Histoire de la physique - Cours d’épistémologie

« LA DYNAMIQUE : DE CiALILtE À NEWTON Galilée est le fondateur de la " dynamique >> moderne, dont il énonce les principes.

• Tous les corps, quelle que soit leur masse, chutent à la même vitesse (on néglige les frottements de l'air).

Cette dernière est telle que la distance parcourue croît en raison du carré du temps -dès lors le temps devient un des paramètres du mouvement.

• Un corps qui n'est soumis à aucune contrainte est immobile ou en déplacement rectiligne uniforme.

• Les lois du mouvement sur un bateau en déplacement rectiligne uniforme (référentiel « galiléen ») sont les mêmes que sur la terre ferme.

Ce principe s'accompagne d'une loi de " composition des vitesses », qui permet de décrire un même mouvement dans les deux référentiels.

/sooc Newton étend le troisième principe à tout l'Univers et en ajoute deux autres : • l'accélération d'un corps est proportionnelle à la force qui s'exerce sur lui; • les actions que deux corps en contact exercent l'un sur l'autre sont égales et opposées.

Enfin, il intègre la loi de chute des corps dans sa théorie de la gravitation universelle : les forces qui s'exercent entre deux corps éloignés sont proportionnelles au produit de leur masse et inversement proportionnelles au carré de la distance.

LUMIÈRE ET OPTIQUE La constitution de l'optique moderne est ponctuée par l'opposition entre ceux qui considèrent la lumière comme une onde (théorie ondulatoire) et ceux qui l'imaginent formée de particules (théorie corpusculaire).

Au XVII' siècle, Kepler établit les premiers principes (concept de« foyer » d'un faisceau lumineux, loi " approchée » de réfraction, etc.).

Mais c'est Descartes {1596-1650) qui fonde l'optique géométrique et définit la lumière comme propriété mécanique d'un « éther » incom­ pressible qui remplit l'espace.

Il en déduit que sa propagation est instantanée.

Pour Huygens {1629- 1695), l'éther étant un fluide élastique, la lumière se propage à vitesse finie.

Newton décompose la lumière blanche.

Sous son autorité, la théorie corpusculaire s'Impose jusqu'au début du XIX' siècle.

Entre 1800 et 1820, Young (1773 -1829), Arago (1786-1853) et surtout Fresnel (1788-1827) démontrent sa nature ondula­ toire par des expériences de diffraction et d'interférence.

Maxwell {1831- 1879) découvre la nature électro­ magnétique des ondes lumineuses.

Enfin, en 1905, Einstein (1879-1955) arrive à la synthèse en établissant la " dualité onde-corpuscule » de la lumière.

l'étude scientifique des phénomènes électriques et magnétiques, connus depuis des lustres, ne débute qu'à la fin du XVIII' siècle.

C'est Coulomb (1736- 1806) qui lance le mouvement en 1785, avec la mesure des forces d'attraction­ répulsion entre charges électriques et entre aimants.

Il découvre que ces forces s'atténuent en raison du carré de la distance.

Avec Laplace (1749-1827) et Poisson (1781-1840) les quelques lois connues sur l'électricité et le magnétisme statiques (forces, distribution de l'électricité sur les solides, etc.) acquièrent leur forme mathéma­ tique.

En 1800, l'Italien Volta (1745-1827) conçoit la première pile électrique, facilitant aux scientifiques l'étude du courant électrique.

En 1820, le Danois Œrsted (1777-1851) fait le premier pas dans l'unification des deux disciplines en montrant qu'un courant électrique dévie l'aiguille d'un aimant Entre 1820 et 1825, Ampère (1775- 1836) met en lumière l'existence d'une force d'attraction-répulsion entre courants électriques.

Il fonde par-là l'électrodynamique.

Jusqu'à cette période, on considère les forces magnétique et électrique comme instantanées et à distance.

LA CHALEUR On sait que les Grecs considéraient le chaud et le froid comme deux qualités distinctes.

Vers 100 av.

J.-C., Héron d'Alexandrie remarque la vertu motrice de la vapeur d'eau chaude et construit même un" moteur » (élémentaire).

Mais l'étude de la chaleur démarre véritablement à la Renaissance.

