La Philosophie des sciences et le problème religieux/La Physique
LA PHYSIQUE
Qu’est la lumière ?
Pour les scolastiques, c’était une « émission de particules luminifères ». Tout s’explique pourvu que l’on forge un mot nouveau ! Pour avoir raison d’une énigme l’on crée un nom, de même que, pour savoir s’il est des taches sur le soleil, l’on va lire Aristote, mais l’on se garderait bien de prendre une lunette…
Le cartésianisme a été la réaction violente contre cet état d’esprit. Outré par un verbiage qui devenait inquiétant, Descartes pose, à la base de sa philosophie, ce postulat que « l’essence de la matière c’est l’étendue » et par là les anciennes qualités occultes des corps seront remplacées par des combinaisons, plus ou moins complexes, de mouvements et de vibrations des molécules.
La matière étendue et les tourbillons sont le fondement de la philosophie naturelle de Descartes pour qui « l’univers est une machine où il n’y a rien du tout à considérer que les figures et les mouvements de ses parties ». Rien n’échappe au mécanisme universel que la pensée, radicalement hétérogène à l’étendue (1).
Donc, la lumière, pour Descartes, est un mouvement tourbillonnaire, mais — il faut bien le dire — Descartes ne constitua pas une bonne optique physique, car il y a, pour lui, transmission instantanée et « il ne peut, dit Verdet, de cette étrange notion déduire l’explication d’aucun phénomène (2) ».
Newton, dans son Optique, paraît hésitant entre la doctrine de l’ondulation et la doctrine de l’émission, et c’est, peut-être, ce qui rend cet ouvrage nettement inférieur à l’immortel Livre des principes. Quoi qu’il en soit des variations de sa pensée propre, les newtoniens se sont fermement attachés à l’idée d’émission : les corps lumineux émettraient des particules pourvues d’une pointe. Les milieux transparents seraient ceux que la pointe traverse, les réflecteurs seraient les surfaces sur lesquelles la pointe rebondit, comme une bille sur une bande de billard, et, soit dans la réflexion, soit dans la réfraction, les corpuscules lumineux suivraient toujours le plus court chemin, conformément au principe de mécanique appelé Principe de la moindre action (3).
Au commencement du xixe siècle, cette théorie de l’émission se trouva en présence de faits nouveaux de la plus haute importance, et qui étaient en contradiction avec elle.
L’on tenta de surajouter des hypothèses… force fut bien de se rallier à une autre théorie, d’aspect cartésien, la théorie des ondulations, ébauchée par Huyghens et Young, créée par Fresnel.
Auguste Fresnel écrivait, le 5 juillet 1814, à son frère Léonor : « Suivant le système de Newton, les molécules lumineuses s’élancent des corps radieux pour arriver jusqu’à nous. Mais n’est-il pas probable que, dans un corps qui lance de la lumière, les molécules lumineuses doivent être chassées avec plus ou moins de vitesse, puisqu’elles ne se trouvent pas toutes dans les mêmes circonstances ? Or, si l’on admet que les molécules lumineuses, en partant du soleil, par exemple, peuvent avoir différentes vitesses, il s’ensuit qu’elles peuvent avoir différents degrés de réfrangibilité… Il s’ensuivrait que les premiers rayons qui nous arriveraient après une éclipse de soleil seraient des rayons rouges. Or, d’après un calcul que j’ai fait, il s’écoulerait assez de temps entre l’arrivée des rayons rouges et des rayons violets pour que nous aperçussions la différence de couleur. Mais nous savons par l’expérience qu’il n’en est rien… Je suis fort tenté de croire aux vibrations d’un fluide particulier pour la transmission de la lumière et de la chaleur (4). »
La théorie de l’émission et celle des ondulations conduisent à des conclusions contradictoires relativement à la vitesse de la lumière. D’après la première, la vitesse serait plus grande dans l’eau que dans l’air. Foucault a prouvé par l’expérience que la lumière se propage moins vite dans l’eau que dans l’air (5).
Ce fut la condamnation définitive de l’ancienne théorie d’émission.
Une image assez bonne du phénomène ondulatoire acoustique nous est donnée par ces petits bourrelets circulaires d’eau qui s’agrandissent en s’affaiblissant progressivement à la surface d’un bassin, dans lequel nous avons jeté une pierre.
Mais, dans l’ondulation optique, la vibration serait, au contraire, transversale, perpendiculaire au rayon — en sorte que nous pouvons nous représenter un rayon lumineux comme un ruban d’éther agité, se déroulant droit devant lui, en serpentant.
L’éther vibrerait comme une corde, fixée par une extrémité, tendue primitivement, et à l’autre extrémité de laquelle on imprimerait une secousse brusque perpendiculaire à la direction primitive. L’on voit alors la corde dessiner des ondulations dans un plan.
