Présentation de l’éditeur

La physique est une œuvre de l’esprit dont les pensées vont d’étonnements en émerveillements. Elle traverse les époques au gré des sensations et des imaginations car elle a entrepris depuis son commencement rien moins que de rendre compte de la nature.

En cherchant à donner une idée « universelle » de la nature, la physique a petit à petit épousé la mathématique et c’est la raison pour laquelle on ne parle plus aujourd’hui que de physique mathématique. Mais sur quels éléments de pensée repose cette physique moderne ?

C’est ce cheminement tout à la fois intellectuel et mental que les Méditations sur la physique souhaitent retracer, en s’appuyant sur l’étude de douze extraits d’œuvres de savants et philosophes. Depuis le travail d’abstraction, qui constitue le premier mouvement, jusqu’à l’établissement d’une théorie, qui en est l’achèvement, cette anthologie entreprend de suivre la voie que, peu ou prou, tout physicien est amené à prendre pour avancer vers une connaissance de la nature.

Cet ouvrage n’est donc pas un ouvrage de physique, mais sur la physique en tant qu’œuvre de l’esprit. C’est une analyse du travail ainsi que des concepts que le physicien se donne pour entreprendre de saisir sinon la nature, du moins les phénomènes qui l’entourent.

Cyril Verdet est professeur de physique au lycée Stanislas à Paris et chercheur associé au laboratoire Syrte de l’Observatoire de Paris.

Préface de Michel Blay

Maquette : © SYLVAIN COLLET

© CNRS Éditions, Paris, 2018

ISBN : 978-2-271-12113-4

Ce document numérique a été réalisé par PCA

À mes élèves qui m’ont tant enseigné.

Introduction

La physique est une œuvre de l’esprit dont les pensées vont d’étonnements en émerveillements. Elle traverse les époques au gré des sensations et des imaginations car elle a entrepris depuis son commencement rien moins que de rendre compte de la nature, dans ses agissements, ses emportements, ses fracas et surtout dans ses silences.

Chemin faisant, à peu près toutes sortes d’idées ont tenté de prendre part au discours : le ciel et la terre, les causes et les effets, le naturel et le violent, le chaud et le froid, le haut et le bas, les qualités et les quantités, le sensible et l’intelligible, l’être et ses attributs, etc. Puis, emportée par une telle bousculade de l’esprit, c’est la physique qui, peu à peu, s’est vue contrainte à devoir rendre compte d’elle-même, de ses objets, de son langage, de ses méthodes et surtout de ses rêves et de ses prétentions. Car, dans son désir – pour ne pas dire dans son délire – grandiose de vouloir rendre compte de tout ce qui est, bien des recours à la pensée se sont montrés sinon suspects, du moins extrêmement audacieux. Notamment, sa relation depuis longtemps incestueuse avec les mathématiques lui a permis de développer une imagination sans borne où même les nombres négatifs et imaginaires ont trouvé une place bien établie dans ses discours.

La physique est en somme une sorte de rêve éveillé qui s’enracine dans la pensée entre la raison et l’imaginaire, entre la croyance et l’inconscient où le physicien tient le rôle principal du rêveur dont la volonté de puissance est à peine contrainte par le réel. Pour cette raison, il n’est pas inutile de soumettre le physicien à la critique de ses propres pensées, de lui donner la parole pour disséquer ses mots comme un patient va consulter un psychanalyste : analyser la pensée du physicien, voilà bien la tâche de l’épistémologue.

Au commencement de la pensée du physicien il y a principalement de la curiosité. Suscitée par l’observation du monde naturel où se donnent à voir des mouvements, des couleurs, des sons, des transformations et surtout ce qui ressemble fort à des répétitions. En sorte qu’il a deux manières de rendre compte de la nature : d’abord en décrivant, ensuite en interprétant. D’abord par la description, ensuite par l’interprétation. À telle enseigne que ces deux dispositions de l’esprit pour expérimenter et pour modéliser ont donné lieu à deux types de physique : l’une dite expérimentale, l’autre théorique.

