« Avant donc que d’écrire, apprenez à penser.

Selon que notre idée est plus ou moins obscure,

L’expression la suit, ou moins nette, ou plus pure.

Ce que l’on conçoit bien s’énonce clairement,

Et les mots pour le dire arrivent aisément. »

Nicolas BOILEAU, L’Art poétique, 1674

À Tristan, Killian, Éloïse, Kaïna,
Gaspar, Marwann et Jules

AVANT-PROPOS

LA SCIENCE EST UNE AVENTURE HUMAINE.

Elle séduit par son universalité, elle inquiète par son omniprésence. Elle façonne la société par les réalisations qu’elle engendre. Elle embellit nos vies, elle nous entraîne au bord du précipice, puis nous évite d’y sombrer. Son moteur réside en chacun de nous.

Les hommes et plus récemment les femmes qui font la science sont souvent considérés comme des êtres singuliers, à part. Deux images d’Épinal, stéréotypes de deux comportements antagonistes, les dépeignent. La première est celle du savant désintéressé, aux qualités morales irréprochables, pour qui « le but unique de la science, c’est l’honneur de l’esprit humain », comme l’écrit le 2 juillet 1830 le mathématicien Charles Jacobi à son ami Adrien-Marie Legendre. Jean Dieudonné reprend l’expression pour le titre de son livre, dans lequel il présente les mathématiques comme une quête de rigueur et de beauté¹. Ce savant-là ne se soucie guère de savoir si les connaissances acquises seront utiles à la société. On l’imagine vivre tel un ermite, obsédé par ses réflexions, enfermé dans son bureau submergé de papiers ou dans un laboratoire encombré de fils électriques et d’ordinateurs. Souvent perçu comme inapte à affronter le quotidien, il est l’objet de caricatures sympathiques, immortalisées sous les traits du professeur Tournesol d’Hergé, ou du savant Cosinus de Georges Colomb, alias Christophe. La seconde représentation est celle du « savant fou », personnage complexe portant en son sein génie et folie. Il est parfois distrait, fruste et désinvolte, n’envisageant aucunement les conséquences potentiellement maléfiques de ses inventions. Il peut être méchant, dangereux et capable d’utiliser son savoir comme instrument de pouvoir. Les avatars du « savant fou » ont envahi les bandes dessinées, les romans de science-fiction, les dessins animés, les films, les jeux vidéo. On le retrouve sous les traits de Victor Frankenstein ou du docteur Folamour.

Ces clichés, issus de la fiction populaire, sont éloignés de la réalité. Les savants vivent au grand jour, sillonnent la planète, l’étudient, la mesurent ; ils ont commencé à conquérir l’espace. Pour comprendre, ils échafaudent des théories, mettent en œuvre des expériences, comparent leurs résultats aux modèles théoriques. Ils se querellent, se jalousent, s’aiment, se détestent, se séparent, se rejoignent. Ils sont en proie aux passions grandes ou petites, magistrales ou mesquines. Ils font cohabiter le rationnel avec l’irrationnel dans les méandres de leurs cerveaux.

Tous, différents et uniques, partagent une force motrice commune, une même énergie : la soif de comprendre. Vouloir substituer à une démonstration une affirmation péremptoire sans le support de la raison ne les convainc pas. Ils sont tenaces. Ils se laissent gagner par l’esthétique, la beauté, l’élégance du raisonnement. Ce qu’ils produisent les surprend parfois. Lorsque la solution d’un problème s’esquisse, puis se distingue à travers la brume qui l’entoure, pour apparaître limpide et cristalline, la joie se lit sur leurs visages : « J’ai compris ! »

Contrairement à une idée reçue, l’imagination, moteur de la création artistique, n’est pas suffisante pour que progresse le savoir scientifique. La plupart des grandes inventions ne sont pas, comme on le suppose souvent, sorties d’un trait du cerveau d’un seul homme comme le fut la Naissance de Vénus de Botticelli. Les ruptures de paradigme émergent de découvertes imprévisibles, inenvisageables. Elles apparaissent au détour d’une observation, d’une expérience ou d’un travail théorique. Le savoir se consolide ensuite par une série de petits pas successifs, question après question, réponse après réponse. Les réponses apportées résultent de théories de plus en plus élaborées, ou d’expériences de plus en plus précises et sophistiquées. En évoluant vers une compréhension toujours accrue, la science avance par découvertes, suivies de créations originales, fruits de l’imagination, auxquelles succèdent de nouvelles découvertes…

