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La fécondité des erreurs

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Bernard Pourprix

Première Partie. La construction de l’électrodynamique

Texte intégral

I. LA DECOUVERTE DU GALVANISME ET DE L’ÉLECTROMAGNÉTISME

1Les premières découvertes sur le mouvement de l’électricité et ses transformations, dans la période 1790-1820, marquent une étape importante, non seulement dans la science de l’électricité, mais aussi, plus généralement, dans l’histoire des idées dynamiques. Malgré une apparente résistance, la vision statique du monde essuie de sérieux revers.

Le paradigme statique menacé

2L’histoire commence dans un laboratoire italien, vers 1790. Le physiologiste Luigi Galvani (1737-1798) constate que les muscles des cuisses de grenouille, isolées du reste du corps après la mort, se contractent sous l’influence du passage de l’électricité dans les nerfs. Puis il découvre que les contractions des muscles se produisent aussi au contact d’un circuit métallique, sans intervention d’une source d’électricité extérieure, ce qui donne à penser que l’organisme de la grenouille est lui-même une source d’électricité. Ces contractions manifesteraient l’existence d’une électricité animale, qui serait le principe actif de la physiologie. Ce travail est aussitôt critiqué par le physicien Alessandro Volta (1745-1827). Celui-ci repousse l’interprétation physiologique de Galvani. Il pense que le « galvanisme » est dû à la seule action physique des éléments métalliques mis en œuvre dans les expériences. Il identifie l’agent responsable de ce phénomène au fluide électrique ordinaire, lequel prendrait naissance au contact de deux métaux différents. Cette « hypothèse du contact » s’appuie sur un fait dûment constaté : quand il met en contact deux disques métalliques différents, par exemple l’un en argent et l’autre en zinc, les faces libres se chargent d’électricités de signes opposés. Volta pense que le fluide électrique passe de l’argent au zinc, se raréfie dans l’un et se condense dans l’autre. Il mesure à l’électromètre la différence des pressions (ou tensions) du fluide électrique entre les deux faces libres et montre qu’elle est spécifique du couple métallique considéré.

3En 1800, Volta invente la pile électrique. C’est un empilement alterné de couples métalliques identiques et de pièces de carton humidifiées ; le rôle présumé de ces dernières est simplement de conduire le fluide électrique et d’éviter l’annulation de l’effet additif des couples métalliques. Volta constate que, dès qu’il fait communiquer par un conducteur les deux pôles de la pile, de puissants effets sont produits (décomposition chimique, effets calorifiques, etc.), qui sont la somme des effets des couples. Pour rendre compte de ces effets, il crée la notion de « force électrique motrice » (aujourd’hui force électromotrice), qui a pour rôle de propulser en permanence le fluide électrique dans le « cercle galvanique ».

  • 1 C’est l’idée que développe A. Benseghir, « Formation des concepts d’électrocinétique. Un point de v (...)

4Cette conception proprement dynamique tranche avec les idées statiques habituelles. Aussi les physiciens français de l’Institut, auprès desquels Volta défend en 1801 sa théorie du contact, vont-ils s’empresser de réinterpréter les travaux de Volta dans le cadre conceptuel qui leur est familier, celui de la « science de l’électricité », ancêtre de l’actuelle électrostatique. Ils soutiennent que les lois du fluide galvanique résultent de la propriété répulsive des molécules qui le composent, et que ces lois sont les mêmes que celles de l’électricité qu’ils connaissent bien, l’électricité de friction, produite dans la machine électrostatique, par frottement d’un disque de verre. Ils considèrent la pile voltaïque comme rien d’autre qu’une bouteille de Leyde (le premier condensateur). Jusqu’à la découverte de l’électromagnétisme par Oersted en 1820, ils s’efforcent obstinément de produire des effets chimiques et magnétiques à partir des pôles d’une pile isolée. Et quand ils relient les pôles par un conducteur, ils croient que la situation est analogue à celle d’une bouteille de Leyde en décharge. On le voit, la prégnance du cadre conceptuel de l’électricité statique fait obstacle à la formation de l’électrodynamique1.

5L’interprétation statique n’est pas limitée aux seuls phénomènes de l’électricité. L’idée que le repos serait plus naturel que le mouvement est présente dans tous les domaines. Elle est typique de la physique française du début du XIXe siècle, souvent appelée physique laplacienne. C’est l’époque où le newtonianisme atteint son apogée, avec des noms célèbres : en premier lieu Laplace (1749-1827), mais aussi Berthollet, Biot, Poisson, Cauchy, etc. La physique laplacienne occupe une position dominante, hégémonique, entre 1800 et 1815 environ. Ses succès sont considérables. Les laplaciens donnent une impulsion décisive à la mathématisation dans toutes les branches de la physique. Or cette physique s’accompagne d’une vision du monde qui, rétrospectivement, apparaît bien archaïque, sinon erronée, comme en témoignent ses présupposés substantialistes, mécanistes et statiques.

  • 2 Sur l’obstacle substantialiste en tant qu’obstacle épistémologique, voir par exemple : G. Bachelard (...)

6Le présupposé substantialiste consiste à penser que les différents types de phénomènes physiques doivent être attribués à la simple présence de différents types de fluides impondérables (ne pouvant pas être pesés, n’ayant pas d’effet sur la balance). On pense que les phénomènes de la chaleur, de l’électricité, de la lumière, etc. sont produits par autant d’agents physiques spéciaux : on admet une substance de la chaleur, une substance électrique, une substance de la lumière, etc. On conçoit ces substances comme constituées de corpuscules de matière : les laplaciens ont des conceptions atomistes. Cette prolifération de substances impondérables est la manifestation tangible de l’erreur substantialiste2.

