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www.dunod.com

ISBN : 978-2-10-083024-4

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PROLOGUE

DES LOIS ET DE LA PHYSIQUE

Le plus impressionnant, c’est que la Nature obéisse à des lois. Le plus étonnant, c’est que celles-ci s’expriment dans un langage commun : les mathématiques. Cette extraordinaire découverte, nous la devons aux scientifiques qui ont su repérer des motifs universels dans l’ordre du monde et les transcrire en formules. L’un d’entre eux, et peut-être le premier, fut Isaac Newton, qui a réussi à unifier des phénomènes célestes et terrestres à l’aide d’une élégante théorie mathématique.

La compréhension des phénomènes naturels a hanté l’humanité depuis des millénaires. Il s’agissait d’abord de survivre : nos ancêtres avaient par exemple intérêt à anticiper la trajectoire d’un projectile, ou encore à identifier quels objets flottent et quels objets coulent. Nous nous sommes ainsi forgé une intuition, parfois trompeuse, des phénomènes du quotidien. Puis de grands penseurs, poussés par la curiosité, ont tenté d’élaborer des descriptions complètes du cosmos. Il faudra cependant attendre les travaux de Newton pour entrevoir une description globale des choses de la Nature.

Dans plusieurs ouvrages majeurs publiés entre 1687 et 1704, le savant anglais expose sa vision du monde, celle qui dominera tous les débats scientifiques durant plus de deux siècles. En posant le cadre de la physique dite classique, perfectionnée ensuite par des générations de physiciens, Newton aura ouvert la voie vers la science moderne, et définitivement déboulonné la statue d’Aristote dont l’ombre planait jusque-là sur les réflexions des savants. Qu’on en juge : Newton a introduit le concept d’action à distance dans le vide ; il a inventé le calcul infinitésimal, un outil dont la recherche actuelle ne peut se passer ; il a unifié la description du monde dans une théorie de la gravitation universelle. Il est le premier à avoir décomposé la lumière blanche, à avoir expliqué les effets de marée ainsi que les arcs-en-ciel, et à avoir décrit les mathématiques du mouvement des planètes. Même ses incursions du côté de l’alchimie ont été fécondes, en l’amenant à réfléchir sur les corps « sociables », préfigurant la théorie des « affinités chimiques » du XIXe siècle. S’intéressant à des domaines aussi variés que la gravitation, la lumière, l’astronomie ou la chaleur, Newton fut un génie universel.

Sa vision de la lumière, du mouvement et de la gravité était évidemment limitée par les connaissances de son époque. Au XXe siècle, forts de nouveaux outils, les scientifiques ont opéré quelques retouches à sa description de la Nature, et ont investi de nouveaux territoires. Ils ont exploré le domaine de l’infiniment petit : la révolution quantique nous a révélé le monde déroutant des particules, dont le comportement échappe aux lois de la physique classique. Les scientifiques se sont également aventurés dans l’infiniment grand en tentant de saisir l’Univers tout entier. Les théories de la relativité ont ainsi bouleversé notre compréhension de la gravité et ont complètement redéfini les notions, autrefois familières, d’espace et de temps. La cosmologie considère à présent des structures exotiques comme les trous noirs, et traque des influences mystérieuses comme celle de la matière noire. En remontant aux tout premiers instants après le Big Bang, les scientifiques envisagent des formes de gravité répulsive défiant l’intuition ; celles-ci sont toujours à l’œuvre de nos jours, menant la danse de l’expansion de notre Univers, et détermineront son futur…

Avec Newton pour guide, nous allons partir à la découverte des grandes idées de la physique d’aujourd’hui. Ce voyage nous mènera du concept d’énergie à celui d’attraction gravitationnelle, et nous emportera jusqu’aux confins du cosmos tout en nous révélant les mystères de la lumière. À chaque étape, nous verrons combien la vision de Newton est toujours prégnante. Comme un organisme vivant, les lois de la physique s’adaptent aux nouvelles observations pour brosser une description qui se veut la plus complète et la plus précise de notre Univers.