Bâtie étape après étape par des générations de scientifiques, la science, constituée de l’assemblage des connaissances acquises au fil des ans, progresse par la confrontation entre théorie et expérimentation, entre essais fructueux et erreurs rejetées. La science est cumulative, c’est là son originalité. Au fil du temps se sont créées différentes disciplines qui se développent, s’épaulant les unes les autres. Contribuer, par un apport personnel, à l’édification du savoir scientifique nécessite d’avoir assimilé les connaissances acquises par nos prédécesseurs. Pour progresser la transmission ne peut être interrompue.

Le livre de Stephen Hawking Sur les épaules des géants² exprime comment la science contemporaine s’appuie de manière cumulative sur les savoirs antérieurs. Il cite Bernard de Chartres, philosophe platonicien du XIIe siècle : « Nous sommes des nains juchés sur les épaules de géants ; nous voyons plus qu’eux, et plus loin ; non que notre regard soit perçant, ni élevée notre taille, mais nous sommes élevés, exhaussés, par leur stature gigantesque. » Isaac Newton utilise la même image, dans sa lettre à Robert Hooke le 5 février 1675, par laquelle il accepte son invitation à collaborer. Newton note cette formule devenue célèbre : « Si j’ai vu plus loin, c’est en me tenant debout sur les épaules de géants³. » La science est une aventure collective.

Ce récit invite le lecteur à rencontrer la démarche scientifique, à découvrir son histoire à travers les époques, à comprendre ses fondements. Le long cheminement de cette approche indispensable à l’élaboration de savoirs essentiels sur lesquels notre monde est construit s’apparente à une odyssée. Entamée depuis fort longtemps, cette aventure humaine progresse vers l’imprévisible futur.

À toutes les époques, on y rencontre bon nombre de savants, certains devenus illustres à la suite de leurs découvertes : Galilée, Newton, Lavoisier, Maxwell, Mendeleïev, Darwin, Mendel, Einstein, Marie Curie. D’autres sont peu connus, mais leur démarche de pensée est riche d’enseignements. On y croise aussi des lettrés, des poètes, des philosophes grecs qui instituèrent la réflexion argumentée. On y découvre des robots, des êtres légendaires et des créatures fabuleuses, inspirés par la science. Tous ces personnages, réels ou imaginaires, ont contribué à l’édification du savoir scientifique, soit grâce à leurs compétences, soit au travers des symboles qu’ils véhiculent. Chemin faisant se déploie la construction d’une mémoire vivante qui se transmet au fil du temps. La science est vivante…

Partir à la recherche de ce qui n’existe pas débouche sur une impasse qu’il faudra parcourir en sens inverse. Partir à la recherche de ce qui existe, tandis que l’on ne dispose que de quelques indices de pistes à suivre, est une expédition extraordinaire. La recherche scientifique ressemble alors à une enquête policière. L’élucidation d’une énigme fait appel à la curiosité de l’esprit et à la perspicacité d’une intelligence structurée. Partir à la poursuite d’une réponse suppose de poser la bonne question, de collecter des données, de les analyser, de les corréler, afin de trouver ce qui se cache derrière un fait. Pour mener l’investigation à son terme, il faut des preuves.

La science est un voyage. Elle nous conduit dans l’espace aux confins de l’univers. Nous sommes un frêle esquif sur la Voie lactée. Mais l’univers n’est pas muet, nous recevons des signaux qu’il nous faut détecter. C’est grâce aux prouesses d’une ingéniosité exceptionnelle que l’homme est aujourd’hui capable de les interpréter.

