Chapitre IV. Théophraste et Straton

12.4. Successeurs d’Aristote à la tête du Lycée, Théophraste et Straton continuent de s’intéresser au monde minéral, mais renoncent à l’hypothèse de départ du Stagirite : aux exhalaisons, ils préfèrent le mélange d’eau et de terre. En revanche, ils insistent sur l’aspect structural et on perçoit plus d’une fois un écho des Atomistes.

2Les œuvres particulières que Théophraste et Straton avaient consacrées aux métaux ont péri1. Il faut se contenter de fragments et d’allusions, qui ne sont pas toujours aussi explicites que nous le souhaiterions.

32.4.1. Dès le début de son De lapidibus, Théophraste situe sa position par rapport à son maître2 :

τῶν ἐν τῇ γῇ συνισταμένων τὰ μέν ἐστιν ὕδατος τὰ δὲ γῆς. ὕδατος μὲν τὰ μεταλλευόμενα ϰαθάπερ ἄργυρος ϰαὶ χρυσòς ϰαι τἆλλα, γῆς δὲ λίθος τε ϰαὶ ὅσα λίθων εἴδη περιττότερα, ϰαὶ εἴ τίνες δὴ τῆς γῆς αὐτῆς ἰδιώτεραι φύσεις εἰσὶν ἤ χρώμασιν ἢ λειóτησιν ἢ πυϰνότησιν ἢ ϰαὶ ἄλλῃ τινὶ δυνάμει, περὶ μὲν οὖν τῶν μεταλλευομένων ἐν ἄλλοις τεθεώρηται.

« Parmi les corps qui s’agrègent dans la terre, les uns sont de l’eau, les autres de la terre. D’eau sont les métaux, comme l’argent, l’or et le reste. De terre est la pierre, y compris les espèces de pierres plus précieuses et certaines variétés de terre qui se distinguent par la couleur, le poli, la dureté ou quelque autre propriété. Pour ce qui est des métaux, on en a fait l’étude ailleurs. »

4D’entrée de jeu, les idées sont nettes : Théophraste maintient le terme μεταλλευόμενα et admet qu’il y a là un groupe cohérent de corps. Dans le De igne, la désignation χυτὰ ϰαὶ ἐλατά3, dans laquelle il englobe le plomb, l’étain et le cuivre, paraît remonter au Stagirite, à cette différence près que la malléabilité n’est plus un succédané de la fusibilité (ἢ), mais une propriété indépendante (ϰαὶ), de sorte que la notion de métal repose à présent sur deux propriétés au lieu d’une. Ces corps se forment par durcissement d’un agrégat (σύστασις)4 à l’intérieur de la terre. Mais il n’y a plus la moindre trace des deux exhalaisons d’Aristote, au point qu’à première vue, Théophraste semble rejoindre Platon5, puisque ses métaux sont tout simplement faits d’eau. Rien d’étonnant donc que le plomb soit dur et froid, puisqu’il n’est, en définitive, qu’une forme d’eau congelée6. Le cuivre et le fer aussi sont froids, mais ils sont encore plus durs. Quand on les chauffe, ils ne coulent pas, mais deviennent rouges et gardent la chaleur très longtemps. Un passage du De igne semble expliquer cela par la présence de l’élément terreux7, mais aussi par le serré de la structure, ce qui était déjà le cas chez Démocrite (à propos du même problème) et chez Platon.

5C’est une originalité de Théophraste d’avoir mis l’accent sur la structure des composés, c’est-à-dire sur la façon plus ou moins lâche dont les différentes « briques » sont assemblées. Ainsi le phénomène de liquéfaction, qui concerne toute sorte de corps, mais surtout les métaux, n’est plus un changement de rapport dans le mélange où le chaud remplacerait le froid : c’est un simple relâchement de la structure de la matière. La chaleur, représentée matériellement par les particules de feu, pénètre dans les pores et délie la structure du corps qui (métal ou autre) coule. De même, le métal fondu se resserrera quand la chaleur lui sera enlevée8. Cette théorie, assez moderne, est exposée de façon remarquable au chapitre 42 du De igne :