CHAPITRE 1

LA NATURE DE L’ÉNERGIE

Newton est sans aucun doute l’un des grands génies de la science. Il est connu pour avoir compris, entre autres phénomènes, le mouvement des planètes, la chute des corps, la composition de la lumière et les effets de marée. Pour ce faire, il a su exploiter intelligemment l’un des concepts fondamentaux de la physique : celui de quantité de mouvement, intimement lié à celui d’énergie.

La légende veut qu’Isaac Newton ne se soit jamais éloigné d’une étroite bande de terre entre Londres, Cambridge et sa région de naissance, le Lincolnshire. Newton voit le jour le 25 décembre 1642 dans la ferme familiale – le manoir de Woolsthorpe – d’un père fermier illettré et d’une mère de rang social plus élevé dont le frère a étudié à Cambridge pour devenir prêtre. Son enfance n’est pas vraiment douce. Il ne connaîtra jamais son père, décédé quelque mois avant sa naissance. Alors que le jeune Isaac n’a que trois ans, sa mère se remarie et quitte le manoir, le laissant seul avec sa grand-mère. À douze ans, il rejoint l’école de Grantham, et est alors hébergé par le pharmacien de la ville dont la bibliothèque est bien fournie. Il entre à dix-neuf ans à l’université de Cambridge, au Trinity College. C’est en travaillant comme valet auprès de ses condisciples plus aisés de l’université qu’il peut subvenir à ses besoins et suivre les cours magistraux. Mais Newton se comporte avant tout en autodidacte, en dévorant tous les ouvrages scientifiques disponibles à la bibliothèque et en reproduisant certaines expériences.

En 1665, alors que Newton commence à atteindre sa pleine maturité mathématique, la peste noire frappe lourdement Cambridge. L’université ferme et Newton est condamné à s’isoler pendant un an dans le manoir de Woolsthorpe. Cet isolement fut sans conteste le plus fécond de l’histoire de la science moderne. C’est en effet durant ces mois de solitude que Newton développe sa théorie de la gravitation universelle, et qu’il entrevoit les premières lueurs de la science de la lumière. Il n’a alors que 22 ans. Il reprendra ensuite ces idées dans les ouvrages majeurs que sont Opticks (« Optique ») et Philosophiae naturalis principia mathematica (« Principes mathématiques de la philosophie naturelle »). Ses travaux sur l’optique et sur la dynamique font de lui l’un des plus grands (si ce n’est le plus grand) scientifique de tous les temps.

L’ÉNERGIE SE CONSERVE

Ce qui étonne à la lecture des écrits de Newton, c’est la modernité avec laquelle il s’approprie les problèmes de la physique de l’époque. Encore aujourd’hui, la plupart des calculs effectués par les ingénieurs et dans les centres de recherche spatiale s’inspirent de sa théorie des forces et du mouvement. Nous aurons largement l’occasion de revenir sur les notions de force et de mouvement plus tard. Dans ce premier chapitre, je voudrais insister sur une conséquence des théories de Newton parfois sous-estimée : la conservation de la quantité de mouvement et de l’énergie. Mais qu’entend-on par conservation, et qu’est-ce que la quantité de mouvement ?

« Platon est mon ami, Aristote est mon ami, mais ma meilleure amie est la vérité. »

Isaac Newton, Quelques questions philosophiques (1664)

En physique, une grandeur est dite conservée quand, dans un système isolé (un système qui ne subit aucune influence de l’extérieur et n’interagit pas avec son environnement), sa valeur ne change pas dans le temps, ou dans l’espace. La plupart des théories modernes se fondent sur ce principe, dit de symétrie. Cette notion de symétrie vous est sans doute familière dans le cas des objets (un papillon est symétrique par rapport à l’axe de son abdomen ; la corolle d’une fleur est symétrique par rotation ; etc.) ; elle s’applique aussi aux lois physiques. C’est la mathématicienne allemande Emmy Noether (1882-1935) qui comprit la puissance du principe de symétrie dans les années 1910, mais c’est Newton qui en élabora les prémices. L’idée est que toute symétrie, dans un système, est intimement reliée à une quantité conservée. Si ce que vous étudiez ou observez est invariant par une translation dans l’espace, c’est-à-dire si les lois auxquelles obéit le système sont les mêmes ici et quelques mètres plus loin, voire aux confins de l’Univers, alors on dit que la quantité de mouvement est conservée, et celle-ci s’exprime comme le produit de la masse par la vitesse. Si, en plus, ces lois sont les mêmes aujourd’hui, demain et jusqu’à la fin des temps (ce qui correspond à une translation dans le temps), c’est l’énergie qui est conservée.

