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La découverte de la matière
L'histoire de la physique au XVIIe siècle
Aperçu Les Temps anciens Le XVIIe s. Le XVIIIe s. Le XIXe s. Le XXe s.

Jalons
C'est à la fin du XVIe siècle que la physique commence à devenir une science avec Galilée mais c'est surtout au XVIIe que les notions précises commencent à paraître. En 1602, Galilée trouve les lois de la chute des corps vivement combattues à cette époque comme contraires aux théories des cartésiens. Les travaux d'Huygens vinrent les confirmer. Plus tard, Newton montrait que la pesanteur n'est qu'un cas particulier de l'attraction universelle et que c'est la même cause qui fait tomber les corps à la surface de la Terre et qui retient les planètes dans leurs orbites. C'est là le premier exemple d'une théorie physique embrassant l'ensemble d'un grand nombre de phénomènes qu'elle fait dériver d'une loi simple; ajoutons que cette théorie est restée intacte depuis Newton jusqu'à l'élaboration de la théorie de la gravitation d'Einstein (relativité générale, vers 1917). Il appartenait au savant qui avait si bien étudié la pesanteur de démontrer que les gaz n'échappent pas à son action et que l'air est pesant; il essaya de le démontrer en comprimant de l'air dans une boule creuse (1638); mais les résultats obtenus ne furent pas décisifs. Toutefois, on n'allait pas tarder à être renseigné à ce sujet. Son élève Torricelli reprenant la question posée à Galilée peu de temps avant sa mort, au sujet des pompes qui ne peuvent aspirer l'eau à plus de 32 pieds de hauteur, pensa qu'un liquide plus lourd s'éleverait encore moins, et remplissant un long tube, fermé à une extrémité avec du mercure, puis fermant le tube avec le doigt et le retournant sur du mercure, il vit le niveau du mercure descendre du sommet du tube de verre et s'arrêter à une hauteur de 23 pouces et demi, hauteur qui était à celle de l'eau (32 pieds) dans le rapport inverse des densités du mercure et de l'eau (1643). 

Cette nouvelle parvint assez indirectement à Pascal qui répéta ces expériences et les varia en employant des tubes de plusieurs formes on diamètres et des liquides très divers : eau, vin, huile, etc. Toujours il remarqua que la hauteur de ces liquides représentait, à section égale, le même poids (1647). Cette même année, Torricelli mourut, mais il avait émis cette idée que la pesanteur de l'air pouvait bien être la cause de tous les effets qu'on avait jusqu'alors attribués à l'horreur du vide. Pascal, apprenant cette pensée qu'il trouva fort belle, pensa à la vérifier en répétant l'expérience de Torricelli, au même moment, au pied et au sommet d'une montagne. Le 19 septembre 1648, Périer, beau-frère de Pascal, fit cette expérience célèbre au Puy-de-Dôme. Descartes la répéta à la tour Saint-Jacques et trouva une différence de deux lignes. On se représente facilement le grand retentissement de cette expérience si remarquable, qui en apprenait plus sur la constitution de l'air que tous les siècles précédents. Tous les physiciens construisirent des tubes de Torricelli et remarquèrent ses variations : le baromètre était né; on s'ingénia à modifier sa forme. Le baromètre à cadran devenu si populaire est dû à Hooke (1665).
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Pascal et la prétendue horreur de la nature pour le vide

« Mon cher lecteur,

Le consentement universel des peuples et la foule des philosophes concourent à l'établissement de ce principe, que la nature souffrirait plutôt sa destruction, que le moindre espace vide. Quelques esprits des plus élevés en ont pris un plus modéré: car encore qu'ils aient cru que la nature a de l'horreur pour le vide, ils ont néanmoins estimé que cette répugnance avait des limites, et qu'elle pouvait être surmontée par quelque violence; mais il ne s'est encore trouvé personne qui ait avancé ce troisième que la nature n'a aucune répugnance pour le vide, qu'elle ne fait aucun effort pour l'éviter, et qu'elle l'admet sans peine et sans résistance.

