Du même auteur aux éditions Vuibert :

Histoire des mathématiques, 352 pages

De l’outil à la machine. Histoire des techniques jusqu’en 1800, 352 pages

De la machine au système. Histoire des techniques depuis 1800, 608 pages

À la découverte des éléments de la matière, 176 pages

La Vie expliquée par la chimie, 144 pages

Sommaire

Avant-propos

Les Grecs : la théorie des éléments

Le xvie siècle : l’instrumentation et l’héliocentrisme

Le xviie siècle : la mécanique et la gravitation universelle

Le xviiie siècle : la mathématisation de la « philosophie naturelle »

Le xixe siècle : la thermodynamique, l’optique et l’électromagnétisme

De 1895 à 1945 : la structure de l’atome et la physique nucléaire

De 1945 à nos jours : les particules et la naissance de l’Univers

Conclusion

Bibliographie

Index des noms propres

Avant-propos

Le présent ouvrage résume l’histoire de la physique depuis les origines jusqu’à nos jours. Le but n’est pas de rassembler des anecdotes sur la vie des grands physiciens, mais il s’agit de comprendre la physique, et il nous a semblé que, pour comprendre une « construction intellectuelle », il était indispensable de connaître les étapes successives de cette construction, c’est-à-dire son histoire. Quand on sait « d’où vient » une idée, on est en mesure d’en cerner la signification et d’en mesurer la valeur.

Comprendre la physique : voilà un projet à la fois didactique et philosophique, qui s’adresse tant aux débutants (étudiants et amateurs de tous âges), qui ne savent pas encore, qu’aux spécialistes, qui savent déjà.

À ceux qui voudraient entamer l’étude de la physique, je propose une entrée en matière par le biais de l’histoire. Ils verront que, s’il est difficile d’étudier d’emblée un cours de physique d’aujourd’hui, redoutable par sa terminologie, par ses formules mathématiques et par ses concepts abstraits, il est, en revanche, extrêmement simple de comprendre les premières idées des premiers physiciens, puisqu’en parcourant l’histoire on rencontre des notions qui deviennent de plus en plus proches des notions des physiciens d’aujourd’hui, et les notions anciennes (bien que « dépassées ») éclairent très vivement les notions actuelles. C’est une loi de la pensée des hommes : les idées « simples » sont venues avant les idées « complexes », et l’on a distingué le chaud et le froid avant de construire des thermomètres et de faire des calculs compliqués exploitant les concepts de température, d’énergie calorifique, d’entropie… Les concepts d’entropie et d’énergie peuvent sembler difficiles aux débutants, mais, je crois, n’importe qui peut comprendre ce que signifient les termes « chaud » et « froid » !

À ceux qui connaissent la physique, je présente un essai de reconstitution historique de sa lente élaboration, pour tenter d’en tirer quelques conclusions d’ordre philosophique. Quelle est la « valeur » des théories des physiciens ? Peut-on déterminer cette valeur quand on connaît le chemin suivi pour interpréter les expériences et pour bâtir les théories ? Et, question décisive, que vaut la vision du monde proposée par la physique – et, plus généralement, par la science – par rapport aux doctrines que voudraient imposer les religions et les idéologies ?

La physique est devenue une des clés du monde contemporain, et nous pouvons ajouter que cette partie de la science est un des plus impressionnants savoirs de l’Humanité. Impressionnante à la fois par la profondeur inégalée de ses constructions intellectuelles et par les époustouflantes « applications » dans la pratique de ces constructions, puisque toute la technologie, depuis les outils les plus simples comme les marteaux et les faucilles jusqu’à ces extraordinaires réalisations que sont les centrales électronucléaires, les réseaux d’ordinateurs, les avancées médicales les plus récentes, toute la technologie, dis-je, dépend entièrement de la physique.

J’irai même jusqu’à prétendre que la physique constitue le noyau dur de la Civilisation. Parmi les hommes que l’on considère habituellement comme instruits, il y a des hésitations sur l’existence des dieux, sur la hiérarchie des valeurs, et l’on se dispute beaucoup pour choisir entre le socialisme et le libéralisme, ou entre l’art abstrait et l’art figuratif. Mais l’on s’accorde universellement sur les lois de la mécanique et les mouvements des planètes, sur les lois de la thermodynamique, sur la structure des atomes, sur la constitution des galaxies et sur le boson de Higgs. Partout dans le monde civilisé, on accepte les protons et les neutrons. Je ne connais un tel consensus dans aucun domaine de la culture.

