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L'histoire de la physique

atomeA travers le temps, les hommes ont toujours voulu améliorer leur compréhension de l'univers. Se servant des observations et des mathématiques pour décrire précisément des phénomènes quotidiens, de nombreux physiciens se sont relayés pour faire grandir notre savoir. L'histoire de la physique a pour principal objectif de retracer les différentes découvertes effectuées par les physiciens depuis la préhistoire. Ainsi, à travers les époques, nous montrerons quelles ont été les évolutions majeures ayant permis de fonder notre actuelle connaissance de l'univers.


 

Les sciences physiques au commencement

Nous savons que la physique ne prend racine qu'à la préhistoire et dans l'antiquité. Grâce aux archéologues, nous savons avec certitude que les hommes préhistoriques étaient de bons observateurs. Des monuments, tel celui du mégalithique « Stonehenge » nous en apportent des preuves. Les hommes de la préhistoire connaissaient cet ardent désir d'en savoir plus sur notre univers et ont tenté de reproduire certains phénomènes, ils ont ainsi fondé le premier élément d'une démarche scientifique qui est l'observation.

Aussi, les premiers objets servant à mesurer le temps ont vu leur apparition durant cette période de notre histoire. L'os d'Ishango, l'os de l'abri Blanchard, mais encore Stonehenge, et Carnac étaient les premiers instruments pouvant mesurer le temps. C'est là le début de la physique : la description de certains mécanismes astronomiques. La physique de l'antiquité, quant à elle, nous est connue de manière beaucoup plus précise. Le temps fût également une préoccupation importante. Le gnomon, la clepsydre et le cadran solaire nous sont des héritages de l'antiquité.

Mais au-delà de la mesure du temps, un savoir grec s'est constitué avec des physiciens tel Archimède, Thalès de Milet, ou encore Erasthostène. S'intéressant à la matière et ses phénomènes, la plupart de ces philosophes ont ainsi fait progresser notre compréhension de l'univers. Le mot « atome » nous vient du grec « atomon » signifiant « indivisible ». En effet, Démocrite (-460 - -370 Av-JC) suppose que la matière est constituée de particules séparées par du vide. Ces particules qui sont dites insécables, car considérées comme les plus petits éléments seront nommées des atomes. "Enfin les corps que nous voyons durs et massifs, doivent leur cohérence à des corpuscules plus crochus, plus intimement liés ... Ce sont au contraire des corpuscules lisses et ronds qui forment les corps de nature liquide et fluide" affirme-t-il. Archimède (-287 - -212 Av-JC) est désigné aujourd'hui comme le fondateur de la mécanique statique : il est à l'origine de nombreuses machines à traction, mais certaines de guerre également, comme la catapulte.

Mais c'est surtout par ses travaux sur la mécanique des fluides qu'il est connu. Ayant crié « Eurêka » d'après la légende, il découvre les propriétés des corps plongés dans un fluide, et énonce ainsi le "principe d'Archimède" : Tout corps plongé dans un liquide (ou un gaz) reçoit une poussée, qui s'exerce de bas en haut, et qui est égale au poids du volume de liquide déplacé. Cette poussée sera nommée la "poussée d'Archimède". Nous ne citerons pas ici tous les physiciens de l'Antiquité, mais il convient quand même de s'intéresser à Eratosthène. Ce dernier calcula la circonférence de la Terre à partir de menhirs et en usant des mathématiques simples. En effet, en supposant les rayons du Soleil parallèles, il parvient à mesurer à midi à Alexandrie l'angle des rayons solaires avec la verticale (menhir) et trouve 7°. Au même moment à Syène, ville située presque sur le même méridien, les rayons du Soleil ne forment aucun angle dans un puits. En utilisant une relation de proportionnalité, il en déduit la circonférence de la Terre de 40349 km, soit une erreur de 10% par rapport à la valeur mesurée de nos jours avec précision. Ainsi la physique progresse et le savoir s'accumule à travers l'observation, la formulation d'hypothèses, et l'élaboration de théories à l'aide d'outils mathématiques.