Les notions de quantité de mouvement, d’énergie et de symétrie étaient très floues à l’époque de Newton, et donnaient lieu à des débats épistolaires acharnés. Pour Newton, pas de doute : c’est la quantité de mouvement qui est conservée. Le physicien et philosophe allemand Gottfried Leibniz (1646-1716) considérait plutôt que c’était une « force vive », vis viva, correspondant au produit de la masse par la vitesse élevée au carré (ce que l’on pourrait actuellement identifier à l’énergie de mouvement ou énergie cinétique, à un facteur multiplicatif près). D’autres chercheurs comme le chimiste français Antoine Lavoisier (1743-1794) ont vu dans la chaleur une autre forme de vis viva.

Finalement, après de nombreux débats, mesures et articles sur le sujet, il est confirmé que dans un système isolé, l’énergie cinétique tout comme la quantité de mouvement sont conservées. Si le système n’est pas isolé (s’il perd de la chaleur, par exemple), l’énergie n’apparaît ou ne disparaît pas pour autant : un bilan minutieux montre que des échanges d’énergie s’effectuent avec l’extérieur, et les différentes formes d’énergie qui interviennent peuvent être converties d’une forme à une autre. Le mouvement n’est donc pas la seule source d’énergie ; il existe des formes d’énergie de natures électromagnétique, nucléaire ou encore gravitationnelle, comme nous allons le voir. L’histoire de tous les phénomènes physiques peut ainsi se résumer en des conversions subtiles de l’une à l’autre forme.

« Rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme. »

Cette loi de conservation a son pendant en chimie, notamment avec la conservation de la masse lors des réactions chimiques. Antoine Lavoisier, en 1772, a ainsi remarqué qu’en brûlant du soufre dans l’air, étrangement, le résidu solide qu’il récupérait sous la cloche était… plus lourd qu’avant sa combustion. C’est quand il eut l’idée de peser l’air dans la cloche et qu’il constata que sa masse avait diminué qu’il comprit que deux éléments, l’oxygène et le soufre, s’étaient combinés lors de la combustion. La masse totale du système {soufre + oxygène} était donc bien conservée. En 1777, Lavoisier a énoncé sa célèbre loi :

« Rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ».

Newton a donc été l’un des premiers à mettre en équation des lois de conservation du mouvement, que Leibniz traduira par des lois de conservation de l’énergie. Newton les mettra en perspective en introduisant son concept de force, les forces étant les sources génératrices du mouvement. Il n’est évidemment pas seul à avoir développé ces idées, mais il est le seul à avoir su faire la synthèse de ces principes et en tirer une explication rationnelle du monde qui l’entoure, dans sa globalité.

Le pendule de Newton

Une belle illustration du principe de conservation de la quantité de mouvement est offerte par un jouet que l’on trouve dans le commerce : le pendule de Newton¹.

Il consiste en une série de six à dix billes métalliques, au contact les unes des autres, suspendues à une barre horizontale au moyen de fils. Pour l’actionner, il suffit de se saisir d’une bille à une extrémité et de la lâcher. Lors du choc, la bille située à l’autre extrémité du jouet se soulève, décrit un mouvement de balancier et revient à sa position initiale pour percuter sa voisine, éjectant à nouveau la première bille, et ainsi de suite. Le manège semble ne jamais vouloir s’arrêter. La physique en est toute simple : la quantité de mouvement que l’on imprime à la première bille, en l’écartant puis en la lâchant, se transmet à toutes les autres billes du système jusqu’à la dernière par une succession de chocs (on parle de chocs « élastiques », c’est-à-dire sans perte d’énergie). La dernière bille va alors remonter à la même hauteur que celle que vous avez lâchée, puisqu’elle aura reçu toute sa quantité de mouvement. Elle redescendra ensuite, et le manège repartira dans l’autre sens.