Partir à la recherche de l’atome, l’ultime grain de matière, est une rupture sans précédent dans l’aventure humaine. Plus de deux millénaires après l’hypothèse de son existence, émise par les philosophes indiens et grecs, l’atome est démasqué. Sa découverte a nécessité cinq siècles de recherche, de disputes, de tâtonnements, de signaux successifs, de dévoilement.

Au cours de cette longue traque, Amedeo Avogadro a mis l’accent sur ce qui deviendra après sa mort « le nombre d’Avogadro », nombre faramineux devenu constante universelle. Combien d’atomes faut-il pour obtenir un kilogramme de matière ? Cette matière dite « inerte » que les chimistes façonnent ne cesse de nous surprendre.

Ces mêmes atomes composent la matière vivante. « La diversité et la complexité naissent de la simplicité d’une combinatoire… Seul dans la cellule, l’ADN, le constituant des chromosomes, possède la propriété d’être reproduit par copie de lui-même », écrit François Jacob dans La Logique du vivant⁴, ouvrage de vulgarisation majeur sur l’hérédité. Les fondements de la duplication de la matière vivante demeurent incompris.

Cette matière que l’on aime modeler à sa guise enfante des peurs lorsqu’elle est manipulée à l’échelle nanométrique. Surnommée « nano », elle engendre des mythes. C’est le combat de la science et du mythe dans lequel il n’existe ni vainqueur ni vaincu, lorsque chacun retrouve son territoire.

L’ordre chronologique met en exergue certaines séquences qui condensent la sensibilité d’une époque. Le temps est le paramètre clé pour suivre l’accroissement des connaissances. Pourtant, il demeure une énigme. Si l’homme est capable de mesurer un intervalle de temps avec une précision jamais égalée, il n’en a toujours pas saisi l’essence.

Partir en voyage avec les créateurs de progrès, c’est aussi l’opportunité de rencontrer des personnages surprenants. Édouard-Léon Scott de Martinville, fier, ténébreux et passionné, crée un phonautographe, instrument pour transcrire la parole à la vitesse à laquelle elle s’exprime. Son appareil ne sera jamais utilisé, mais Scott laissera à la postérité la première voix jamais enregistrée. Cet inventeur illustre malgré lui ce drame de l’imagination qui, aussi extraordinaire soit-elle, ne peut conduire, seule, à une rupture de paradigme. Le numérique émergera un siècle après sa mort.

L’accumulation des savoirs au cours des siècles bouscule nos sociétés. Devant l’accélération grandissante du développement des connaissances scientifiques, devant l’instantanéité de la communication, les peurs engendrées par l’utilisation des sciences deviennent incontrôlables.

Il est indispensable de prendre le temps de penser.

Notes

1. Pour l’honneur de l’esprit humain – Les mathématiques aujourd’hui, Hachette, coll. « Histoire et philosophie des sciences », 1987.

2. Stephen Hawking, Sur les épaules des géants, Dunod, 2003, traduction d’On the Shoulders of Giants, Running Press Book, 2002.

3. En anglais : If I have seen further, it is by standing on ye shoulders of giants.

4. François Jacob, La Logique du vivant - Une histoire de l’hérédité, Gallimard, 1970.

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LA SCIENCE EST UN VOYAGE

LA SCIENCE EST UN VOYAGE. Énigmatique odyssée, elle côtoie fréquemment la démesure. Elle s’apparente parfois à une marche dans un sombre labyrinthe peuplé d’imprévus, mais son itinéraire peut suivre une route s’ouvrant sur des territoires qui s’éclairent lorsque progresse le voyageur. Elle étonne, surprend et paradoxalement rassure. « Singulière fortune où le but se déplace, et, n’étant nulle part, peut être n’importe où », écrit Baudelaire dans « Le Voyage », dernier poème des Fleurs du mal. L’homme s’aventure ainsi sur le chemin de la science, modifiant son cap en fonction des rencontres. Dans notre monde, où la mention Terra incognita a disparu des cartes géographiques depuis que la moindre parcelle de la Terre est connue et désormais observée par les multiples yeux des satellites, l’aventurier ne parcourt plus la planète à la recherche d’espaces encore inexplorés. L’aventurier du XXIe siècle est le scientifique qui navigue aux confins du savoir et se dirige, en enquêtant, vers ce qui est ignoré.