Il me semble même qu’un homme « cultivé », au xxie siècle, peut ignorer les fables de La Fontaine, les aphorismes de Confucius ou la liste des batailles gagnées par Napoléon. Mais est-on « cultivé » si l’on ignore les grands moments de l’histoire de la physique ?

La thèse du présent ouvrage est très simple. L’idée d’une explication du monde débarrassée des mythes est née en Grèce, il y a deux mille six cents ans. Mais il faudra près de deux mille ans pour découvrir le moyen de fournir, et encore de manière bien partielle, cette explication, et c’est l’utilisation systématique, à partir du xvie siècle, d’instruments d’observation et de mesure : sans télescopes, sans microscopes, sans thermomètres, sans spectrographes, pas de véritable physique ! Nous verrons que ce n’est qu’avec la mise au point de toute une instrumentation que la physique et la science sont vraiment nées. Il me semble que la preuve de cette importance des instruments est amplement faite quand on compare les progrès extrêmement lents du savoir depuis l’Antiquité jusqu’à la Renaissance avec les avancées inouïes et de plus en plus rapides des siècles les plus récents.

Les Grecs : la théorie des éléments

Nous allons reconstituer, chronologiquement, le chemin pris par l’Humanité pour tenter de répondre à une question apparemment simple : de quoi est fait le monde ?

Qu’est-ce que la physique ?

Nous adoptons donc comme définition que la physique est l’étude du monde, de son origine, de sa composition et de sa destinée. Nous essayerons de suivre, pas à pas, le cheminement par lequel cette étude a obtenu des résultats de plus en plus intéressants et, pour bien comprendre comment les idées sont apparues et comment elles se sont assemblées en une doctrine prodigieuse, nous essayerons de nous transporter aux diverses époques de l’Histoire sans y introduire nos idées actuelles. Car il s’agit, pour comprendre le mécanisme de la pensée, de nous efforcer de revivre les interrogations de nos ancêtres. Il s’agit d’imaginer comment pensaient les « philosophes de la nature » au temps de Galilée, au temps d’Aristote, et même peut-être pendant la Préhistoire. Ce travail d’imagination est guidé par les travaux des préhistoriens, des ethnographes, des psychologues du développement intellectuel pendant l’enfance, car il est assez vraisemblable que les premiers hommes qui s’interrogèrent sur le monde étaient dans une situation mentale analogue à celle de nos enfants qui apprennent à parler, à employer des mots pour dire le monde.

En somme, nous demandons à notre lecteur de procéder, avant de se lancer dans la lecture, à un véritable « lavage de cerveau », d’essayer de se vider l’esprit des notions de physique qu’il aurait déjà acquises, et de se présenter, au seuil de notre texte, dans l’état d’esprit du « primitif ». Bien sûr, cet exercice est difficile, mais il faut le tenter si l’on veut vraiment comprendre, en s’observant soi-même, comment il est possible de passer de l’ignorance au savoir.

Pour commencer, que signifie ce « monde », objet de la physique, et objet d’interrogations avant même que la physique ne soit constituée ? Pour nous, hommes du xxie siècle, qui abordons la question après que des milliers de chercheurs ont publié des millions de textes, ce terme « monde » fait surgir dans notre esprit d’innombrables idées, et d’ailleurs nous avons plus d’un mot pour le désigner : univers, cosmos, nature, environnement, ensemble des choses…