Et si maintenant vous lâchez deux billes en même temps, quel sera le résultat à l’autre bout de la chaîne ? Une bille qui ira deux fois plus haut, ou deux billes qui iront à la même hauteur ? Réponse : deux billes s’élèveront dans les airs de l’autre côté.

UNE HISTOIRE DE POTENTIEL

Ce qui est assez frappant lorsqu’on se penche sur les écrits de Newton, c’est son approche très géométrique de la physique et de ses phénomènes. Il présente peu d’équations algébriques et propose beaucoup de figures, ce qui était assez commun à l’époque (sous l’influence du savant grec Euclide, pour qui tout était géométrie). Il est donc assez difficile, pour un physicien moderne, de lire les œuvres originales de Newton. Mais tout y est : il suffit de traduire en langage algébrique, à l’aide d’équations et de symboles, les multiples droites, angles et intersections qui émaillent les pages de ses ouvrages. Leibniz lui-même, avec lequel Newton a longtemps correspondu (surtout sur des questions touchant le temps, Dieu et la physique), a proposé une interprétation intéressante des thèses de Newton, en formalisant le concept d’énergie.

Le mot énergie est lui-même tiré du grec en (« dans ») et ergon (« travail »). En résumé, l’énergie est la capacité de n’importe quel système à fournir un travail. C’est le cas de l’énergie cinétique (qu’un corps possède du fait de son mouvement), tout comme de l’énergie thermique (qui entraîne les moteurs thermiques, par exemple dans une voiture à essence) ou de l’énergie nucléaire (exploitée dans les centrales pour produire de l’électricité).

La valeur de l’énergie cinétique d’un objet, dans sa définition moderne, est égale à la moitié de sa masse, multipliée par sa vitesse au carré. Si on exprime la masse en gramme et la vitesse en centimètre par seconde, le résultat de l’opération s’exprime en erg. Une feuille d’arbre de 2 grammes qui tombe à la vitesse de 1 centimètre par seconde a une énergie cinétique de 1 erg. Un moustique en vol de 2 grammes à 3 kilomètres par heure a une énergie cinétique de 7 000 ergs. Par commodité, les physiciens emploient une autre unité de mesure, le joule (J), qui correspond à 10 millions d’ergs. Pour vous donner un ordre d’idée, une pomme de 100 grammes qui tombe d’une hauteur d’1 mètre atterrit avec une énergie cinétique d’1 joule. Si vous remplacez la pomme par une cascade faisant tourner une roue de moulin, l’énergie cinétique transmise peut bel et bien fournir un travail utile au meunier.

Comparaison des énergies cinétiques d’un moustique de 4 grammes, volant à 3 kilomètres par heure, et d’une rame de TGV de 400 tonnes lancée à 300 kilomètres par heure

Si Newton était conscient de l’existence d’une quantité conservée, cette vis viva, il fallut attendre plusieurs siècles pour formaliser le principe. C’est le physicien allemand Hermann von Helmholtz (1821-1894) qui énonça finalement la loi de conservation de l’énergie en 1847 : pour tout processus, dans un système isolé, l’énergie totale en jeu se conserve. En clair, la mise de départ n’est jamais perdue ; elle change juste de nature. Ce qui n’était pas encore connu à l’époque de Newton, c’était la notion d’énergie thermique ; une partie de l’énergie semblait alors se perdre sans raison. Le bilan fut rétabli lorsque l’on comprit que l’énergie pouvait se dissiper sous forme de chaleur. La loi de conservation de l’énergie est aujourd’hui encore l’un des piliers fondateurs de la physique moderne.

La particule fantôme

Jusqu’au début du XXe siècle, le principe de conservation de l’énergie était encore débattu par la communauté scientifique.

En effet, lors d’expériences de désintégration radioactive, de l’énergie semblait avoir été perdue à l’état final. Des physiciens aussi brillants que Niels Bohr proposèrent de remettre en cause le principe de conservation de l’énergie ; Bohr tenta même de proposer une loi quantique et probabiliste de cette conservation. C’est finalement le physicien autrichien Wolfgang Pauli qui suggéra qu’une particule encore inconnue, appelée neutrino, emporte avec elle une partie de l’énergie sous forme d’énergie cinétique. Hypothèse qui sembla farfelue jusqu’à la découverte de cette fameuse particule fantôme, en 1956, par les physiciens américains Clyde Cowan et Frederick Reynes.