Pour partir vers l’inconnu, il faut en avoir l’envie. L’envie peut être intrinsèque, portée par une force intérieure, mais elle peut aussi être transmise par des passeurs qui expliquent les vertus du voyage. Chacun puise son envie dans le sens qu’il donne à sa vie. L’envie de celui que la curiosité aiguillonne ; il cherche, exaspéré parfois, à comprendre le monde auquel il appartient. L’envie de s’évader simplement par curiosité, pour le plaisir de la découverte. L’envie de contempler le beau et de rechercher l’harmonie dans une démonstration mathématique. L’envie de partir, afin de revenir plus riche. L’envie de puissance que procure l’acquisition d’un savoir utile. L’envie de fuir le quotidien pour aller dans l’univers des choses où les sentiments des hommes sont absents. L’envie de se libérer, par la raison, en s’affranchissant des superstitions qui incitent à reporter sur une puissance occulte le poids de son ignorance.

Pèlerins curieux, explorateurs de l’incompris, les chercheurs fabriquent des outils pour se hasarder au-delà de ce qu’ils connaissent déjà. Ils partent solidaires, en équipées plus ou moins conséquentes, pour mieux vaincre les écueils et éviter de se fourvoyer seuls dans des chemins de traverse. Ils se distribuent parfois en équipes concurrentes qui rivalisent entre elles pour atteindre un même objectif. Ils emportent dans leurs bagages des livres dans lesquels sont consignées les lois de la nature, mises en lumière par leurs ancêtres. Ils apprennent à scruter leur environnement pour en extraire les rouages. Ils s’appuient sur la démarche scientifique, leur guide pour raisonner. Ils élaborent des théories pour mathématiser les lois et tenter de prédire ce qui n’a pas encore été découvert. Ils réalisent des expériences pour lesquelles ils développent des instruments optimisés afin d’atteindre une précision toujours accrue ; ils les interrogent, leur posent des questions, puis comparent les réponses expérimentales à leurs théories. Petit à petit, ils élargissent inéluctablement le territoire du savoir.

La démarche de la pensée scientifique commence dans un passé très lointain, la nuit, par l’observation du ciel. Depuis l’apparition de l’écriture, les repérages astronomiques sont consignés avec soin dans les quatre foyers de civilisation, situés en Mésopotamie, en Égypte, en Chine et en Méso-Amérique, ce que nous appelons aujourd’hui Amérique centrale, où s’étaient développées les civilisations olmèque et maya. À cette époque, qui nous a transmis des calendriers d’une grande précision, aucune civilisation ne cherchait à comprendre les mécanismes des phénomènes observés. Les hommes tentaient plutôt d’imaginer les obscures raisons qu’ils supposaient cachées derrière les conjonctures célestes.

Les Grecs de l’Antiquité accomplissent un pas décisif dans la compréhension du monde par l’homme. Les mathématiques sortent de l’utilitaire pour devenir conceptuelles, et la philosophie, base de la réflexion, émerge. Avec Thalès, l’explication des phénomènes observés n’est plus transcendantale, mais réelle. Les lois sont dictées par la nature, et des théories rationnelles, où les mathématiques sont dominantes, procurent des explications chiffrées ou géométriques. L’attraction de Pythagore pour les rapports numériques dans les harmonies musicales lui permet de définir la gamme qui reste en usage jusqu’à la fin du Moyen Âge. Si une corde vibrante d’une certaine longueur émet un do, raccourcie de moitié, elle produira un do à l’octave supérieure. C’est la première mathématisation de la musique.