La première consiste à décrire aussi fidèlement que possible ce qui a été vu, entendu, observé ou mesuré. Il s’agit dans ce cas de rendre compte des faits. Que s’est-il passé ? Dans quel ordre chronologique ? Dans quelle situation ? Seuls les faits comptent. Mais qu’est-ce qu’un fait ? Que peut-on peut dire d’une expérience menée en laboratoire ? Le compte rendu d’une expérience est ce qui permet non seulement de décrire une partie des phénomènes observés mais aussi de consigner cette description ainsi que les conditions précises qui ont donné naissance à ces phénomènes afin de permettre à d’autres de les observer par eux-mêmes, à condition de restituer les mêmes conditions exactement. Rendre compte c’est ici donner lieu à un compte-rendu. Ce qui est compté et consigné ce sont des faits, nécessairement particuliers. Le compte rendu s’efforce donc de les saisir non dans leur essence mais dans leur apparition, leur présence au monde tels qu’ils se dévoilent ou ne se dévoilent pas. C’est ce type de compte rendu qu’on rencontre dans certaines publications scientifiques ou tout simplement à l’issue d’une séance de TP au lycée. On y détaille les étapes du protocole expérimental qui a été suivi, la chronologie des manipulations, les schémas explicatifs du montage réalisé, les grandeurs dont les valeurs sont fixées et celles dont les valeurs sont mesurées avec les circonstances de ces mesures : les appareils, les incertitudes, etc. On y trouve aussi, cela va de soi, la description éventuelle de ce qu’on observe à l’œil nu ou à l’oreille mais aussi de ce qu’on n’observe pas.

La seconde physique en revanche, la physique théorique, ne s’intéresse pas à la chronologie des phénomènes. Pour elle, le dévoilement des faits et leur succession doit mener au dévoilement de ce qui ne se mesure pas : la règle à laquelle tous les phénomènes sans exception, sont censés se soumettre. Dans ce cas précis, rendre compte de la nature doit s’entendre comme rendre raison. En un mot, là où la physique expérimentale rend compte selon les faits, la physique théorique rend compte selon le droit. Quoique ces deux approches constituent les deux versants ou les deux faces d’une même connaissance, elles correspondent malgré tout à deux approches fondamentalement opposées de la connaissance, l’une empiriste, l’autre rationaliste. L’une fonde sa connaissance sur ce qui est donné dans les sens tandis que l’autre la fonde sur les capacités de la raison à trouver par elle-même l’idée juste de nature en adéquation avec les faits.

Bien évidemment, dans la mesure où ces deux écoles traitent des mêmes réalités, elles sont invitées à dialoguer entre elles, ne serait-ce que pour se mesurer et se jauger mutuellement. Si bien que, d’une certaine manière, l’on peut dire qu’elles dépendent l’une de l’autre. On trouve d’ailleurs aujourd’hui dans les facultés de sciences, des départements de physique expérimentale et des départements de physique théorique. Toutefois, cette relation de dépendance est bien loin d’être symétrique. Quand la physique théorique dicte ses injonctions à la physique expérimentale en vue de vérifier ses spéculations, la physique expérimentale quant à elle, n’a d’influence sur la théorique que de manière fortuite, à la faveur de la constatation d’un phénomène ou d’une mesure inattendue car non déduite par la physique théorique. Cette dernière en effet ne cesse de poser les questions suivantes : Quel est le principe qui préside à tous les phénomènes ? Se peut-il qu’il existe en raison une unité à toute cette formidable diversité des phénomènes ? Si oui, quelle est-elle ? Il ne s’agit plus de décrire les faits mais ce dont ils procèdent, ce qui préside à leur déroulement. Il ne s’agit plus de dire le particulier mais de prétendre accéder à l’universel qui les porte. En cela les Anciens disaient vouloir « sauver les phénomènes » ; cette velléité est demeurée intacte.