L’éther, fluide répandu partout, dans les espaces interplanétaires comme dans les corps solides, serait élastique comme l’acier et si léger qu’un volume d’éther égal à celui de la terre ne pèserait que quelques kilogrammes.
« Cette théorie, disait M. Henry Poincaré (6), explique presque tous les faits actuellement connus en optique, et s’il en est quelques-uns qui échappent à une explication immédiate, il suffit de quelques modifications de détail dans les hypothèses de Fresnel pour en rendre compte… Dans la théorie de l’émission il y avait autant d’hypothèses que de faits à expliquer ; dans celle des ondulations, il y a, il est vrai, un certain nombre d’hypothèses, mais beaucoup moins que de faits expliqués. Il est donc probable que, quel que soit le sort réservé à la théorie de Fresnel, la plupart des résultats subsisteront toujours et que son étude restera toujours utile. »
Prenons, par exemple, ce fait très simple : un rayon lumineux traverse un écran par une fente extrêmement petite. Derrière l’écran, seule la région située dans le prolongement du rayon de lumière devrait être éclairée, d’après la théorie de l’émission.
Il n’en est rien ; toute une zone, derrière l’écran, devient lumineuse. Chacun voit que ceci pourra être fort bien en harmonie avec la théorie ondulatoire. Cette théorie explique bien aussi le phénomène d’interférence : de la lumière, superposée à de la lumière, peut produire de l’obscurité (7).
L’on ne voit pas deux émissions de même direction se détruisant réciproquement. L’on voit, au contraire, fort bien, deux vagues superposées s’annulant l’une l’autre si le faîte de l’une vient à coïncider avec la base de l’autre.
Dans ces dernières années, la théorie a reçu une magnifique confirmation : M. Lippmann, en matérialisant, pour ainsi dire, les ondes hypothétiques de Fresnel, a fait la photographie des couleurs (8).
Cependant, au milieu du xixe siècle, Maxwell faisait une autre synthèse théorique de la lumière.
Ampère et Fresnel avaient bien eu l’intuition de rapports intimes entre les phénomènes optiques et électriques, « mais la nature de ces rapports nous échapperait peut être encore si le génie de Maxwell ne l’avait devinée (9) ».
Un fil de cuivre laisse passer le « courant » d’une pile, il n’en est pas de même d’un fil de soie. L’ancienne physique disait que le premier fil est conducteur et que le second est diélectrique. L’on regardait les corps tels que le bois, la soie, le verre, comme plus résistants que les métaux. Maxwell a eu l’intuition que ce n’est pas « résistance plus grande » qu’il faut dire, mais bien : « résistance de nature différente ». À ses yeux, la résistance, très faible, des conducteurs est comparable à celle qu’oppose un fluide visqueux, et la résistance, très grande, des corps non conducteurs ou diélectriques est comparable à la résistance d’un ressort bandé.
Maxwell, se reprenant d’ailleurs plusieurs fois, se contredisant lui-même constamment, crée une électrostatique et une électrodynamique des diélectriques ; il étudie comment se propagent, avec ses hypothèses, les perturbations électriques créées par les vibrations périodiques d’un champ magnétique et il trouve que la vitesse de propagation doit être celle de la lumière. De là à affirmer que la lumière est due à une suite de courants alternatifs qui se propagent dans un éther diélectrique (substitué à l’éther élastique de Fresnel), courants qui changeraient de sens plusieurs millions de fois par seconde, il n’y avait qu’un pas à franchir et Maxwell l’a franchi avec une audace qui eût fait traiter de fou un homme médiocre (10).
L’œuvre de Maxwell est pleine d’incohérences logiques ; il a deviné le lien des phénomènes électro magnétiques et optiques et il n’a fait qu’esquisser une théorie rationnelle. Après sa mort, Hertz réalisa ces ondes dont il avait prophétiquement affirmé l’existence (11).
La théorie de Fresnel a eu comme consécration la photographie des couleurs ; — celle de Maxwell a trouvé son application pratique dans la télégraphie sans fil à laquelle le nom de M. Brauly restera attaché.
Et voici donc acquises deux conceptions satisfaisantes, très différentes mais équivalentes, en somme, des phénomènes lumineux. N’est-il point admirable que, dans l’intervalle d’un siècle à peine, une théorie ruinée, celle de l’émission, ait pu être deux fois remplacée ?