εἰς δὲ τὰς τήξεις τò ὑγρòν ἀχρεῖον. Αἴτιον δὲ ὅτι τò τηϰτòν ὕδατος ὂν φύσει ξηρᾶς δεῖται θερμότητος εἰς τὴν διάλυσιν. τò γὰρ ὅμοιον ὑπò τοῦ ὁμοίου ἀπαθές, ἅμα δὲ ϰαὶ ἡ ἀσυμμετρία τῶν πόρων ἐναντιοῦται πρòς τò μὴ δέξασθαι. μεγαλομερὲς γάρ. Οὐχ οἶóν τε δὲ ἄνευ τοῦ ὑγροῦ χωρισθὲν εἰσιέναι τò θερμόν. ἔτι δὲ ἀσθενέστερον <ἢ> ὥστε διοῖξαι τοὺς πόρους, πυϰνῶν ϰαὶ συνεχῶν ὄντων τῶν ἔξωθεν, διὰ δὴ τοῦθ’ἡ ξηρὰ θερμότης ἀρμόττει πρὸς τὰς τήξεις ϰαὶ αὐτὴ λαμβάνουσά τινα συμμετρίαν. εἰ γὰρ πλείων, ἐϰϰαίει. τὰ δὲ ϰαὶ ὅλως ϰαταϰαίει πρὶν εἰς διάλυσιν ἀγαγεῖν.

« Pour les fusions, la (chaleur) humide9 est inutile. La cause en est que le fusible, étant par nature fait d’eau, nécessite une chaleur sèche pour sa dissolution, car le semblable n’est pas affecté par le semblable10. En même temps, l’asymétrie des pores fait obstacle à sa pénétration, car la chaleur humide a de grosses molécules11, et il n’est pas possible que, sans l’humidité, la chaleur séparée de l’humidité y entre. En outre, elle est trop faible pour ouvrir les pores, l’extérieur étant dur et continu. C’est pourquoi la chaleur sèche s’adapte aux fusions, elle aussi en prenant une certaine proportion. Car si elle est trop forte, elle brûle. Parfois elle détruit certains corps par combustion avant de les dissoudre. »

6Cependant, la différence entre les métaux et les autres mixtes de terre et d’eau reste assez floue, les différences de structures n’expliquant pas tout. A ce sujet, P. Steinmetz a très habilement reconstitué une théorie qui aurait pu être celle de Théophraste, si elle ne l’a été : dans la nature, aucun élément n’existe seul12. Il faut donc admettre que l’eau métallique contient des proportions plus ou moins grandes des autres éléments. En outre, Théophraste semble admettre que chaque élément possède plusieurs εἴδη, en relation avec la régularité de forme et de taille des particules constituantes (μέρη)13. Par conséquent, on peut faire l’extrapolation prudente que les différences entre, d’une part, les métaux individuels et, d’autre part, entre le groupe des métaux et les autres mixtes d’éléments, ne s’expliquaient plus seulement par les types et structures de mélanges, mais aussi par le degré de pureté de l’εἴδος correspondant14.

7Le fait est que, dans des cas particuliers, l’embarras de Théophraste est manifeste. Comme ses devanciers, il s’est heurté au fait que certaines pierres se comportent au feu exactement comme des métaux, c’est-à-dire fondent à la chaleur et se solidifient au froid. Il aborde le problème au paragraphe 9 du De lapidibus :

ϰατὰ δὴ τὴν πύρωσιν oἱ μὲν τήϰονται ϰαὶ ῥέουσιν ὥσπερ οἱ μεταλλευτοί. ῥεῖ γὰρ ἅμα τῷ ἀργύρῳ ϰαὶ τῷ χαλϰῷ ϰαὶ σιδήρῳ ϰαὶ ἡ λίθος ἡ ἐϰ τούτων, εἴτ’οὖν διὰ τὴν ὑγρότητα τῶν ἐνυπαρχόντων εἴτε ϰαὶ δι’ αὐτούς, ὡσαύτως δὲ ϰαὶ οἱ πυρόμαχοι ϰαὶ οἱ μυλίαι συρρέουσιν οἶς ἐπιτιθέασιν οἱ ϰαίοντες. οἱ δὲ ὅλως λέγουσι πάντας τήϰεσθαι πλὴν τοῦ μαρμάρου, τοῦτον δὲ ϰαταϰαίεσθαι ϰαὶ ϰονίαν ἐξ αὐτοῦ γίνεσθαι.