Voilà pourtant bien une belle chimère que de prétendre accéder à l’universel. Et puis d’abord quel universel ? Que peut-il bien y avoir d’universel dans des objets sans cesse changeants et dont tout porte à croire qu’on ne perçoit qu’une parcelle de leur présence au monde ? Peut-on vraiment aller au-delà du simple compte rendu ? Qu’y a-t-il à saisir de plus qu’un enchaînement de faits accolés les uns aux autres ? De quoi peut-on rendre raison sinon de concepts que nous forgeons nous-mêmes à partir de notre propre histoire intime avec la nature ? Ne serait-ce d’ailleurs pas cette promiscuité avec la nature, quelques fois agréable, si souvent redoutable, qui nous pousse à sonder la possibilité de s’en rendre « maître et possesseur » ? Que chercher ? Où chercher ? Dans quelle direction ? Faut-il chercher des causes comme les enfants ? Des explications comme les métaphysiciens ? Des classifications comme les positivistes ? Des prédictions comme les ingénieurs ?

C’est en cherchant du côté de l’universel que la physique a épousé la mathématique et qu’il est désormais un pléonasme que de parler de physique mathématique. L’évocation d’une physique qui ne serait pas mathématique renverrait aussitôt à des époques antérieures à notre physique moderne et fermement révolues. Mais qu’est-ce qu’une physique mathématique ? Qui fait la loi dans une telle physique ? Le physicien ou le mathématicien ? D’où vient que la mathématique convient si bien au discours de la physique et que les deux se complaisent à convoler depuis si longtemps en juste noce ? De quelle nature parle-t-on alors ? Celle des nombres ou celles des corps qui tombent vers le centre de la Terre ? Pourrait-on faire de la physique sans les mathématiques ? En quoi ces dernières modifient-elles le discours sur la nature ? Se peut-il qu’on soit physicien sans entendre rien aux mathématiques ? « Souffrez que je joigne un peu de ma géométrie à votre physique » écrivait Pierre de Fermat à Marin Cureau de La Chambre1, auteur de La lumière radicale. Si effectivement, la physique et l’optique en particulier, avaient dû se contenter de théories semblables à celles dont on peut lire l’invraisemblance sous la plume de Cureau de La Chambre pour fonder ses jugements, on voit mal comment la loi de la réfraction aurait trouvé une assise plus convaincante que celle de Descartes, elle-même déjà fort douteuse. « Oüy [oui], écrit Cureau de La Chambre, la lumière sent qu’il y a plus ou moins de matière dans les corps ; mais c’est par ce sentiment naturel que toutes les choses ont pour ce qui leur est bon ou mauvais, et en suitte duquel elles se meuvent, si elles sont capables de mouvement, pour s’unir avec luy, ou pour s’en éloigner2. » Quelle peut bien être la valeur de connaissance d’une physique qui entend rendre compte des comportements de la lumière à partir des « sentiments naturels » qu’on lui prête ?

En réalité, il n’y a pas deux solutions différentes qui s’offrent à la physique pour construire une connaissance objective de la nature. La description lui est aussi nécessaire que la spéculation. Il semble bien que l’exercice de la physique requiert de solliciter autant l’une que l’autre quoique cela ne se fasse pas selon un processus symétrique. C’est une véritable dialectique à laquelle est soumise l’activité du physicien. Parce que la physique est en permanence en chantier, un chantier de l’esprit et un chantier sur la nature, elle semble se trouver dans un état d’équilibre instable qu’il convient de rétablir sans cesse, au gré des phénomènes nouveaux que l’on découvre d’une part, mais aussi des réflexions critiques sur les capacités de l’esprit qui invente d’autre part. Entre découverte et invention, on peine sans cesse à répondre avec précision à la question suivante : de quoi la physique est-elle une connaissance ?

