La Physique moderne et les idées nouvelles sur l’unité des phénomènes naturels/02
- I. Du Principe général de la philosophie naturelle, par P. de Boucheporn, Paris 1853. — II. L’Unità delle forze fisiche, saggio di filosofia naturale, del P. Angelo Secchi, Rome 1864. — III. Cinque lezioni sulla teoria dinamica del colore et sulle sue applicazioni, di C. Matteucci, Turin 1864. — IV. La Chaleur considérée comme un mode de mouvement, par John Tyndall (traduction de l’abbé Moigno, Paris 1864). — V. Esquisse élémentaire de la théorie mécanique de la chaleur et de ses conséquences philosophiques, par G. A. Hirn, Colmar 1864.
La théorie qui réduit le monde physique à la matière et au mouvement se présente avec des dehors si séduisans qu’elle excite une sorte de défiance. Habitués à la complication des apparences, nous, nous étonnons de cette unité grandiose. Nous nous demandons avec inquiétude si nous ne sommes pas dupes du désir de tout simplifier. N’est-ce pas un mirage trompeur que cette hypothèse qui nous fait en quelque sorte, entrevoir le plan de la nature ? Ne sommes-nous pas abusés par des généralisations fallacieuses ? ne sommes-nous pas entraînés à fausser les phénomènes pour les faire entrer de force dans le cadre d’une théorie préconçue ? À ces questions, on ne peut répondre que par l’examen des faits, et c’est ainsi que nous avons entrepris une courte excursion à travers les diverses régions de la physique. L’ordre naturel de ce travail nous conduit maintenant à nous occuper de la chaleur, et nous nous trouvons ainsi ramenés aux découvertes qui ont servi d’origine à la théorie de l’unité des forces physiques.
Ici notre tâche devient facile peut-être, mais, il faut le dire aussi, un peu ingrate. L’équivalence de la chaleur et du travail mécanique est Revenue depuis trois ou quatre années une notion usuelle ; des livres, des cours publics, des conférences l’ont répandue dans le public ; elle a été vulgarisée avec un grand zèle. Nous n’avons donc point à craindre que ce sujet soit étranger à nos lecteurs ; nous craignons plutôt qu’on ne leur en ait trop parlé et qu’ils ne le regardent comme un lieu commun. Nous ne ferons donc que rappeler très brièvement les principes de la thermodynamique, et nous nous attacherons plus particulièrement à mettre en lumière les conséquences que l’on en tire au sujet de la constitution des corps.
Mentionnons d’abord un livre qui présente sous une forme claire et agréable toutes les données essentielles de la nouvelle théorie de la chaleur. Il contient douze leçons professées par M. John Tyndall à l’Institution royale de Londres sur la chaleur considérée comme un mode de mouvement. Le cours a été fait en 1862 ; le livre a paru en France, traduit par M. l’abbé Moigno en 1864, et il a été tout de suite apprécié à sa juste valeur par toutes les personnes qui s’intéressent au mouvement général des sciences. Il est impossible de donner à des leçons de physique plus de charme à la fois et de netteté que ne le fait M. Tyndall dans l’ouvrage que nous citons. Le livre a conservé la forme de l’enseignement oral ; on y suit la parole, les mouvemens du professeur ; on assiste aux détails, aux accidens mêmes des expériences. Il ne faudrait pas croire cependant qu’on se trouve en présence d’une improvisation reproduite par la sténographie. Beaucoup d’art se cache sous les apparences de ce procédé facile. M. Tyndall calcule habilement tous ses effets ; les accidens n’arrivent dans ses expériences qu’à bon escient : ce sont d’heureux accidens qui se produisent juste à point, quand il veut saisir l’attention de son public, auditeurs ou lecteurs, et appeler brusquement les esprits sur quelque anomalie piquante. Les expériences de M. Tyndall sont d’ailleurs conçues avec beaucoup d’habileté ; il est depuis longtemps passé maître dans l’art de professer devant un nombreux auditoire. Il a imaginé des instrumens ingénieux qui amplifient les résultats ; un des premiers, il s’est servi de la lumière électrique pour projeter sur des écrans l’image agrandie des phénomènes les plus délicats : cette mise en scène, qui a fait le succès des cours de M. Tyndall, se retrouve tout entière adroitement conservée dans son livre. Quant au fond même des leçons, le professeur traite son sujet à petits coups ; il prend son temps pour faire naître successivement dans l’esprit de ses élèves les idées qu’éveille l’étude régénérée de la chaleur. « Souvenez-vous, leur dit-il, que nous entrons dans un fourré, et qu’il ne faut pas vous attendre à marcher dans des sentiers lumineux. Nous devrons d’abord frapper au hasard dans les broussailles. » Quand il a ébauché le principe d’une conception nouvelle, « ne vous découragez pas, se hâte-t-il de dire, si mon raisonnement ne vous paraît pas tout à fait clair. Nous sommes encore plongés dans une obscurité relative ; mais, à mesure que nous avancerons, la lumière se fera graduellement, et par un effet rétroactif elle éclairera nos ténèbres actuelles. » Et ailleurs : « Toutes les fois que dans les Alpes on se met en route pour une expédition difficile, le montagnard expérimenté commence par marcher d’un pas très lent, afin que, lorsque l’heure réelle de l’épreuve sera venue, il se trouve aguerri et non épuisé par le travail accompli. Aujourd’hui nous tentons une ascension abrupte, et je vous propose de la commencer dans le même esprit de prudence, non avec la fougue de l’enthousiasme que la difficulté du travail éteint bientôt, mais avec un cœur patient et résolu qui ne reculera pas quand surgiront les obstacles. » Le professeur se conforme habilement à ce programme excellent, et il met beaucoup d’art à préparer ses élèves aux notions abstraites qu’il veut leur donner ; Toutefois nous ne pouvons nous empêcher d’ajouter que les conclusions du livre restent incertaines et flottantes : l’œuvre ne se couronne pas d’une façon assez nette.
Nous n’avons point à développer ici dans ses détails, l’ayant déjà fait dans une autre occasion[2], l’histoire des travaux et des découvertes qui modifièrent successivement et précisèrent la notion de la chaleur. Comme pour la lumière, deux théories se trouvèrent longtemps en présence : celle qui faisait de la chaleur une substance matérielle et celle qui n’y voyait qu’un mode de mouvement. La matérialité du calorique continua d’être admise beaucoup plus tard que celle de la lumière. Dans les dernières années du XVIIIe siècle, Lavoisier et Laplace, présentant à l’Académie des Sciences un mémoire qu’ils avaient rédigé en commun sur la chaleur, semblaient tenir la balance égale entre les deux opinions. « Nous ne déciderons point entre les deux hypothèses précédentes, disent-ils ; plusieurs phénomènes paraissent favorables à la dernière (celle du mouvement), tel est par exemple celui de la chaleur que produit le frottement de deux corps solides ; mais il en est d’autres qui s’expliquent plus simplement dans la première (celle de la matérialité) ; peut-être ont-elles lieu toutes les deux à la fois. » En réalité, ils abandonnèrent l’idée du mouvement sans en avoir tiré aucun parti, et revinrent à la théorie de la matérialité. Laplace surtout, après la période de son association avec Lavoisier, redevint un défenseur convaincu de cette dernière théorie, qui se trouva ainsi raffermie par une imposante autorité. Un peu plus tard, dans les premières années de ce siècle, Rumford, esprit original, presque paradoxal, se prononça résolument contre la matérialité du calorique. « Si la chaleur, disait-il, est une matière logée dans les pores des diverses substances, on pourra l’en faire sortir, comme on exprime l’eau d’une éponge, et un même corps ne pourra en émettre indéfiniment. » Ayant ainsi ramené la question à une expérience décisive, il faisait tourner une barre de fonte sur une autre barre semblable au milieu d’un liquide, et il montrait qu’il y avait dégagement de chaleur aussi longtemps que la barre tournait. Les expériences de Rumford n’eurent point le retentissement qu’elles méritaient. Thomas Young paraît seul en avoir compris la portée ; dans un traité de physique publié en 1807, il exposa les travaux de Rumford et les rapprocha de ses propres découvertes sur la lumière ; mais les anciennes idées sur le calorique continuèrent à régner dans les esprits. Vinrent les machines à vapeur, et toutes les questions relatives à la chaleur se trouvèrent remises à l’ordre du jour. À ce moment, la matérialité du calorique était si peu contestée que Sadi Carnot la prit pour base de ses célèbres Réflexions sur la puissance motrice du feu (1824). On sait comment, tout en partant de ce principe erroné, Sadi Carnot et son célèbre commentateur Clapeyron renouvelèrent la thermodynamique. Ils avaient appelé l’attention sur les causes qui font qu’une machine brûlant du charbon dans son foyer produit du travail sur son arbre. Ils eurent cette bonne fortune, que leurs raisonnemens, leurs formules même, purent être dégagés de l’erreur fondamentale qui les entachait et servir à fonder la théorie nouvelle de la chaleur. En 1839, M. Seguin publiait une Étude sur l’influence des chemins de fer : la chaleur y était considérée comme un mouvement, et l’auteur donnait des indications très justes sur la transformation de ce mouvement en travail ; mais ce sujet n’était qu’effleuré dans le livre de M. Seguin, qui avait spécialement en vue des questions d’économie sociale. C’est entre les années 1840 et 1850 que se sont produits les mémorables travaux de MM. Mayer et Joule. L’un en Allemagne, l’autre en Angleterre, partis de considérations très diverses et placés à des points de vue tout différens, ils arrivèrent en même temps à mettre en pleine lumière l’équivalence de la chaleur et du travail mécanique, et déterminèrent le rapport de cette équivalence.