Une progression constante

alhazenLe Moyen-Âge s'installe, et les guerres se multiplient. Invasions, conquêtes, guerres ... et le savoir grec accumulé de l'Antiquité se perd excepté quelques philosophes, tel Boèce, qui conservent à travers le Quadrivium quelques héritages scientifiques de l'Antiquité. Alors que l'Occident est plongé dans une période d'oubli, la civilisation arabo-musulmane poursuit le travail engagé par les grecs, notamment en conservant les écrits de découvertes, et en reprenant ces travaux pour les approfondir et ainsi fonder une civilisation de savoir : c'est l'âge d'or du progrès arabo-musulman. L'invention du zéro par les arabes provoque un bouleversement des sciences mathématiques et va permettre des progrès dans le domaine, comme nous l'illustre l'algèbre et des scientifiques tel Averroès (1126-1198). L'astronomie est également approfondie par l'invention d'un premier télescope à eau par le physicien astronome Alhazen (965-1039). Ce dernier parvient à expliquer des phénomènes d'optiques comme par exemple la Lune qui apparaît plus grosse dans le ciel à certains moments, ou encore pourquoi la Lune brille-t-elle. Il est également le premier à parler de phénomène de réfraction, idée qui sera reprise par les physiciens des siècles suivants. En mécanique, Alhazen énonce le principe de l'inertie, qui sera plus tard repris par Galilée, et parle également de l'attraction des masses, idée qui sera principalement reprise par Isaac Newton des siècles plus tard. La Renaissance a vu de nombreux scientifiques révolutionner le monde des sciences physiques. Vient Galilée (1564-1642), l'astronome physicien devenu très célèbre pour de nombreuses inventions telle la lunette astronomique. Ses travaux en dynamique lui apprennent à comprendre le mouvement des planètes. Aussi, il énonce le principe de l'inertie qui stipule que si un objet n'est soumis à aucune force ou à des forces dont la résultante est nulle, alors le corps en question est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme. Ce principe constituera quelques années plus tard la première loi de Newton. René Descartes (1596-1650), quant à lui travaille davantage sur l'optique et exprime mathématiquement la loi de la réfraction de la lumière, et évidemment celle de la réflexion.

isaac_newtonMais le progrès majeur du XVIIème siècle fût sûrement les travaux du scientifique Isaac Newton (1643-1723). Il travaille dans de nombreux domaines, tel l'optique, la mécanique et les mathématiques, et révolutionne notre compréhension de l'Univers. Newton poursuit les travaux de Descartes (et de Snell) sur la réfraction de la lumière : il montre qu'un prisme décompose la lumière en plusieurs couleurs, et que ce sont ces couleurs qui forment la lumière blanche. Il étudie également la diffraction et sera l'inventeur du télescope de Newton qui permettra une meilleure vue et visibilité que la lunette astronomique de Galilée. En mécanique, Isaac Newton explique le mouvement des corps de façon mathématique se servant des vecteurs pour modéliser les forces. Ainsi il établit trois lois que l'on appellera par la suite les "lois de Newton" et parvient à expliquer le fonctionnement de la gravité en énonçant la loi de la gravitation universelle, qu'il publiera dans son ouvrage "Les principes de la philosophie naturelle" grâce à son ami l'astronome Halley (1656-1742). Enfin Leibniz (1646–1716) fût un physicien important du moment : ses découvertes théoriques sur la conservation de l'énergie et la modélisation théorique des dimensions spatiales et temporelles auront été d'une grande utilité pour les scientifiques qui vont suivre.

Les sciences physiques post-Newtoniennes

On comprend mieux l'énergie et la dynamique : cinématique et dynamique, va alors se créer une branche qui unit les deux sous-domaines : la thermodynamique. Comme son nom l'indique, qui vient du grec ancien "thermos" : la chaleur, et "dunamis" : la puissance (d'où le nom dynamique), cette branche des sciences physiques met en relation le mouvement et l'énergie (la chaleur n'est qu'un moyen de transport de l'énergie). Avec cette nouvelle branche de la physique, l'industrie va faire des progrès (à l'âge industriel justement) et les machines à vapeur vont se développer. Apparaît également une autre nouvelle branche : l'électromagnétisme, avec Maxwell (1831–1879). Cette nouvelle branche unifie l'électricité au magnétisme, et ceci avec des expériences simples (ainsi qu'en théorie avec les mathématiques) : un courant électrique circulant dans un fil engendre un champ magnétique. C'est le déplacement d'électrons libres qui créé un champ magnétique, en même temps qu'un courant électrique. Mais la découverte la plus importante du siècle sera sans doute celle de la mesure de la vitesse de la lumière à l'aide de l'interféromètre par deux prix Nobel : Edward Morley (1838-1923) et Albert Abraham Michelson (1852-1931). Ils constatent que la vitesse de la lumière est la même dans tous les référentiels d'un même milieu, découverte qui crée un bouleversement dans la dynamique. En effet, un observateur se déplaçant à une vitesse élevée, et un observateur étant immobile, dans un certain référentiel, verront un photon passer à la même vitesse, ce qui est contraire à la dynamique de la physique : un observateur se déplaçant dans le même sens du photon à une vitesse élevée, devrait le voir progresser moins vite qu'un observateur au repos (dans un certain référentiel) [1] . Ceci ne peut-être expliqué qu'avec le principe de contraction des longueurs, dont Fitzgerald (1851-1901) et Lorentz (1853-1928) sont à l'origine. La mécanique classique est donc contredite.