Pour sortir un tant soit peu de l’imbroglio dans lequel elle se trouve, la physique est invitée à revenir à sa source. Non pas à travers la considération de ce qui est donné à voir, mais à travers la considération de ce qui est donné à penser. La physique engage la pensée du physicien dans laquelle se trouvent les processus qui président à l’élaboration mentale d’une enquête sur le monde qui l’entoure. En ce sens la physique est aussi une philosophie en tant qu’elle place au fondement de ses raisonnements des jugements qui trouvent leur origine dans la pensée uniquement. Au reste, il n’y a pas si longtemps, jusqu’au début du XXe siècle, les textbooks anglo-saxons de physique étaient intitulés Treatise on natural philosophy3.

Pour comprendre à quoi la physique répond, pour savoir précisément de quoi elle est une connaissance, il faut reprendre les évolutions de sa pensée, non pas seulement selon un ordre chronologique mais selon une progression autant psychologique que gnoséologique. Quels sont les éléments fondateurs de la pensée sur lesquels le physicien prend appui pour construire la physique moderne, une physique mathématique ? Comment le physicien aplanit-il la route de sa pensée ? Quels sont ses rêves autant que ses illusions ? Que décide-t-il, à quelle étape et en vertu de quels critères ? Ces critères-là sont-ils arbitraires, construits ou donnés ?

Cet ouvrage se propose donc de retracer aussi fidèlement que possible le cheminement de la pensée du physicien moderne. Le terme de physique moderne est à opposer à celui de physique des Anciens, la physique d’Aristote. Il ne s’agit aucunement de dénier à cette dernière sa cohérence et sa pertinence, mais de considérer la physique de notre temps, celle dont on dit qu’elle commence avec Galilée et qui continue sa progression jusqu’à nos jours : la physique mathématique. Ce livre n’est donc pas un manuel de physique. Il ne s’intéresse pas tant au contenu de la physique qu’à ce qui constitue son contenant idéel. Lequel, bien entendu, est adapté au contenu en sorte que chacun est en mesure de déterminer l’autre par un jeu de questionnements réciproques incessant. Ce qui suit entreprend donc de répondre à la question suivante : Quels sont les moyens que la pensée se donne à elle-même pour rendre compte de la nature ? D’où le titre de cet ouvrage, parce que la pensée est aux balbutiements de la physique et que la pensée vient en pensant.

Pour ce faire, six étapes ont été identifiées dans le processus de construction intellectuelle de la physique : l’abstraction, la mesure, la conservation, la loi, l’ordre déductif et la théorie. Pour donner du relief à ces constructions elles sont amenées selon la progression suivante : une première partie permet de poser le problème ; plus précisément il s’agit de nommer et d’articuler entre eux les termes du problème que la pensée se doit de dépasser pour circonscrire les difficultés intellectuelles qui se posent à elle. Une deuxième partie présente deux textes traitant du sujet en question mais selon des perspectives différentes, soit parce que les deux textes argumentent selon des avis radicalement opposés, soit au contraire parce qu’ils se font écho et se complètent sans nécessairement s’opposer. Dans tous les cas le premier texte est à caractère scientifique alors que le second est davantage à caractère philosophique. Tous ont été choisis pour la résonnance qu’ils entretiennent et qui est en mesure de plonger la réflexion en profondeur dans l’intelligence du problème posé. Enfin, une troisième partie apporte une mise en perspective de tout ce qui précède afin de recueillir les fruits de la réflexion. L’ensemble ne prétend pas apporter une réponse exacte aux problèmes posés mais de faire surgir du milieu de la pratique de la physique, les axes déterminants qui la caractérisent en tant que construction intellectuelle, ainsi que des éléments de réponse susceptibles de justifier le bien-fondé voire la nécessité de ces axes déterminants.

