Version classiqueVersion mobile

La fécondité des erreurs

 | 
Bernard Pourprix

Introduction

Texte intégral

1Le XIXe siècle est, selon la formule consacrée, « le siècle du progrès ». Avec l’invention des machines thermiques et électriques s’ouvre une ère nouvelle. La révolution industrielle s’accompagne de changements théoriques importants, comme en témoignent tout particulièrement les sciences nouvelles de l’électrodynamique et de la thermodynamique. Ces progrès remarquables impliquent des révisions conceptuelles importantes.

2Quand débute le XIXe siècle, l’influence de Newton est encore considérable, notamment en France, où domine la grande figure de Pierre-Simon de Laplace. Mais la physique laplacienne, malgré ses succès incontestables, est annonciatrice de la crise du modèle newtonien. Celui-ci, au cours du siècle, de l’invention de la pile de Volta (1800) à la découverte du quantum d’énergie de Planck (1900), perd progressivement le statut éminent qu’il avait acquis au siècle précédent, celui d’une véritable vision du monde.

3Vers 1800, le newtonianisme, au moins dans sa version laplacienne, apparaît comme un bloc : c’est à la fois une mécanique, une physique et un système du monde. Tous les phénomènes de la nature sont censés être réductibles à des actions mécaniques conçues sur le modèle de l’attraction entre les astres, c’est-à-dire des forces centrales, et la considération de ces actions doit servir de base à la mathématisation. Cette « vision astronomique » des phénomènes naturels est battue en brèche par la découverte de nouveaux faits. Deux d’entre eux sont d’un intérêt capital. La découverte d’Oersted, en 1820, qu’un courant électrique change l’orientation d’une aiguille aimantée, la fait tourner, invalide la généralité de la notion de force centrale. Puis la découverte de l’équivalent mécanique de la chaleur, par Mayer et Joule, dans les années 1840, non seulement sonne le glas du calorique matériel, mais aussi fait apparaître au grand jour la faille d’une mécanique qui ne maîtrise pas les lois du choc des corps. Dès lors, la force au sens newtonien ne cesse de perdre de l’importance et se trouve supplantée par un concept nouveau, celui d’énergie. Et quand le newtonianisme s’est délité sous l’action du temps, c’est la physique de l’énergie qui fournit le cadre conceptuel unificateur.

4Pourtant, tout le long du siècle, les idées newtoniennes continuent d’exercer une influence et de manifester leur fécondité. Par exemple, Ampère construit sa théorie électrodynamique (1827) en appliquant à des éléments de courant la loi de Newton d’action entre les masses. Autre exemple, Helmholtz établit une première formulation du principe de la conservation de l’énergie (1847) en faisant la jonction entre les deux voies traditionnelles de la dynamique, celle de Newton et celle de Leibniz. Autre exemple encore, Thomson (lord Kelvin) et Tait, dans leur Traité de philosophie naturelle (1867), se présentent comme des « restaurateurs » de Newton, allant jusqu’à prétendre que l’une de ses lois du mouvement, celle appelée loi de l’action et de la réaction, constitue la première formulation de la loi de la conservation de l’énergie en physique. Ainsi Newton n’est pas rejeté en bloc, mais le newtonianisme est passé du rang de système à celui de pièces détachées. On peut maintenant se permettre de faire un tri dans une doctrine dont toutes les pièces n’ont pas vieilli au même rythme, et dont certaines, paraissant moins erronées que d’autres, sont encore utilisables, après rectification si nécessaire.

5Quand les physiciens construisent leurs théories, ils associent, en général, trois sortes d’éléments : conceptuel, mathématique, expérimental. C’est sur le premier de ces éléments que nous avons choisi d’attirer l’attention. La grille conceptuelle à travers laquelle sont vus les phénomènes occupe, dans la phase d’élaboration d’une théorie, une position clé : c’est elle qui détermine le choix des hypothèses les plus vraisemblables, des principes les plus simples et évidents, des observations et des expériences les plus significatives. L’objet principal de cet ouvrage est de montrer que des grilles conceptuelles reconnues comme fausses par la science d’aujourd’hui ont pourtant joué un rôle majeur dans l’histoire des théories dynamiques.

