physique (suite)

Pascal*, d’abord géomètre et ingénieur, construisit plusieurs machines à calculer. Depuis Aristote, on expliquait l’ascension des liquides dans les seringues et les pompes en disant que la nature « a horreur du vide ». Or, les fontainiers de Florence savaient que les pompes aspirantes ne peuvent élever l’eau au-delà de 32 pieds. Torricelli (1608-1647) vérifia que cette ascension est d’autant plus faible que le liquide est plus dense. Ses expériences, rapportées en France par le père Mersenne*, incitèrent Pascal à penser que la cause de cette ascension est la pression atmosphérique. La machine pneumatique permettant de faire le vide n’étant pas encore inventée, la seule vérification possible consistait à répéter l’expérience de Torricelli au cours de l’ascension d’une montagne. Pascal fit réaliser cette expérience au puy de Dôme, en 1648, par son beau-frère Périer avec toute la rigueur désirable : un tube témoin fut laissé au pied de la montagne ; les mesures furent exécutées d’une manière continuelle aussi bien à la montée qu’à la descente ; on vérifia que la mesure d’arrivée coïncidait avec celle de départ. Pascal répéta l’expérience lui-même à la tour Saint-Jacques à Paris. Dans deux ouvrages, il exposa le principe de la transmission des pressions par les liquides et son application à la presse hydraulique, la théorie des vases communicants, celle des corps flottants, le fonctionnement des siphons et des pompes.

Les questions relatives au vide furent mises à la mode. Grâce à sa pompe à vide, le bourgmestre de Magdeburg Otto von Guericke (1602-1686) réalisa la célèbre expérience des hémisphères, dont la séparation exigea seize chevaux. À cette époque, sir Robert Boyle* découvrit en même temps que l’abbé Edme Mariotte (v. 1620-1684) la loi relative à la compressibilité des gaz.

À partir du xviii^e s. plusieurs savants se consacrèrent à l’acoustique. Daniel Bernoulli* établit les lois des tuyaux sonores ; Louis de Lagrange* exposa la théorie des cordes vibrantes ; Pierre Simon de Laplace* fit l’étude théorique de la célérité du son dans divers milieux. Des mesures assez précises de cette célérité furent faites par Victor Regnault (1810-1878) dans l’air, par Charles Sturm (1803-1855) et Daniel Colladon (1802-1893) dans l’eau, par Jean-Baptiste Biot (1774-1862) dans les solides.

Bien que la chaleur* fût considérée comme un fluide impondérable (le calorique), Descartes, Newton et Boyle soupçonnèrent les relations entre les phénomènes mécaniques et les phénomènes calorifiques. Denis Papin (1647-1714), Français exilé en Allemagne, construisit, outre son autoclave muni d’une soupape de sûreté, une ébauche de machine à vapeur qui fut perfectionnée par l’Anglais James Watt (1736-1819) en introduisant le condenseur et en imaginant le double effet.

C’est en 1824 que le second principe de la thermodynamique fut énoncé par Sadi Carnot* dans son ouvrage intitulé Réflexions sur la puissance motrice du feu. Comme on le constata en lisant ses notes posthumes, il avait déjà soupçonné le premier principe qui fut énoncé en 1842 par l’Allemand Robert von Mayer (1814-1878) et que Hermann von Helmholtz* traita comme un cas particulier du principe de la conservation de l’énergie. Rudolf Clausius (1822-1888) donna au second principe une forme plus générale et imagina le concept d’entropie.

La notion de température avait déjà été précisée par l’Allemand Daniel Fahrenheit (1686-1736), qui construisit des thermomètres comparables à mercure et à alcool, et qui adopta comme points fixes les températures de la glace fondante et de l’eau bouillante, respectivement représentées par 32 et 212 °C ; vers 1730, le Français René de Réaumur* (1683-1757) adopta l’échelle 0-80°, et, en 1742, le Suédois Anders Celsius (1701-1744) l’échelle centésimale.

L’optique* se développa à partir du xvii^e s. En 1608, Hans Lippershey (v. 1570-1619) construisit la première lunette, que perfectionnèrent Galilée, Kepler et Huygens. Le télescope utilisant un miroir comme objectif, conçu par Newton, fut perfectionné par l’Écossais James Gregory (1638-1675) et par le Français N. Cassegrain.

Entre-temps, Descartes avait établi en 1637, sous la forme qui porte son nom (sin i = n sin r), la loi de la réfraction, à laquelle Pierre de Fermat* donna une forme plus générale et ayant une plus grande réalité physique : la lumière choisit pour aller d’un point à un autre le chemin correspondant au temps minimal.

À cette époque, l’Italien Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) découvrit la diffraction, et, en examinant un spath d’Islande, le Danois Erasmus Bartholin (1625-1698) observa la double réfraction. La dispersion de la lumière par un prisme permit à Newton, en 1668, de conclure que la lumière blanche est constituée d’une infinité de lumières diversement colorées et d’expliquer les aberrations chromatiques.

Afin d’expliquer les propriétés de la lumière, Newton posa la théorie mécanique de l’émission : le faisceau lumineux est constitué de corpuscules soustraits aux forces de gravitation, mais soumis de la part de la matière aux chocs (dans le cas des miroirs) ou à des forces d’attraction croissant avec la densité du milieu. À la différence de couleur correspond une différence de nature des corpuscules ; la polarisation, découverte par Huygens, s’explique par la forme ellipsoïdale des corpuscules, dont les grands axes sont orientés d’une manière aléatoire dans une lumière naturelle et sont tous parallèles dans une lumière polarisée. Huygens ne se rallia pas à cette théorie, qui n’expliquait pas la double réfraction ; il entrevit la nature ondulatoire de la lumière, mais son Traité de la lumière laissa les savants indifférents.

Si la théorie de l’émission permet d’expliquer, péniblement d’ailleurs, les expériences de Thomas Young (1773-1829) sur les interférences lumineuses, elle est incapable de relier d’une manière cohérente ces expériences, celles qui sont relatives à la polarisation de la lumière par réflexion, observée par l’officier français Étienne Malus (1775-1812), celles qui sont relatives à la polarisation chromatique, découverte par François Arago*, et celles qui sont relatives à la polarisation rotatoire, mise en évidence par Jean-Baptiste Biot. Mais surtout elle est en contradiction avec le fait que la vitesse de la lumière varie en raison inverse de l’indice du milieu dans lequel elle se propage. Déjà faite par le Danois Olaüs Römer (1644-1710) à partir des variations des intervalles d’apparition des satellites de Jupiter, la mesure de cette vitesse dans l’air fut reprise en 1849 par Hippolyte Fizeau*, qui utilisa la méthode de la roue dentée ; l’année suivante, Léon Foucault* mesura, par la méthode plus précise du miroir tournant, cette vitesse dans divers milieux et obtint, dans le cas du vide, une valeur très proche de celle (299 790 km/s) qui fut obtenue récemment par une méthode où la roue dentée fut remplacée par une cellule de Kerr.