Résultat immense ! ce fut comme un phare éclatant qui s’alluma au milieu des ténèbres de la physique quand on proclama ce fait précis : une calorie équivaut à 425 kilogrammètres, ou, en d’autres termes, la quantité de chaleur qui est nécessaire pour élever d’un degré la température d’un kilogramme d’eau peut aussi produire le travail qui consiste à élever 425 kilogrammes à la hauteur d’un mètre. Cette découverte a depuis quinze ans ouvert à la science de vastes horizons. Il en sort comme une nouvelle philosophie de la nature. Une évolution se fait dans les esprits, dont nous voyons seulement l’origine, et ce sont les débuts de ce mouvement que nous essayons d’esquisser.
Toute incertitude a cessé sur la nature même de la chaleur dès que l’équivalent mécanique en a été fixé. Qu’est-ce qui pouvait se transformer en mouvement d’une façon si régulière, sinon un autre mouvement ? Sans doute, ni dans le jeu des machines à vapeur, ni dans aucun autre phénomène, on ne découvrait sur le vif le mode précis de la transformation ; mais l’esprit en saisissait le principe avec conviction. On ne voyait pas le mouvement lui-même, mais on en percevait et on en mesurait les effets.
La chaleur est un mouvement, mais de quelle espèce ? Quelques physiciens ont d’abord imaginé qu’elle pouvait être due aux vibrations longitudinales de l’éther : ils savaient que l’éther, par ses vibrations transversales, produit la lumière ; quant à l’impulsion longitudinale, celle qui se produit dans le sens du rayon éthéré, on ne lui connaissait aucune propriété spéciale, et ils en disposaient pour lui attribuer les effets calorifiques. Cette conjecture, qui ne reposait sur aucune donnée sérieuse, n’a rallié qu’un très petit nombre de suffrages et n’a guère été prise que pour un jeu d’imagination. Dans les idées actuelles, la chaleur est un mouvement des molécules mêmes des corps. Toutes les molécules matérielles sont animées de mouvement ; elles se choquent sans cesse les unes les autres et maintiennent ainsi ou modifient leur état. C’est par leurs chocs que les molécules des corps nous font éprouver la sensation de chaleur, et c’est par l’intensité de ces chocs que nous déterminons les degrés de la température. Cette agitation perpétuelle des molécules constitue par elle-même le phénomène de la chaleur, mais elle peut naturellement se convertir en effets différens ; elle peut, quand les circonstances s’y prêtent, ébranler l’éther et produire de la lumière ; elle peut ébranler l’air et produire des sons ; elle peut se concentrer pour mouvoir des masses et produire ainsi ce qu’on appelle proprement du travail mécanique.
À vrai dire, les divers effets que nous venons de mentionner, — chaleur, lumière, ébranlement sonore, travail mécanique, d’autres effets du même ordre que nous ne mentionnons pas en ce moment, — ne sont que des manifestations diverses d’une même cause. Le mouvement dont chaque molécule est animée à un moment donné constitue pour elle une sorte d’énergie intrinsèque. La mécanique sait apprécier et mesurer l’énergie dont se trouve ainsi doué un corps en mouvement. Le produit de la masse d’un corps par le carré de sa vitesse constitue ce qu’on appelle sa force vive. Ce produit n’a pas, à proprement parler, de représentation physique, et il n’offre d’abord à l’esprit qu’une conception assez abstraite ; mais il prend une importance capitale par cette circonstance, qu’il équivaut au double du travail que le corps peut produire en perdant toute sa vitesse ; il donne donc la mesure de l’effet dynamique que le corps en mouvement renferme dans ses flancs. Nous pouvons dire maintenant, en nous servant de cette notion, que toutes les molécules matérielles possèdent à un instant donné une certaine quantité de force vive. Elles peuvent en perdre une partie, si elles produisent un travail, c’est-à-dire si elles déplacent une massé ; mais alors la force vive qu’elles perdent se trouve emmagasinée dans le travail produit, et elle se régénère quand ce travail se défait. Considérons une machine à vapeur et négligeons toutes les pertes de force ou de travail qui tiennent au mécanisme lui-même ; ne songeons qu’au jeu théorique, idéal, de la machine. La vapeur d’eau se détend en pressant le piston ; chaque molécule de vapeur perd ainsi une certaine quantité de force vive ; ces pertes accumulées font tourner l’arbre découche, qui se meut par exemple en élevant un poids. À la fin de l’opération, toute la force vive que la vapeur d’eau a perdue se retrouve virtuellement dans le poids élevé. Si je coupe la corde qui soutient ce poids, il va tomber et reproduire par sa chute toute la force vive qui a été dépensée pour l’élever ; elle apparaîtra sous forme de chaleur au moment où le corps choquera la terre, et si on pouvait la recueillir et la restituer à la vapeur d’eau, on remettrait celle-ci dans l’état ou elle se trouvait au début de l’opération. Ce que nous indiquons dans cet exemple grossier se passe sans cesse dans la nature entière. Amener la vive force à l’état de travail et la régénérer ensuite, voilà tout le jeu de la nature.
Dès que l’on admet une agitation incessante des molécules, on se rend compte des phénomènes qui se produisent dans les corps quand ils passent de l’état gazeux à l’état liquide et à l’état solide. En règle générale, tous les corps sont susceptibles de ces trois états : le gaz acide carbonique a été liquéfié et solidifié ; l’eau nous apparaît sous forme de glace et de vapeur ; les métaux nous sont connus à l’état de fusion et de volatilisation. En règle générale aussi, on peut dire qu’il faut ajouter successivement de la chaleur à un même corps pour l’amener de l’état solide à l’état liquide, puis à l’état gazeux. La chaleur triomphe ainsi des liens qui enchaînent les molécules ; elle combat ces forces attractives qui se manifestent au sein des corps, et qui conservent jusqu’ici pour nous un aspect si mystérieux. À travers l’antagonisme qui se manifeste entre la chaleur et les forces attractives, a-t-on pu isoler le mouvement calorifique, le dégager des phénomènes qui le masquent, en déterminer le mode spécial et les lois ? Hélas ! non, pas encore. On peut dire cependant que l’étude des gaz a jeté sur cette question de vives clartés.
Comment faut-il concevoir l’état gazeux ? Il est d’abord caractérisé par un espacement considérable des molécules. Ces molécules, animées d’une grande vitesse de projection, viennent tour à tour se heurter les unes contre les autres, ou contre les limites de l’espace qui les contient. N’ont-elles qu’un mouvement de projection ? Elles ont aussi nécessairement un mouvement rotatoire, car si ce mouvement n’existait pas à un moment donné, il ne pourrait manquer d’être engendré par les collisions incessantes des diverses molécules : les chocs excentriques, ceux qui ne passent pas par les centres de gravité, sont en effet de nature à produire une rotation. La rotation concourt avec l’élasticité à faire rebondir les molécules les unes contre les autres ; elle pourrait même produire seule cet effet, si les molécules, au lieu d’être composées, n’étaient que de simples atomes. Une sorte d’état moyen, de régime commun, s’établit ainsi dans le gaz ; si le mouvement faiblissait sur quelque point, il y serait tout de suite renforcé par le reste de la masse agitée. Chaque molécule rebondit d’ailleurs sans direction fixe, peut aller dans tous les sens, être projetée successivement dans toutes les parties de la masse entière. C’est un état de liberté complet. Remarquons que les distances moléculaires sont considérables, considérables aussi les vitesses. Que devient dès lors cet effet qui doit se produire au moment où deux molécules sont rapprochées pour se choquer, cet effet qu’on attribue aux forces attractives, quelles qu’elles soient ? Cet effet s’annule pour ainsi dire : il ne dure qu’un temps relativement très court, puisque ces distances moléculaires sont très grandes ; il n’a qu’une action très effacée, puisque les vitesses sont énormes ; il devient si faible qu’on peut le négliger. Ainsi dans les gaz les forces attractives n’ont aucune puissance, le mouvement calorifique y reste sans antagoniste, et on peut l’y observer dans son intégrité.
