Deux programmes de recherche productifs au début du 19e siècle
Le remplacement de la physique continentale au 19e siècle, Partie 1
Le 3 mars 2024, j’ai donné une conférence à la Rising Tide Foundation intitulée “The Replacement of Continental Physics in the 19th Century” (« Le remplacement de la physique continentale au 19ème siècle »). Ce billet est le premier d’une série de trois correspondant à une version éditée de la transcription de cette conférence.
Pourquoi ai-je donné cette conférence?
Avant de commencer, je dois préciser que je ne suis pas un physicien professionnel. J’ai travaillé toute ma vie dans le domaine de l'informatique, à la fois en tant qu’universitaire et en tant qu’ingénieur logiciel. Je peux lire des articles scientifiques, je peux suivre les aspects techniques et, avec un peu de travail, je peux suivre les mathématiques. Je pense donc avoir la capacité d’étudier, de lire et de comprendre la physique, même si je ne suis pas physicien professionnel.
Alors, pourquoi cet exposé ? La réponse est double. Premièrement, le sujet me tient à cœur depuis longtemps, mais ce n’est que récemment que j’ai sérieusement étudié la question.
Deuxièmement, je trouve que la physique moderne est difficile à comprendre. J’ai l'impression de ne pas vraiment comprendre les concepts. Si je vais à la librairie locale, que ce soit à Bogotá, à Paris, à New York ou ailleurs, si je vais au rayon sciences, il y aura un tas de livres sur la relativité générale et la mécanique quantique, et peut-être sur la biologie moléculaire, nous parlant de ceci, de cela et de l’autre chose. Il ne faut pas longtemps pour découvrir que deux des concepts les plus célèbres, la relativité générale et la mécanique quantique, ne sont pas compatibles. Pourtant, ils existent depuis plus d’un siècle. Hmmm, il semble qu’il y ait là un problème.
Travaillons donc à rebours : la relativité générale dépend de la relativité restreinte, et la relativité restreinte est en fin de compte basée sur l’électrodynamique de James Clerk Maxwell (1831-1879). Je crois qu'Albert Einstein (1879-1955) a dit qu'il ne se tenait pas sur les épaules de géants, mais plutôt sur celles de Maxwell. La mécanique quantique est née des découvertes de Max Planck (1858-1947) au début du 20e siècle, ce dernier travaillant sur les résultats du rayonnement du corps noir de Gustav Kirchhoff (1824-1887). Et dans des livres similaires, on lit souvent des articles sur la « mort de la chaleur », dont on nous dit qu’elle découle de la deuxième loi de la thermodynamique.
Toutes ces choses qui me semblent bizarres ou du moins incompréhensibles, semblent en fin de compte dépendre d’idées apparues au cours de la période approximative de 1850 à 1870. Que s'est-il donc passé durant cette période ?
Pour ceux qui étudient la géopolitique, il y a eu de nombreux événements majeurs : la guerre civile américaine, la guerre civile japonaise, la mutinerie indienne, la guerre de Crimée, l’invasion française de l'Indochine, l’unification de l’Allemagne et de l’Italie, etc. Donc au niveau géopolitique, il s’est passé beaucoup de choses.
Dans le domaine des sciences aussi, il s’est passé beaucoup de choses, et c’est à cela que je vais m’intéresser. Mais faisons d’abord un pas en arrière, jusqu’à la période glorieuse des débuts de l’École polytechnique de Paris. Ce que je vais vous présenter, c’est qu’il y avait deux programmes de recherche productifs au début du 19e siècle : l’éther luminifère et l’action à distance. Dans ce billet, je vais présenter rapidement quelques résultats clés. Dans un deuxième billet, je montrerai comment, à partir des années 1850 environ, ces programmes de recherche ont été assez rapidement remplacés par de nouveaux programmes de recherche. Dans le troisième et dernier billet, je donnerai quelques exemples de chercheurs qui, aujourd’hui encore, continuent à promouvoir les anciennes idées.
Programme de recherche productif 1: L’éther luminifère
Le premier programme de recherche productif est l’éther luminifère. L’éther est constitué de particules incroyablement fines, bien plus petites que nos atomes et nos électrons, censées être le support de la lumière ; « luminifère » est l'adjectif qui signifie porteur de lumière.
La première personne que l’on associe à cette idée est Cristiaan Huygens (1629-1695), l’un des scientifiques les plus brillants du 17e siècle, à la fois expérimentateur et théoricien. On lui associe aujourd’hui la théorie ondulatoire de la lumière. Il fut également l’inventeur de l'horloge à pendule, le premier à écrire que les anneaux de Saturne étaient une sorte de disque, et il résolut le problème des caténaires à un jeune âge. Pour ceux qui s'intéressent à Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), c’est Huygens qui lui a enseigné les mathématiques.