Les expériences que je vous ai données dans mon abrégé détruisent, à mon jugement, le premier de ces principes; et je ne vois pas que le second puisse résister à celle que je vous donne maintenant; de sorte que je ne fais plus de difficulté de prendre ce troisième, que la nature n'a aucune répugnance pour le vide; qu'elle ne fait aucun effort pour l'éviter; que tous les effets qu'on a attribués à cette horreur procèdent de la pesanteur et pression de l'air; qu'elle en est la seule et véritable cause, et que, manque de la connaître, on avait inventé exprès cette horreur imaginaire du vide, pour en rendre raison. Ce n'est pas en cette seule rencontre que, quand la faiblesse des hommes n'a pu trouver les véritables causes, leur subtilité en a substitué d'imaginaires, qu'ils ont exprimées par des noms spécieux qui remplissent les oreilles et non pas l'esprit : c'est ainsi que l'on dit, que la sympathie et antipathie [les affinités] des corps naturels sont les causes efficientes de plusieurs effets, comme si des corps inanimés étaient capables de sympathie et antipathie; il en est de même de plusieurs autres causes chimériques [exemples : le phogistique avant Lavoisier; les forces vitales, même encore avec Bichat, etc.], qui n'apportent qu'un vain soulagement à l'avidité qu'ont les hommes de connaître les vérités cachées, et qui, loin de les découvrir, ne servent qu'à couvrir l'ignorance de ceux qui les inventent, et à nourrir [= entretenir] celles de leurs sectateurs.

Ce n'est pas toutefois sans regret que je me dépars de ces opinions si généralement reçues; je ne le fais qu'en cédant à la force de la vérité qui m'y contraint. J'ai résisté à ces sentiments nouveaux, tant que j'ai eu quelque prétexte pour suivre les anciens; les maximes que j'ai employées en mon Abrégé le témoignent assez. Mais enfin, l'évidence des expériences me force de quitter les opinions où le respect de l'antiquité m'avait retenu. Aussi je ne les ai quittées que peu à peu, et je ne m'en suis éloigné que par degrés : car du premier de ces trois principes, que la nature a pour le vide une horreur invincible, j'ai passé à ce second, qu'elle en a de l'horreur, mais non pas invincible; et de là je suis enfin arrivé à la croyance du troisième, que la nature n'a aucune horreur pour le vide. » (Blaise Pascal, Traité de l'Équilibre des Liqueurs. Préface, 1663).

Mais les expériences de Torricelli et de Pascal en montrant que la nature n'avait pas horreur du vide et que celui-ci pouvait exister ne devaient pas tarder à faire découvrir la machine pneumatique. A Magdebourg, Otto de Guericke essaya de le réaliser vers cette époque avec une pompe: la suite de ces expériences est curieuse; tout d'abord il emplit d'eau un tonneau et essaie d'en enlever l'eau, mais l'air rentre en sifflant par tous les joints; pour éviter cela, il met ce premier tonneau dans un autre également plein d'eau; mais cette fois, c'est l'eau du grand tonneau qui entre dans le petit quand on cherche à vider celui-ci. Alors seulement il pensa à remplacer son tonneau par un globe de cuivre : on était en train de pomper quand tout à coup ce vase s'aplatit avec un grand bruit. Il refit faire un autre vase exactement sphérique (et probablement aussi plus résistant) et cette fois l'expérience réussit. C'est un fait constant dans l'histoire des sciences que l'invention d'un nouvel appareil est le point de départ de la découverte d'un grand nombre de faits nouveaux. On soumet à l'action du vide des corps de toute espèce; on vit l'eau, la bière y bouillir; on vit les vessies à peu près vides d'air, s'y gonfler et éclater; on vit la flamme des chandelles s'y éteindre, les animaux y périr, les sons des clochettes s'atténuer et disparaîitre; on discuta sur la pression atmosphérique; l'expérience de Pascal en attestait l'existence, mais les hémisphères de Magdebourg devaient la prouver d'une façon beaucoup plus frappante. Toutes ces expériences ont été décrites par le P. Schott sous le titre de Mirabilia Magdeburgica. Boyle, mis au courant de ces expériences, les répéta et perfectionna la première machine pneumatique d'Otto de Guericke. On doit aussi à ce dernier savant l'invention du manomètre destiné à mesurer la pesanteur particulière de l'air raréfié, comme le baromètre servait pour l'air ordinaire (1661).

