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Histoire de la physique

 

L'histoire de la physique essaie de retracer l'origine et l'évolution des idées, des méthodes, des hommes et des connaissances des sciences physiques.

Les physiciens en ont souvent une conscience aiguà« (Einstein, Heisenberg, Schrà¶dinger, Prigogine, Feynman, etc.). La place de la physique est d'ailleurs primordiale dans l'histoire des sciences, et l'épistémologie repose largement sur son histoire.

Pour échapper à  la pure chronologie, on peut noter l'imbrication de plusieurs dialectiques parallèles :

Sommaire
1 Préhistoire
2 Antiquité
3 Moyen-à‚ge
4 Renaissance
5 àˆre industrielle

Préhistoire

Durant la préhistoire, les hommes faisaient des observations et essayaient de reproduire des phénomènes. Il n'y avait pas encore de notion d'expérimentation, mais l'observation de phénomène reproductibles et leur reproduction volontaire est une des bases du raisonnement scientifique ; il y a là  la notion que le monde obéit à  des règles, et que l'on peut utiliser ces règles. Cette période vit l'apparition de techniques, essentilellement agraires et guerrières, qui allèrent jusqu'à  l'invention de la métallurgie (à¢ge du bronze au IIIè millénaire av. J.-C., à¢ge du fer vers 1000 av. J.-C), le début de l'architecture et de la mécanique.

Mais l'explication du monde restait vraisemblablement magique, les règles découvertes étaient sans doute perçues comme la volonté d'esprits ou de divinités. Par exemple, les artisans faisaient des prières pendant la fabrication de leurs objets, prières qui pouvaient être un moyen de mesurer le temps lorsque la durée avait une importance dans le procédé.

Antiquité

Depuis l'Antiquité, on a essayé de comprendre le comportement de la matière : pourquoi les objets sans support tombent par terre, pourquoi les différents matériaux ont des propriétés différentes, et ainsi de suite. Les caractéristiques de l'univers, comme la forme de la Terre et le comportement des corps célestes comme la Lune et le Soleil étaient un autre mystère. Plusieurs théories furent proposées pour répondre à  ces questions. La plupart de ces réponses étaient fausses, mais cela est inhérent à  la démarche scientifique  ; et de nos jours, même les théories modernes comme la mécanique quantique et la relativité sont simplement considérées comme « des théories qui n'ont pas encore été contredites Â». Les théories physiques de l'Antiquité étaient dans une large mesure considérées d'un point de vue philosophique, et n'étaient que rarement vérifiée par une expérimentation systématique.

Le plus souvent, le comportement et la nature du monde étaient expliquées par l'action de dieux. Vers 200 av. J.-C, un certain nombre de philosophes grecss commencèrent à  suggérer que le monde pourrait être compris comme le résultat de processus naturels. Certains commencèrent aussi à  contester les idées traditionnelles présentées dans la mythologie, concernant par exemple les origines de l'espèce humaine. (Ils anticipaient en cela les idées de Charles Darwin — mais cela entre dans l'histoire de la biologie plutà´t que dans celle de la physique.)

Faute de matériel expérimental perfectionné (télescopes...) et d'instruments précis de mesure du temps, la vérification expérimentale de telles idées était difficile sinon impossible. Il y eut quelques exceptions : par exemple, le penseur grec Archimède décrivit correctement la statique des fluides après avoir remarqué un jour, si l'on en croit la légende, que son propre corps déplaçait un certain volume d'eau alors qu'il entrait dans son bain. Un autre exemple remarquable fut celui d'Ératosthène, qui déduisit que la Terre était sphérique et parvint à  calculer sa circonférence en comparant les ombres portées par des bà¢tons verticaux en deux points éloignés de la surface du globe. Des mathématiciens grecs, dont à  nouveau Archimède, ont songé à  calculer le volume d'objets comme les sphères et les cà´nes en les divisant en tranches imaginaires d'épaisseur infiniment petite ; ce qui faisait d'eux des précurseurs, de près de deux millénaires, du calcul intégral.

On ne connaît aujourd'hui que très mal ces idées anciennes en physique et leurs vérifications expérimentales. La quasi-totalité des sources directes les concernant a été perdue lors de l'incendie de la bibliothèque d'Alexandrie vers l'an 400 de notre ère.