Dès le XVII' siècle, l'idée que le chaud et le froid sont des manifestations d'un même phénomène s'affirme.

Au XVIII' siècle, on commence à s'intéresser à la capacité de différents corps à emmagasiner la chaleur, à leur inertie thermique et aux changements d'état (fusion, vaporisation, etc.).

On se demande si la chaleur est une matière en soi, un « fluide calorique », ou un état particulier de la matière lié à l'agitation des molécules: à l'orée du XIX', les deux écoles s'opposent.

Le premier à élaborer une analyse mathématique de la chaleur est Joseph Fourier (1768-1830) :il étudie sa propagation dans les corps solides établit les équations différentielles de son mouvement.

Mais il faudra attendre l'avènement de la thermodynamique pour voir apparaître une théorie globale.

LA PHYSIQUE MODERNE LA THERMODYNAMIQUE Avec le développement industriel de la machine à vapeur, au XIX' siècle, on se demande si l'on peut construire un moteur à rendement parlait, et réutiliser " perpétuellement» une quantité finie de chaleur.

La thermodynamique apportera une réponse négative à ces deux questions.

En 1824, Sadi Carnot {1796-1832) publie une étude sur la perte de qualité de la chaleur utilisée pour produire du travail mécanique.

En 1842, le médecin Allemand J.

Mayer (1814-1878) formule l'équivalence : chaleur= travail.

Reprenant ces travaux, l'Allemand R.

Clausius (1822-1888) aboutit en 1850 à une théorie complète reposant sur deux principes : le premier exprime la propriété de conservation de l'énergie lors d'une transformation dans un système isolé ; le second introduit le concept d'entropie comme mesure de la dégradation de qualité de l'énergie et établit que dans un système isolé, l'entropie ne peut qu'augmenter (l'énergie se dégrade).

En 1872, Ludwig BoHzmnnn (1844-1906) lie les propriétés macroscopiques de la matière (chaleur, pression, etc.) au comportement mécanique des particules, ouvrant à une interpré­ tation statistique des principes thermodynamiques.

Dès lors, cette science ne cessera d'étendre son domaine, jusqu'à devenir une véritable " métathéorie » de la physique.

� (matérialisées par la limaille de fer).

Dans le même mouvement, W.

Thomson (1824-1907), futur Lord Kelvin, associe la force magnétique à des tourbillons se propageant de proche en proche.

C'est J.

C.

Maxwell (1831-1879), inspiré par les concepts de Faraday et Thomson, qui accomplit l'unification :en 1868, il établit les 4lois fondamentales de l'électromagnétisme.

La première lie le champ électrique (E) à la charge électrique ; la seconde montre que la variation d'un champ magnétique (B) crée un champ E; la troisième établit les caractéristiques du champ B ; la quatrième montre que la variation d'un champ E engendre un champ B, et relie E et B à la lumière.

De ces lois émerge une nouvelle réalité : la lumière est un phénomène électromagnétique.

En 1888, H.

Hertz (1857 -1894) démontre la justesse de la théorie en produisant des ondes électromagnétiques par l'oscillation d'un champ E.

Les ondes hertziennes sont nées.

ijit@IWI RELATIVITt RESTREINTE ET CtNtRALE A l'orée du XX' siècle, la mécanique newtonienne et l'électromagnétisme manifestent de graves incompatibilités.

La première impose le respect du principe de composition des vitesses (pour les mouvements rectilignes uniformes) : si un observateur A voit un objet se déplacer à la vitesse V, un observateur B animé d'une vitesse V' par rapport à A verra ce même objet se déplacer à la vitesse V-V'.

Mais les ondes électromagnétiques (la lumière) semblent déroger à ce principe : une expérience effectuée en 1887 par Michelson et Morley montre que la vitesse de la lumière (c) est constante pour tout observateur.

Cet " étrange » résultat pose une énigme.

En 1905, le jeune Albert Einstein résout le problème en révolutionnant la physique.

En substance, sa théorie de la relativité restreinte dit que c'est la vitesse limite de tout objet matériel.

Il en déduit que le temps peut ralentir, l'espace se contracter, et que matière et énergie sont équivalentes (E=Mc2).

En 1917, Einstein généralise sa théorie en posant l'équivalence : masse =accélération.