Mais l’histoire des idées scientifiques est plus belle encore. Il est des hommes, pour l’honneur et la gloire de l’humanité, des amants de la Nature, qui, penchés fiévreusement sur elle pour sentir son divin frémissement, amoureux du mystère qu’elle porte en son sein, désireux de se rapprocher d’elle, de l’étreindre, de s’identifier à son unité majestueuse et infinie, la contemplent activement avec toute la force de pensée qui est en eux…
Maxwell avait apporté, dans notre conception du Cosmos, plus d’unité, puisqu’il reliait l’optique à l’électricité. Une nouvelle école, à la tête de laquelle se trouve M. Lorentz, a rattaché tout récemment ces deux sciences à la chimie physique par une nouvelle théorie qui a pour but de mieux rendre compte de phénomènes, tels que l’aberration. Pour M. Lorentz, l’électricité adhère à la matière, et les phénomènes électriques sont dus à certaines petites masses matérielles très ténues et chargées d’électricité ; il appelle ces petits corps des ions ou électrons. La théorie de M. Lorentz a fait prévoir le phénomène de M. Zeemann où le magnétisme agissant sur une source lumineuse monochromatique vient la modifier dans la durée de sa période et la polariser.
C’est une nouvelle théorie d’émission qui renaît et à laquelle les découvertes récentes sur les rayons cathodiques, les substances radio-actives, etc., donnent un grand prix.
D’une ampoule vide, où jaillit l’étincelle électrique, sortent des rayons dits cathodiques, déviables par l’aimant et déchargeant les conducteurs électrisés.
Les physiciens ont tout de suite interprété ces rayonnements par l’hypothèse des électrons, tandis que l’interprétation par les ondes de Fresnel, très longues, ou par les ondes de Maxwell, très courtes, ne semble pas facile.
Il paraît inutile de donner plus d’ampleur au récit de « l’histoire des variations » des théories optiques.
L’on peut dire que les trois théories des ondes élastiques, des ondes électriques, des électrons, sont chacune à peu près satisfaisante.
De chacune une part demeurera et d’autres théories verront le jour…
Le spectacle de l’évolution des théories physiques ne mériterait-il pas d’appeler notre méditation profonde alors que nous avons devant les yeux ces trois conceptions scientifiquement équivalentes des phénomènes électro-optiques, par l’éther élastique, par l’éther diélectrique, par les ions ?
L’équivalence des conclusions de théories qui sont contradictoires entre elles dans leurs hypothèses fondamentales nous empêche absolument de voir dans aucune de ces théories une explication intégrale et définitive des choses.
Une théorie n’est donc qu’un langage destiné à traduire les rapports réels décelés par l’observation et l’expérience. Les trois théories optiques sont trois langages différents. Dans une recherche déterminée l’une des images est meilleure, celle qui est source plus féconde de découvertes.
Mais, oserait on parler de la vérité d’une théorie alors que la moindre éducation mathématique permet de saisir que le nombre des théories équivalentes en somme, et contradictoires dans leurs hypothèses essentielles, est illimité ?
Il ne nous paraît pas bien nécessaire d’insister sur ce point.
Une théorie de la science rationnelle est un système d’images, de symboles, qui synthétise le connu et sert de guide pour avancer vers l’inconnu, système rationnel qui, s’il a de la valeur, suggèrera l’idée de la recherche de faits nouveaux.
Il n’est pas question (12) « d’une adéquation de la pensée aux choses, mais d’une analogie ou proportion exacte entre les relations de nos symboles et celles qui existent dans les choses. » Notre langage scientifique doit donc être proportionné aux choses ; en outre, il devrait être d’une parfaite cohérence logique. Or, cela arrive-t-il en effet ?
Il faut bien avouer que non. L’incohérence logique est manifeste à la base de la mécanique. Pour rester dans le domaine de l’optique, nous remarquerons avec M. le Roy que la démonstration des deux lois de la réflexion exige que l’on ait un miroir plan. Et l’on construit précisément un miroir plan en s’appuyant sur les lois de la réflexion.
Il est ainsi, à la base des sciences physiques, certains cercles vicieux dont on ne peut logiquement sortir !
Et cependant l’ensemble de la science progresse de la manière la plus grandiose, la plus éclatante.
C’est qu’une théorie ne se dévide pas automatiquement comme un ruban, elle se déroule comme un grand combat où l’action a lieu constamment sur plusieurs points à la fois. Les parties en sont solidaires les unes des autres : une théorie est un organisme vivant.
M. P. Duhem (13) l’a, croyons-nous, nettement formulé le premier : une vérification expérimentale ne porte jamais sur une hypothèse, sur une loi isolée, mais toujours sur un ensemble inséparable d’hypothèses ou de lois.
Et, disons-le encore, l’on ne saurait jamais vérifier que tel ou tel système d’hypothèses est vrai absolument, mais seulement qu’il constitue un système de symboles acceptable, proportionné au réel.
M. Wilbois écrivait naguère : la Science ne nous révèle pas le fond des choses ; tout au plus nous révèle-t-elle le fond de nous-mêmes.