Mais les phénomènes ainsi mis en lumière n'étaient que qualitatifs. Mariotte chercha une relation entre le volume de l'air et la pression qu'il supporte et que l'on peut mesurer par la hauteur de la colonne de mercure qui lui fait équilibre. C'est en 1676 que Mariotte publia le récit de ses expériences : il se demanda « si l'air se condense précisément selon la proportion des poids dont il est chargé ou si cette condensation sait d'autres lois», et pour le vérifier, il fait les expériences devenues classiques. Vers la même époque, Boyle faisait ces expériences en Angleterre. C'est aussi, dans ce siècle que furent construits les premiers hygromètres. On pouvait donc pour la première fois étudier les phénomènes atmosphériques avec quelque précision. On attribua à la couche d'air qui enveloppe la Terre une hauteur d'environ 150 km.

Les phénomènes relatifs à la chaleur firent aussi, au XVIIe siècle, des progrès notables, principalement dus à l'invention du thermomètre. Cet instrument si simple, d'un usage si courant aujourd'hui, exigea, pour devenir pratique des efforts soutenus pendant tout un siècle. Sa grande importance venait de ce qu'il permettait d'introduire les mesures dans les phénomènes calorifiques en remplaçant par des nombres précis les sensations vagues de froid ou de chaud que pouvaient nous donner nos sens. Le premier thermomètre paraît dû à Van Helmont qui constatait les changements de volume d'une masse d'eau enfermée dans une boule de verre surmontée d'un tube fin. Puis vint le thermomètre de Van Drebbel, sorte de barothermoscope composé d'une masse d'air soulevant une colonne d'eau ; la pression atmosphérique, méconnue alors, venait compliquer les effets de la chaleur et rendait fausses les indications de cet instrument. Les académiciens del Cimento reprirent ensuite la forme primitive de Van Helmont, mais remplacèrent heureusement l'eau par de l'esprit-devin coloré. De plus, ils marquèrent un zéro; c'était le point où le niveau s'arrêtait quand on plaçait le thermomètre dans une cave profonde. Au-dessus et au-dessous ils placèrent des divisions égales, mais arbitraires. Déjà en 1630, Jean Rey se plaignait de ne pouvoir comparer ses expériences à d'autres par suite de la diversité des thermomètres. Ce désaccord subsistait encore vers 1650, et Boyle proposa alors le premier d'adopter comme point fixe le point de congélation de l'eau. Mais un seul point de repère ne suffit pas. En 1688, Delancé proposa comme second point le point de fusion du beurre et proposa de diviser en 20 parties l'intervalle compris. Le choix du beurre dont le point de fusion est variable et peu net était malheureux, et le XVIIe siècle se termine sans que les thermomètres soient comparables, la proposition de Delancé n'avant pas eu de succès.

Mais un autre phénomène calorifique important fut constaté. Vers 1655, Boyle remarqua que l'eau tiède bout dans le vide avec une grande facilité; que, par conséquent, la pression de l'air fait varier les propriétés des corps et que celles-ci ne sont pas les mêmes dans les plaines et sur les montagnes. Papin généralisa ces résultats peu de temps après, et Hallez, en 1693, remarqua le premier que la température de l'eau restait constante pendant toute la durée de l'ébullition, observation qui devait conduire plus tard à la notion de la chaleur latente. En même temps, on découvre la force élastique des vapeurs : Rivaut (1605) montre qu'une bombe pleine d'eau, placée sur un feu ardent, finit par éclater. Salomon de Caus (1615) utilise cette pression pour faire monter de l'eau. Papin construit, son digesteur (1674). A partir de 1687, il travailla à faire monter un piston dans un cylindre par la force de la vapeur et à le faire redescendre par la condensation de la  vapeur qui l'avait poussé. En 1698, Savery perfectionne la machine de Papin en produisant la vapeur dans un vase spécial, et à partir de ce moment les perfectionnements se succèdent, l'histoire de la machine à vapeur commence, mais nous n'en suivrons pas les progrès.