7Le présupposé substantialiste s’accompagne d’un présupposé mécaniste. Les particules impondérables sont les supports matériels indispensables à l’application des lois de la mécanique newtonienne. La philosophie naturelle laplacienne est une philosophie mécanique conçue sur le modèle de la mécanique céleste. Laplace a une « vision astronomique » de tous les phénomènes naturels, ceux du monde microscopique comme ceux du monde macroscopique. Son programme de recherche en physique moléculaire repose sur l’illusion que tous les phénomènes sont réductibles à des mécanismes élémentaires mettant en jeu des forces centrales, attractives et répulsives, entre particules pondérables et impondérables :

  • 3 P.-S. Laplace, Note ajoutée au « Mémoire sur les mouvements de la lumière dans les milieux diaphane (...)

[...] j’ai cherché à établir que les phénomènes de la nature se réduisent en dernière analyse à des actions ad distans de molécule à molécule, et que la considération de ces actions doit servir de base à la théorie mathématique de ces phénomènes.3

8Aux présupposés substantialiste et mécaniste s’ajoutent des présupposés statiques. Les laplaciens conçoivent les divers types de phénomènes (la gravitation, l’électricité, le magnétisme, etc.) comme indépendants, sans influence l’un sur l’autre, cloisonnés. Cette conception statique des phénomènes se double d’une conception statique de la constitution intime des corps. Prenons un exemple, celui d’un gaz contenu dans un récipient fermé. Aujourd’hui nous pensons que ce gaz est constitué de molécules en mouvements incessants et que chaque molécule peut passer par n’importe quel point du récipient. Nous avons une conception cinétique depuis que les physiciens ont élaboré, dans les années 1850, la théorie dynamique (devenue ensuite théorie cinétique) des gaz. Mais les laplaciens ont une conception bien différente. Leurs molécules sont fixes aux nœuds d’un réseau régulier, comparable à un réseau cristallin. Elles sont fixes, car les forces répulsives entre leurs « atmosphères » de calorique (substance de la chaleur) font équilibre aux forces attractives entre leurs « noyaux » de matière pondérable. Ainsi l’état naturel des molécules est-il un état de repos. Certains, comme Henri Navier (1785-1836), pensent même que l’équilibre a lieu dans chaque couple de molécules :

  • 4 H. Navier, « Note relative à la question de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastique (...)

Je reproduis ici la comparaison, parfaitement exacte, du corps dans l’état naturel avec un système dans un état d’équilibre stable. Considérons deux molécules quelconques : elles sont en équilibre, parce que leur attraction détruit leur répulsion mutuelle, et leur distance actuelle se maintient. De plus, cet équilibre est stable : car entreprenez de changer cette distance, puis abandonnez les deux molécules à elles-mêmes, vous aurez fait naître une force qui, après une suite d’oscillations, ramènera les molécules à leur distance primitive. Un corps n’est que l’ensemble d’une infinité de systèmes de cette nature.4

9Une fois écartées de leurs positions d’équilibre, les molécules y reviennent après une suite d’oscillations, et le mouvement est purement et simplement perdu... Le mode d’explication mécanique et statique de la physique laplacienne ignore totalement l’idée de conservation du mouvement, de la force vive ou de l’énergie, sur laquelle reposera le futur paradigme dynamique.

Les premiers succès de la philosophie dynamique

10Dans le monde germanique des années 1790-1830, le mode d’explication mécanique des phénomènes est complètement discrédité. Kant (1724-1804) en est en grande partie responsable. Dans la Critique de la raison pure (1781), et surtout dans les Premiers principes métaphysiques de la science de la nature (1786), il s’est fait le défenseur de la « vraie » voie de la connaissance, la voie « dynamique » ou « dynamiste », qui explique tous les phénomènes physiques par la combinaison de forces primitives d’attraction et de répulsion :

  • 5 I. Kant, Metaphysische Anfangsgründe der Naturwissenschaft, 1786, Premiers principes métaphysiques (...)

En ce qui concerne la méthode appliquée en science naturelle au plus important de tous les problèmes, à savoir l’explication de la diversité spécifique des matières possible à l’infini, on ne peut choisir que deux voies : la voie mécanique qui explique par la combinaison du plein absolu ou du vide absolu toutes les diversités de la matière, ou bien la voie dynamique qui lui est opposée et qui les explique par la simple différence dans les combinaisons des forces primordiales : répulsion et attraction. Le premier moyen a pour matériaux de sa déduction les atomes et le vide. [...] Un atome dans la mesure où, par sa figure, il se distingue spécifiquement d’autres atomes, se nomme corpuscule premier. Un corps (ou corpuscule) dont la force motrice dépend de la figure, s’appelle machine. La théorie qui explique la diversité spécifique des matières par la constitution et la composition de leurs plus petites parties, en tant que machines, s’appelle philosophie mécaniste de la nature. Mais celle qui dérive la diversité spécifique de la matière non des matières en tant que machines, simples instruments de forces extérieures, mais des forces motrices qui leur sont propres primitivement, c’est-à-dire l’attraction et la répulsion, peut être dénommée philosophie dynamiste [ou dynamique] de la nature. [...] Or, pour introduire une explication dynamiste (qui est bien plus conforme à la philosophie expérimentale et lui est aussi plus profitable puisqu’elle conduit directement à découvrir les forces motrices propres de la matière et leurs lois, tout en supprimant la liberté d’admettre des intervalles vides et des corpuscules primitifs diversement figurés, car ces deux choses ne peuvent être déterminées, ni découvertes par quelque expérience), point n’est besoin de forger de nouvelles hypothèses. Il suffit, en effet, de réfuter le postulat de l’explication purement mécaniste, à savoir qu’il est impossible de concevoir une différence spécifique dans la densité des matières sans introduire des espaces vides, en indiquant une manière de la concevoir sans contradiction.5