Il me semble que l’on peut déjà risquer une proposition : la question du monde est très ancienne, mais n’est pas posée par tous les hommes. Nous devons admettre, en examinant l’histoire de l’Humanité dans son ensemble, que nombreux sont les hommes que cette question n’inquiète pas. Ils sont dans le monde et ne se soucient pas de savoir ce qu’est cet environnement toujours présent. Mais, lors de la Préhistoire, après l’invention du langage (il faut des mots pour s’interroger) et avant déjà l’invention de l’écriture, dans des peuplades qu’il faut bien appeler « primitives », l’interrogation a dû naître, dans des circonstances que nous ne pouvons qu’imaginer, car l’absence d’écriture signifie l’absence de documents qui pourraient servir à reconstituer cet événement des interrogations primordiales. Il n’existe aucun texte vieux de plus de cinq mille ans, et donc nous ne pouvons essayer de comprendre les interrogations des premiers « physiciens » qu’en nous souvenant de notre propre enfance. Peut-être le lecteur se souvient-il qu’il fut une époque, alors qu’il ne savait pas encore lire, où il s’interrogeait : pourquoi la nuit est-elle noire ? Que sont tous ces objets qui nous entourent, la Lune dans le ciel, le soir, l’eau de la rivière, et le vent, et la neige ? Ceux qui se souviennent de leur enfance se souviennent de leurs interrogations, et se souviennent aussi des réponses d’un père, d’un oncle, car l’homme n’est jamais seul, mais vit son existence entouré d’autres hommes. L’apparition de la pensée est à la fois une opération intime et un fait social.

Le monde est donc tout ce qui entoure l’homme qui pense, et d’ailleurs le corps de l’homme fait lui-même partie du monde, car je regarde mon bras comme je regarde un arbre ou un caillou. Nous verrons ci-après que le mot « physique » apparaît vers 600 avant l’ère chrétienne, en Grèce. Mais l’interrogation « physique » existait déjà avant le mot. Remarquons bien ce que notre définition a de « totalitaire ». Le monde, c’est le Tout, ou pour le dire autrement, en dehors de l’Univers, il n’y a rien. S’il y avait un objet A, d’ailleurs quelconque, en dehors de l’Univers U, cela signifierait que le « véritable Univers » est U + A… La physique est donc l’étude de Tout, ce qui la distingue des disciplines scientifiques dont l’objet est volontairement limité : la zoologie n’étudie que les animaux, la linguistique n’étudie que les langues humaines…

Les cosmogonies

Pendant la très longue période qui va de l’apparition de l’homme sur Terre jusqu’à l’an 600 avant Jésus-Christ, il n’existe encore que ce que l’on peut appeler une protophysique, et nous pourrions commencer notre récit directement en 600. Mais il est intéressant d’examiner, très sommairement, ce que les hommes de cette lointaine époque disaient déjà du monde1. Quelle que fût leur situation géographique, les peuples antérieurs à l’avènement de la physique répondaient à la question du monde par une cosmogonie, qui est toujours un mythe (un récit invérifiable), dans lequel des êtres fabuleux avaient créé le monde à partir du néant. En Amérique, les peuplades ignorant l’écriture connaissaient toutes un « esprit créateur », qui était Ysun chez les Apaches, Orenda chez les Iroquois, Waconda chez les Sioux, Manitou chez les Algonquins. Dans le pays de Sumer, il y a cinq mille ans, le peuple qui a inventé l’écriture a rédigé un Poème de la Création, où l’on apprend qu’Apsu (qui est l’eau douce) s’est unie à Tiamat (qui est l’eau salée) et qu’il est résulté, de cette union cosmique, le monde tel que nous le connaissons, avec le Ciel et la Terre, les dieux et les hommes.

Au viiie ou au viie siècle, le poète grec Hésiode compose sa Θεογονια (« Généalogie des dieux »), un poème d’un millier de vers dans lequel il raconte la naissance des dieux :

« Donc, avant tout, fut Abîme ; puis Terre aux larges flancs, assise sûre à jamais offerte à tous les vivants, et Amour […] D’Abîme naquirent Érèbe et la noire Nuit. Et de Nuit, à son tour, sortirent Éther et Lumière du jour. Terre, elle, d’abord enfanta un être égal à elle-même, capable de la couvrir tout entière, Ciel étoilé, qui devait offrir aux dieux bienheureux une assise sûre à jamais. »

Remarquons que le mot « abîme » (χαος) est traduit par « vide » par d’autres traducteurs, et correspond bien à l’idée de rien, d’absence, de néant. On aurait pu tout aussi bien transcrire le grec et écrire « chaos ».