Prenons donc une de ses citations :
La seconde maniere donc d'expliquer la transparence, & qui paroit plus vraisemblable, c'est en disant que les ondes de lumiere se continuent dans la matiere etherée, qui occupe continuellement les interstices, ou pores des corps transparens. Car puisqu'elle y passe continuellement, & avec facilité, il s'ensuit qu'ils s'en trouvent tousjours remplis. Et l'on peut mesme demonstrer que ces interstices occupent beaucoup plus d'espace que les particules coherentes qui constituent les corps.1
Cristiaan Huygens a donc travaillé sur la base d’une idée de René Descartes (1596-1650), selon laquelle il existe différents niveaux de matière, tous plus fins les uns que les autres. [Dans l’exposé, j’ai déclaré que Huygens n'insistait pas sur le fait qu’il n’y avait absolument pas de vide entre les particules ; je pense que cette affirmation était incorrecte. Huygens était un pléniste, comme Descartes]. Huygens, comme Descartes, insistait sur le fait que ces particules incroyablement fines de matière éthérée s’écoulent à travers les grands trous béants qui se trouvent entre les particules plus grosses qui constituent la matière corporelle.
L’idée de Huygens selon laquelle la lumière est une vibration de l’éther porteur de lumière n’a pas vraiment été reprise, car très peu de temps après, Isaac Newton (1643-1727) a écrit son Optics, qui était basée sur un modèle corpusculaire de la lumière.
Néanmoins, au début du 19e siècle, le polymathe britannique Thomas Young (1773-1829) a réalisé quelques expériences intéressantes en se basant sur le modèle de Huygens. Il a mis au point l’expérience d’interférence, qui consiste à faire passer une source d’ondes dans de l’eau, par exemple, à travers deux trous dans un mur, et à observer une figure d'interférence sur le second mur situé derrière ; la même chose se produit avec la lumière. Il a également découvert qu’au bord des ombres, il y a des franges de couleur. Il a également parlé de l’éther luminifère :
Hypothèse I : Un éther luminifère imprègne l'univers [Cette idée d'imprégnation est très intéressante, c'est-à-dire qu'il circule à l'intérieur des corps matériels], rare et élastique à un haut degré.
Hypothèse II : Des ondulations sont excitées dans cet éther chaque fois qu'un corps devient lumineux.
Hypothèse IV : Tous les corps matériels ont une attirance pour le milieu éthéré, au moyen duquel il s'accumule dans leur substance, et sur une petite distance autour d'eux, dans un état de plus grande densité mais pas de plus grande élasticité.2
Les détails exacts de ce qui a été lu ne sont pas cruciaux pour la compréhension de cet exposé. Ce qui est crucial, c’est ce qui est mis en évidence dans les différentes citations que je lis.
Thomas Young est bientôt suivi par Augustin-Jean Fresnel (1788-1827), qui a véritablement développé la théorie ondulatoire de la lumière. Il propose que la lumière soit une onde transversale dans l’éther. Il a pu expliquer à la fois la diffraction et la polarisation, et il est également l'inventeur de la lentille catadioptrique de Fresnel, qui est utilisée, ou a été utilisée, dans le monde entier pour construire les phares de Fresnel. C'est ainsi que l'on retrouve ces sortes de lentilles en escalier dans les vieux phares ; tout cela vient de Fresnel. Que disait Fresnel ?
Après avoir démontré, dans la première section de ce Mémoire, que le système de l’émission [de Newton], et même le principe des interférences, quand on ne l’applique qu’aux rayons directs et aux rayons réfléchis ou infléchis sur les bords mêmes de l’écran, sont insuffisants pour expliquer les phénomènes de la diffraction, je vais faire voir maintenant qu’on peut en donner une explication satisfaisante et une théorie générale, dans le système des ondulations, sans le secours d’aucune hypothèse secondaire, et en s’appuyant seulement sur le principe d’Huyghens et sur celui des interférences, qui sont l’un et l’autre des conséquences de l’hypothèse fondamentale.3
Il est important de comprendre que Fresnel, lorsqu’il a fait ces présentations à l’Académie des Sciences, a reçu de grands éloges, même de la part de Newtoniens purs et durs comme Pierre-Simon Laplace ; c'est-à-dire que même les Newtoniens purs et durs ont été convaincus par la qualité du travail de Fresnel.
Voilà donc un programme de recherche très réussi : l’éther luminifère.
Programme de recherche productif 2: L’action à distance
Le second programme de recherche productif était de nature totalement opposée : il présupposait une action à distance. La personne que nous associons normalement au lancement de ce programme est Isaac Newton (1642-1726), qui est surtout connu pour ses trois lois du mouvement, dont les deux premières concernent essentiellement l’inertie, et sa loi de la gravitation universelle. Parmi les lois du mouvement, la troisième est très, très importante et jouera un rôle crucial dans ce qui suit : Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Ainsi, si l’on accepte ces lois, il faut juger une théorie à l’aune de sa capacité à respecter la troisième loi. En d’autres termes, la force de la particule A sur la particule B doit être identique, mais de direction négative, à la force de la particule B sur la particule A.