« Quant au traitement au feu, certaines pierres fondent et coulent, comme par exemple les pierres extraites des mines. En effet, avec l’argent, le bronze et le fer, la pierre qui en provient coule, soit à cause de l’humidité de ses constituants, soit à cause des métaux. De même, les pierres pyrimaques et les pierres meulières fondent avec les corps sur lesquels les fondeurs les placent. D’autres disent que toutes les pierres fondent sauf le marbre. Celui-ci est calciné, et à partir de lui se forme une cendre. »

8Il y a donc deux sortes de pierres qui fondent : les pierres extraites des mines, c’est-à-dire la gangue qui se retrouve dans la scorie des métaux15 et, d’autre part, deux pierres volcaniques utilisées comme fondants en métallurgie16. Comment ces pierres peuvent-elles fondre ? Théophraste propose deux explications qui conviennent chacune aussi bien à la gangue qu’aux fondants. D’abord, ces pierres peuvent fondre parce qu’elles contiennent de l’eau. On sait que, pour Théophraste, les pierres sont faites de terre et d’eau17. Il faut donc que ces corps contiennent plus d’eau que de terre18. Il faut aussi que la pierre ait une structure assez lâche19. Mais lorsque la pierre ne contient pas ces constituants humides, pourquoi coule-t-elle ? Théophraste suggère δι’ αὐτούς : la gangue ou le fondant se liquéfie à cause du métal qui est de l’eau ; la pierre est entraînée dans la fusion du métal20. Il en va de même pour la terre qui contient différents corps fusibles : elle coule avec eux21.

9Enfin, Théophraste a fait sur les métaux plusieurs observations intéressantes, dont il ne paraît pas avoir tiré de conséquences théoriques. Ainsi, quand il observe que l’engourdissement provoqué par la torpille marine se transmet à travers un trident de fer, il est encore loin de l’idée de conductibilité électrique, car il affirme que l’influx traverse aussi le bois (lequel était vraisemblablement mouillé)22. Il observe aussi que le cuivre, l’argent et le verre forment des miroirs concentrant les rayons du soleil pour allumer un feu, sans avoir l’idée d’éclat métallique, mais en associant le verre aux métaux23 comme on l’a déjà vu. Le polygraphe persan al-Biruni lui attribue des considérations sur les poids spécifiques comparés du plomb, de l’argent et de l’or, mais le texte, trop mal transmis, ne permet aucune utilisation24.

10Il s’est également intéressé à l’effet des grands froids sur la structure des métaux, étude en corrélation avec ses recherches sur les effets de la chaleur. En effet, le fragment 264 du Traité des métaux rapporte que l’étain celtique fond aisément, et fond même dans l’eau froide25. Le chapitre 17 du De igne affirme que dans la région pontique, quand le froid est intense26, les métaux subissent des altérations : l’étain et le plomb fondent et le bronze se brise27. Le phénomène observé est partiellement exact. Il est connu sous le nom de peste de l’étain. « L’étain blanc ordinaire, à caractère métallique, possède une structure cristalline unique, dans laquelle chaque atome est entouré de six voisins proches. Aux températures inférieures à 18° C, cet étain blanc se transforme lentement en une modification allotropique non métallique, l’étain gris, qui a la structure du diamant, chaque atome ayant quatre voisins auxquels il est lié par des liaisons covalentes simples. Aux très basses températures, vers — 50° C, la vitesse de cette transformation est suffisamment grande pour que des objets en étain métallique puissent quelquefois se réduire en poudre d’étain gris28. »

11Pour expliquer le phénomène, Théophraste recourt à la notion aristotélicienne l’ἀντιπερίστασις29 : le froid ambiant concentre la chaleur dans l’objet et cette chaleur excessive en disloque la structure30. Assez paradoxalement, c’est donc le même mécanisme que dans la fusion.

12En fait, le plomb et le bronze ne subissent pas de dislocation31. Il faut penser qu’une fois admis le principe de l’ἀντιπερίστασις, Théophraste en a généralisé l’application et a étendu abusivement la portée d’une seule observation, au demeurant exacte.

13En résumé, Théophraste marque un progrès sur certains points particuliers. Il a remis au premier plan des questions de structure grâce à une théorie corpusculaire qui rappelle Démocrite et Platon. Bien que nos métaux soient un bloc technologique bien constitué, il rend imparfaitement compte de leur nature et n’utilise pas des observations nouvelles de leurs propriétés.

142.4.2. Il semble que les questions relatives au monde minéral aient intéressé le Lycée à la fin du iv^e siècle et au début du iii^e, puisque Diogène Laërce32 met au compte de Straton de Lampsaque un traité que les philologues ont d’abord lu περὶ μεταλλιϰῶν μηχανημάτων, mais qu’ils appellent maintenant περὶ τῶν μεταλλιϰῶν en considérant μηχανιϰόν comme un titre distinct33. De cet ouvrage, il ne reste absolument rien. F. Wehli34 et M. Gatzemeier35 pensent qu’il avait un contenu médical et traitait des médicaments minéraux (μεταλλιϰὰ φάρμαϰα). De tels médicaments sont connus depuis le Corpus Hippocratique, encore que la dénomination n’en soit pas attestée avant Mégès de Sidon. C’est toutefois possible. Il reste qu’on pourrait voir dans τὰ μεταλλιϰά une désignation des métaux, avec un effort de néologie parallèle à la spécialisation de τὰ μεταλλευόμενα chez Aristote et chez Théophraste. Mais on ne voit pas pourquoi Straton se serait écarté d’une désignation déjà reçue dans l’Ecole. Quoi qu’il en soit, c’est la preuve que le Physicien de Lampsaque s’est intéressé aux substances minérales.