Nous pourrions encore évoquer les cosmogonies des Égyptiens, des Hébreux, des Phéniciens, des Indiens, des Chinois, etc. ; toujours nous rencontrerions le même schéma explicatif. Le monde tel que nous le connaissons a une origine. Il est formé du Ciel (habitat des dieux) et de la Terre (habitat des hommes). Le Ciel, divin, est parfait. La Terre, au contraire, est imparfaite, lieu de maux et de souffrances. L’origine du monde formé du Ciel et de la Terre résulte d’un acte divin, de la puissance créatrice d’entités invisibles mais extrêmement puissantes. Cet acte est souvent une union sexuelle, et le monde naît des dieux comme les animaux et les hommes naissent d’un rapport entre mâles et femelles.

La question de la vérité de ces mythes ne se pose guère : ils sont enseignés par les prêtres, de génération en génération, formant une tradition vénérable, et même sacrée. Et c’est précisément cette question de vérité – d’adéquation entre le discours et le réel – qui nous intéresse, et c’est de cette question que naîtra la physique. Nous l’avons déjà dit, il faut attendre l’an 600.

La Grèce, vers 600 avant notre ère, c’est la rencontre entre la tradition, ou plutôt les traditions, et le doute, c’est-à-dire le questionnement, la recherche du vrai, non pas de l’apparent ou du souhaitable, mais de ce qui est la réalité. Observons-le d’emblée. Les grands moments de la civilisation seront des moments de doute radical, de rejet décidé des traditions, et ce sera Thalès en Grèce, René Descartes en France, au début du xviie siècle, Edmund Husserl en Allemagne, au début du xxe siècle.

La Grèce, c’est la rencontre. La rencontre, partout, de la terre et de la mer. La rencontre, surtout, des Grecs et des civilisations déjà multimillénaires, riches et prestigieuses, des vallées du Nil, du Jourdain et de l’Oronte, de l’Euphrate et du Tigre. La rencontre aussi, sur ce sol qui deviendra la Grèce, des Égéo-Minoens, maîtres de la mer et adorateurs de la Grande Déesse, et des Mycéniens puis des Doriens, parlant une langue venue des froides forêts, et adorant les grands dieux du Ciel étoilé.

Il y avait la tradition, ou plutôt les diverses croyances, entretenues, de génération en génération, par les prêtres depuis plus de mille ans, des peuples d’Égypte, de Syrie et d’Anatolie, de Mésopotamie et d’Iran. Et il y avait aussi les croyances des îles qui n’étaient pas encore « grecques », et qui tournaient autour des bienfaits de Déméter et de Dionysos : fertilité des sols et fécondité des femmes. Et il y avait encore les croyances nouvelles de ces Hellènes, nouveaux venus, dont les dieux s’appelaient Zeus, Poséidon, Hermès, Apollon…

Et il y avait, et cela était nouveau, le doute. Quelques hommes – très peu – au sein de ces rencontres entre le terrestre et le maritime, entre le froid des forêts et le chaud des déserts, entre la religion céleste des dieux de l’Olympe et la religion chtonienne de la déesse mère – entre Apollon et Dionysos –, quelques hommes s’interrogeaient eux-mêmes, plutôt que d’interroger les prêtres et les Anciens.

C’est de cette rencontre entre la religion du peuple (la tradition) et le doute de quelques-uns (la recherche), résultat inattendu de la rencontre entre les Indo-Européens et les Pélasges, puis entre les Grecs et les empires du Croissant fertile, que naîtront la littérature (Homère, Sophocle) et les arts (Phidias, Praxitèle), la mathématique (Pythagore, Euclide), la philosophie (Parménide, Platon) et l’histoire (Hérodote).

Cette littérature, ces arts, cette mathématique, cette philosophie et cet intérêt pour l’histoire seront transmis aux Romains, et nous en sommes les héritiers. Et quand j’écris « nous », je ne désigne pas les Européens descendants culturels directs des Grecs et des Romains, je ne désigne pas les Occidentaux, je désigne l’Humanité tout entière, désormais en voie de « mondialisation ». Car, songeons-y bien, la mondialisation n’est possible que grâce à la technologie, en particulier aux techniques de transport et de communication. Et la technologie résulte du développement de la science. Et la science, nous le verrons, résulte en ligne droite du grand doute, de l’intrépide doute, de l’extraordinaire doute du Grec Thalès.