Examinons de plus près ces langages symboliques de la Science rationnelle. M. H. Poincaré disait au sujet du continu mathématique : « On est forcé de conclure que cette notion a été créée de toutes pièces par l’esprit, mais que c’est l’expérience qui en a fourni l’occasion ». Dans ses études magistrales sur les fondements de la géométrie, l’illustre savant a insisté encore sur le rôle créateur de l’esprit dans la science théorique. Ce rôle est très considérable dans la physique, et il faut lire l’œuvre philosophique de M. Gaston Milhaud (14) pour se bien pénétrer de ce qu’il y a de relatif dans le symbolisme des théories physiques, de ce qu’il y a de spontané dans les intelligences qui ont créé ces symboles : « Condillac lui-même, dit-il, a beau s’ingénier pour expliquer l’entendement par la seule sensation, il ne méconnaît pas tout ce qu’il y a d’actif dans les opérations intellectuelles et même tout ce qui implique jusqu’à un certain point le choix de la direction dans la formation des concepts ». M. Milhaud montre combien, en suivant trop à la lettre les conseils de Bacon et Comte, nous en arriverions, pour éviter l’erreur, à l’ « immobilité ». À la lumière des savantes études de M. Duhem il nous fait comprendre comment, si au lieu d’avoir été physiologiste il eût été physicien, Claude Bernard eut reconnu que « l’intervention de l’esprit dans l’expérience la plus simple d’optique ou d’électricité, par exemple, est déjà bien autre chose qu’une simple divination anticipée des phénomènes ».
Ici, bien plus nettement que dans ce qui précédait, apparaît la grandeur et la difficulté du problème philosophique qui surgit.
Ce n’est plus simplement l’induction toute subjective de la mathématique ! Ce n’est plus simplement, comme dans la mécanique, la difficulté du choix, comme point de départ, entre la force et l’énergie, deux éléments auxquels, dans les cas simples, l’on peut assigner une mesure.
Et ce n’est plus seulement le problème premier : « Des phénomènes semblables sont-ils toujours suivis de phénomènes semblables ? »
Il y a tout cela, mais il y a autre chose encore.
Nous parlons, dans l’optique, d’un éther élastique ou diélectrique que nul œil humain n’a vu, ou bien encore de mouvements cachés de petites masses invisibles, extraordinairement ténues, et chargées d’électricité…
La mécanique nous a habitués à parler de corps solides élastiques et nous imaginons un fluide élastique et sans masse appréciable !
La charge résiduelle du condensateur électrique nous a habitués à considérer comme fondamental le rôle des diélectriques (rôle autrefois tenu pour nul) et nous imaginons un éther diélectrique comme une lame de verre !
Les machines électrostatiques nous ont donné la notion, un peu fuyante, insaisissable logiquement, de masse électrique et la résistance des corps à notre action musculaire nous a invités à attribuer à tout volume géométrique de matière visible une masse mécanique.
Nous concevons alors des masses matérielles, dont la plus grande dimension est plus petite que le millième de millimètre, nous plaçons sur ces particules des masses électriques et ce seront les électrons dont les bombardements occasionneront les phénomènes optiques ou électriques !
En vérité, que faut-il penser de tout cela ? N’est-il pas effrayant d’accumuler ainsi, dans la science, les fantômes, les chimères, comme eut dit Auguste Comte ? Non point, doit-on dire, ces fantômes ne sont pas inquiétants, si nous les tenons pour ce qu’ils sont : une méthode.
Aujourd’hui il est devenu banal, grâce à la multiplicité infinie des théories équivalentes, de regarder les théories de la science rationnelle comme essentiellement relatives, comme des shèmes du réel, comme des langages proportionnés au donné.
Qui oserait aujourd’hui parler d’un langage adéquat ?
Nos idées actuelles sont, je ne dirai pas plus vraies, mais certainement mieux orientées qu’elles ne l’étaient il y a cinquante ans.
La même époque qui voulait démontrer le postulat des parallèles, dit postulat d’Euclide, a cru à la réalité absolue de l’éther, à la théorie mécanique cartésienne de la chaleur…
Elle n’a pas réussi, ayant été beaucoup trop aprioriste, ayant trop cru que la nature ne demandait qu’à venir se ranger dans les cadres construits par l’esprit. C’est le contraire qui a lieu et c’est nous qui, docilement, devons défaire et refaire indéfiniment nos cadres rationnels, si nous voulons serrer de plus en plus la réalité.
Descartes avait fait trop espérer, Comte voudrait nous faire trop désespérer.
Nous devons remercier ceux qui, sous l’influence plus ou moins directe de Kant, nous ont donné une meilleure orientation, MM. H. Poincaré, P. Duhem, G. Milhaud.
Index bibliographique
— Comptes Rendus du Congrès de Physique de 1900, 3 vol. Paris, Gauthier-Villars.
— Broca, La télégraphie sans fil, Paris, Gauthier-Villars.