Si nous refroidissons un gaz, si nous lui faisons perdre une partie de sa force vive, l’énergie et l’amplitude des excursions moléculaires iront en diminuant ; il viendra un moment où chaque molécule sera comme emprisonnée par ses voisines et obligée d’osciller suivant une courbe fermée : le gaz sera devenu un liquide. Par le fait seul du rapprochement des molécules, les forces attractives ont repris de l’empire et ont détruit en partie la mobilité du système ; la gravité, trop faible auparavant, se fait maintenant sentir, et les molécules sont obligées de se grouper de manière à présenter une surface parallèle à l’horizon. Le long de cette surface, elles ne sont engagées que par un de leurs côtés dans leurs nouveaux liens ; de l’autre côté, leurs mouvemens demeurent libres, et elles trouvent une facilité spéciale pour retourner à leur ancien état : une évaporation se produit donc par la surface. Dans le reste de la masse d’ailleurs, les molécules jouissent encore d’une liberté relative ; elles sont enfermées dans des orbites restreintes, mais leurs axes de rotation continuent à être dirigés dans tous les sens ; elles peuvent ainsi en quelque sorte rouler les unes sur les autres. De plus les liens qui limitent leur excursion cèdent au moindre effort, et toute la masse peut être mélangée sans difficulté.
Continuons le refroidissement : les molécules se rapprochent encore ; elles entrent, comme on dit, dans la sphère d’action l’une de l’autre, et elles y demeurent ; leurs axes de rotation se redressent et prennent une direction commune ; le corps est passé à l’état solide. Dans ces conditions, les molécules oscillent encore ; mais elles ne peuvent plus, sans effort extérieur, sortir du cercle où les retiennent leurs voisines.
En décrivant la manière dont les corps changent d’état, nous venons de mettre en scène les forces attractives. Après les déclarations répétées que nous avons déjà faites, nous pourrions presque nous dispenser de dire que ces forces ne sont pour nous que des symboles sous lesquels se cachent des phénomènes ordinaires de mouvement. Nous serons amené, avant de terminer ce travail, à considérer dans leur ensemble ces forces attractives que nous admettons en ce moment sous bénéfice d’inventaire. Donnons cependant dès maintenant à leur égard une indication rapide, afin de ne pas rester en plein mystère. C’est une conséquence nécessaire de la rotation des molécules qu’elles entraînent avec elles dans leur mouvement un certain nombre d’atomes éthérés ; elles sont aussi enveloppées d’une sorte d’atmosphère dont le rayon peut varier suivant les circonstances, et qui représente à peu près ce que nous appelions tout à l’heure la sphère d’action des molécules. Tant que les atmosphères ne se touchent pas, nulle action de ce chef : c’est le cas des gaz. Si les molécules se rapprochent et que les atmosphères viennent à glisser l’une contre l’autre (c’est le cas des liquides), l’action commence, action purement mécanique, due à la rencontre des atomes éthérés. Si enfin les atmosphères entrent plus profondément les unes dans les autres, l’effet s’accuse plus énergiquement ; les enveloppes éthérées qui se pénètrent se trouvent gênées dans leur marche et agissent pour rendre respectivement parallèles, comme il arrive dans les solides, les rotations des diverses molécules. C’est un aperçu que nous donnons chemin faisant. Passons vite ; aussi bien nous ne voulons pas nous attarder à parler des liquides et des solides, dont la constitution demeure jusqu’ici fort obscure. Il nous suffit d’avoir montré comment les lois de cette constitution se rattachent aux lois, beaucoup mieux connues, qui régissent l’état gazeux. Grâce à cette solidarité, les gaz nous offrent un type commode pour étudier le mouvement moléculaire, et nous pouvons arrêter sur eux notre attention pendant quelques instans encore, certains d’en tirer des enseignemens applicables à toutes les formes de la matière.
La théorie des gaz, dont nous indiquions tout à l’heure le principe, a été fort travaillée dans ces dernières années et a donné lieu à un grand nombre de publications remarquables. Elle ne se présente pourtant pas comme une conception tout à fait nouvelle, car on pourrait en trouver l’idée fondamentale dans l’Hydrodynamique de Bernouilli, publiée en 1738 ; mais, enfouie dans l’ouvrage de Bernouilli, elle n’a guère revu le jour que depuis une trentaine d’années, et elle n’a reçu ses développemens que par les travaux tout récens de M. Joule et de M. Clausius. Nous ne pouvons suivre ici ces deux physiciens dans les déductions analytiques au moyen desquelles ils ont donné à la théorie des gaz une admirable précision. Nous pourrons du moins montrer comment l’hypothèse que nous venons d’esquisser sur la constitution gazeuse rend compte des faits que l’expérience avait successivement révélés. Du simple énoncé de cette théorie, nous allons voir sortir, comme des conséquences nécessaires, quelques-unes de ces lois célèbres qui forment les premières assises de la physique.
Et d’abord il résulte de notre hypothèse que les molécules d’un gaz peuvent être considérées à chaque instant comme se mouvant toutes en ligne droite avec une vitesse uniforme commune à toute la masse ; nous avons en effet éliminé les phénomènes perturbateurs qui se produisent au moment des chocs. N’est-il pas évident dès lors que, si le gaz est contenu dans un récipient, la pression qu’il exercera sur les parois sera proportionnelle au nombre de ses molécules, c’est-à-dire à sa densité ? Proportionnalité de la pression à la densité, c’est, comme on voit, la loi de Mariotte.
Maintenant, à pression et à température égales, les différens gaz contiennent sous le même volume le même nombre de molécules. C’est un fait mis surtout en évidence par les chimistes et qui peut se déduire de notre hypothèse : puisque les actions moléculaires proprement dites sont négligeables, on conçoit que les molécules des différens gaz, douées de la même liberté, se rangent, toutes circonstances égales d’ailleurs, à des distances égales, et se trouvent en même nombre sous le même volume. Un litre d’hydrogène, un litre d’oxygène, un litre d’azote, renferment ainsi un nombre uniforme de molécules. Qu’arrivera-t-il si l’on mélange deux gaz ? Le même principe s’appliquera au mélange, puisqu’il n’y a pas d’action spéciale qui soit due aux rapprochemens moléculaires, puisque la nature de la molécule paraît indifférente dans le phénomène. L’air atmosphérique se comportera à cet égard comme l’oxygène pur, comme l’azote pur. C’est la loi des mélanges gazeux signalée par Gay-Lussac.
Puisque l’espacement est le même, quelle que soit la masse des molécules, on doit prévoir qu’une même quantité de chaleur sera nécessaire dans tous les gaz pour élever d’un degré la température de la molécule élémentaire. On objectera peut-être que les molécules les plus pesantes recevront de cette quantité de chaleur une vitesse moindre : cela est évident ; mais il est évident aussi qu’elles ont besoin d’une vitesse moindre pour manifester cet effet que nous appelons un échauffement d’un degré. Nous voilà donc parvenus à ce résultat, que les molécules élémentaires des gaz différens sont échauffées d’un degré par une même quantité de chaleur, quelles que soient d’ailleurs leurs masses ou, comme disent les chimistes, leurs poids atomiques. Sous cette forme, on reconnaît une loi célèbre à laquelle Dulong et Petit ont donné leur nom.
Gay-Lussac a établi, comme on sait, que le coefficient de dilatation est uniforme pour tous les gaz. Or n’est-ce pas là une suite naturelle des faits que nous venons d’exposer ? Ces molécules, qui toutes se placent d’elles-mêmes à la même distance et qui toutes absorbent une même quantité de chaleur pour accroître leur température d’un degré, ne doivent-elles pas toutes s’écarter également dans cet accroissement de température ? Les expériences de Gay-Lussac ont montré que le coefficient de cette dilatation uniforme est d’un 273° du volume primitif.