Thalès et les Milésiens

Nous sommes au début du vie siècle avant notre ère. Nous sommes dans une cité grecque, Milet, sur la côte ionienne. C’est une cité prospère, habitée de navigateurs et de marchands. L’on y commerce avec les autres cités grecques, mais aussi avec les caravanes venant d’Orient. L’on y est informé des croyances mésopotamiennes, iraniennes. Est-ce parce que tant d’idées diverses, de coutumes parfois contraires, de réflexions variées s’y rencontrent que c’est là – et là seulement – qu’apparaît le doute ? Toujours est-il qu’un habitant de Milet, un certain Thalès, dont on ne sait à peu près rien (il serait mort vers 550), réfléchit. Il pense, c’est-à-dire qu’il rejette l’autorité des traditions, des religions, des poètes. Il pense que, par sa seule pensée, il arrivera à comprendre le monde. Expliquons.

Au début du vie siècle, Nabuchodonosor règne à Babylone, dans une opulence extrême. Les Étrusques fondent Capoue. Nabuchodonosor prend la ville de Jérusalem, emmenant en captivité son roi Joakin et de nombreux notables. Inconsolable, Jérémie écrit ses Lamentations. C’est dans ce monde que Thalès pense. À cette époque, dans les régions où l’on parle grec, comme ailleurs, la « pensée » se réduit à l’élaboration de récits et à l’organisation politique et militaire. Des législateurs élaborent des codes. Les poètes racontent les actes des ancêtres et des dieux. Les textes ainsi produits sont destinés à être retenus « par cœur » – car l’écriture est inconnue ou encore peu pratiquée –, il s’agit de littérature « orale », et cela implique certaines particularités : abondance des répétitions et recherche du rythme. Il est plus facile de retenir un texte où les mêmes mots reviennent fréquemment, et le rythme soutient la mémorisation. Tout cela pour dire qu’au temps de Thalès, en Grèce et dans les régions voisines, la « littérature » est encore indissociée de la religion par son fond, et de la poésie par sa forme. Les seuls textes en prose sont les codes, très brefs, des législateurs, les chroniques, et quelques textes utilitaires, comme des inventaires, des recettes…

Les textes « de référence », ceux qui servent à apprendre à lire et à écrire, ceux qui servent à apprendre « les mots de la tribu », ceux où l’on trouve les réponses aux questions de la vie humaine, sont les poèmes d’Homère, l’Iliade et l’Odyssée, d’autres épopées (aujourd’hui perdues), et les poèmes d’Hésiode, dont la Théogonie, déjà citée. Ce sont à la fois des textes de divertissement (littérature), des textes religieux (la geste des dieux), des textes fondateurs d’une culture distincte. C’est dans ce cadre-là que Thalès pense, qu’il rejette les idées qu’il trouve chez Homère et chez Hésiode à propos de la formation du monde. Qu’il pense par lui-même ! A-t-il écrit ? On ne le sait pas. Nous ne connaissons Thalès que par des textes tardifs, sa biographie est très mal connue. Mais il eut des disciples, sans qu’on sache de quelle nature étaient ses liens avec ceux qui, comme lui, ont commencé à penser par eux-mêmes et que l’on appelle les Milésiens. Parmi ceux-ci, il y eut Anaximandre, dont la biographie est également inconnue, mais dont on sait qu’il a écrit un ouvrage ∏ερι φυσεως, sans doute un poème, dont le texte est perdu. Ce titre veut dire « à propos de la nature », car l’on traduit φυσις par « nature ». Il faut l’entendre de deux façons : la physis, la physique en français, est la nature, en ce sens que c’est l’ensemble de toutes les choses qui existent. C’est donc le monde. Ou bien la physis est ce qui est déterminant dans les choses, comme dans l’expression « la nature de l’homme ». Nous savons maintenant d’où vient ce mot de « physique ». Qui désigne un programme inouï : parvenir, par le seul recours à la pensée, à la connaissance du monde, à la connaissance de tout !

Notons cependant que les Grecs avaient un autre mot pour désigner l’ensemble des choses ...