolémée) et révolutionne la théorie de l'optique (dans Optique) en décrétant que c'est le rayon de lumière qui arrive à l'œil et non pas l'œil qui émet des rayons... Enfin, au xin' siècle, les astronomes musulmans de l'École de Maragha, en particulier Nasir al-Dini al-Tusiet et Ibn al-Shatir, proposent des modèles cosmologiques alternatifs à ceux de Ptolémée. C'est sur les écrits arabes que les Européens bâtiront la science moderne.
«
LA
DYNAMIQUE :
DE CiALILtE À NEWTON
Galilée est le fondateur de la
" dynamique >> moderne, dont il énonce
les principes.
• Tous les corps, quelle que soit leur
masse, chutent à la même vitesse (on
néglige les frottements de l'air).
Cette
dernière est telle que la distance
parcourue croît en raison du carré du
temps -dès lors le temps devient un
des paramètres du mouvement.
• Un corps qui n'est soumis à aucune
contrainte est immobile ou en
déplacement rectiligne uniforme.
• Les lois du mouvement sur un bateau
en déplacement rectiligne uniforme
(référentiel « galiléen ») sont les mêmes
que sur la terre ferme.
Ce principe
s'accompagne
d'une loi de
" composition
des vitesses »,
qui permet de
décrire un même
mouvement
dans les deux
référentiels.
/sooc Newton étend le troisième
principe à tout l'Univers et en ajoute
deux autres :
• l'accélération d'un corps est
proportionnelle à la force qui s'exerce
sur lui;
• les actions que deux corps en contact
exercent l'un sur l'autre sont égales et
opposées.
Enfin, il intègre la loi de chute des corps
dans sa théorie de la gravitation
universelle : les forces qui s'exercent
entre deux corps éloignés sont
proportionnelles au produit de leur
masse et inversement proportionnelles
au carré de la distance.
LUMIÈRE ET OPTIQUE
La constitution de l'optique moderne
est ponctuée par l'opposition entre
ceux qui considèrent la lumière comme
une onde (théorie ondulatoire) et ceux
qui l'imaginent formée de particules
(théorie corpusculaire).
Au XVII' siècle,
Kepler établit les premiers principes
(concept de« foyer » d'un faisceau
lumineux, loi " approchée » de
réfraction, etc.).
Mais c'est Descartes
{1596-1650) qui
fonde l'optique
géométrique et
définit la lumière
comme propriété
mécanique d'un
« éther » incom
pressible qui
remplit l'espace.
Il en déduit que sa propagation est
instantanée.
Pour Huygens {1629-
1695), l'éther étant un fluide élastique,
la lumière se propage à vitesse finie.
Newton décompose la lumière blanche.
Sous son autorité, la théorie
corpusculaire s'Impose jusqu'au début
du XIX' siècle.
Entre 1800 et 1820, Young
(1773 -1829), Arago (1786-1853) et
surtout Fresnel
(1788-1827)
démontrent sa
nature ondula
toire par des
expériences de
diffraction et
d'interférence.
Maxwell {1831-
1879) découvre la nature électro
magnétique des ondes lumineuses.
Enfin,
en 1905, Einstein (1879-1955)
arrive à la synthèse en établissant la
" dualité onde-corpuscule » de la
lumière.
l'étude scientifique des phénomènes
électriques et magnétiques, connus
depuis des lustres, ne débute qu'à la fin
du XVIII' siècle.
C'est Coulomb (1736-
1806) qui lance le mouvement en 1785,
avec la mesure des forces d'attraction
répulsion entre charges électriques et
entre aimants.
Il découvre que ces
forces s'atténuent en raison du carré de
la distance.
Avec Laplace (1749-1827)
et Poisson (1781-1840) les quelques
lois connues sur l'électricité et le
magnétisme statiques (forces,
distribution de
l'électricité sur
les solides, etc.)
acquièrent leur
forme mathéma
tique.
En 1800,
l'Italien Volta
(1745-1827)
conçoit la
première pile
électrique, facilitant aux scientifiques
l'étude du courant électrique.
En 1820,
le Danois Œrsted (1777-1851) fait le
premier pas dans l'unification des deux
disciplines en montrant qu'un courant
électrique dévie l'aiguille d'un aimant
Entre 1820 et 1825, Ampère (1775-
1836) met en lumière l'existence d'une
force d'attraction-répulsion entre
courants électriques.
Il fonde par-là
l'électrodynamique.
Jusqu'à cette
période, on considère les forces
magnétique et électrique comme
instantanées et à distance.
LA CHALEUR
On sait que les Grecs considéraient le
chaud et le froid comme deux qualités
distinctes.
Vers 100 av.