On pourrait continuer cet examen ; mais nous en avons dit assez pour montrer comment de notre définition même des gaz découlent les lois caractéristiques de l’état gazeux. Les lois de Mariotte, de Gay-Lussac, de Dulong et Petit ont eu une destinée singulière. Trouvées à une époque où les procédés d’expérimentation étaient loin de la perfection qu’ils ont acquise depuis, elles furent d’abord regardées comme absolument exactes et applicables en toute rigueur aux différens gaz. Lorsque se produisit ce mouvement d’amélioration dans les méthodes expérimentales auquel s’attache en France le nom de M. Victor Regnault, ces lois, jusque-là si respectées, furent mises en défaut dans des cas nombreux ; on en vint à les suspecter, du moins on fut réduit à les considérer comme des formulés empiriques qui représentaient seulement d’une manière approchée la marche générale des phénomènes. Aucune conception théorique ne rendait compte en effet des perturbations nombreuses que les mesures précises des physiciens mettaient en évidence ; mais maintenant nous voyons pourquoi les gaz n’obéissent qu’imparfaitement à la loi de Mariotte et à ces autres lois que nous venons de rappeler. Pour les établir, nous avons dû supposer que toutes les molécules pouvaient être considérées comme animées sans cesse d’un mouvement rectiligne et uniforme, et nous avons regardé comme insensible la durée des époques où ce mouvement était troublé. Si cette durée devient appréciable tout en restant très petite, les raisonnemens que nous faisions ne pourront plus être répétés en toute rigueur. On voit la source de tant de dérogations aux lois anciennes, on voit même que l’état gazeux parfait n’est en quelque sorte qu’un idéal qui n’est guère réalisé dans la pratique. L’hydrogène paraît y arriver tout à fait, l’oxygène et l’azote, par conséquent l’air atmosphérique, l’atteignent à peu près ; mais déjà l’acide carbonique s’en écarte sensiblement. Quant aux vapeurs, elles ne se comportent comme des gaz qu’autant qu’elles sont très loin de leur point de liquéfaction.
Il y a donc très peu de gaz parfaits, mais ils nous fournissent des enseignemens précieux en nous montrant la matière tout à fait dégagée de ces forces attractives qui compliquent les phénomènes moléculaires. Quand nous chauffons un mètre cube d’air en laissant la pression constante, toute la force vive que le gaz reçoit est employée à augmenter son volume d’un 273e pour chaque degré de température. Quand au lieu de laisser la pression constante nous empêchons le gaz de se dilater, quand tout en le chauffant nous l’obligeons à rester enfermé dans un mètre cube, toute la force vive acquise par l’air est employée à augmenter sa pression d’un 273e par chaque degré. Si la température initiale était celle de la glace fondante, à 273 degrés la pression de l’air a doublé. La même loi se vérifie au-dessous de zéro : si au lieu de chauffer le gaz nous le refroidissons, sa pression va diminuant d’un 273e pour chaque degré. Si nous pouvions arriver à — 273 degrés, le gaz n’aurait plus aucune pression, il ne serait plus qu’un amas inerte de molécules dénuées de toute force vive. C’est ce qu’on a appelé le zéro absolu de température. Il y a là une sorte d’état limite auquel on ne peut point parvenir dans la pratique, et où tout mouvement moléculaire serait éteint.
Nous venons de considérer une certaine masse d’air, et nous avons supposé que nous réchauffions d’un degré en lui permettant de se dilater de telle sorte que la pression restât constante ; nous avons ensuite supposé que nous réchauffions d’un degré en l’obligeant à ne pas changer de volume. Faudra-t-il, dans les deux cas, pour produire cette même élévation de température, une même quantité de chaleur ? évidemment non. Sous volume constant, l’air n’a aucun travail extérieur à accomplir. Sous pression constante, il faut qu’il déplace l’obstacle extérieur qui s’oppose à sa dilatation ; il a ainsi un véritable travail à produire. Dans ce second cas, il doit absorber un excédant de chaleur qui soit précisément l’équivalent du travail accompli. La capacité calorifique à volume constant et la capacité calorifique à pression constante diffèrent donc d’une façon notable. Pour l’air, elles sont dans le rapport de 1 à 1,421. La différence de ces deux quantités représente ce qu’on appelait autrefois la chaleur latente de dilatation, et ce qui est pour nous l’équivalent exact du travail que l’air doit produire pour se dilater. Nous pouvons même noter que c’est à cette dilatation de l’air, dont les conditions numériques sont depuis longtemps fixées, que le docteur Mayer demandait dès 1842 une première détermination de l’équivalent mécanique de la chaleur. Le nombre que M. Mayer déduisit de cette donnée ne diffère pas sensiblement de celui qui a été adopté définitivement à la suite d’expériences de toute sorte.
L’air, avons-nous dit, produit un travail extérieur en se dilatant, c’est le cas ordinaire ; mais il peut, dans des circonstances spéciales, se dilater sans avoir de travail à produire. Or c’est le travail qui absorbe de la chaleur, et non point la dilatation elle-même ; s’il n’y a point de travail dans la dilatation, elle n’est signalée par aucune absorption de chaleur. Ce phénomène a surtout été mis en évidence par une expérience célèbre que M. Joule fit en 1845. M. Joule prenait deux récipiens égaux réunis par un tube à robinet ; dans l’un, il avait mis de l’air comprimé à vingt-deux atmosphères ; dans l’autre, il avait fait le vide. Ouvrant alors le robinet de communication, il laissait le gaz comprimé se répandre du premier récipient, dans le second, et le système arrivait bientôt à un état d’équilibre sous une pression uniforme de onze atmosphères. Pour arriver à cet état, le gaz n’avait point eu de travail extérieur à faire, et M. Joule montrait que la température du système était la même au commencement et à la fin de l’expérience. Sans doute il y avait eu à certains momens des mouvemens de température ; mais les pertes et les gains partiels se compensaient, et en dernière analyse l’absence de travail était marquée par une absence de variation dans la température. L’expérience de M. Joule demande un haut degré de précision, et n’est point de nature à être reproduite dans une leçon de physique. M. Tyndall, dans son cours à l’Institution royale, en montre le résultat à l’aide d’instrumens commodes et familiers. Il prend d’abord une boîte où une certaine quantité d’air est comprimée, et il en ouvre le robinet pour permettre au gaz de s’échapper. Ici le gaz ne trouve plus le vide devant lui ; il doit pour se détendre chasser l’air extérieur ; il doit produire un travail, et ce n’est qu’en lui-même qu’il peut prendre la chaleur nécessaire à cet effet : il y a donc refroidissement, et M. Tyndall rend ce résultat visible en dirigeant le jet sur la face d’une pile thermo-électrique très sensible[3] ; l’aiguille du galvanomètre accuse le refroidissement du jet gazeux. Au lieu de la boîte à air comprimé, M. Tyndall prend ensuite un vulgaire soufflet, et, le faisant agir, il en dirige le jet sur la face de la pile. Ici le gaz n’a plus à céder lui-même la chaleur nécessaire pour refouler l’air extérieur ; la main de l’opérateur fournit directement le travail ; elle le fournit même en excès, et l’aiguille du galvanomètre, au lieu d’accuser un refroidissement, signale une élévation de température.
La théorie de la chaleur se complète tous les jours, mais elle est dès maintenant assez avancée pour offrir un ensemble imposant. Si elle présente encore des lacunes, des incertitudes, du moins les lignes principales en sont nettement arrêtées. Les mouvemens moléculaires qui constituent la chaleur ne sont pas directement perceptibles à nos sens, mais on peut dire qu’il s’en faut de bien peu. On les voit presque eux-mêmes, tant leurs effets mécaniques sont maintenant connus et précisés ! Quand la force vive passe des molécules à la masse d’un corps et revient de cette masse aux molécules, apparaissant ainsi successivement sous la forme de travail ou sous la forme de chaleur, on n’assiste pas, à vrai dire, à ces changemens ; mais on détermine si bien les phénomènes un peu avant et un peu après la transformation, qu’on croit la voir elle-même. La thermodynamique est un champ suffisamment exploré où les erreurs de route ne sont pas graves, où l’on est sûr, si l’on s’égare, de retrouver son chemin. Nous allons entrer dans une région beaucoup plus obscure et plus dangereuse en nous occupant-des phénomènes électriques.