Certains d’entre vous auront peut-être deux remarques à me faire à ce stade. Quand vous lâchez une pomme, elle prend de la vitesse, et pourtant vous ne la touchez pas : d’où vient son énergie cinétique ? Et quand elle arrive au sol, elle s’arrête net : où va son énergie ? Il a fallu des années avant que des savants comme James Prescott Joule (le physicien qui a donné son nom à l’unité de mesure), Benjamin Thompson et Hermann von Helmholtz puissent y répondre. Et la réponse n’était pas si évidente que cela.

La notion qu’il faut réussir à saisir, dans un premier temps, est celle d’énergie potentielle. Comme son nom l’indique, l’énergie potentielle emmagasinée par un corps peut, à tout moment, être libérée sous une autre forme d’énergie, par exemple de l’énergie cinétique. Quand vous prenez une pomme et que vous la soulevez, le simple fait d’effectuer ce geste lui transmet de l’énergie (qui a été puisée dans vos muscles, eux-mêmes mus par l’énergie chimique issue de votre digestion matinale…). Plus vous soulevez la pomme haut, plus vous lui donnez de potentiel. Si vous montez avec le fruit jusqu’au toit d’un immeuble, que ce soit à l’aide d’un ascenseur ou des escaliers, un transfert d’énergie s’effectue dans la pomme. Si maintenant vous la lâchez, cette énergie potentielle va être convertie en énergie cinétique tandis que la pomme prendra de la vitesse. Une pomme de 100 grammes gagnera une énergie cinétique de près de 5 joules au bout d’une seconde de chute, 20 joules au bout de deux secondes. Lâchée depuis une hauteur de 45 mètres, la pomme atteindra le sol avec une énergie cinétique de 45 joules. Pas grand-chose.

Les différents visages de l’énergie potentielle

L’énergie potentielle est un concept très puissant en physique. Son nom est assez évocateur : c’est une énergie qui est « potentiellement » disponible, mais pas encore libérée. La pomme accrochée à l’arbre possède une énergie potentielle de pesanteur qui se convertira sous forme d’énergie cinétique lorsqu’elle tombera. Un ressort étendu ou comprimé possède une énergie potentielle élastique, qu’il libérera une fois relâché. De même, les atomes (et en particulier leurs noyaux) possèdent une forme d’énergie potentielle qui s’exprime par exemple sous forme d’énergie nucléaire lorsqu’ils fissionnent dans les centrales électriques.

DES POMMES POUR FAIRE LE THÉ

Nous avons donc vu qu’au fur et à mesure de sa chute, la vitesse de la pomme (et donc son énergie cinétique) augmente, tandis que sa hauteur (et donc son énergie potentielle) diminue. La somme des deux énergies est conservée dans la chute. Mais que se passe-t-il lorsque la pomme atteint le sol ? Elle se retrouve alors avec une vitesse nulle (plus d’énergie cinétique) et à une hauteur nulle (plus d’énergie potentielle). La loi de conservation de l’énergie serait-elle violée ?

C’est ce type d’expériences qui bloqua pendant des années des esprits aussi géniaux que Newton et Leibniz, les empêchant de s’engager pleinement dans la voie de l’énergie (pourtant mesurable) ; ils préférèrent mettre en avant le concept de force, plus obscur. Et pourtant, le principe de conservation n’est pas violé lors de l’expérience. L’énergie cinétique de la pomme a tout simplement été dissipée par l’impact contre le sol. Afin de comprendre le nouveau mécanisme en jeu, faisons un petit voyage dans le temps à la rencontre du physicien américain Benjamin Thompson.