6À vrai dire, la notion de grille conceptuelle recouvre deux idées différentes. Elle comprend, en premier lieu, ce que nous appellerons les conceptions du monde et de la science du chercheur, c’est-à-dire les principes philosophiques et épistémologiques qui sous-tendent les différentes composantes de son activité scientifique et les mettent en cohérence. Les conceptions « statiques » et « dynamiques » du monde, rencontrées à plusieurs reprises dans ce livre, en sont des exemples typiques ; nous montrerons que le passage des premières aux secondes est un des traits caractéristiques de la physique du XIXe siècle. La notion de grille conceptuelle s’applique aussi, en second lieu, à une phase bien définie de la pratique scientifique, celle de la conceptualisation proprement dite. C’est la conceptualisation des phénomènes de l’électricité et de la chaleur qui, dans ce livre, retiendra plus particulièrement notre attention.

7Il y a, en général, une correspondance parfaite entre conceptualisation et conception du monde. Par exemple, dans le cas de la physique laplacienne, la conceptualisation des phénomènes de la chaleur, de l’électricité, etc. est liée à une conception statique du monde. La théorie matérielle de la chaleur explique un phénomène thermique par l’hypothèse d’une substance, le calorique, dont la simple présence, c’est-à-dire la présence statique, au repos, produit le phénomène. Quant aux nouveaux phénomènes de la pile voltaïque, ils sont interprétés dans le seul cadre conceptuel existant, celui de l’électricité au repos, appelé aujourd’hui électrostatique. Avec la naissance de l’électrodynamique, puis de la thermodynamique, se développeront de nouvelles manières de conceptualiser les phénomènes, qui seront le reflet du passage à une conception dynamique du monde.

8Cet ouvrage est subdivisé en trois parties. La première partie, sur la construction de l’électrodynamique, présente les principales étapes des recherches sur le « mouvement » de l’électricité avant la découverte du principe de la conservation de l’énergie. Le mot « mouvement » désigne ici, soit le changement selon le lieu, soit la transformation d’une force naturelle en une autre. Les recherches électrochimiques de Joule, effectuées dans un cadre conceptuel erroné, et menant pourtant à la détermination de l’équivalent mécanique de la chaleur, font transition avec la deuxième partie. Dans celle-ci, nous décrivons quelques noeuds historiques concernant les fondations du principe de la conservation de l’énergie, depuis la « querelle des forces vives » jusqu’à l’idée de « dissipation de l’énergie » introduite par Thomson. La troisième partie est consacrée à l’examen du développement de la physique de l’énergie et du nouveau paradigme dynamique dans la seconde moitié du siècle, depuis l’invention, par Thomson et Tait, d’une nouvelle figure de Newton, celle de fondateur de la science de l’énergie, jusqu’à la découverte inattendue de la discontinuité de l’énergie par Planck, en passant par l’exploration de la localisation et du mouvement de l’énergie, en quelque sorte réifiée, par les successeurs de Maxwell. La troisième partie permet aussi de mesurer l’ampleur de la crise du mécanisme traditionnel dans les deux dernières décennies du siècle : cette période est à la fois celle du surgissement de nouvelles visions non-mécaniques du monde, plus ou moins éphémères, comme les visions énergétiques et électromagnétiques, et celle de la gestation d’une nouvelle science, mécanique et probabiliste, la physique statistique, qui se développera au siècle suivant.

  • 1 Notre approche se distingue donc radicalement des tentatives « positivistes » de reconstruction lo (...)

9On pourrait être tenté de considérer l’histoire des idées dynamiques comme un mouvement qui suit une voie bien déterminée, un progrès dans une direction donnée. Mais on comprendra vite, à nous lire, que l’existence d’un tel chemin n’est qu’une illusion. En fait, la science ne fonctionne pas de cette façon. Ce n’est pas une séquence linéaire, et il n’y a pas, en conséquence, quelque chose qui serait le « chaînon manquant »1. Notre ouvrage est principalement constitué d’études de cas, dans lesquelles nous suivons des chercheurs au travail. Ce qui nous intéresse au premier chef, chez un chercheur reconnu, plus que l’œuvre achevée, consacrée par les pairs et par l’usage, c’est l’œuvre en cours d’élaboration. C’est une entreprise souvent incertaine, à l’aspect foisonnant, buissonnant, rarement linéaire, où le vrai et le faux peuvent se côtoyer. Il n’est pas rare que des idées qui se révéleront périssables, en particulier celles de l’héritage statique, jouent pourtant un rôle important dans l’élaboration d’une œuvre et, paradoxalement, favorisent le développement du paradigme dynamique destiné à les supplanter. Le cas de Thomson est, à cet égard, exemplaire : c’est parce qu’il peine à surmonter l’obstacle épistémologique des conceptions statiques, et qu’il commet des erreurs, que Thomson est mieux armé que d’autres pour découvrir et maîtriser la notion de « dissipation de l’énergie » dans les phénomènes irréversibles. Par ailleurs, dans le procès d’élaboration d’une œuvre, une démarche de tâtonnement, par essais et erreurs, est fréquemment observée, tout comme celle qui consiste à s’appuyer sur les erreurs des autres, pour s’en démarquer. Cela vaut particulièrement pour Planck, sur le plan épistémologique comme sur le plan scientifique, dans sa reconstruction de la thermodynamique comme dans son étude du rayonnement de la chaleur, dont la découverte des quanta est l’aboutissement imprévu.