11Suivant Kant, la matière ne remplit pas l’espace en raison d’une impénétrabilité absolue de ses parties, propriété mystérieuse imaginée par les mécanistes, mais par une force répulsive dont le degré peut être différent dans des matières différentes. Si les corps possédaient seulement une force répulsive, ils seraient infiniment distants l’un de l’autre. Comme ce n’est manifestement pas le cas, ils doivent posséder aussi une force attractive. Mais la force répulsive n’a rien de commun avec la force attractive : alors que celle-ci est conforme à la quantité de matière, celle-là peut être originairement différente suivant le degré dans les différentes matières, la force attractive demeurant identique. Notre concept de substance n’est rien d’autre que notre concept de force. Nous sommes avertis sur la substance seulement par l’intermédiaire des forces ; nous ne connaissons pas d’autre propriété constituant le concept de substance. La substance attire vers elle d’autres objets (attraction), ou bien les empêche de pénétrer en elle (répulsion). Ces deux forces de base (Grundkräfte) sont fondamentales pour notre compréhension de la nature. La physique a justement pour tâche d’expliquer la diversité des phénomènes en ces termes.

12Il ne faut pas voir là de simples hypothèses physiques, opposées à celles du mécanisme. Deux conceptions du monde et de la science s’affrontent. Certes, les laplaciens sont, eux aussi, convaincus que l’idée d’une unité des forces élémentaires fournit un fondement solide pour une investigation systématique de la nature. Mais, chez Kant, c’est de théorie de la connaissance qu’il s’agit. L’idée de « totalité » comme système connecté par des lois nécessaires est toujours présupposée dans la connaissance de chaque chose. Les concepts de la raison pure ne sont pas dérivés de la nature ; au contraire, nous interrogeons la nature en accord avec ces idées a priori, et considérons notre connaissance comme imparfaite aussi longtemps qu’elle n’est pas en adéquation avec elles. Le mode d’explication dynamique a pour fondement épistémologique l’emploi régulateur des idées de la raison pure. C’est pourquoi ce mode d’explication est présumé être l’expression de la « vérité ».

13Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) est le premier à rendre productive la philosophie dynamique de Kant. Un peu avant l’invention de la pile voltaïque, il intervient dans la controverse entre Galvani et Volta. Il montre expérimentalement que le galvanisme n’est pas une propriété de l’animal, mais l’effet d’une force chimique : la force chimique peut être transformée en force galvanique, et vice versa. Ritter est un fervent kantien. Il conçoit sa découverte de l’électrochimie comme une corroboration de la théorie dynamique, la première preuve empirique décisive de la capacité de transformation des forces. La prétention de la théorie mécanique à incorporer les forces dans des fluides matériels impondérables lui semble indéfendable. Cependant, à côté de ses recherches physiques réelles, Ritter se laisse aller à des spéculations hasardeuses, comme dans sa Démonstration de l’existence d’un galvanisme permanent accompagnant le processus vital dans le règne animal (1798), ouvrage considéré comme un essai sur le galvanisme universel. Au prix d’une extrapolation radicale, le galvanisme devient le principe de l’intelligibilité universelle de l’organisme cosmique, constitué comme une immense chaîne galvanique embrassant la totalité du réel :

  • 6 W. Ritter, cité par Georges Gusdorf, Le savoir romantique de la nature, Paris, Payot, 1985.

Il est impossible qu’elle [la chaîne galvanique] ne s’étende pas partout dans la totalité de la Nature. Où y a-t-il un soleil, où y a-t-il un atome qui n’en soit pas une partie, qui n’appartienne pas à cette totalité organique, qui ne vit en aucun temps, car elle embrasse en soi tous les temps ? Que reste-t-il donc comme différence entre les parties du tout, entre l’animal, la plante, le métal et la pierre ? Ne sont-ils pas tous des parties constitutives du grand animal universel, de la Nature ? Une loi générale de la Nature, jusqu’ici non reconnue, semble briller devant nous. Et la suite montrera peut-être qu’il s’agit là de bien plus que d’une apparence.6

14À côté de cet essai de Ritter sur le galvanisme universel, l’Introduction à la première esquisse d’un système de la philosophie de la nature (1799) de Schelling donne l’impression d’un travail d’amateur. Alors que Ritter construit une science de ses propres mains, celui que l’on regarde comme le fondateur de la Naturphilosophie compile un savoir emprunté ici et là, qu’il organise en fonction de ses présupposés métaphysiques. La physique spéculative de Schelling n’inspire pas la même confiance que la physique pratique de Ritter, laquelle opère non sur des abstractions, mais sur des expériences. Il n’est donc pas étonnant que Ritter soit considéré comme le génie de la Naturphilosophie par Novalis et ses amis.

15Plein d’espoir dans la théorie dynamique, Ritter entreprend une autre recherche d’importance. Dans le but de prouver l’existence du galvanisme cosmique, il construit une « pile » qui, selon lui, se charge sous l’effet des « pôles galvaniques » de la Terre, tout comme une boussole répond au magnétisme terrestre. Le nouvel instrument est reproduit à Paris en 1802 par un allié de Ritter, le danois Hans Christian Oersted (1777-1851). Mais les laplaciens ne trouvent pas l’expérience convaincante. Ritter et Oersted ne s’estiment pourtant pas défaits. En 1803, Ritter imagine une autre expérience, dont le but est cette fois de mettre en évidence l’interaction supposée entre le galvanisme et le magnétisme. C’est l’idée d’une analogie entre polarité galvanique et polarité magnétique, jointe à celle de la conversion des forces dans la pile galvanique, qui le conduit à rechercher cette sorte d’interaction. L’expérience échoue, mais il est probable que la découverte de l’électromagnétisme par Oersted en 1820 est inspirée, en partie, par cette expérience manquée.