La vie de Thompson fournirait la matière à un roman d’aventures ou à un biopic hollywoodien. Marié à 19 ans à une riche veuve de 33 ans, il prit le parti des loyalistes lors de la guerre d’indépendance américaine, ce qui l’obligea à fuir vers l’Europe en 1785, abandonnant femme et enfants. Alors qu’il était en poste à Munich, en charge d’un arsenal militaire, il remarqua que la chaleur dégagée lorsqu’il forait des canons en cuivre était colossale. L’échauffement est dû au frottement à grande vitesse de la foreuse sur le métal (du même type que celui que vous ressentez lorsque vous vous frottez vigoureusement les mains l’une contre l’autre pour conjurer le froid). Thompson décida de reproduire cette expérience dans un bac d’eau et de mesurer l’élévation de température pour quantifier le phénomène. Il plongea un cylindre de cuivre dans un bac de 8 litres (2 gallons pour être précis) et le fora, encore et encore, pendant plus deux heures, lorsque l’eau se mit à bouillir. Il venait de transformer l’énergie cinétique qui servait à faire tourner la foreuse en chaleur. Thompson écrit dans son rapport de 1798 :

« Il serait très difficile de décrire la surprise et l’étonnement exprimés par les témoins [de l’expérience] lorsqu’ils ont vu une telle quantité d’eau froide chauffer et même bouillir, sans l’aide d’aucune flamme. »

Si nous revenons à la pomme, la solution saute aux yeux : tout comme l’énergie transmise à la foreuse a chauffé l’eau qui l’entourait, l’énergie cinétique acquise par la pomme, lors de son choc avec le sol, s’est convertie en chaleur2. L’énergie est donc conservée tout au long du processus : elle se convertit de pure énergie potentielle lorsque la pomme est accrochée à l’arbre, en énergie cinétique lorsque celle-ci chute, puis en chaleur lorsqu’elle touche terre. Bien sûr, le cas que nous venons de décrire est idéal : en pratique, une partie de l’énergie de la pomme se dissipe lors de la chute à cause des frottements exercés par l’air qui s’écoule autour du fruit.

Mais à quoi correspond exactement cette chaleur ? Pour vous donner un ordre d’idée, il faut dépenser 65 000 joules pour chauffer une tasse de thé (en faisant passer la température de l’eau de 20 à 100 °C). Si toute l’énergie cinétique d’une pomme qui chute pouvait être convertie en énergie thermique et servir à chauffer une tasse remplie d’eau, il faudrait laisser tomber sur le sol près de 60 000 pommes pour préparer un thé !

En 1843, Joule améliora les mesures de Thompson (désormais anobli sous le titre de comte von Rumford). Ce furent les débuts de la science de la chaleur, aussi appelée thermodynamique, qui sera ensuite complétée par la théorie cinétique des gaz. Joule énonça en particulier le premier principe de la thermodynamique, qui fait le bilan de l’énergie et du travail fourni dans les processus mettant en jeu des transferts de chaleur. Il définit également, avec William Thomson (plus connu sous le nom de Lord Kelvin), une échelle absolue de température qui portera son nom.

Comme le révéla un certain Albert Einstein en 1905, une autre forme d’énergie insoupçonnée se cachait dans la matière depuis des milliards d’années. Deux siècles plus tôt, Newton avait déjà envisagé que la matière puisse se convertir en lumière. Il écrivit : « Un corps grave et la lumière ne sont-ils pas convertibles l’un dans l’autre ? » Quelle incroyable prescience au regard de la formule que propose Einstein dans un article de 1905 :

E = mc²

affirmant ainsi que l’énergie (E) et la masse (m) sont en fait équivalentes, l’une pouvant se transformer en l’autre. Cette unification entre énergie et masse est époustouflante à plus d’un titre, en particulier à cause du coefficient c² qui lui est rattaché. Celui-ci représente la vitesse de la lumière élevée au carré, soit (299 792 458 m/s)², un chiffre gigantesque. Cette simple formule révèle que, du fait de sa masse, une petite quantité de matière détient une énergie colossale ; par exemple, 1 gramme de matière pourrait libérer 100 000 milliards de joules.

Cette éventualité se mua en réalité en 1938 avec la découverte de la fission nucléaire, le phénomène par lequel un noyau atomique lourd comme l’uranium se scinde en plusieurs noyaux plus légers. Cette réaction libère une colossale quantité d’énergie3. Cette énergie révéla malheureusement ses effets dévastateurs le 4 août 1945, lorsque les Américains larguèrent une bombe atomique sur la ville d’Hiroshima. Seulement 700 grammes d’uranium participèrent à la fission qui engendra le cataclysme.