Qu’est-ce que l’électricité ? Que devons-nous penser de cette conception vulgaire qui repose sur le jeu d’un fluide positif et d’un fluide négatif ? Y a-t-il réellement deux fluides électriques ? Y en a-t-il même un seul ? Nous posons ces questions ; mais si l’on se reporte aux prémices de notre travail, on ne peut guère douter des réponses que nous allons y faire. Et d’abord la dualité des fluides ne peut plus nous apparaître que comme un symbole. Nous pouvons même nous demander si elle à jamais eu les apparences de la réalité. Elle a tous les caractères d’une fiction d’analyse, elle transporte immédiatement l’esprit dans les régions mêmes de la mécanique : c’est en mécanique qu’on appelle les mouvemens positifs ou négatifs suivant qu’ils ont lieu dans un sens ou dans l’autre. L’hypothèse de la dualité des fluides se résout ainsi d’elle-même en une conception mathématique. Y a-t-il du moins un fluide spécial auquel il faille attribuer les propriétés électriques ? Il conviendrait sans doute d’apporter ici d’abord les élémens d’une réponse et de ne décider cette question qu’avec réserve ; mais nous n’en sommes plus à montrer que nous avons banni toute vaine prudence : nous n’hésitons donc pas à reléguer de prime abord le fluide électrique hors de la science et à l’envoyer rejoindre, parmi les défroques du passé, le fluide calorifique, le fluide lumineux et tant d’entités anciennes. Quant au magnétisme, disons une fois pour toutes que nous pouvons le négliger, car l’enseignement classique a depuis longtemps ramené au même principe les phénomènes magnétiques et les phénomènes électriques : un aimant permanent ou temporaire est le siège d’une série de petits courans orientés dans une même direction. Voilà le terrain déblayé, et la question se pose maintenant pour nous en ces termes : l’électricité est-elle un mouvement de l’éther ? est-elle un mouvement de la matière pondérable ? est-elle un mouvement de l’un et de l’autre ? Enfin quelle est la nature de ce mouvement ?
Avant d’aborder ces problèmes, nous voulons signaler deux points importons, indiquer deux pas décisifs qu’il est urgent de faire dans l’étude de l’électricité. Les phénomènes électriques ont été examinés avec beaucoup de soin depuis quelques années ; un grand nombre de petits faits ont été recueillis, mais ils ne présentent que confusion, ils ne se groupent pas et s’éclairent mal les uns les autres. Cet état de choses tient sans doute à la nature du sujet, mais il doit aussi être attribué en partie aux observateurs mêmes. Une condition essentielle, primordiale, manque aux recherches qui se poursuivent çà et là au sujet de l’électricité : on ne s’est pas encore entendu, sur l’unité à laquelle il convient de rapporter les actions que l’on étudie.
Nous avons eu déjà l’occasion d’indiquer l’importance capitale qui s’attache en physique au choix des unités. Tout phénomène résulte de la coexistence d’un certain nombre de faits corrélatifs, et pour mettre en évidence la relation de ces faits il faut représenter chacun d’eux, dans sa quantité propre, par une variable spéciale, Si l’on cherche, par exemple, à définir la trajectoire décrite par une planète autour du soleil, on pourra prendre pour élément de recherche d’une part la longueur variable du rayon vecteur qui joint le soleil à la planète, et d’autre part l’inclinaison continuellement changeante de ce rayon sur l’axe du périhélie ; l’observation montrera dès lors entre ces deux quantités le rapport qui constitue l’équation de l’ellipse, et l’on pourra dire que la planète parcourt une orbite elliptique dont le soleil occupe un des foyers. Cependant il ne faudrait pas s’imaginer qu’un phénomène soit également facile à définir, quelles que soient les variables que l’on ait choisies pour l’étudier ; bien au contraire ce choix exerce sur les résultats obtenus l’influence la plus décisive : avec telles variables, vous n’arriverez qu’à des conséquences confuses dont vous ne pourrez tirer aucun profit ; avec telles autres, vous mettrez directement en lumière des lois précises. On pourrait citer ainsi dans l’histoire de la physique bien des choix malheureux qui ont retardé d’importantes découvertes ; on peut citer aussi d’heureux hasards. Nous en trouverions au besoin un exemple dans la première des lois de Kepler, dont nous citions tout à l’heure la seconde. Lorsque Kepler chercha la loi du mouvement d’une planète sur son orbite, il prit pour variables d’une part le temps, d’autre part les aires décrites par le rayon vecteur. Il eût été tout aussi naturel, plus naturel peut-être, de chercher une relation entre le temps et l’une des variables indiquées précédemment, c’est-à-dire la longueur du rayon ou son inclinaison sur le périhélie. Si Kepler eût pris ce parti, il n’eût trouvé aucune relation simple entre les valeurs numériques qui résultaient de ses observations et de celles de Tycho-Brahé ; la liaison de ces valeurs eût été dissimulée sous des relations si compliquées, qu’elle n’aurait pu être mise en évidence. Au contraire, grâce aux variables qu’il avait choisies, Kepler put remarquer facilement que les valeurs numériques qui représentaient les temps et celles qui représentaient les aires formaient deux séries proportionnelles. Ainsi était mise en relief cette grande loi de l’astronomie qu’on exprime en disant que les aires décrites par les planètes sont proportionnelles aux temps, ou que les planètes décrivent des aires égales dans des temps égaux. Un choix heureux des variables est donc, à vrai dire, une condition essentielle de succès, c’est presque la difficulté principale de toutes les recherches physiques. Combien cette considération n’augmente-t-elle pas encore d’importance quand il s’agit non plus des quantités qui servent à apprécier une loi particulière, mais de celles qui doivent servir de mesure à toute une classe de phénomènes !
On voit maintenant le premier pas que les électriciens ont à faire. Il faut qu’ils arrivent à une mesure commune et commode des actions électriques ; faute de s’être concertés à cet égard, ils travaillent chacun pour soi, ne peuvent coordonner leurs découvertes et n’arrivent pas toujours à se comprendre les uns les autres ; il y a entre eux une sorte de confusion des langues. Qui la fera cesser ? qui fournira les bases d’une entente commune ? L’Association britannique a fait pour y parvenir, depuis cinq ans, de louables efforts : l’Association britannique est, comme on sait, une société privée qui s’occupe, en Angleterre, de l’avancement des sciences, et dont l’attention vigilante se porte successivement sur tous les points où il y a urgence de faire des recherches. Pour favoriser les progrès de la télégraphie sous-marine, elle a nommé, dès 1862, une commission qui a considéré dans son ensemble la question de la mesure des phénomènes électriques et proposé une solution acceptable à la rigueur, quoique fort compliquée[4]. En France, ce problème ne paraît même pas être à l’ordre du jour. Nous avons bien aussi une association pour l’avancement de la physique du globe, mais ses membres paraissent n’avoir plus rien à désirer quand on leur a montré tous les mois la lune à l’Observatoire.
Aussi bien, que la question des unités électriques soit tranchée de ce côté-ci de la Manche ou de l’autre, l’étude de la chaleur indique nettement l’esprit de la solution qui doit intervenir. Tant que l’on n’a considéré les effets calorifiques qu’au point de vue des variations du thermomètre, on est resté en dehors des phénomènes mêmes, on n’en a pas connu l’essence. La température n’est qu’une des particularités de la chaleur. J’ai un kilogramme d’eau à 100 degrés ; il absorbe, s’il se vaporise librement à l’air, l’énorme quantité de 536 calories, et le kilogramme de vapeur qui en résulte est encore à 100 degrés[5]. Entre les mouvemens qui ont lieu dans l’intérieur des corps et les variations qu’ils produisent sur une échelle thermométrique, il n’y a que des rapports indirects et pour ainsi dire accidentels. L’étude de ces rapports n’a jamais pu donner que des connaissances vagues et confuses : les véritables progrès ont commencé le jour où l’on a rapporté les phénomènes calorifiques, non plus seulement aux degrés du thermomètre, mais à une unité intrinsèque, à la calorie, c’est-à-dire à la quantité totale de chaleur qui est nécessaire pour produire un certain effet net et facile à apprécier.
Jusqu’ici, le galvanomètre a servi presque seul à la mesure des phénomènes électriques. Or, nous pouvons le noter en passant, le galvanomètre est un instrument beaucoup plus imparfait encore que le thermomètre. — Le thermomètre du moins accuse directement, par des dilatations linéaires, cette partie du mouvement calorifique qu’il est appelé à constater. Le galvanomètre, qui n’accuse aussi qu’une portion des effets électriques, a de plus le désavantage de ne les manifester que par la déviation angulaire d’une aiguille : il faut donc comparer des angles, c’est-à-dire apprécier des sinus, des tangentes ; déjà placé en dehors des faits, l’observateur les trouve encore masqués par des fonctions trigonométriques.
Il y a donc urgence à rentrer au cœur même des phénomènes ; il faut, dans toutes les études qui se poursuivent, prendre pour notion primordiale l’électrie, c’est-à-dire la quantité d’électricité nécessaire pour produire un effet déterminé. Quel effet choisira-t-on désormais pour type ? C’est, une question à discuter. Supposons, uniquement pour fixer les idées, qu’on choisisse la décomposition voltamétrique d’un kilogramme d’eau. L’électrie étant ainsi déterminée, on s’efforcera d’exprimer, à l’aide de cette unité fondamentale, les divers phénomènes électriques qui jusqu’ici ne sont spécifiés que par des circonstances particulières, tantôt par l’intensité du courant, tantôt par la chaleur qu’ils développent. Au lieu de s’arrêter à des effets partiels, on se rapprochera de l’ensemble des faits. Il se fera dès lors un triage naturel dans cet amas incohérent d’observations que présente aujourd’hui la science électrique ; les lois isolées se grouperont, et leur sens intime apparaîtra.