Moyen-à‚ge

Au Moyen-à‚ge, sous l'influence de l'Église, l'Europe a très largement occulté l'héritage de l'Antiquité (obscurantisme), nous n'en avons conservé la mémoire que grà¢ce aux Arabes. Les principaux progrès scientifiques sont d'ailleurs le fait de savants Arabes (mathématique, médecine, astronomie) et Indiens (mathématique, avec l'invention du zéro vers l'an 500). La physique en elle-même (étude de la matière) ne semble pas faire de progès notable dans cette période, mais elle voit la mise en place d'outils mathématiques (algèbre, algorithmique) qui seront précieux.

Renaissance

Les débuts de la physique datent sans doute de Galilée, dont on peut dire qu'il fut le premier physicien au sens moderne : il était sans foi en les mathématiques pour décrire le monde et les phénomènes fut ce qui le distingua de ses prédécesseurs (même si on ne peut pas toujours dire qu'il ait été un expérimentateur très scrupuleux).

La rigueur qui manquait encore à  Galilée fut sans doute apportée par Descartes dans son "Discours de la Méthode" dont on peut dire qu'il marque le début de la démarche scientifique.

Isaac Newton ouvrit une ère nouvelle pour la physique en introduisant le calcul différentiel pour ses calculs de mécanique céleste et en décrivant la gravitation de façon universelle et mathématique. Il inventa ce qu'on appelle maintenant la mécanique classique.

àˆre industrielle

Ensuite, on invente la thermodynamique, pour étudier les machines à  vapeur, initialement. C'est la fin du rêve du "mouvement perpétuel" : une théorie scientifique établit maintenant qu'il n'est pas possible de tirer de l'énergie de nulle part, et que l'énergie se "dégrade". Boltzmann comprend alors l'origine statistique du second principe, le seul qui fasse apparaître une distinction entre passé et futur en physique !

Une autre théorie très importante est l'électromagnétisme, unification de l'étude de l'électricité et du magnétisme. C'est James Maxwell qui finira d'unifier les deux théories, et qui introduira les derniers termes dans les équations qui portent maintenant son nom et qui décrivent le comportement des champs électriquess et magnétiquess. A l'époque, une constatation est faite : les équations de Maxwell ne sont pas invariantes par transformation de Galilée, mais par une transformation plus bizarre : la transformation de Lorentz. A l'époque, une controverse fait rage : si la lumière est une onde, elle se déplace dans un milieu, puisque c'est le cas pour toutes les ondes que l'on connaît. Oui, mais lequel ? L'éther est évoqué comme un hypothèse possible. Les expériences de Michelson et Morley conduisent cependant à  penser que la vitesse de la lumière est la même quelle que soit la direction, ce qui est en contradiction avec l'idée d'un éther fixe dans lequel la lumière se propagerait.

L'ère de la mécanique classique se referma sans doute lorsque fut découverte la relativité restreinte, par Albert Einstein et Henri Poincaré simultanément. Cette théorie, en postulant que le temps pouvait être relatif, mettait un point final aux débats sur l'existence de l'éther, et permettait de constater que la mécanique de Newton n'avait qu'un domaine limité de validité. Einstein, continuant dans cette voie, mettra au point la théorie de la relativité générale, avec l'aide de David Hilbert en utilisant un domaine tout jeune des mathématiques. Cette théorie conduira à  expliquer les constatations de Edwin Hubble, qui annonce en 1929 que les galaxies qui nous entourent s'éloignent de la notre. Cette constatation conduira à  l'hypothèse du commencement de l'univers dans une grande explosion appelée ironiquement "Big Bang".

Au début du XXe siècle, suite aux travaux de Max Planck et d'Einstein démontrant l'existence du photon (quantum de lumière) se produisit la plus grande révolution conceptuelle de la physique : la naissance de la mécanique quantique. Cette théorie mis un terme définitif à  l'à¢ge d'or de la mécanique de Newton : on considère que celle-ci ne décrit guère qu'une petite partie des phénomènes naturels, ceux qui se produisent à  notre échelle, en gros.

La découverte de la radioactivité et son interprétation se produit en même temps — le début du XXe siècle est une succession de découvertes scientifiques qui remettent complètement en cause notre vision de l'univers. Si la radioactivité est découverte par Henri Becquerel, Ernest Rutherford jouera un rà´le essentiel dans la compréhension de ce phénomène : c'est lui qui comprend que plusieurs rayonnements sont à  l'Å“uvre (il les appellera alpha et bêta) et que la radioactivité s'accompagne d'une transmutation. Il découvre aussi que les atomes comportent un noyau, sorte de graine positive.