Par contre, la théorie de la chaleur a fait peu de progrès. Francis Bacon définit bien la chaleur un mouvement d'expansion et d'ondulation dans les parties d'un corps, et par conséquent il n'admet pas la pesanteur de la chaleur que nous verrons reparaître plus tard; mais il ne précise pas. Mariotte répéta les expériences anciennes sur la réflexion de la chaleur, et, de plus, montra qu'une lame de verre arrête les rayons de chaleur sur lesquels il opérait. Cette expérience fut expliquée plus tard, comme nous le verrons.

L'étude de la lumière a fourni une riche moisson au XVIIe siècle. Les anciens ne connaissaient à la lumière, que les propriétés de se mouvoir en ligne droite, de se réfléchir suivant une loi connue et de se réfracter suivant une loi inconnue. Descartes trouve cette loi, la loi du sinus; il reconnaît les propriétés des lentilles, trouve leur aberration de sphéricité, et Newton, un peu plus tard, leur aberration de réfrangibilité. En même temps sont découverts les appareils fondés sur la propagation de la lumière en ligne droite (chambre obscure de Porta), les instruments d'optique qui utilisent la réflexion et la réfraction de la lumière, télescope, lunettes, microscopes En 1646, le P. Kircher invente, sous le nom de lanterne magique, la première lanterne de projection. 

A ces découvertes capitales qui étendaient considérablement le champ de l'optique géométrique viennent s'ajouter les premières découvertes d'une optique physique absolument méconnue jusqu'alors; Grimaldi découvre la diffraction; en examinant l'ombre portée par des objets, il découvrit que cette ombre était plus grande que celle que l'on calculait d'après la propagation de la lumière en ligne droite; il aperçut en outre au bord de l'ombre portée des franges colorées parallèles entre elles (expériences antérieures à 1633). Puis en quelques années surviennent plusieurs découvertes capitales. Hooke (1664) puis Newton (1675) étudient les franges colorées que l'on observe, soit entre les lamelles de certains minéraux, soit entre des plaques de verre que l'on presse l'une contre l'autre. Hooke tenta d'expliquer ces faits par une théorie, trop longue à rapporter ici, mais où il fait intervenir les rayons lumineux réfléchis à la surface inférieure de la lame mince et qui contient en germe la théorie des interférences. Newton, au contraire, imagine la théorie  des accès; il admet qu'un rayon de lumière éprouve périodiquement, à des intervalles égaux, une continuelle alternative de disposition à se réfléchir ou à se transmettre; il possède des accès de facile réflexion et des accès de facile réfraction. A cette époque, Newton venait de découvrir la dispersion de la lumière (1668), déjà signalée peut-être par Vossius en 1662 : il montre qu'un rayon de lumière blanche tombant sur un prisme se disperse en une infinité d'autres présentant les couleurs de l'arc-en-ciel. Ce résultat surprit Newton, surtout quand il remarqua qu'il ne s'appliquait pas par les lois ordinaires de la réfraction, et il attribua tout d'abord le phénomène à des irrégularités du prisme; un second prisme, tourné en sens inverse du premier, ayant reconstitué la lumière, il abandonna cette première interprétation; il isola alors dans le spectre obtenu des rayons de couleurs diverses et, les faisant réfracter à travers un deuxième prisme, il trouva que les indices de réfraction de ces diverses couleurs étaient différents, mais que les lois de la réfraction leur étaient applicables, et il en conclut que la lumière n'est pas homogène, mais qu'elle se compose de rayons de réfrangibilités différentes.