J.-C., Héron
d'Alexandrie remarque la vertu motrice
de la vapeur d'eau chaude et construit
même un" moteur » (élémentaire).
Mais l'étude de la chaleur démarre
véritablement à la Renaissance.
Dès le
XVII' siècle, l'idée que le chaud et le
froid sont des manifestations d'un
même phénomène s'affirme.
Au XVIII'
siècle, on commence à s'intéresser à la
capacité de différents corps à
emmagasiner la chaleur, à leur inertie
thermique et aux changements d'état
(fusion, vaporisation, etc.).
On se
demande si la chaleur est une matière
en soi, un « fluide calorique », ou un
état particulier de la matière lié à
l'agitation des molécules: à l'orée du
XIX', les deux écoles s'opposent.
Le
premier à élaborer une analyse
mathématique de la chaleur est Joseph
Fourier (1768-1830) :il étudie sa
propagation dans les corps solides
établit les équations différentielles de
son mouvement.
Mais il faudra attendre
l'avènement de la thermodynamique
pour voir apparaître une théorie
globale.
LA PHYSIQUE MODERNE
LA THERMODYNAMIQUE
Avec le développement industriel de la
machine à vapeur, au XIX' siècle, on se
demande si l'on peut construire un
moteur à rendement parlait, et réutiliser
" perpétuellement» une
quantité finie de chaleur.
La
thermodynamique apportera une
réponse négative à ces deux questions.
En 1824, Sadi Carnot {1796-1832)
publie une étude sur la perte de qualité
de la chaleur utilisée pour produire du
travail mécanique.
En 1842, le médecin
Allemand J.
Mayer (1814-1878) formule
l'équivalence : chaleur= travail.
Reprenant ces travaux, l'Allemand R.
Clausius (1822-1888) aboutit en 1850 à
une théorie complète reposant sur deux
principes : le premier exprime la
propriété de conservation de l'énergie
lors d'une transformation dans un
système isolé ; le second introduit le
concept d'entropie comme mesure de
la dégradation de qualité de l'énergie et
établit que dans un système isolé,
l'entropie ne peut qu'augmenter
(l'énergie se dégrade).
En 1872,
Ludwig BoHzmnnn (1844-1906) lie
les propriétés
macroscopiques de
la matière (chaleur,
pression, etc.) au
comportement mécanique des
particules, ouvrant à une interpré
tation statistique
des principes thermodynamiques.
Dès
lors, cette science ne cessera d'étendre
son domaine, jusqu'à devenir une
véritable " métathéorie » de la
physique.
� (matérialisées par la limaille de fer).
Dans le même mouvement,
W.
Thomson (1824-1907), futur Lord
Kelvin, associe la force magnétique à
des tourbillons se propageant de
proche en proche.
C'est J.
C.
Maxwell
(1831-1879), inspiré par les concepts de
Faraday et Thomson, qui accomplit
l'unification :en 1868, il établit les 4lois
fondamentales de l'électromagnétisme.
La première lie le champ électrique (E)
à la charge électrique ; la seconde
montre que la variation d'un champ
magnétique (B) crée un champ E; la
troisième établit les caractéristiques du
champ B ; la quatrième montre que la
variation d'un champ E engendre un
champ B, et relie E et B à la lumière.
De
ces lois émerge une nouvelle réalité : la
lumière est un phénomène
électromagnétique.
En 1888, H.
Hertz
(1857 -1894) démontre la justesse de la
théorie en produisant des ondes
électromagnétiques par l'oscillation
d'un champ E.
Les ondes hertziennes
sont nées.
ijit@IWI
RELATIVITt RESTREINTE ET CtNtRALE
A l'orée du XX' siècle, la mécanique
newtonienne et l'électromagnétisme
manifestent de graves incompatibilités.
La première impose le respect du
principe de composition des vitesses
(pour les mouvements rectilignes
uniformes) : si un observateur A voit un
objet se déplacer à la vitesse V, un
observateur B animé d'une vitesse V'
par rapport à A verra ce même objet se
déplacer à la vitesse V-V'.
Mais les
ondes électromagnétiques (la lumière)
semblent déroger à ce principe : une
expérience effectuée en 1887 par
Michelson et Morley montre que la
vitesse de la lumière (c) est constante
pour tout observateur.
Cet " étrange »
résultat pose une énigme.
En 1905, le
jeune Albert
Einstein résout
le problème en
révolutionnant la
physique.
En
substance, sa
théorie de la
relativité
restreinte dit que
c'est la vitesse limite de tout objet
matériel.
Il en déduit que le temps peut
ralentir, l'espace se contracter, et que
matière et énergie sont équivalentes
(E=Mc2).