Le lecteur familier avec les sciences physiques est invité à aborder la lecture en s’efforçant de révoquer en doute les enseignements de l’habitude issue tout droit de la pratique de la science. Non pas tant d’ailleurs la pratique de l’expérimentation que celle de la pensée. Le temps de la lecture, ce lecteur averti est invité à suspendre son jugement sur ce que l’usage en cours dans la manière d’aborder la physique impose comme argument d’autorité à la pensée, focalisant hélas ses perspectives vers des horizons faits, assez souvent, de lieux communs et de sens pratique.

On peut voir dans le découpage de ces six chapitres deux parties relativement autonomes. La première contient les trois premiers chapitres. Elle tente de dresser un tableau de ce que le physicien se donne comme moyen pour penser les éléments constitutifs de sa physique en vue de pouvoir accéder à des connaissances. L’abstraction, la mesure et la conservation, ne constituent pas en soi des connaissances de la nature, mais on pourra voir à travers ces trois activités distinctes de la pensée comment le physicien prépare intellectuellement et surtout a priori, le terrain pour semer des germes de connaissance.

La série commence par la pensée des abstractions. Ce chapitre souhaite argumenter en faveur du caractère fondateur de l’abstraction en physique, qu’elle soit moderne ou non, mathématique ou non. Toute physique, en tant que jugement rationnel sur tout ou partie du réel, attend du physicien qu’il désigne des objets de connaissance. C’est donc la condition et le contexte de cette désignation qui est en jeu dans ce chapitre-là.

La question de la mesure vient immédiatement après. Elle pose la question de la quantité et de la comparaison. En tant que science de la mesure, la physique invite le physicien à penser, sinon la nature de ses objets de connaissance, tout au moins la condition de possibilité de la comparaison de ces objets entre eux. Où l’on est tenté de constater que certaines ne sont pas comparables entre elles quand d’autres le sont.

L’étape suivante est sans conteste la plus importante dans la mesure où elle traite de la condition de possibilité d’une physique mathématique. La question de la conservation, si présente dans l’héritage commun de la physique actuelle semble étrangement assez peu questionnée. L’enjeu de ce chapitre est donc de mettre en évidence, autant que faire se peut, toute la portée de ce genre d’attribution réservée exclusivement à certaines grandeurs physiques.

La deuxième partie traite quant à elle de la manière par laquelle la physique mathématique prétend connaître. Elle tente de dire comment le physicien questionne le réel pour construire a posteriori une connaissance exhaustive de la nature.

Vient alors le problème de la loi, c’est-à-dire de la connaissance à proprement parler ; lorsque le physicien confronte sa construction au verdict des faits. Il s’agit dans ce chapitre de savoir comment bâtir des ponts entre des grandeurs physiques conçues indépendamment les unes des autres. Ici la notion de coefficient notamment est questionnée pour sonder son origine et sa place dans une physique mathématique.

Bien que la place de la logique dans la physique ne doive pas poser de problème autre que celui du choix de l’ordre déductif, elle en pose manifestement un. C’est pourquoi cette question fait l’objet d’un chapitre à part entière. La difficulté vient de ce que contrairement à la mathématique qui est une science essentiellement déductive où l’on part du haut pour descendre vers les théorèmes, la physique, elle, se présente toujours en première instance par en bas. Elle se présente toujours par le biais du particulier et cela pose bien des troubles lorsqu’il s’agit de réordonner logiquement ses énoncés.

Enfin, le dernier chapitre traite de la question des théories. Il entend entreprendre la question par excellence qui demeure toujours en suspens : la question de l’être. Quelle est la valeur ontologique des énoncés de la physique ? La physique en tant que théorie, c’est-à-dire en tant que construction achevée – même provisoirement –, permet-elle d’accéder à l’être ? À quoi bon toutes ces constructions, toutes ces expérimentations si l’on ne rencontre jamais la chose en soi ?