Je vais maintenant présenter quelques équations. Le contenu exact des équations n’est pas important ; ce qui importe, c’est la structure des équations, qui peut être reconnue visuellement. Toutes les équations seront présentées en utilisant une notation moderne, et non comme elles auraient pu apparaître à l'origine. Nous commençons par la loi de la gravitation universelle de Newton :
C’est ainsi que nous comprenons aujourd’hui la loi de la gravitation universelle de Newton. Je ne pense pas que ce soit la façon dont Newton l’a écrite. Il y a une force avec une direction (F-flèche), qui correspond à une sorte de constante, appelée ici la constante gravitationnelle (G), multipliée par quelque chose de la première entité, dans ce cas la première masse (m₁), et quelque chose de la deuxième entité, dans ce cas la deuxième masse (m₂), la direction de la première particule vers la deuxième particule (r-chapeau), le tout divisé par le carré de la distance entre les deux particules (r²).
Lorsque nous examinons les équations développées par les chercheurs successifs, nous remarquons que cette structure est reproduite. Nous poursuivons avec la loi électrique de Coulomb :
Coulomb (1736-1806) a mené toutes sortes d'expériences et étudié l’électrostatique, c'est-à-dire l’attraction et la répulsion des particules chargées statiquement. Sa loi électrique est une équation très similaire. C’est juste que la constante est différente et que nous ne parlons plus de masses, mais de charges électriques q₁ et q₂. Mais il y a toujours ce r-chapeau/r², c'est-à-dire cette ligne droite entre les deux charges et l'inverse du carré de la distance entre les deux particules.
Nous passons à la loi magnétique de Coulomb :
Coulomb a proposé une équation similaire pour les pôles magnétiques, avec exactement la même structure. Voici Q₁ et Q₂, ce sont les pôles magnétiques. Mais il y a toujours cette équation r-chapeau/r². Bien sûr, les constantes changent, ainsi que les unités des constantes. C’est bien, mais la structure générale reste la même. Le μ₀ s'appelle la constante magnétique, et si l’on passe à l’équation précédente, le ε₀ s'appelle la constante électrique. Elles réapparaîtront.
Coulomb a donc travaillé sur l’électrostatique. Coulomb a été suivi par Ampère (1775-1836). Ampère était un très bon ami de Fresnel ; en fait, Fresnel vivait dans la maison d’Ampère. Ampère a pu montrer que deux fils parallèles parcourus par des courants électriques s’attirent ou se repoussent. Après l'expérience d'Ørsted, Ampère a pu l’expliquer sans faire appel aux champs magnétiques ; en fait, Ampère aurait été scandalisé par toute discussion sur les champs magnétiques. Aujourd’hui, Ampère est en quelque sorte le Tycho Brache, Johannes Kepler et Isaac Newton, tous réunis en une seule personne, pour ce qui est de l’électricité. C'est-à-dire qu'il a fait les expériences, les calculs et, en fin de compte, les lois. Voici la loi de force d’Ampère :
La loi de force d'Ampère ne doit pas être confondue avec la soi-disant « loi circulatoire d'Ampère », qui n'a pas été inventée par Ampère. La loi de force est un peu plus compliquée que ce que nous avons vu précédemment avec Newton et Coulomb. Mais on retrouve toujours l'idée du produit de I₁ et de I₂; dans ce cas, les Is sont les intensités de courant. Vous obtenez maintenant une nouvelle expression à droite. N’oubliez pas qu’il s'agit d’une loi de force, non pas entre des particules, mais plutôt entre des circuits électriques. Ainsi, α, β et γ sont tous des angles, le premier étant l'angle d'un courant par rapport à la ligne droite reliant les deux éléments de courant, le deuxième étant l'angle de l'autre courant par rapport à cette même ligne droite, et le troisième étant l'angle entre les deux courants.
Il est important de rappeler qu'il ne s'agit pas de forces par rapport à des particules, mais par rapport à des éléments électriques, c'est-à-dire de courts fils métalliques parcourus par un courant électrique. Tout le travail d’Ampère est donc basé sur l’action à distance ; il n’y a pas d’hypothèse de milieu ou de quoi que ce soit entre les deux entités qui sont attirées ou repoussées l’une par l'autre.