En 1917, Einstein généralise sa
théorie en posant l'équivalence : masse
=accélération.
Il en déduit que l'espace
et le temps peuvent se « courber » sous
l'influence de la matière- énergie : la
gravitation n'apparaît plus que comme
un épiphénomène de la courbure
spatio- temporelle.
(ONSTITUTION DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE
En 1900, Mnx Planck (1858-1947), qui
étudie le rayonnement émis par des
objets chauffés (expérience du "corps
noir>> ),
découvre que
l'énergie
échangée entre
la matière et le
rayonnement se
fait non pas de
manière continue mais
par « paquets » indivisibles, le s
" quanta ».
En 1905, Einstein découvre
la dualité onde-corpuscule de la
lumière en étudiant l'effet
photoélectrique.
En 1913, Niels Bohr
{1885-1962) applique le principe de
quantification de l'énergie au modèle
atomique développé par Ernest
Rutherford en 1910.
En 1924, Louis de
Broglie {1892 -1987) étend à toute la
matière le principe de dualité onde
corpuscule ...
Une théorie unitaire
s'apprête à éclore.
En 1925, Erwin
Schrodinger (1887 -1961) pose
l'équation de
propagation des
ondes associées
aux particules.
La
même année, W.
Heisenberg {1901 -
1976) établit un
formalisme abstrait -� -.
..
rendant compte du
comportement des ondes- corpuscules.
Et en 1926, Schrôdinger démontre
l'équivalence entre son interprétation et
celle d'Heisenberg.
La physique quantique
est constituée.
Elle recewa
d'éclatantes confirmations, notamment
en 1981 avec la preuve de " non
séparabilité » fournie par A.
Aspect, de
l'université d'Orsay.
LA RADIOACTIVIrt
En 1896, H.
Becquerel (1852-1908)
découvre accidentellement que les sels
d'uranium émettent spontanément des
rayonnements.
En 1898, Pierre (1859-
1906) et Marie (1867 -1934) Curie
isolent le polonium et le radium.
Ils
étudient les lois régissant ces radiations
et nomment le phénomène :
"radioactivité».
En 1899, E.
Rutherford
(1871 -1937) identifie deux autres types
de rayons émis : les et (noyaux
d'hélium) et les {3 (électrons).
En 1902,
Rutherford et F.
Soddy (1877 -1956)
découvrent le phénomène de
" transmutation » radioactive : par
l'émission de rayons et et {3, un atome
se transforme en un autre.
Dans les
années 1910, on montre qu'un même
élément chimique peut avoir de
nombreux " isotopes » dont certains
sont instables (ils se transmutent).
En
1934, Irène (1897 -1956) et Frèdéric
(1900-1958) Joliot-Curie découvrent
la radioactivité artificielle : un élément
stable, comme l'aluminium, peut
devenir radioactif après bombardement
par des particules et.
Ils mettent en
évidence de nouveaux rayons : les {3-
(neutrons).
En 1938-39, O.
Hahn
(1879-1968) et L.
Meitner (1878-1968)
découvrent la fission (séparation en
deux) de l'uranium et F.
Joliot-Curie
envisage la possibilité de réactions
nucléaires (fission) en chaîne qu'Enrico
Fermi (1901-1954) réalise en 1942.
La théorie de la relativité autorisant
différents modèles d'Univers, la
question était de savoir, en cette
première moitié du XX' siècle, lequel
s'appliquait au nôtre.
Einstein, lui,
croyait à la nature statique et immuable
du Cos mos.
Mais en 1922, le Russe
Friedman (1888-1925) montre que
certaines solutions des équations de la
relativité conduisent à des modèles
d'Univers en expansion.
Ce que
confirme en 1929, Hubble {1889-1953),
qui observe que les galaxies s'éloignent
les unes des autres.
En 1927, Lemaître
comprend que si l'Univers gonfle, cela
signifie que plus on remonte dans le
passé, plus il rapetisse ...
Jusqu'à
devenir ponctuel.
Ce modèle d'un
Univers né d'une « singularité » spatio
temporelle sera nommée " big bang »
(on estime aujourd'hui qu'il s'est
produit il y a 14 milliards d'années).
Vers 1948, Gamow (1904-1968) et ses
collègues établissent un scénario
possible pour la synthèse des éléments
chimiques dans le modèle de Lemaître,
que Hoyle {1915- 2001) modifie et affine
dix ans plus tard.
Gamow prédit
l'existence dans tout l'Univers d'un
rayonnement "fossile » issu du big
bang que deux physiciens, Penzias et
Wilson, décèlent en 1963.
Dès lors, le
modèle du big bang s'impose..
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