15La perte de ce traité est d’autant plus regrettable que Straton, dans le cadre d’une philosophie de la nature à tendance corpusculaire, mettait, comme Théophraste, l’accent sur la structure des composés. Ainsi, s’il excluait le vide au niveau cosmique36, il semble avoir admis une espèce de vide au niveau intermoléculaire37, ce qui lui permettait d’expliquer dureté, dilatation, fusion, compression, conductions diverses.

16On peut se faire une idée des corollaires de ce principe en métallographie par la préface des Pneumatiques d’Héron d’Alexandrie (i^er s. apr. J.-C), où H. Diels a dégagé une influence de Straton, dont l’étendue est toutefois discutée38.

17Un des fragments de Straton discernables chez Héron est consacré à la structure de l’adamas39 :

οὐχ ὑποληπτέον οὖν ἐν τοῖς οὖσι ϰενοῦ τινα ἀθροὰν αὐτὴν ϰαθ’ἑαυτὴν ὑπάρχειν, παρεσπαρμένην δὲ ϰατὰ μιϰρά μόρια τῷ τε ἀέρι ϰαὶ τῷ ὑγρῷ ϰαὶ τοῖς ἄλλοις σώμασιν, εἰ μὴ ἄρα τὸν ἀδάμαντα μόνον μὴ ϰοινωνεῖν εἴποι τις τῇ τοῦ ϰενοῦ φύσει διὰ τò μήτε πύρωσιν ἐπιδέχεσθαι μήτε διαϰόπτεσθαι, τυπτόμενον δὲ εἰς τοὺς ἄϰμονας ϰαὶ τὰς σφύρας ὅλον ἐνδύεσθαι. τοῦτο δὲ αὐτῷ παραϰολουθεῖ διὰ συνεχῆ πυϰνότητα, τὰ γὰρ τοῦ πυρòς σώματα παχυμερέστερα ὄντα τῶν ἐν τῷ λίθῳ ϰενῶν οὐ παρεισέρχεται, ἀλλὰ μόνον ἐπιψαύει τῆς ἐϰτòς ἐπιφανείας, διόπερ μὴ προϰατεισδύνοντα ἐντòς ϰαθάπερ ἐπὶ τῶν ἄλλων σωμάτων οὐδὲ δέχεται θερμότητα.

« Il ne faut donc pas admettre que dans les êtres une nature continue de vide existe par elle-même, mais que le vide est dispersé en petites parcelles dans l’air, l’humide et les autres corps, à l’exception, dirait-on, de l’adamas, qui n’aurait pas de part au vide, parce qu’il n’admet pas l’action du feu et ne se laisse pas briser, mais, frappé, s’incruste tout entier dans les enclumes et les marteaux. Il possède cette propriété à cause de son serré continu, car les particules de feu, étant plus épaisses que les vides de la pierre40, n’y pénètrent pas, mais effleurent seulement sa surface extérieure. C’est pourquoi ils ne pénètrent pas à l’intérieur41 comme dans les autres corps, et il ne reçoit pas la chaleur. »

18C’est donc exactement la même explication de la structure que dans le Timée de Platon, et la même explication de la chaleur que dans le De igne de Théophraste.

19En revanche, tous les autres corps recèlent de pareils vides, qui expliquent, par exemple, que la lumière traverse l’eau42. Le fragment 66 explique par là le mélange de vin et d’eau43, le fait que l’on peut voir la flamme d’une lampe à travers une autre, et il ajoute44 :

ἀλλὰ μὴν ϰαὶ διὰ τοῦ χαλϰοῦ ϰαὶ διὰ σιδήρου ϰαὶ τῶν ἄλλων ἀπάντων διεϰπίπτει σωμάτων, ϰαθάπερ ϰαὶ τò ἐπὶ τῆς νάρϰης τῆς θαλαττίας γινόμενον.