Choisir l’électrie, voilà le premier progrès que les électriciens ont à réaliser, et voici le second : déterminer l’équivalent mécanique de l’électricité, chercher à combien de kilogrammètres équivaut une électrie. On voit en ce moment par un exemple caractéristique l’utilité d’une hypothèse qui embrasse l’ensemble des phénomènes naturels et les ramène à un même principe. Elle peut guider le physicien dans les régions mal connues qu’il explore ; elle lui enseigne la voie qu’il doit suivre à travers les dédales des faits particuliers. Notons cependant que, pour faire les deux pas que nous indiquons, il n’est pas nécessaire que l’on ait une vue préalable sur la nature même de l’électricité. Si nous consultons l’histoire de la chaleur, nous verrons que l’idée de la calorie n’a point été propre à ceux qui prétendaient que la chaleur est un mouvement ; on pourrait même remarquer que cette unité a comme un air suspect, et qu’elle sent en quelque sorte la doctrine de la matérialité du calorique. L’équivalence de la chaleur et du travail mécanique a été aussi établie en dehors de toute théorie. C’est une notion prudente et éclectique que celle d’équivalence ; elle n’implique pas d’idée préconçue sur les faits que l’on compare ; ils s’équivalent, voilà tout. Dès que l’on est certain que l’on compare deux mouvemens, les mots d’équivalent, d’équivalence, deviennent pour ainsi dire insuffisans, et l’on a le droit de recourir à des termes plus énergiques. Fixer l’électrie d’abord et ensuite en déterminer l’équivalence mécanique, voilà donc les deux points où doivent avant tout porter les efforts, et que nous avions à cœur de signaler. Après avoir donné ces indications générales, il nous reste à montrer ce que l’expérience nous apprend dès maintenant sur les conditions qui particularisent le mouvement électrique.
Les préliminaires que nous venons de poser montrent assez que nous sommes loin de posséder à l’égard des phénomènes électriques une théorie générale. Ce n’est pas que nous manquions de données expérimentales. Les observateurs ont mis à notre disposition un nombre considérable de faits, on pourrait dire même qu’ils en ont mis trop, car les lois particulières qu’ils ont établies ne sont pas ramenées à quelques groupes principaux ; elles ne présentent chaque phénomène que par une seule facette, et elles n’ont pour la plupart qu’une signification obscure ou banale. Cependant de l’ensemble de ces observations confuses nous concluerons que le mouvement électrique consiste en un véritable transport de matière ; le mot courant, employé dans le langage usuel, correspondrait ainsi à la réalité des phénomènes. Une considération décisive peut être invoquée à l’appui de cette opinion. Si les deux pôles d’une pile sont réunis par un conducteur à section variable, l’intensité du courant, mesurée par ses effets galvanométriques, est la même dans toutes les parties de ce conducteur ; là où le conducteur se rétrécit, le courant devient plus rapide, de telle sorte que toutes les sections donnent passage dans un même temps à la même quantité d’électricité. Cette particularité est facilement rendue visible par ses effets calorifiques ou lumineux. On sait que, si un fil très fin est interposé sur le passage d’un courant, il rougit et s’échauffe jusqu’à se fondre. On connaît aussi les expériences qui se font au moyen des tubes de Geissler : ce sont des tubes de verre où l’on raréfie l’air et que l’on place sur le passage du courant, pour que l’électricité les traverse sous forme de gerbe lumineuse ; or, si l’on prend un tube de Geissler inégalement large dans ses diverses sections, on constate facilement que la gerbe devient d’autant plus lumineuse qu’elle est plus resserrée. Dans ce fait que le mouvement augmente à mesure que la section se rétrécit, on retrouve une loi fondamentale de l’écoulement des fluides, loi connue depuis Léonard de Vinci. Ce fait seul exclut l’idée que l’électricité puisse être due à de simples vibrations ; il ne se présente en effet dans aucun des mouvemens vibratoires que nous connaissons, qu’ils soient longitudinaux comme ceux du son ou transversaux comme ceux de la lumière. Lorsque ces divers mouvemens rencontrent un obstacle qui rétrécit le milieu où ils se produisent, ils se réfléchissent dans la masse du milieu, mais ils ne se pressent pas dans le pertuis ouvert devant eux ; ce sont les fluides animés d’un mouvement de transport qui se précipitent ainsi dans les passages étroits. Lorsqu’une barre est chauffée par une source calorifique, on ne voit pas que la température soit plus élevée dans les endroits où la barre est plus étroite. Il en est autrement quand l’échauffement de la barre est produit par l’électricité, puisque, comme nous venons de le rappeler, des fils très fins placés dans le circuit d’un conducteur ordinaire peuvent être rougis et fondus.
Voilà donc, dès l’abord, par un fait fondamental, le mouvement électrique assimilé à l’écoulement d’un fluide. Cette analogie se poursuit à travers toutes les particularités que l’expérience a mises en lumière. La pratique de la télégraphie a notamment fourni de nombreuses indications dans ce sens. Un fil télégraphique est comme un tube qu’il s’agit de remplir ; la pile est comme un réservoir qui remplit le tube plus ou moins facilement, suivant que lui-même est plus ou moins plein. Le fil est-il chargé ou à demi chargé, si on met à la terre l’extrémité qui communiquait avec la pile, une partie de la charge revient en arrière ; c’est ainsi qu’un fluide s’écoule d’un tube ouvert par les deux bouts. Rien de semblable n’aurait lieu dans le cas d’un mouvement vibratoire ; un pareil mouvement, quand la cause qui l’a produit vient à cesser, ne retourne pas en arrière, mais continue tout entier dans le sens où il a commencé.
C’est à des enseignemens du même ordre que l’on est conduit, si l’on considère la durée de la propagation du courant, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que le courant atteigne dans toute l’étendue du fil un régime uniforme. Cette durée croît à peu près comme le carré de la longueur du fil, et c’est encore là une loi qui rappelle le transport d’un fluide. Cette durée varie en raison inverse de la section, et cela seul montre qu’il ne s’agit pas d’une vibration ; un mouvement vibratoire, en effet, prend son régime uniforme également vite dans un tube large et dans un tube étroit, comme on peut le vérifier pour le son.
Mais quel est ce fluide dont le transport constitue le courant électrique ? Est-ce par hasard la matière pondérable elle-même, réduite à l’état de vapeur ou du moins amenée à un état de subtilité qui lui donne les propriétés des fluides ? Non, sans aucun doute. Et d’abord rien ne permet de supposer que le passage d’un courant dans un fil en augmente le poids. Si d’ailleurs le flux électrique était un transport de matière pondérable, si la matière même des conducteurs était transportée, on devrait s’en apercevoir lorsque deux fils hétérogènes se continuent l’un l’autre, lorsque le courant, après avoir traversé un fil de cuivre par exemple, passe dans un fil de fer ; le cuivre devrait laisser des traces de son passage dans la masse du fer ou réciproquement. L’observation n’a fait connaître aucun fait de ce genre, si ce n’est pourtant au point même de jonction des deux métaux ; mais là, on le conçoit, le transport de la matière n’est qu’un accident, un phénomène accessoire, une circonstance toute locale que nous pouvons écarter sans scrupule. Nos conclusions dès lors ne se posent-elles pas d’elles-mêmes ? Ce fluide qui se transporte dans le conducteur n’est autre que la matière impondérable que nous connaissons sous le nom d’éther. Le mouvement électrique de l’éther n’est point d’ailleurs un mouvement vibratoire ; c’est un véritable flux, un transport réel. Nous ne pourrons que nous confirmer dans ces vues, si nous examinons encore rapidement quelques-unes des particularités que présentent les courans.