10L’énergie, concept central du paradigme dynamique, a été dans l’histoire, et reste aujourd’hui dans l’enseignement, un des concepts physiques les plus difficiles à construire. Il est une illustration exemplaire du grand écart entre la pensée naturelle et la pensée scientifique. Le sens commun voudrait que l’énergie soit aussi réelle qu’une substance. Soutenant que la force n’a certainement pas plus de réalité objective que le calorique, Thomson et Tait affirmaient, dans l’introduction de leur Traité de philosophie naturelle, que « l’énergie est aussi réelle et aussi indestructible que la matière ». Comment comprendre cette phrase ? N’a-t-elle pas conforté dans leur interprétation ceux qui, comme Ostwald et les « énergétistes » à la fin du siècle, voyaient dans l’énergie une réalité substantielle, et même la seule véritable substance ? L’énergie conçue comme substance est probablement une erreur nécessaire, un obstacle épistémologique bien identifiable, contre lequel il est possible de lutter et qui peut être surmonté. Mais quelle autre représentation doit-on lui substituer ?

11Nous verrons que la définition scientifique de l’énergie, tout comme l’énoncé du principe de la conservation de l’énergie, n’a pas été unique. Il en est une qui a connu un succès durable, bien qu’elle fût porteuse de représentations erronées : c’est celle de l’énergie comme capacité à produire du travail. On la trouve encore, entourée de son cortège d’idées fausses, dans la plupart des manuels scolaires du milieu du XXe siècle. La chaleur y est présentée comme une forme d’énergie qui peut se transformer en travail ; les transformations de chaleur en travail, et vice versa, font partie de la longue liste des transformations mutuelles des différentes formes d’énergie. Pourtant, dès les années 1850, la notion même de transformation de chaleur en travail ou de travail en chaleur a été contestée. Les développements de la thermodynamique et de l’électromagnétisme, dans le dernier quart du XIXe siècle, ont fait de l’énergie une « fonction d’état », c’est-à-dire une grandeur caractéristique de l’état d’un système, et ont mis en avant l’idée de « transfert d’énergie » entre systèmes, la chaleur et le travail étant désormais conçus comme des modes de transfert d’énergie. On peut trouver étonnant que l’expression vicieuse de « transformation de travail en chaleur » soit encore utilisée de nos jours. Cette façon de s’exprimer, pourtant incorrecte, est couramment employée, parce qu’elle permet de simplifier le langage. Mais ce n’est pas toujours d’un simple abus de langage qu’il s’agit : cette expression témoigne aussi que les concepts d’énergie et de transfert d’énergie sont mal maîtrisés par les non-spécialistes. D’ailleurs, cette nouvelle manière de voir n’a commencé de pénétrer dans l’enseignement scolaire français que depuis deux ou trois décennies seulement. Cependant, il ne nous semble pas illusoire d’espérer, par l’examen des difficultés conceptuelles rencontrées au cours de l’histoire, faire reculer ces résistances, toujours actuelles, au progrès des idées dynamiques. La réussite de ce pari, qui est peut-être le véritable ressort de notre ouvrage, serait une marque supplémentaire de la fécondité des erreurs.

Notes

1 Notre approche se distingue donc radicalement des tentatives « positivistes » de reconstruction logique d’une œuvre ou de représentation structuraliste de la connaissance.

© Presses universitaires du Septentrion, 2010

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

Cette publication numérique est issue d’un traitement automatique par reconnaissance optique de caractères.
Rechercher dans OpenEdition Search

Vous allez être redirigé vers OpenEdition Search