Il y a donc douze textes au total. Huit sont de langue française, trois sont traduits de l’allemand et un du latin. Bien qu’ils aient été choisis en premier lieu pour leur intérêt, on remarquera que la plupart d’entre eux ont été rédigés au cours du XIXe siècle. Cela peut s’expliquer par deux raisons : d’abord parce que cela correspond à une période d’un essor considérable de la physique mathématique, notamment grâce aux progrès de l’analyse en mathématiques. Ensuite parce que la seconde moitié du XIXe est marquée par des interrogations profondes sur les fondements de la mécanique ayant donné lieu à des réflexions non moins pénétrantes sur le même sujet. Le XIXe siècle est donc témoin d’un foisonnement particulièrement intense dans le domaine des sciences mathématiques dont la physique fait partie. C’est d’ailleurs pour cette raison que les physiciens de cette époque portent le nom glorieux de « géomètres ». Nous préférerons parler ici de « savants » pour être plus général tout en évitant d’utiliser le terme de « scientifiques » qui recouvre aujourd’hui un nombre si grand d’activités qu’il pourrait tromper le lecteur sur ce qui anime l’esprit de ceux dont il sera question dans ce qui suit. D’autre part, l’enjeu dont on souhaite souligner les traits saillants dans cet ouvrage est un enjeu de connaissance et non de science. En ce sens, le terme de savant semble mettre plus en évidence le savoir qui sous-tend ce dont il sera question par la suite.

Enfin, quoique certains de ces textes aient été rédigés au cours du XXe, ils ne portent toutefois pas sur les théories physiques de cette époque à savoir la relativité et la mécanique quantique. En effet ces théories font actuellement l’objet de bien des réflexions philosophiques, contrairement à la physique classique telle qu’on la connaît dans toute sa gloire, c’est-à-dire telle que l’a façonnée le XIXe siècle, laquelle demeure curieusement assez peu questionnée. Cette différence de traitement vient sans doute de ce que les théories de relativité et de la mécanique quantique exercent une fascination extrême auprès de nos contemporains avertis ou non sur ces domaines, mais aussi de manière plus tacite, de ce que beaucoup de scientifiques actuels estiment n’avoir plus de leçon à recevoir de la part d’une physique dite « classique ». Il y a là une forme d’injustice et l’ambition de ce qui suit est de souhaiter la résorber un tant soit peu. On verra alors combien aujourd’hui encore les frontières de la physique sont floues. Dans l’union qu’elle opère entre le réel et l’idée du réel, elle se trouve en permanence en proie à une détermination toujours insuffisante, jamais exclusivement univoque de ses objets, de ses méthodes et de sa capacité à pénétrer et nommer la nature.

Pour les raisons qui viennent d’être dites, les textes présentés ici sont assez méconnus pour la plupart. Ce livre se fixe donc aussi comme objectif de les faire connaître au lecteur afin que ce dernier puisse aller à la rencontre des auteurs concernés.

Remarquons enfin que ces textes peuvent tout à fait servir de base à une réflexion en classe de Terminale, autant en cours de philosophie qu’en cours de physique. C’est d’ailleurs, entre autres, sur la base d’une expérience d’enseignement de la physique et de la chimie en classes de lycée, que les réflexions qui suivent prennent appui.

Enfin, les chapitres peuvent être lus dans le désordre, mais il est préférable de les lire dans l’ordre pour bénéficier d’une progression plus cohérente.

1. Marin Cureau de La Chambre était premier médecin ordinaire du roi à la cour de Louis XIV.

2. Marin Cureau de La Chambre, La lumière, Jacques d’Allin, Paris, 1662.

3. On notera par exemple le Elementary treatise on natural philosophy de J. D. Everett, professeur à Belfast, publié en 1896 et basé sur le Traité de physique d’Augustin Privat Deschanel, professeur au lycée Louis-Le-Grand, inspecteur de l’académie de Paris. La différence entre les deux titres est très évocatrice des différentes manières d’aborder la physique d’un côté ou de l’autre de la Manche. Par ailleurs les deux ouvrages diffèrent largement dans l’ordre de présentation de leurs contenus respectifs.

Retrouvez tous les ouvrages de CNRS Éditions sur notre site
www.cnrseditions.fr