Archimède est connu grâce à sa baignoire, car on raconte que c’est en prenant un bain qu’il aurait compris pourquoi il se sentait plus léger dans l’eau qu’en dehors. Archimède aurait alors lancé son fameux « Eurêka ! », « J’ai trouvé ! ». Ses écrits ne font aucune mention de l’épisode de la baignoire. En revanche, le principe d’Archimède est clairement explicité : « Tout corps plongé dans un liquide subit de la part de celui-ci une force verticale se dirigeant vers le haut, égale au poids du liquide déplacé. » Archimède de Syracuse est un mathématicien prodigieux et un savant hors du commun. Certains de ses écrits ont traversé les siècles en suivant un périple extravagant. Écriture sur écriture, la copie par un moine des rouleaux d’Archimède sur un papyrus, gratté un certain nombre de fois, où les prières recouvrent les textes scientifiques, ressurgit, lors d’une vente aux enchères chez Christie’s en 1998. Passé au crible des technologies actuelles, Le Palimpseste d’Archimède révèle certes quelques-uns de ses écrits, les démonstrations qu’il fit, mais aussi sa méthode de pensée. Archimède trouve une procédure d’approximation du nombre π à l’aide de polygones réguliers inscrits dans un cercle et circonscrits à ce même cercle. Il conçoit le principe du centre de gravité d’une figure géométrique rectiligne quelconque en la décomposant en triangles. Il invente la vis sans fin pour remonter l’eau du puits, que l’on nomme vis d’Archimède. Il est l’initiateur d’une forme de raisonnement de portée très générale appelé raisonnement par l’absurde. C’est une démarche de pensée qui consiste à éliminer les hypothèses qui entraînent des conséquences impossibles, voire absurdes, soit au regard de l’analyse du réel, soit lorsqu’elles sont confrontées aux résultats de l’expérience.

La démarche scientifique, telle que nous la concevons de nos jours, prend véritablement son essor avec Galilée. Le livre de la nature est écrit en « langage mathématique », affirme-t-il en 1623 dans L’Essayeur. En proposant la confrontation chiffrée entre la théorie et l’expérience, cette méthode devient l’une des plus puissantes pour faire progresser la connaissance. Elle s’étend au monde entier et fait de l’Europe le geyser de la science.

Émilie, Voltaire et Newton

Émilie du Châtelet est l’une des premières femmes à emprunter la route de l’aventure scientifique. Elle naît Gabrielle Émilie Le Tonnelier de Breteuil en 1706, dans une famille aristocratique. Son père, très attentif à sa fille, l’éduque comme ses fils. Émilie est brillante et apprend tout avec une grande facilité. Elle se marie à 19 ans, a des enfants et mène la vie facile des gens aisés. À 27 ans, elle rencontre Voltaire. Au XVIIIe siècle, les mœurs de l’aristocratie sont libres. Hormis le respect des règles structurantes de la société, une femme peut avoir mari et amants. Émilie et Voltaire vivent des années où s’entremêlent passion et joutes intellectuelles. Voltaire réalise très tôt qu’Émilie est plus douée que lui pour les sciences. Il l’encourage à approfondir ses connaissances en physique et en mathématique, ce qu’elle accomplit rapidement. Avec son esprit clair et précis, elle écrit un cours, Institutions de physique, publié en 1740. S’y trouvent expliqués les acquis de la physique et quelques sujets encore en discussion. Son ouvrage est dédié à son fils. Dans l’avant-propos, elle lui livre ce précieux conseil : « Souvenez-vous, mon fils, dans toutes vos études, que l’expérience est le bâton que la nature a donné à nous autres aveugles, pour nous conduire dans nos recherches… nous ne pouvons manquer de tomber si nous cessons de nous en servir. »