L’étincelle électrique a été fort étudiée ; elle offre un sujet piquant d’observation. Les physiciens ont toujours eu l’espoir d’y trouver sous une forme saisissante des enseignemens directs sur la nature de l’électricité. Ils ont surtout observé l’étincelle qui sort des machines statiques ; mais leurs conclusions pouvaient légitimement s’étendre à celle que produisent les courans. Il faut le dire, l’étude de l’étincelle a fourni pendant longtemps des argumens trompeurs, elle a surtout servi aux partisans de la théorie des deux fluides. En voyant cette étincelle compacte et brillante aux deux pôles, plus large et plus terne en son milieu, on croyait saisir sur le vif la combinaison de fluides différens : voici, disait-on, le fluide positif qui sort d’un pôle sous forme de panache, et voilà le fluide négatif qui sort de l’autre sous forme d’astérisque. Pour nous, l’éclat des deux pôles provient bien de l’agitation qu’y suscite le flux électrique ; mais le flux peut également produire cet effet en sortant d’un côté et en entrant de l’autre. Cependant, pour prouver qu’un fluide sortait à la fois des deux côtés, on faisait une expérience qui semblait décisive. On forçait l’étincelle à percer plusieurs feuilles de papier, et on montrait que les bords du papier étaient renversés, les uns vers le pôle positif, les autres vers le pôle négatif : résultat fallacieux et d’où l’on ne doit rien conclure sur le sens du flux électrique à chaque pôle. Dans des cas nombreux, un corps percé par une pression présente des bords renversés dans le sens opposé à celui où la pression s’est produite ; il semble alors que le corps perforant ait, dans la seconde partie de la perforation, exercé une sorte d’action de recul. Le renversement symétrique qu’on observe dans les feuilles traversées par l’étincelle ne permet donc pas de conclure au passage d’un double fluide. Au contraire, les récens progrès de la spectroscopie mettent en évidence l’unité du mouvement : on a constaté que le spectre de l’étincelle dépend de la nature du métal qui forme le pôle positif, tandis qu’il reste invariable, si l’on change la nature de l’autre pôle ; les particules métalliques entraînées par le courant montrent donc que le transport a lieu dans un seul sens. Un autre fait important, c’est que l’étincelle est stratifiée : on y voit des couches superposées, il semble que le flux électrique n’y soit pas continu. Sans doute, il y a là un phénomène analogue à celui qui se produit quand nous voyons la fumée sortir d’une cheminée par bouffées successives. Lorsqu’un flux rencontre un obstacle, il produit pour le vaincre des poussées qui se superposent. Peut-être aussi la stratification de l’étincelle n’est-elle pas, comme le transport des parcelles métalliques, un accident purement local ; peut-être accuse-t-elle un état de choses qui se produit dans toute l’étendue du conducteur. Il faudrait dire alors que le transport de l’éther a lieu par ondes successives ; mais ces ondes, qui accompagnent un mouvement de transport, ne devraient en aucune façon être confondues avec les ondes vibratoires dont la lumière et le son nous ont offert des exemples.
On voit qu’en ce moment nous faisons une réserve importante. Nous avons admis jusqu’ici que l’éther est réellement transporté d’un bout à l’autre du conducteur, que chaque atome engagé dans le circuit le parcourt dans toute son étendue. Il se peut au contraire que chaque atome ne soit soumis qu’à un parcours partiel, et que le courant se produise en quelque sorte par une série de relais plus ou moins rapprochés. Nous laisserons la porte toute grande ouverte à cette supposition, qui n’a rien d’incompatible avec ce que nous avons, dit jusqu’ici ; mais, pour la simplicité du langage, nous continuerons à nous exprimer comme s’il s’agissait d’un fluide en mouvement dont tous les élémens accomplissent la totalité du parcours.
Il est enfin un dernier enseignement que l’on a souvent demandé à l’étude de l’étincelle, enseignement de haute conséquence et qu’elle n’a pu donner que d’une manière incomplète. L’étincelle se produit-elle dans le vide absolu ? En d’autres termes, le flux électrique, tout en n’étant qu’un mouvement de l’éther, peut-il exister en dehors de la matière pondérable ? On conçoit l’importance de cette question, à laquelle nous ne trouvons point de réponse dans les phénomènes généraux de la nature ; le soleil nous envoie de la lumière, nous n’en recevons pas directement d’électricité. Les expériences que l’on a multipliées pour savoir si l’étincelle passe dans le vide absolu sont très controversées. Comment faire un vide absolu ? On cherche à purger un tube de toute matière pondérable, On le remplit à plusieurs reprises d’acide carbonique que l’on expulse à l’aide d’une machine pneumatique, puis on absorbe avec de la potasse les restes de l’acide ; mais n’y a-t-il pas des vapeurs qui sortent des mastics, des soupapes de l’appareil, de la potasse elle-même ? Comment s’affranchir de cette cause d’erreur ? Aussi, nous le répétons, rien n’est moins certain que le résultat d’une pareille expérience. Les essais qui ont été faits tendent pourtant à prouver que l’étincelle ne passe pas dans le vide, et c’est d’ailleurs la conséquence à laquelle on est conduit par des considérations d’un autre ordre. Ce ne serait donc qu’au sein de la matière pondérable que pourrait se produire le mouvement électrique.
Portons maintenant notre attention sur les phénomènes d’où naissent les courans ; nous en connaissons deux principaux, la chaleur et l’action chimique. Comment concevoir dans l’un et l’autre cas la naissance d’un courant ? Si deux barres métalliques, une barre de bismuth et une barre d’antimoine par exemple, sont soudées par une de leurs extrémités et que l’on chauffe le point de jonction, un courant se produit dans l’arc extérieur qui réunit les deux métaux ; tel est le principe de la pile thermo-électrique. Notez qu’il faut, au point que l’on chauffe, des métaux différens ; une différence de section dans un conducteur homogène ne suffirait pas pour engendrer un courant : il faut des molécules hétérogènes. Qu’est-ce à dire ? Reportons-nous à l’hypothèse que nous avons faite pour expliquer comment les corps passent de l’état gazeux à l’état liquide et à l’état solide. Nous avons dû admettre que chaque molécule entraîne dans son mouvement de rotation une sorte d’atmosphère éthérée. Quand des molécules hétérogènes sont juxtaposées, ce sont des atmosphères d’épaisseur et de vitesse différentes qui se trouvent en présence ; et si un échauffement vient troubler leur équilibre, on conçoit que cette circonstance rende libre un certain nombre d’atomes éthérés. Ces atomes se précipitent dans le conducteur comme dans un canal et y forment le courant. Plus les atmosphères des deux élémens métalliques seront discordantes, plus ce phénomène aura d’intensité ; il ne se produira pas quand toutes les atmosphères seront semblables, c’est-à-dire quand il n’y aura qu’un seul métal en jeu. L’action chimique produit un effet analogue sur une plus grande échelle. Quand deux corps se combinent, les atmosphères moléculaires sont énergiquement troublées ; une distribution nouvelle de l’éther se fait violemment autour des nouvelles molécules, et ce brusque changement chasse un nombre plus ou moins grand d’atomes éthérés. Ainsi les différentes piles, la pile thermo-électrique comme celles qui sont basées sur une combinaison chimique, nous montrent, à l’origine même du courant, la naissance d’un flux d’éther.
Né dans la pile, ce flux se continue dans le conducteur, et si nous considérons l’ensemble du circuit ainsi formé, il nous sera facile de voir que l’action chimique, l’électricité, la chaleur, le travail mécanique, s’y produisent suivant cette loi de transformation mutuelle à laquelle nous nous sommes efforcé de réduire tous les phénomènes physiques. La force vive due à l’action de la pile engendre le mouvement de l’éther. Celui-ci, en circulant dans le conducteur, y développe de la chaleur, parce qu’il ébranle en passant les molécules pondérables et leur laisse une partie de sa force vive ; mais, au lieu de produire de la chaleur, il peut produire un travail différent. Nous en aurons un premier exemple si nous plaçons dans le circuit un voltamètre rempli d’eau. Les deux pôles du courant, les deux électrodes de platine étant amenées à la partie supérieure du liquide, l’eau s’échauffe, elle arrive rapidement à l’ébullition. Si ensuite on introduit plus profondément les pôles dans le vase, l’eau commence à se résoudre en ses deux élémens, la température du liquide diminue, et l’on rentre bientôt dans les conditions ordinaires des décompositions électrolytiques qui se font avec une légère élévation de la température. On voit donc là une action électrolytique et une action calorifique se substituer directement l’une à l’autre. Si cette expérience était conduite de manière à donner des mesures précises, si on pouvait la dégager de toute cause d’erreur, on y verrait quel est le poids d’eau qui peut être échauffé d’un degré par la quantité d’électricité qui décompose un poids donné de cette eau ; en d’autres termes, on trouverait le rapport de l’électrie à la calorie, et les courans électriques se trouveraient ainsi ramenés à la commune mesure des travaux mécaniques, au kilogrammètre[6].