  • 7 E.F.F. Chladni (1756-1827) étudie notamment les vibrations des plaques, localisant les nœuds et les (...)

16À partir de 1804, Ritter et Oersted cherchent de nouvelles méthodes pour arriver à saisir empiriquement les forces et leurs connexions. Au contact de poètes passés maîtres dans l’art du symbolisme et de l’expression linguistique, ils sont de plus en plus séduits par l’idée de communication entre l’homme et la nature au moyen de symboles, hiéroglyphes, métaphores, allégories, etc. Les signes qu’ils trouvent utiles pour approcher les forces dynamiques en général, et l’électricité en particulier, sont les figures électriques de Lichtenberg et les figures acoustiques de Chladni. L’interprétation galvanique que Ritter et Oersted donnent de ces figures constitue une pièce essentielle de leur cosmologie dynamique en gestation7.

17Leur attention se tourne ensuite vers la chimie. La force galvanique, conçue comme la force universelle fondamentale, est censée pénétrer tous les corps comme tous les phénomènes de la nature. Les processus chimiques sont un effet du galvanisme, et vice versa. En 1806, Oersted fait état, dans le Journal de Physique, de ses premières recherches électrochimiques. Sa conviction que les forces chimiques et électriques sont au fond identiques se renforce, et il publie à Berlin en 1812, puis à Paris en 1813, ses Recherches sur l’identité des forces chimiques et électriques. Dans l’introduction de ce mémoire, Oersted compare l’état de la chimie à celui de la mécanique avant Galilée, Descartes, Huygens et Newton. Une grande quantité de faits ont été rassemblés, mais il manque l’essentiel : il faut maintenant chercher à réduire tous les effets chimiques aux forces primitives qui les produisent, et introduire les mathématiques, qui permettront de déterminer les relations quantitatives, les directions et les formes effectives des forces en jeu. Alors seulement la chimie atteindra la même unité et la même perfection que la mécanique, et elle deviendra une véritable science.

18Bien qu’il adhère à la philosophie dynamique kantienne, Oersted développe sa propre version des forces de base (Grundkräfte). Il remplace les forces d’attraction et de répulsion de Kant par deux forces chimiques, celle de pouvoir combustible (Brennkraft), comme dans les substances combustibles et les alcalis, et celle de pouvoir comburant (Zündkraft), comme dans l’oxygène et les acides. Ces deux forces primitives s’étendent au monde entier, elles sont à la base de toutes les actions qui se manifestent dans la nature. Oersted utilise ces idées pour expliquer les processus physiques à l’œuvre dans la pile voltaïque. Il commence par expliquer comment la force électrique est propagée. L’électricité ne s’écoule pas comme un fluide, mais se propage plutôt comme une onde :

  • 8 H.-C. Oersted, Recherches sur l'identité des forces chimiques et électriques, tr. M. de Serres, Par (...)

[Elle se propage] par une sorte de décompositions et recompositions continuelles, ou plutôt par une action qui dérange l’équilibre à chaque instant, et le rétablit à l’instant suivant. On pourrait exprimer cette succession de forces opposées qui existe dans la transmission de l’électricité en disant que l’électricité est toujours propagée d’une manière ondulatoire.8

19Les réactions chimiques dans la pile s’expliquent de la même façon. Les éléments chimiques sont une combinaison des deux forces fondamentales. La stabilité d’un élément chimique dépend de l’équilibre dynamique entre ses forces constituantes. Quand cet équilibre est perturbé par une force électrique, la perturbation parcourt la pile comme une onde, en décomposant sur son passage les éléments, qui retournent alors à leur état d’équilibre. Les forces électriques et chimiques sont donc mutuellement convertibles. Leur manifestation dépend du maintien ou de la cessation d’un équilibre dynamique. Ainsi la supposition d’une dualité de forces fondamentales permet, selon Oersted, d’expliquer la conversion d’une sorte de phénomène physique en un autre apparemment tout à fait différent. Et cette vue n’est pas limitée aux seuls phénomènes électrochimiques. Oersted soupçonne en effet l’existence d’autres relations de conversion :

  • 9 Ibid., p. 238.

Il sera nécessaire de voir si l’électricité dans son état le plus latent n’a pas une certaine action sur un aimant. L’expérience ne sera pas sans difficulté, parce que l’action électrique tendra toujours à se mélanger avec elle et à rendre l’observation très compliquée.9

20On sait ce qu’il advient. En avril 1820, Oersted montre expérimentalement qu’une aiguille aimantée est déviée de sa position d’équilibre par l’action d’un appareil galvanique et que cet effet se produit quand le circuit est fermé et non quand il est ouvert. Trois mois après, il met en évidence deux autres faits expérimentaux : si les extrémités du conducteur, reliées aux pôles de la pile, sont inversées, l’aiguille aimantée dévie du même angle, mais en sens inverse ; si des substances diverses sont interposées entre le conducteur et l’aiguille, l’angle de déviation de cette dernière n’est pas modifié. Ces expériences, qui marquent la naissance de l’électromagnétisme, sont aujourd’hui bien connues des lycéens. Il est toutefois regrettable qu’elles servent bien souvent à renforcer l’image empiriste et inductiviste de la science et de l’activité scientifique que véhicule notre système éducatif. Car il faut le dire nettement : Oersted n’a pas découvert par hasard, en 1820, des faits évidents et parlant d’eux-mêmes, indépendamment de toute théorie préalable. Oersted est très clair sur ce point, expliquant plus tard comment lui est venue l’idée que l’électricité pouvait produire un effet magnétique dans l’espace environnant le conducteur :

  • 10 H.-C. Oersted, cité par T. Shanahan, « Kant, Naturphihsophie, and Oersted’s discovery of electromag (...)