Dans son manuel, au chapitre XXI, Émilie du Châtelet expose une controverse qui est, en fait, une objection aux déductions de l’académicien Jean-Jacques Dortous de Mairan. « Les forces vives sont peut-être le seul point de la physique sur lequel on dispute encore », écrit-elle. Au XVIIIe siècle, la force vive désignait l’énergie cinétique d’une masse en mouvement liée à la vitesse du projectile. Pour déterminer l’impact d’une telle force, Mairan avait élaboré un modèle qui avait pour conséquence de définir un impact proportionnel à la vitesse. Émilie conteste ce modèle : « Si vous demandez à ceux qui la combattent quels seront, sur des obstacles égaux, les effets de deux corps égaux en masse, mais dont les vitesses sont 4 & 3, ils vous répondront que l’un fera un effet comme 16 et l’autre comme 9. » Puisque l’expérience montre que l’effet d’une telle force est proportionnel au carré de la vitesse, l’argumentaire imaginé par Mairan ne peut être que faux. Le combat intellectuel entre Émilie et Mairan est acharné. Il est particulièrement agacé d’être contredit et corrigé dans son erreur par une femme. Appuyée dans son raisonnement par les mathématiciens-géomètres Maupertuis et Clairaut, Émilie remporte la bataille. Élu à l’Académie française, Mairan sombre dans l’oubli des scientifiques. Son nom reste lié à une défaite.

Passionnée par la physique, Émilie dévore tous les écrits qui s’y rapportent. Elle réalise la puissance de la découverte des forces gravitationnelles, que Newton a publiée en latin dans Philosophiae naturalis principia mathematica, en 1687. Elle s’attelle à la traduction de l’ouvrage. Traduire ne lui suffit pas, elle insère dans le texte des remarques pertinentes. Ainsi, se fondant sur des observations astronomiques, elle explique que, contrairement à ce que postulait Newton, l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre sur elle-même par rapport au plan de l’écliptique varie lentement. À l’explication géométrique de Newton, elle ajoute une formulation analytique qui permet de converger plus simplement vers la solution. Elle fait de sa traduction une édition critique. Ce livre, publié après la mort prématurée d’Émilie, reste un ouvrage célèbre.

« Aujourd’hui, qui se doute encore que le public éclairé du XVIIIe siècle et même du XIXe ait appris Newton dans Voltaire ? » insiste François de Gandt dans son introduction à l’ouvrage collectif La Réception de Newton en France¹. Car Voltaire, dont l’œuvre est à la fois philosophique, romanesque, poétique et politique, se distingue aussi comme indispensable passeur d’idées scientifiques. Les liens ardents qui l’unissent à Émilie du Châtelet reposent en partie sur leur connivence intellectuelle et leur désir commun de transmettre les progrès de la science. Voltaire connaît Newton depuis son séjour forcé en Angleterre, de 1726 à 1728. Pendant ces deux années, il rencontre des savants, au contact desquels il réalise ce qu’est la soif de comprendre. Présent aux obsèques solennelles de Newton à l’abbaye de Westminster, il est impressionné par l’impact laissé par ce dernier sur les Britanniques : « Ce fameux Newton […] a vécu honoré de ses compatriotes, et a été enterré comme un roi qui aurait fait du bien à ses sujets. »

De retour en France, dans ses Lettres philosophiques, un temps censurées car accusées de faire l’apologie des Anglais, Voltaire compare Descartes et Newton à deux explorateurs des mécanismes qui règlent le monde. Il dépeint la logique fort utile de Descartes, qui évite les errances irrationnelles, mais peut, si la démonstration est basée sur une hypothèse fausse, égarer l’explorateur. Descartes suppose en effet que le vide n’existe pas, et que l’univers s’est construit et organisé à partir d’un chaos de feu et de matière solide, liquide ou gazeuse, selon sa théorie des tourbillons, pour aboutir à l’équilibre présent. Voltaire décrit, en l’opposant à celle de Descartes, l’attitude pragmatique de Newton qui ne cherche pas à comprendre l’origine de l’univers, mais son équilibre présent. Libre de ses pensées, le savant anglais met au jour les forces gravitationnelles qui maintiennent le monde en équilibre dynamique. Cette découverte impressionnante ne le protège pas de certains errements déconcertants. Perturbé par ce qu’il vient d’établir, Newton cherche des messages cachés dans les sciences occultes, se fourvoyant alors dans l’irrationalité. Cette force qui s’exerce entre les masses intrigue Voltaire. Il ne doute pas de son bien-fondé et veut transmettre en France l’extraordinaire découverte du savant anglais. Encouragé par Émilie du Châtelet, il publie Éléments de la philosophie de Newton et devient le vulgarisateur de la gravitation universelle.