« Il est même possible de pénétrer à travers le cuivre, le fer ou toute autre matière, comme cela se produit dans le cas de la torpille marine. »

20Théophraste avait déjà observé la transmission de l’influx de la torpille45. L’originalité de Straton est de la concevoir comme un transport de particules et de lier sa transmission à la structure du corps conducteur.

21Dans la même perspective stratonienne, Philon de Byzance s’efforcera d’expliquer l’élasticité des métaux46. Aux chapitres 39 à 50 de ses βελοποιιϰά, il rapporte les recherches de Ctésibios pour remplacer, dans les ressorts des engins de jet, les matières organiques (nerf, poil) par des métaux47, et ses propres tentatives pour reconstituer le χαλϰότονος de Ctésibios qu’il ne connaît qu’indirectement48.

22Philon préconise des lames de ressort en bronze, constituées d’un alliage de cuivre et d’étain (3 %) très purs, et soumises à un long martelage à froid sur une forme incurvée. Ces lames, couplées, constitueraient l’élément résilient49.

23A l’objection que le fer et le bronze, une fois courbés, ne reviennent pas à leur position de départ comme la corne et certains bois, il répond par l’exemple des épées des Celtes et des Espagnols, que les armuriers font ployer pour éprouver leur élasticité50. Il s’agit évidemment de fer aciéré en surface par cémentation et doux à l’intérieur, ou, mieux encore, de lames en damas soudé, faites de plusieurs lames différemment carburées51. Mais Philon, qui ne connaît pas les combinaisons du fer et du carbone, attribue cette élasticité à la pureté du métal et aux martelages à froid, nombreux, modérés et réguliers52. C’est ce qui lui fait supposer qu’un traitement analogue donnera au bronze les mêmes propriétés. Voici sa justification théorique53 :

αἱ μὲν οὖν πυρώσεις τόν τε σίδηρον ϰαὶ τòν χαλϰòν μαλαϰύνουσιν ἀραιουμένων τῶν σωμάτων, ὥς φασιν, αἱ δὲ ψύξεις ϰαὶ ϰροτήσεις σϰληρύνουσιν. ἀμφότερα γὰρ αἴτια γίγνεται τοῦ πυϰνοῦσθαι τὰ σώματα συντρέχοντων τῶν μορίων πρòς ἄλληλα ϰαὶ τῆς τοῦ ϰενοῦ περιπλοϰῆς54 αἰρομένης. ἐϰροτοῦμεν οὖν ψυχρὰς τὰς λεπίδας ϰατὰ ἀμφότερα τὰ μέρη, ϰαὶ οὕτως τὰς ἐπιφανείας αὐτῶν συνέβαινε σϰληρὰς γίνεσθαι, τò δὲ μέσον διαμένειν μαλαϰòν διὰ τò μὴ διιϰνεῖσθαι τὴν πληγὴν ϰατὰ βάθος ἐλαφρὰν οὖσαν, ϰαθάπερ οὖν ἐϰ τριῶν σωμάτων ἐγίνοντο συγϰείμεναι, δύο μὲν σϰληρῶν, ἐνὸς δὲ μέσου μαλαϰωτέρου.

« Les passages au feu amollissent le fer et le bronze en relâchant leurs particules, comme on dit, tandis que les refroidissements et les martelages les durcissent. Les deux sont, en effet, causes du resserrement des corps, car les particules se rapprochent et l’entrelacs du vide est supprimé. Nous avons donc martelé les lames à froid des deux côtés, et ainsi il se fit que leur surface devint dure, tandis que le centre restait doux parce que le coup, étant faible, n’allait pas en profondeur. Ainsi les lames étaient constituées en quelque sorte de trois corps, deux durs et un, celui du milieu, plus mou. »

24L’explication est évidemment fausse puisque la trempe du bronze, loin de le durcir, le rend simplement malléable à froid55. Toutefois, l’intérêt scientifique du texte est grand : Philon lie l’élasticité du métal à une dualité dans sa structure et il reconnaît que le fer, soumis à certains traitements, acquiert en surface une structure différente.

25Pour le reste, c’est l’explication traditionnelle (ὥς φασιν), formulée en termes de molécules : le feu relâche la structure du métal56. Le resserrement qui suit est dû à deux causes (ἀμφότερα) : d’abord le martelage qui est, en somme, une compression plus ou moins profonde ; ensuite la trempe, c’est-à-dire l’expulsion par le froid des particules de feu, entraînant les particules de métal à reprendre leur place primitive, soit par horror vacui57, soit par la pression de l’air extérieur.

26Philon représente donc un des rares points de convergence entre les connaissances empiriques des forgerons et la « métallographie » théorique des nouveaux atomistes.