Ceci était strictement rattaché à ses autres idées [il parle ici à la troisième personne] ; car il ne considérait pas la transmission de l’électricité dans un conducteur comme un courant uniforme, mais comme une succession d’interruptions et de rétablissements d’équilibre, de telle manière que les puissances électriques dans le courant n’étaient pas en équilibre paisible, mais dans un état de conflit continuel. De la même manière que l’effet lumineux et thermique du courant électrique sort dans toutes les directions, d’un conducteur qui transmet une grande quantité d’électricité, il pensait que l’effet magnétique pouvait pareillement rayonner.10

  • 11 Ce point de vue est défendu par : T. Shanahan (voir note précédente); D.-C. Christensen, « The Oers (...)

21La croyance d’Oersted en l’unité fondamentale des forces de la nature joue un rôle capital dans sa découverte de l’électromagnétisme comme dans ses recherches électrochimiques. Comme cette croyance est également partagée par le mouvement romantique de la Naturphilosophie, plusieurs historiens des sciences ont cru voir dans l’œuvre d’Oersted celle d’un Naturphilosoph. Cette thèse est maintenant contestée : même si Oersted a fréquenté des Naturphilosophen (eux aussi influencés par Kant), ses découvertes semblent plutôt illustrer la fécondité scientifique de la philosophie dynamique de Kant, en particulier pour ce qui concerne la conceptualisation des changements mutuels des puissances de la nature11.

22Les expériences d’Oersted en 1820 marquent un nouveau départ pour l’électrodynamique. Elles entraînent les scientifiques à reconnaître la légitimité d’une étude spécifique de l’électricité en mouvement et de ses effets. Ohm et Ampère contribuent grandement aux premiers succès de l’entreprise.

II. OHM ET LA MATHÉMATISATION DES PHÉNOMÈNES GALVANIQUES

23De 1825 à 1827, le physicien allemand Georg Simon Ohm (1789-1854) établit les premières lois quantifiées du circuit galvanique, particulièrement celle que nous appelons aujourd’hui la loi d’Ohm U =RI, et il élabore la première théorie mathématique unifiée des phénomènes de conduction électrique dans les métaux. Ses travaux, riches de possibilités de développements, reposent pourtant, en grande partie, sur des bases conceptuelles erronées.

La découverte de la loi du courant

24Pour apprécier l’œuvre d’Ohm à sa juste valeur, il faut avoir une idée du contexte dans lequel elle s’inscrit. Dès l’invention de la pile de Volta, le galvanisme donne lieu à une controverse animée entre les tenants de deux hypothèses rivales sur la production de l’électricité galvanique (ou voltaïque). Les tenants de l’« hypothèse chimique » pensent que les actions chimiques et électriques dans la pile sont produites par une même cause : l’activité chimique dans la pile, parce qu’elle entraîne une perturbation dans l’état d’équilibre des molécules des corps, doit être la cause du dégagement d’électricité. Les partisans de l’« hypothèse du contact » soutiennent, au contraire, que l’activité chimique dans la pile n’est qu’un effet du passage de l’électricité. Ils admettent que des métaux différents ont des attractions inégales pour les deux fluides électriques. Lorsque deux métaux sont en contact (soit direct, soit indirect par l’intermédiaire d’un liquide conducteur), leurs attractions inégales provoquent une séparation des deux électricités : le fluide positif se porte sur l’un des métaux, et le fluide négatif sur l’autre.

25Mais, au delà de leur controverse sur l’origine de l’électricité galvanique, les deux camps partagent un même cadre conceptuel, celui de l’« électricité de friction », appelé aujourd’hui électrostatique. Ils posent le problème du galvanisme en mettant l’accent sur la production de l’électricité dans la pile plutôt que sur sa propagation dans les conducteurs. Ils tentent d’expliquer le galvanisme au moyen des concepts de l’électrostatique. Si la pile est isolée, l’accumulation d’électricité aux pôles leur fait acquérir un état de tension, positive pour l’un, négative pour l’autre ; la différence algébrique de ces tensions est identifiée à l’intensité statique obtenue au moyen de la machine électrostatique. Si, maintenant, les bornes de la pile sont reliées par un conducteur métallique, l’intensité statique est censée disparaître ; ce phénomène est encore mal distingué de la décharge d’un appareil électrostatique comme la bouteille de Leyde, ancêtre du condensateur.

26En 1820, Oersted constate que l’électricité voltaïque peut produire la déviation d’une aiguille aimantée, ce qui est impossible avec l’électricité de friction. Ampère propose alors de distinguer les effets dus à l’intensité statique de ceux dus à l’électricité en mouvement, créant du même coup ce qu’il appelle l’« électrostatique » et l’« électrodynamique ». Une expérience paraît illustrer parfaitement l’indépendance de ces effets. Une pile voltaïque en circuit fermé engendre un courant qui produit une action magnétique M sur une aiguille aimantée. Plusieurs piles identiques à la première, mises en série dans le même circuit, produisent encore approximativement la même action magnétique M, alors que la force électromotrice est notablement plus grande (la qualité des piles n’a cessé de s’améliorer depuis lors, et ce résultat semble de nos jours étonnant). Ainsi l’intensité statique d’une pile, qui correspond à ce que nous appelons aujourd’hui sa force électromotrice, et l’intensité du courant qu’elle engendre apparaissent, à cette époque, comme deux grandeurs indépendantes. C’est l’un des mérites d’Ohm d’avoir su dissiper cette illusion.