Il en déduit que l'espace et le temps peuvent se « courber » sous l'influence de la matière- énergie : la gravitation n'apparaît plus que comme un épiphénomène de la courbure spatio- temporelle.

(ONSTITUTION DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE En 1900, Mnx Planck (1858-1947), qui étudie le rayonnement émis par des objets chauffés (expérience du "corps noir>> ), découvre que l'énergie échangée entre la matière et le rayonnement se fait non pas de manière continue mais par « paquets » indivisibles, le s " quanta ».

En 1905, Einstein découvre la dualité onde-corpuscule de la lumière en étudiant l'effet photoélectrique.

En 1913, Niels Bohr {1885-1962) applique le principe de quantification de l'énergie au modèle atomique développé par Ernest Rutherford en 1910.

En 1924, Louis de Broglie {1892 -1987) étend à toute la matière le principe de dualité onde­ corpuscule ...

Une théorie unitaire s'apprête à éclore.

En 1925, Erwin Schrodinger (1887 -1961) pose l'équation de propagation des ondes associées aux particules.

La même année, W.

Heisenberg {1901 - 1976) établit un formalisme abstrait -� -.

..

rendant compte du comportement des ondes- corpuscules.

Et en 1926, Schrôdinger démontre l'équivalence entre son interprétation et celle d'Heisenberg.

La physique quantique est constituée.

Elle recewa d'éclatantes confirmations, notamment en 1981 avec la preuve de " non­ séparabilité » fournie par A.

Aspect, de l'université d'Orsay.

LA RADIOACTIVIrt En 1896, H.

Becquerel (1852-1908) découvre accidentellement que les sels d'uranium émettent spontanément des rayonnements.

En 1898, Pierre (1859- 1906) et Marie (1867 -1934) Curie isolent le polonium et le radium.

Ils étudient les lois régissant ces radiations et nomment le phénomène : "radioactivité».

En 1899, E.

Rutherford (1871 -1937) identifie deux autres types de rayons émis : les et (noyaux d'hélium) et les {3 (électrons).

En 1902, Rutherford et F.

Soddy (1877 -1956) découvrent le phénomène de " transmutation » radioactive : par l'émission de rayons et et {3, un atome se transforme en un autre.

Dans les années 1910, on montre qu'un même élément chimique peut avoir de nombreux " isotopes » dont certains sont instables (ils se transmutent).

En 1934, Irène (1897 -1956) et Frèdéric (1900-1958) Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle : un élément stable, comme l'aluminium, peut devenir radioactif après bombardement par des particules et.

Ils mettent en évidence de nouveaux rayons : les {3- (neutrons).

En 1938-39, O.

Hahn (1879-1968) et L.

Meitner (1878-1968) découvrent la fission (séparation en deux) de l'uranium et F.

Joliot-Curie envisage la possibilité de réactions nucléaires (fission) en chaîne qu'Enrico Fermi (1901-1954) réalise en 1942.

La théorie de la relativité autorisant différents modèles d'Univers, la question était de savoir, en cette première moitié du XX' siècle, lequel s'appliquait au nôtre.

Einstein, lui, croyait à la nature statique et immuable du Cos mos.

Mais en 1922, le Russe Friedman (1888-1925) montre que certaines solutions des équations de la relativité conduisent à des modèles d'Univers en expansion.

Ce que confirme en 1929, Hubble {1889-1953), qui observe que les galaxies s'éloignent les unes des autres.

En 1927, Lemaître comprend que si l'Univers gonfle, cela signifie que plus on remonte dans le passé, plus il rapetisse ...

Jusqu'à devenir ponctuel.

Ce modèle d'un Univers né d'une « singularité » spatio­ temporelle sera nommée " big bang » (on estime aujourd'hui qu'il s'est produit il y a 14 milliards d'années).

Vers 1948, Gamow (1904-1968) et ses collègues établissent un scénario possible pour la synthèse des éléments chimiques dans le modèle de Lemaître, que Hoyle {1915- 2001) modifie et affine dix ans plus tard.

Gamow prédit l'existence dans tout l'Univers d'un rayonnement "fossile » issu du big bang que deux physiciens, Penzias et Wilson, décèlent en 1963.

Dès lors, le modèle du big bang s'impose.. »