albert-einsteinIl faudra attendre Einstein (1879-1955) pour concilier cette découverte surprenante avec la mécanique. En 1905, il publie sa théorie de la relativité restreinte qui prouve que si la vitesse de la lumière ne change pas, un mouvement s'ensuit d'une déformation de l'espace et du temps. Ainsi il montre que l'espace et le temps ne sont pas des constantes, mais se dilatent et se contractent, d'où l'expérience imaginée des jumeaux de Langevin (1872-1946) dont la vieillesse serait différente selon qu'ils aient fait un voyage à vitesse élevée ou non (par rapport à un certain référentiel) [1]. La relativité générale élaborée entre 1907 et 1915 par Einstein permettra de concilier la relativité restreinte avec une théorie de la gravitation. En effet Albert montre que la gravitation n'est selon lui qu'une déformation de l'espace-temps. Comme une bille que l'on poserait sur une feuille de caoutchouc, la déformation de cette dernière engendrerait une attraction car un corps suit les lignes gravitationnelles que l'on appelle les géodésiques.

La relativité générale réduira le champ d'application de la mécanique Newtonienne, cette dernière ne fonctionnant plus pour les corps se déplaçant à vitesse très importante. Elle conduira également à de nouveaux concepts, tel le trou noir, et détectés depuis peu. Aussi le physicien Hubble (1889-1953) montrera que les galaxies s'éloignent les unes des autres (contrairement à ce que la mécanique Newtonienne pourrait nous amener à croire) d'où l'idée de l'expansion de l'Univers, suite à un événement qui sera nommé "Big Bang". Dans le domaine de la mécanique quantique, Ernest Rutherford (1871-1937) conduira à d'extraordinaires découvertes en physique nucléaire. Il découvre les rayons ionisants comme la radioactivité, les rayons alpha, et bêta. Son expérience avec l'atome d'or mettra en avant l'existence d'un noyau réunissant les charges positives de l'atome et responsable de sa masse.

De nos jours

La physique a donc des bases solides afin de permettre de nouvelles découvertes, et de nouvelles inventions. Reste toujours à résoudre l'incompatibilité entre la mécanique quantique et la relativité générale, qui sont radicalement différentes. Toutes les découvertes de ces deux cent dernières années semblent conduire à un même point, converger, d'où l'idée d'une théorie du tout, et d'une équation maîtresse qui est actuellement l'objet d'intenses recherches par les physiciens. Les ordinateurs et les machines permettent à la physique d'avancer plus rapidement avec plus de précision. Récemment l'ouverture du LHC ("Large Hardron Collider" ou "Grand Collisionneur de Hadrons") du CERN ("Conseil européen pour la recherche nucléaire", officiellement : "Organisation européenne pour la recherche nucléaire") permettra de découvrir les secrets de la matière et peut-être même de reconstituer l'Univers à ses débuts, bref, il nous promet bien des surprises. Grâce aux mathématiques, à l'informatique, et la technologie, les sciences physiques continuent de progresser, et l'histoire de cette magnifique science continue de s'écrire ...

[1] On parle toujours de mouvement par rapport à un référentiel (solide considéré comme fixe)

 

Bibliographie

- Jean Rosmorduc, Une histoire de la physique et de la chimie. Points Sciences, 1985.

- Jean Perdijon, Histoire de la physique. Dunod, 2008.

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