27Le trait dominant des premiers travaux d’Ohm est leur caractère empirique. Le circuit, alimenté par une source (pile hydroélectrique, puis thermocouple), est fermé par un fil métallique de longueur variable. Les « forces galvaniques » se manifestent par leur action sur l’aiguille magnétique d’une balance de torsion, spécialement construite par Ohm, sur le modèle de celle de Coulomb. Aujourd’hui nous disons que l’aiguille de la balance, placée au voisinage du fil, dévie sous l’action du champ magnétique produit par le courant circulant dans le fil. Plus la longueur du fil est grande, plus l’angle de déviation est faible. Ohm réussit à établir une relation entre les différents angles de déviation et les différentes longueurs de fil. Or, dans cette relation, figure une grandeur qui ne dérive manifestement pas de ses expériences : Ohm a « des raisons de croire » que la déviation dépend aussi de la « tension électrique de la force », donc de la « force excitante », appelée aujourd’hui force électromotrice de la source. Il propose l’équation X =a/(b+x), qui « représente de manière très satisfaisante » ses résultats de mesure ; « X désigne l’intensité de l’action magnétique sur le conducteur dont la longueur est x, a et b étant des constantes dont la valeur dépend respectivement de la force excitante et de la résistance à la conduction de la partie restante de la chaîne [source comprise] ».

28Ainsi sont reliés, dans une même formule, deux phénomènes radicalement distincts aux yeux de nombreux galvanistes, un phénomène statique, l’électricité de tension, et un phénomène dynamique, l’électricité de courant. En heurtant de front ceux pour qui la force d’excitation, conçue comme la force qui sépare les électricités aux deux pôles de la source, n’a rien à faire avec la quantité d’électricité qui s’écoule dans le conducteur extérieur à la source, la loi d’Ohm permet de franchir un obstacle épistémologique considérable. Pourtant, cette innovation majeure repose en partie sur une base conceptuelle douteuse.

La conception électroscopique

29Nous l’avons dit, Ohm ne se livre pas à une étude expérimentale méthodique de l’influence de la force d’excitation de la source. Au départ, il a seulement « des raisons de croire » à cette influence. Sa conviction s’affermit ensuite, et l’amène à faire une découverte théorique majeure :

  • 12 G.-S. Ohm, « Versuch einer Theorie der durch galvanische Kräfte hervorgebrachten elektroskopischen (...)

J’ai été heureux de découvrir [...] à partir de ce qui est généralement admis et dans cette région de faits supérieurs, que nous avons l’habitude de désigner par le nom de tension électrique entre des corps de nature différente, avec l’aide des mathématiques, ce merveilleux moyen de pensée, deux lois éclairant la liaison intime de tous les éléments agissant effectivement dans la chaîne galvanique, [lois] qui redonnent de façon précise et pourtant simple tous les faits trouvés antérieurement, et en outre qui semblent contenir en elles ce qui reste encore à désirer.12

30Ohm affirme maintenant que chaque partie élémentaire d’un circuit peut être caractérisée par l’« intensité » de l’électricité qui s’y trouve. Cette grandeur, mesurable à l’électromètre (ou électroscope), est appelée par lui « force électroscopique » en un point, elle correspond à ce que nous appelons aujourd’hui le potentiel. Ohm montre que la force électroscopique varie linéairement d’un bout à l’autre du conducteur cylindrique. Cette distribution de l’électricité fournit la clef d’une compréhension complète des phénomènes galvaniques. Il s’agit là d’une découverte fondamentale. C’est dans cette publication qu’on trouve les énoncés des deux lois du circuit galvanique :

I = k (S/L) a
u
(x) = a (x/L) + c

31 I désigne l’intensité du courant, u(x) la force électroscopique à l’abscisse x, k le pouvoir de conduction ou conductibilité électrique, S la section et L la longueur du conducteur ; a est la « tension » (Spannung) à ses extrémités ; c désigne une force électroscopique constante, indépendante de x. La première de ces équations est la nouvelle formulation de la loi I =U/R.

  • 13 Le mémoire d’Ohm, Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (Berlin, 1827, réédité par M. Sänd (...)

32Ainsi Ohm réussit-il à déterminer avec précision ce qui reste constant (le courant) et ce qui décroît graduellement (la force électroscopique) le long du conducteur. Il réussit à assembler des faits qui, jusqu’alors, paraissaient dispersés, sans lien organique. Ces deux lois peuvent paraître empiriques, dans la mesure où elles sont directement testables. En réalité, il semble difficile de les dissocier de la théorie qu’il est en train d’élaborer, la Théorie mathématique du circuit galvanique, qu’il publie dès l’année suivante. Cette théorie renferme la démonstration de ses deux lois. Elle constitue la forme la plus élaborée de sa conception électroscopique des phénomènes galvaniques13.

33Suivant cette conception, chaque point d’un circuit galvanique est caractérisé par sa force électroscopique. Cette grandeur mesure l’intensité de l’électricité en ce point (ne pas la confondre avec l’intensité du courant), tout comme la température mesure l’intensité de la chaleur. Et de même que la température est définie en chaque point d’un corps, la force électroscopique a son siège dans l’intérieur même du conducteur. Si la force électroscopique est une force phénoménale, mesurable à l’électroscope, elle est aussi la manifestation d’une cause plus profonde, d’une force inscrite au niveau élémentaire. C’est dans la « théorie électro-chimique » des corps (celle d’Ampère, plutôt que celle de Berzelius) que G.-S. Ohm puise l’essentiel de ses idées sur la constitution de la matière :

  • 14 G.-S. Ohm, Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet, Berlin, 1827, Anhang, « Ueber die chemis (...)