En 1669, Bartholin constate qu'un rayon de lumière qui tombe sur un cristal de spath d'Islande se réfracte en se divisant en deux rayons, c'est la double réfraction: tous les objets se voient doubles à travers ces cristaux. En tournant le cristal dans un même plan, perpendiculaire à la direction du rayon visuel, l'une des images reste immobile, l'autre tourne autour de la première. Huygens constate qu'un rayon tombant normalement sur une face sa divise en deux, l'un continuant sa route en ligne droite, suivant par conséquent la loi de réfraction, rayon ordinaire, l'autre s'écartant de la normale: c'est le rayon extraordinaire. Le même physicien constate aussi que d'autres cristaux jouissent de la même propriété. Les idées qu'émet Huygens pour expliquer ces phénomènes sont très remarquables: il admet la théorie des ondulations et dit que la lumière en pénétrant dans le spath d'Islande détermine dans un milieu hypothétique appelé l'éther deux espèces d'ondes: l'une sphérique donnant naissance au rayon ordinaire; l'autre ellipsoïdale correspondant au rayon extraordinaire, et une construction géométrique simple et élégante encore employée maintenant permet de trouver dans chaque cas particulier la position des deux rayons réfractés. Le système de Newton, beaucoup plus compliqué, admettait des attractions et des répulsions; l'autorité du nom de son auteur le fit admettre par la plupart des physiciens.

Ce fut aussi vers cette époque que l'on commença à soupçonner que la lumière ne devait pas se propager instantanément. Les premières expériences dues à Galilée ne permirent pas de constater pour la distance à laquelle il opérait, environ 3 km, une durée de transmission appréciable. Descartes admettait pour la lumière une vitesse infinie. Ce furent les astronomes qui, par l'observation des éclipses des satellites de Jupiter, donnèrent la première preuve et la première mesure de la vitesse de la lumière, mais ce n'est qu'au XIXe s. qu'on parvint à la mesurer par des procédés physiques (expérience de Doppler-Fizeau).

Portrait de Galilée
Galilée.

Les points saillants de l'histoire de l'électricité pour la fin du XVIe et pour le XVIIe siècle sont les travaux de Gilbert et l'invention de la machine électrique. Gilbert (1540-1603) montre que l'ambre jaune n'est pas le seul corps capable d'être électrisé par le frottement, mais qu'un grand nombre de substances jouissent de la même propriété; d'autres au contraire qu'il appelait non électriques sont incapables de s'électriser, ce sont les corps que nous appelons maintenant conducteurs. Gilbert constata en outre divers résultats intéressants; il remarqua l'influence de l'humidité de l'air sur les phénomènes électriques, et il distingua le premier les phénomènes magnétiques des phénomènes électriques, confondus jusqu'alors.

Otto de Guericke inventa la première machine électrique; elle se composait d'un globe de soufre que l'on faisait tourner, pendant qu'une personne appuyait ses mains dessus pour produire le frottement nécessaire. Avec cette machine bien rudimentaire, Otto de Guericke vit et entendit la première étincelle électrique; il remarqua aussi que les corps attirés par un corps électrisé étaient ensuite repoussés jusqu'au moment où on les touchait; ils pouvaient alors être attirés de nouveau. Boyle répéta dans le vide les diverses expériences électriques que l'on faisait de son temps et obtint les mêmes résultats que dans l'air. Au point de vue des théories, rien de net.

En magnétisme, quelques faits nouveaux et importants. La boussole était connue, et l'on savait qu'elle ne se dirige pas exactement vers le nord, mais de plus, dans sa traversée de l'Atlantique, Christophe Colomb constata pour la première fois que l'angle de l'aiguille avec la ligne nord-sud varie; il trouva un point où l'aiguille indiquait exactement le nord, puis une région où sa déviation était inverse de ce qu'elle était en Europe. On se rappelle l'émoi que cette découverte causa à son équipage. De plus, on observa en un même lieu qu'elle variait avec le temps. En 1576, Normann eut l'idée de suspendre une aiguille aimantée de façon qu'elle put se mouvoir dans la verticale; il observa qu'elle s'inclinait plus ou moins suivant les pays: l'inclinaison était découverte. Les théories proposées par Dalencé et par Hartsoeker attribuent l'action magnétique de la Terre, soit à la rotation de la Terre autour du Soleil, qui a pour effet de transporter la matière magnétique alternativement d'un pâle à l'autre, soit à la présence de filaments magnétiques parallèles à l'axe terrestre, laissant échapper perpétuellement des effluves magnétiques.

L'oeuvre du XVIIe siècle nous apparaît donc considérable. La constitution de l'atmosphère, la découverte des principaux phénomènes optiques, l'invention de la machine pneumatique, des instruments d'optique et de la machine électrique promettaient au siècle suivant une moisson abondante. (A. Joannis).

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