Le successeur d'Ampère dans le domaine de l’électricité fut Wilhelm Eduard Weber (1804-1891), qui collabora de nombreuses années avec Carl Friedrich Gauss (1777-1855). Ensemble, ces deux derniers ont inventé le télégraphe en 1833. Weber a écrit huit traités sur l'électricité. Il a proposé un modèle planétaire de l’atome, initialement dans les années 1850, soixante ans avant que Ernest Rutherford (1871-1937) ne fasse son expérience de la feuille d’or, démontrant l’existence du noyau de l’atome, soixante ans, six décennies entières, à une époque où des découvertes révolutionnaires étaient faites chaque année. Il s’agissait donc d’une personne absolument brillante.
Voici la loi de force de Weber :
Il a donc imaginé une loi de force, non pas entre des éléments de courant, mais entre des particules chargées. Remarquez les q₁ et q₂. Ce sont les mêmes charges que celles de la loi de Coulomb, c'est juste qu'à droite des grandes parenthèses rondes, nous avons maintenant trois termes, alors qu’avant il n'y avait qu'un nombre implicite—un. Le ṙ est la vitesse relative et r-double-point est l'accélération relative. Il s'agit essentiellement de la loi de Coulomb, si l'on ignore le -ṙ²/2c² et le r(r-double-point)/c². Qu'est-ce que c ? Il s'avère que c’est la vitesse de la lumière, qui est égale au réciproque de la racine carrée de μ₀ε₀. Rappelez-vous que μ₀ était la constante magnétique et ε₀ la constante électrique, de sorte que ces éléments réapparaissent.
Ce qui est intéressant, c’est que la loi de Weber généralise la loi électrique de Coulomb :
L’équation du haut est la loi électrique de Coulomb pour l’électrostatique et l’équation du bas est la loi de force de Weber pour l’électrodynamique. La loi de Weber est une généralisation : elle décrit ce qui se passe lorsque l'on tient compte des vitesses relatives des deux particules (le -ṙ²/2c²) et des accélérations relatives des deux particules (le r(r-double-point)/c²).
En outre, la loi de la force d'Ampère peut être dérivée de la loi de la force de Weber :
En d’autres termes, la loi de la force d'Ampère, qui s’exerçait entre des éléments de courant, peut être dérivée de la loi de la force de Weber, si l’on considère qu'un courant électrique est constitué de charges électriques en mouvement. C’est très intéressant.
Mais Weber est allé bien au-delà. En fait, le programme de Weber était vraiment étonnant. En 1846, Weber a élaboré sa loi de force. En 1852, il a élaboré un premier modèle planétaire de l'atome, avec des charges négatives tournant autour de charges positives. En 1855, Weber et Friedrich Kohlrausch (1840-1910) effectuent la première mesure de la vitesse de la lumière. En 1857, Weber et Kirchhoff calculent indépendamment l'équation télégraphique. Dans les années 1870, Weber a élaboré son modèle planétaire de l'atome, avec précession du périhélie des charges négatives. C'est ahurissant ! Et à faible distance, la répulsion mutuelle des charges positives se transforme en attraction ; avec les données disponibles seulement plus tard, au début du 20e siècle, les calculs donneraient un noyau de 10^-15 m, ce qui correspond au diamètre actuel du noyau des atomes.
Résoudre les contradictions entre les deux programmes de recherche productifs
On peut donc se dire qu’au milieu du dix-neuvième siècle, il existait deux programmes de recherche très fructueux, mais apparemment opposés, du moins en apparence. Alors, comment aurait-on pu aller de l’avant ?
Eh bien, une possibilité aurait été d’aller de l’avant en voyant, peut-être, s’il existe une certaine forme d’unité, par laquelle ce qui semble être à un niveau, par exemple, l’action à distance, si nous sortions notre « microscope à éther » (nous faisons une expérience de pensée, bien sûr), nous pourrions expliquer beaucoup de ces choses par des choses inférieures impliquant un éther. Par exemple, Weber n’a jamais rejeté l’idée de l'éther ; il a postulé qu'il était constitué de très fines particules chargées.
Une autre possibilité aurait été de voir si les actions de l’éther pouvaient elles-mêmes être comprises comme des actions à distance.
Nous verrons dans le prochain billet qu'aucune de ces possibilités n’a été envisagée. De nouveaux programmes de recherche ont été créés, basés sur des principes métaphysiques très différents.
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Texte original (19 mars 2024): Two Productive Research Programs in the Early 19th Century.
Traduction avec l’aide partielle de Deepl.
Christiaan Huygens, 1690, Traité de la lumière. In Œuvres complètes. Tome XIX. Mécanique théorique et physique 1666-1695 (ed. J.A. Vollgraff). La Haye: Martinus Nijhoff, 1937, p.482.
Thomas Young, 1801. On the Theory of Light and Color. In Henry Crew. The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. New York: American Book Company, 1900, pp.49-51.
Augustin Fresnel, 1819. Mémoire sur la diffraction de la lumière. In Œuvres Complètes, Tome Premier. Paris: Imprimerie Impériale, 1866, pp.282-283.