D’après cette théorie, les corps composés sont considérés comme résultant de la combinaison de parties constituantes qui se trouvent dans des états électriques différents, ou qui, en d’autres termes, possèdent des forces électroscopiques différentes. Mais il y a cette différence entre la force électroscopique qui réside dans les parties constituantes des corps et celle que nous avons jusqu’ici considérée, que la première est liée intimement à la nature des éléments corporels, et qu’elle ne peut passer de l’un à l’autre sans que le mode d’existence (die Art des Seins) des parties corporelles soit complètement changé [...] Ici se présente une distinction tout à fait analogue à celle que l’on a établie pour la chaleur, lorsque l’on a distingué la chaleur latente et la chaleur libre. Pour abréger le langage, nous appellerons de même électricité liée la force électroscopique qui réside dans les éléments des corps, qui est inhérente à la nature de leurs parties constituantes, et dont celles-ci ne peuvent se séparer sans cesser d’exister, et nous nommerons électricité libre la force électroscopique qui n’est pas indispensable à la constitution des corps et qui peut, en conséquence, passer d’un élément à l’autre sans que pour cela les parties isolées perdent leur mode d’existence spécifique.14

34Ces considérations permettent de comprendre le mode de développement de l’électricité au contact de deux corps hétérogènes. Il s’établit aux points de contact des deux corps une « tension » (Spannung) constante, c’est-à-dire une différence électrique constante entre leurs forces électroscopiques. La mise en contact libère une force primordiale, qui ensuite se propage dans les conducteurs. Selon toute apparence, la force électroscopique est douée de la propriété de substantialité : elle emplit l’espace sans avoir besoin d’un substrat matériel. Il est vraisemblable que, pour construire son concept de force électroscopique, Ohm part de présupposés dynamistes, puisés dans le réservoir des conceptions germaniques, celles des Naturphilosophen aussi bien que celles de Kant.

35La force électroscopique peut se déplacer d’un corps à un autre, ou d’un endroit à un autre d’un même corps. Quand deux éléments corporels identiques, situés à une distance convenable l’un de l’autre, possèdent des forces électroscopiques inégales, ils manifestent une tendance mutuelle vers l’état d’équilibre : l’un perd en force précisément autant que l’autre gagne. Ohm se représente la propagation de l’électricité galvanique comme un passage de force électroscopique d’un élément à l’autre, de l’élément qui contient plus de force vers celui qui en contient moins. C’est cette représentation qui sous-tend son « principe de transmission de la force électroscopique », ou « principe de l’action électrique », posé au croisement des deux voies, synthétique et analytique, qu’il emprunte successivement.

36Un certain nombre de faits sont connus, faits spéciaux ou « faits supérieurs ». Il reste encore à les réunir sous un point de vue unitaire. Le pas décisif que fait maintenant Ohm est fait en qualité de physicien théoricien, qui porte sur la scène un principe unificateur hypothétique, le « principe de l’action électrique ». Ce principe contient deux hypothèses, sans compter celle de l’existence même de la force électroscopique en chaque point. Il y a d’abord la supposition que l’action électrique d’un élément corporel ne s’étend pas au delà des éléments qui l’entourent immédiatement, de sorte que cette action devient nulle pour toute distance finie, quelque petite qu’elle soit ; de toute évidence, cette hypothèse du contact ou de l’action contiguë diffère essentiellement de celle de Laplace d’actions moléculaires à distance. Il faut ensuite quantifier l’action électrique, et, pour ce faire, Ohm utilise l’analogie avec l’action thermique :

  • 15 Ibid., Einleitung.

Je suis parti de la supposition qu’un élément corporel (Körperelement) ne peut communiquer d’électricité de manière directe qu’à celui se trouvant tout près de lui, de telle sorte qu’il n’y a pas de passage direct entre cet élément-là et n’importe quel élément situé à une plus grande distance. J’ai admis que la grandeur du passage [de force électroscopique] entre deux éléments contigus d’un même corps est proportionnelle, toutes choses égales d’ailleurs, à la différence des forces électroscopiques que possèdent les deux éléments, de la même manière que dans la théorie de la chaleur on considère le passage de chaleur entre deux éléments corporels comme proportionnel à la différence de leurs températures. On voit que je me suis écarté de la marche que Laplace a adoptée, et qui a généralement été suivie jusqu’à présent pour l’étude des actions moléculaires, et j’espère que la voie que j’ai ouverte se recommandera par sa généralité, sa simplicité, sa clarté, et par la lumière qu’elle pourra jeter sur le véritable caractère des méthodes précédemment employées.15

37Reste à Ohm à déduire de ce principe les lois théoriques du circuit galvanique, qui pourront être confrontées ensuite aux données de l’expérience. Il considère, dans le fil conducteur cylindrique, trois tranches consécutives infiniment minces, d’épaisseur dx. D’une tranche à la suivante, la force électroscopique varie de la quantité élémentaire du. En appliquant son principe de l’action électrique, il montre que l’intensité du courant a pour expression I=kS (du/dx), k désigne le pouvoir de conduction et S la section du conducteur. Il fait ensuite le bilan des quantités d’électricité gagnée et perdue par la tranche intermédiaire et il obtient l’équation de propagation (du/dt)=k(d2u/dx2) Dans le cas du régime stationnaire (du/dt=0), l’intégration de ces deux lois locales conduit aux deux lois globales énoncées ci-dessus. Une théorie hypothético-déductive originale est née, qui donne, pour la première fois, aux phénomènes de courant et de tension dans le circuit galvanique une interprétation unifiée.