« On peut se demander si l’humanité a avantage à connaître les secrets de la nature, si elle est mûre pour en profiter ou si cette connaissance ne lui sera pas nuisible. »

Pierre Curie,
extrait du discours Nobel du 6 juin 1905

Précisons que, dans le cas de la bombe atomique, c’est une réaction en chaîne qui mène à une libération brutale d’énergie : chacun des atomes d’uranium, dans sa fission, entraîne ses voisins les plus proches… et ainsi de suite. Alors que cette fission, dans les centrales nucléaires, est soigneusement contrôlée, elle est laissée libre dans les armes atomiques. Comme pour la pomme accrochée à l’arbre, cette énergie est potentiellement accessible, mais il faut un déclencheur (arracher la pomme de la branche) pour y avoir accès. Dans le cas de la bombe atomique conventionnelle, le déclencheur est un explosif qui projette des atomes d’uranium les uns contre les autres afin d’initier la réaction en chaîne.

LE RÊVE DE L’ALCHIMISTE…

On a oublié puis redécouvert bien plus tard (en 1936) la passion de Newton pour l’alchimie. Après la divulgation de ses nombreux écrits sur le sujet, et la découverte des 138 ouvrages mystiques de sa bibliothèque personnelle, ce fut le choc. Comment un savant aussi respectable avait-il pu s’enticher d’une discipline aussi peu recommandable ? Avant toute critique, il faut savoir que la frontière entre alchimie et chimie était très ténue à l’époque, et que la chimie était balbutiante ; les deux disciplines ont beaucoup en commun, des instruments aux méthodes expérimentales. C’est seulement à partir du XVIIIe siècle que le fossé s’est creusé, l’une prenant définitivement le statut de science, et l’autre celui de pseudoscience, voire de charlatanisme.

La littérature alchimiste de l’époque était très riche. Les textes étaient remplis de signes cabalistiques indéchiffrables dont le seul but était de protéger le secret de la transmutation, ce phénomène qui devait permettre de transformer un élément en un autre. Avant tout, c’est le fantasme de la transmutation du plomb en or, grâce à une chimérique « pierre philosophale », qui a attiré l’attention de beaucoup de chercheurs et d’originaux. L’alchimie se fonde sur la croyance que les métaux sont tous composés d’un « esprit-de-soufre » et d’un « mercure philosophique » dont l’extraction à partir de n’importe quel type d’élément de la Nature permettrait la synthèse de n’importe quel autre élément. Cette passion pour l’alchimie, Newton l’a entretenue pendant plus de trente ans, dès 1668. L’un de ses collaborateurs décrit un laboratoire rempli de montages expérimentaux, de forges, de feux, de produits gazeux ; le savant s’y enfermait pendant de longues heures.

Qu’a vraiment appris Newton durant ces expériences infructueuses ? Que les substances chimiques sont soumises, elles aussi, à des forces d’attraction voire de répulsion, ce qui donnait à son idée originelle de vis viva  une dimension universelle, s’appliquant à toutes les échelles de la Nature. Il a reconnu dans certains processus chimiques un « principe de sociabilité », et dans d’autres une « tentation au recul ». Cette observation que certains composés chimiques étaient prompts à réagir avec d’autres fut paradoxalement la plus grande avancée de la chimie moderne du XVIIe siècle. Cela présageait de la théorie moderne des affinités chimiques et des équilibres thermodynamiques qui sera développée bien plus tard, à la fin du XIXe siècle, par le chimiste Walther Nernst.

Et pourtant… la transmutation est bel et bien possible, et le physicien Ernest Rutherford l’observa au mois d’octobre 1901, dans son laboratoire de Montréal. Depuis déjà plusieurs années, il travaillait sur les effets de la radioactivité (les noyaux de certains éléments, dits radioactifs, se désintègrent spontanément en émettant un rayonnement très énergétique), parallèlement à Pierre et Marie Curie et Henri Becquerel. Rutherford réussit à produire du radium, hautement radioactif, à partir de la désintégration du thorium. À la suite de cette découverte, qui fut récompensée par le prix Nobel de chimie, de nombreuses autres transmutations furent observées. La radioactivité suscitera nombre de fantasmes avant que les effets délétères des rayonnements émis ne lui donnent mauvaise presse. Elle trouve pourtant de nombreuses applications utiles, de la médecine à l’archéologie.