Le courant produit un travail chimique dans l’exemple que nous venons de citer ; il peut aussi produire un travail mécanique, élever un poids, faire tourner un arbre. M. Favre, dans une série d’expériences devenues célèbres, a montré qu’alors la chaleur développée dans le circuit décroît précisément en proportion du travail produit. La force vive du flux électrique est en partie consommée par l’élévation du poids, par la rotation de l’arbre, et l’agitation calorifique du circuit se trouve diminuée d’autant. On voit là de l’électricité qui, au lieu de se transformer en chaleur, se convertit en travail. Si cette conversion pouvait être complète, si on pouvait tout à fait éliminer de l’expérience le phénomène calorifique, on arriverait à trouver directement un rapport d’équivalence entre l’électricité et le travail mécanique, on observerait sans intermédiaire la relation de l’électrie et du kilogrammètre. Mais c’est là une conception tout à fait théorique. Si, comme il est probable, le flux électrique n’a lieu qu’au sein de la matière pondérable, il en agite nécessairement les molécules ; c’est dire qu’il n’y a pas d’électricité sans chaleur. On doit même remarquer à cet égard que les différentes substances offrent à peu près le même ordre de conductibilité par rapport à l’électricité et par rapport à la chaleur. Si, par exemple, on considère les métaux à ce double point de vue, non-seulement ils se rangent dans les deux cas suivant le même ordre (argent, cuivre, or, étain, fer, plomb, platine, bismuth), mais une même série de nombres peut représenter assez exactement leur double conductibilité. Le connexion étroite qui lie ainsi les phénomènes calorifiques et électriques ne permet guère d’espérer que les actes mécaniques de l’électricité puissent être isolés dans la pratique et atteints par l’observation directe.
A mesure que nous avons examiné les particularités diverses qui signalent la propagation des courans, l’origine des forces électromotrices, la distribution du travail dans les conducteurs, nous nous sommes affermi dans cette idée, que l’électricité consiste en un transport du fluide éthéré, de ce même fluide qui produit la lumière. Voilà un rapprochement qui pour beaucoup d’esprits sera sans doute inopiné. On n’a guère songé jusqu’ici à comparer la lumière et l’électricité, et pourtant nous en venons à regarder l’une et l’autre comme des mouvemens divers d’un même fluide. Une liaison nouvelle apparaît entre ces deux modes de mouvement.
Si nous considérons la généralité des corps que nous offre la nature, nous pourrons remarquer que les corps diaphanes sont d’ordinaire isolans ; perméables à la lumière, ils ne laissent pas passer l’électricité. Au contraire les corps conducteurs sont d’ordinaire opaques, témoin tous les métaux. On objectera peut-être que l’eau est à la fois diaphane et conductrice, la gutta-percha à la fois opaque et isolante ; mais ne parlons que des cas extrêmes, négligeons les intermédiaires. Nous voyons se dessiner deux groupes très nets, les corps diaphanes, les corps conducteurs ; ces désignations sont mal choisies, puisqu’elles ne se font pas opposition, mais sous les mots voyons les faits : dans les corps de la première classe, l’éther ne peut se mouvoir que transversalement, il ne peut prendre au contraire qu’un mouvement longitudinal dans les corps de la seconde catégorie. La différence d’agrégation moléculaire crée ainsi pour l’éther une différence de mobilité. Voilà tout ce que nous pouvons dire ; mais nous pouvons affirmer que les deux classes de corps renferment un même éther diversement mobile et non point deux fluides différens. Si l’on voulait admettre l’existence d’un fluide lumineux propre aux corps diaphanes et d’un fluide électrique propre aux corps conducteurs, on serait amené aux conséquences les plus bizarres. Lorsque le plomb se combine avec la silice pour former le verre, il faudrait donc supposer que le fluide électrique en est chassé et qu’il est remplacé par le fluide lumineux ! Quand le diamant passe à l’état de charbon, il cesse d’être diaphane et isolant ; il devient opaque et conducteur ; il s’y opérerait donc une transmutation de fluide ! Rien de semblable ne se peut concevoir. On conçoit au contraire aisément qu’un même éther, suivant la disposition moléculaire des corps, trouve tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre, un obstacle à son mouvement.
Ajoutons ici un argument que fournissent les vitesses de propagation de la lumière et de l’électricité. Celle de la lumière est de 75,000 lieues environ à la seconde. Celle de l’électricité a été déterminée avec beaucoup moins d’exactitude, parce qu’elle dépend de la nature des conducteurs et de diverses circonstances qui n’ont pu être éliminées par les observateurs ; mais, si l’on prend une moyenne entre les nombres très différens qu’ont donnés les expériences, on ne sera pas loin de trouver cette même valeur de 75,000 lieues par seconde. Dans ce rapprochement, nous pouvons voir une confirmation de notre hypothèse. Nous ne devons pas nous étonner du moins qu’un même nombre représente deux vitesses qui correspondent pour nous à deux ébranlemens du même fluide produites dans le même sens ; la vitesse de la lumière est en effet celle de l’impulsion longitudinale d’où résultent les mouvemens transversaux.
Ce sont là des aperçus très généraux, et l’on ne peut pas dire que nous voyions nettement la connexion des phénomènes lumineux et électriques. A peine concevons-nous les conditions qui peuvent produire cette double modalité dans les mouvemens éthérés. On sait les considérations ingénieuses auxquelles le père Secchi a recours pour montrer comment l’impulsion produite le long du rayon lumineux peut se traduire par des vibrations transversales. D’autres hypothèses ont été faites pour expliquer comment les vibrations transversales peuvent être éteintes dans les corps conducteurs au profit des mouvemens longitudinaux ; mais laissons ces problèmes dans la pénombre. Il ne messied pas de terminer par l’expression de nos incertitudes la revue rapide que nous venons de faire des phénomènes électriques ; ils présentent encore bien des obscurités, et c’est nous conformer à l’état réel de nos connaissances que de les quitter en laissant de grosses questions pendantes.
EDGAR SAVENEY.
- ↑ Voyez la Revue du 1er novembre.
- ↑ Voyez la Revue du 1er mai 1863.
- ↑ M. Tyndall a des piles thermo-électriques si sensibles que, maintenues à une température de 10 ou 15 degrés environ, elles accusent à une distance de vingt pas la chaleur que dégage le corps d’un homme.
- ↑ Une première commission avait été instituée en 1861. Elle avait pour but spécial de fixer un étalon de résistance qui permit d’apprécier, au point de vue de la transmission électrique, la valeur des câbles sous-marins fabriqués dans les usines anglaises. Les travaux de l’Association britannique n’ont donc pas été sans influence sur les admirables perfectionnemens qu’a reçus on Angleterre l’industrie de la fabrication des câbles, et qui ont permis récemment d’établir entre l’Europe et l’Amérique une communication télégraphique. La commission de 1861 fut remplacée par une nouvelle commission nommée en 1862 et où figurent MM. Wheastone, Thomson, C. W. Siemens et Charles Bright. Cette nouvelle commission n’a pas borné son travail à la mesure des résistances ; elle a envisagé la question générale des unités électriques, cherchant à les lier étroitement avec les unités employées en mécanique. Des expériences ont été faites à King’s College pour déterminer le degré de précision qu’on pourrait obtenir dans la pratique en appliquant les vues théoriques de la commission. Le résultat de ces travaux est consigné dans un rapport rédigé par M. Fleeming, Jenkin, et que la commission a publié en faisant une sorte d’appel au monde scientifique.
- ↑ On fait quelquefois dans les cabinets de physique une expérience fort élégante qui montre que des corps différens, tout en étant à la même température, contiennent des quantités très diverses de chaleur. On suspend à l’aide d’un support quelconque un gâteau de cire d’abeille épais de 42 millimètres environ. On prend ensuite un vase d’huile bouillante, et on y plonge des billes de métaux différens et de volume égal, des billes de fer, de cuivre, d’étain, de plomb et de bismuth par exemple. Ces billes ayant pris toutes la même température, celle du liquide bouillant, on les tire de l’huile et on les place à la fois sur le gâteau. Elles s’enfoncent dans la cire, mais avec des vitesses très différentes. Le fer et le cuivre entrent vigoureusement dans la masse fusible, l’étain plus mollement ; le plomb et le bismuth demeurent en arrière. La bille de fer traverse la cire de part en part et tombe la première ; celle de cuivre la suit ; les autres restent en chemin, incapables de percer le gâteau, et s’y arrêtent à des profondeurs différentes dans l’ordre de leur capacité calorifique.
- ↑ Le père Secchi a fait ainsi quelques essais d’où l’on peut conclure que la quantité d’électricité qui décompose 0g106 d’eau peut élever d’un degré la température de 38 grammes du même liquide. Il en résulterait (si on prenait pour électrie, comme nous l’avons indiqué plus haut, la quantité d’électricité qui peut décomposer un kilogramme d’eau) qu’une électrie équivaut à 360 calories ou à 153,000 kilogrammètres. Si, pour avoir des nombres moins élevés, on rapportait l’électrie au gramme, elle équivaudrait alors à 0,36 calories ou à 153 kilogrammètres. Nous citons ce résultat ; mais nous ne voulons pas affirmer que l’expérience d’où il est tiré puisse être considérée comme tenant compte de toutes les conditions du problème.