Dater grâce à la radioactivité

Dès 1904, remarquant que l’hélium était souvent présent dans les produits issus de la désintégration du radium, Rutherford proposa de dater les roches sédimentaires en fonction du taux d’hélium piégé en leur sein. En effet, plus l’hélium est présent, plus les roches ont un âge avancé (à condition qu’il ne s’en échappe pas). C’étaient les débuts de la datation radioactive. La méthode était malheureusement peu précise et fut remplacée ; actuellement, par exemple, on mesure plutôt le taux de rubidium radioactif, naturellement présent à l’état de traces dans certains minéraux, qui se désintègre en strontium. Citons également, en archéologie, les méthodes de datation par le carbone 14.

Combien la route fut longue pour percer les mystères de l’énergie, et pavée de découvertes toutes plus exceptionnelles les unes que les autres. De nouvelles formes d’énergie se sont révélées à nous – cinétique, potentielle, thermique, nucléaire – avec, à chaque fois, des conséquences importantes, tant du point de vue technique qu’industriel et militaire. D’un processus à l’autre, le principe de sa conservation était toujours respecté ; un principe qui était au cœur des idées de Newton dans les Principia. Mais comprendre l’Univers, c’est avant tout prévoir sa dynamique, prévoir le mouvement des choses, des planètes comme des boulets de canon, des pommes qui tombent comme des navires sous le vent. Aussi incroyable que cela puisse paraître, il a fallu seulement trois lois au savant pour décrire les principes fondateurs du mouvement.

NOTES

CHAPITRE 1. LA NATURE DE L’ÉNERGIE

1. ﻿Même si ce pendule illustre parfaitement les lois décrites par Newton, ce dernier n’est en rien à l’origine de sa création. Nous en trouvons une description dès 1662 par le savant hollandais Christian Huygens.﻿

2. ﻿Plus rigoureusement, une partie de l’énergie est également dissipée par des déformations du sol et du fruit.﻿

3. ﻿La fission d’1 gramme d’uranium 235 fournit 73 milliards de joules, soit autant d’énergie que la combustion de 1,6 tonne de pétrole.﻿

DANS LA MÊME COLLECTION

Marie-Odile André, Colette à la plage. Une femme libre dans un transat, 2018

Charles Antoine, Schrödinger à la plage. La physique quantique dans un transat, 2018

Arnaud Cassan, Galilée à la plage. L’astronomie dans un transat, 2020

Eddy Chevalier, Shakespeare à la plage. Être ou ne pas être dans un transat, 2020

Sophie Doudet, Churchill à la plage. Le vieux lion dans un transat, 2020

Jean-Numa Ducange, Marx à la plage. Le Capital dans un transat, 2019

Johan Faerber, Proust à la plage. La Recherche du temps perdu dans un transat, 2018

Richard Fremder, Napoléon à la plage. Un stratège dans un transat, 2021

Jean Garrigues, À la plage avec Charles de Gaulle. L’homme providentiel dans un transat, 2020

Elsa Godard, Freud à la plage. La psychanalyse dans un transat, 2021

Rachid Guerraoui, Lê Nguyên Hoang, Turing à la plage. L’intelligence artificielle dans un transat, 2020

Marc Lachièze-Rey, Einstein à la plage. La relativité dans un transat, 2021

Francis Métivier, Kant à la plage. La raison pure dans un transat, 2019

Jean-Baptiste de Panafieu, Sapiens à la plage. L’origine de l’Homme dans un transat, 2018

Jean-Baptiste de Panafieu, Darwin à la plage. L’Évolution dans un transat, 2017

Hélène Soumet, Epicure à la plage. Le plaisir dans un transat, 2021

Hélène Soumet, Platon à la plage. L’invention de la philosophie dans un transat, 2020