38Pourtant l’œuvre d’Ohm est mal accueillie. Les raisons sont multiples. On l’a déjà dit, la distinction entre l’électricité statique et l’électricité dynamique, affirmée par Ampère, est implicitement niée par Ohm, qui établit un pont entre les deux types de phénomènes. De plus, le principe de l’action électrique, qui résume à lui seul la conception électroscopique, repose sur une base empirique des plus étroites. Ohm le considère comme un postulat, dont l’exactitude se trouve établie par la concordance entre les résultats du calcul et ceux de l’expérience. Nombre de contemporains regardent avec mépris cette « pure hypothèse » (l’expression est attribuée au physicien français Claude Pouillet). Mais si l’œuvre est mal reçue, c’est aussi parce que son auteur inaugure un style de science tout à fait nouveau en Allemagne. Avec sa manière d’associer étroitement l’explication physique et la description mathématique, Ohm rompt avec deux traditions qui ont imprégné la physique germanique dans les trois premières décennies du XIXe siècle : la tradition spéculative de la Naturphilosophie d’une part, la tradition empiriste d’autre part, deux variétés d’une « physique des essences » qui excluaient l’usage du langage mathématique, jugé impropre à capter les aspects essentiellement physiques des phénomènes. Et, qui plus est, dans « la voie [qu’il a] ouverte », Ohm s’est « écarté de la marche que Laplace a adoptée », ce qui ne le garantit sans doute pas d’une mauvaise réception de ses idées.

  • 16 Sur cette question, voir aussi : B. Pourprix, « G.-S. Ohm théoricien de l’action contiguë », Archiv (...)

39Sa prise de position contre l’approche laplacienne n’est pas sans précédent. Joseph Fourier, quelques années plus tôt, a édifié une théorie de la propagation de la chaleur en marge de la science newtonienne. Tout comme la Théorie analytique de la chaleur (1822) de Fourier, la Théorie mathématique du circuit galvanique (1827) d’Ohm est une manière de se démarquer de l’illustre auteur de la Mécanique céleste, de se détacher de son réductionnisme mécaniste, de sa « vision astronomique » des phénomènes naturels, une certaine manière de rompre avec le modèle dominant de la physique mathématique. On dit couramment, aujourd’hui, que G.-S. Ohm concevait le mouvement de l’électricité sur le modèle du mouvement de la chaleur, et qu’il a construit sa théorie à la façon de Fourier. Cette appréciation nous paraît superficielle et même fallacieuse. Comme le laisse pressentir notre présentation de la conception électroscopique, l’œuvre d’Ohm se distingue nettement de celle de Fourier par son contenu conceptuel, profondément ancré dans la culture germanique. Mais ce n’est pas tout. Le rapprochement souvent fait avec Fourier occulte toujours le but principal d’Ohm, son véritable projet : se situer par rapport à Laplace et non à Fourier, ouvrir « une voie nouvelle par rapport à celle de Laplace, suivie généralement jusqu’à présent pour l’étude des actions moléculaires ». Alors que Fourier n’avait en vue que la construction d’une théorie de la propagation de la chaleur, et ce, indépendamment de toute hypothèse sur la constitution de la matière et sur les causes physiques, Ohm a une ambition bien plus vaste : celle de parvenir à un point de vue unitaire, d’édifier une physique de l’action contiguë opposée à une physique de l’action à distance, qu’il considère comme erronée16.

Une physique de l’action contiguë opposée à une physique de l’action à distance

40En 1827, quand paraît la Théorie mathématique du circuit galvanique, les diverses manifestations du galvanisme semblent encore singulièrement confuses et disparates. Aussi le but premier du mémoire d’Ohm est-il de rassembler ces phénomènes sous l’unité de pensée, de les présenter à l’esprit comme autant de conséquences d’un principe unique. Ce principe unificateur est celui de l’action électrique entre deux éléments contigus. Mais le projet d’Ohm déborde largement le cadre des phénomènes galvaniques. A travers son principe de l’action électrique apparaît le premier signe d’une théorie physique unifiée. Ohm perçoit en effet entre l’action électrique et l’action thermique une liaison intime, une analogie physique profonde. Le principe qu’il recherche est un principe physique commun à l’action de l’électricité et à celle de la chaleur. De même, sa loi de la tension au contact de deux corps différents n’est pas seulement une loi de l’électricité : elle est, selon lui, « de la plus haute importance pour toute la philosophie naturelle », parce qu’elle est l’expression d’un lien étroit entre l’électricité et la constitution des corps. De même encore, l'Appendice sur la force chimique du circuit galvanique (une des premières théories mathématiques de l’électrolyse), annexé au mémoire de 1827, est une synthèse entre galvanisme, chimie et mécanique moléculaire. Ces exemples, parmi d’autres, révèlent l’ambition d’Ohm de parvenir à un point de vue unitaire.

41Dans cette perspective, l’étude des phénomènes galvaniques apparaît comme le banc d’essai d’une nouvelle physique, une physique qui ne prendrait plus pour modèle la science des phénomènes astronomiques. Ce que cherche Ohm en effet, c’est un point de vue qui réunisse tous les phénomènes de la physique moléculaire. Or, ce qui peut répondre à cette attente, c’est la généralisation du principe de l’action contiguë. Ohm comprend que ce principe, au delà de son utilité directe pour la mathématisation des phénomènes galvaniques, peut offrir un grand dessein à la physique théorique. Celle-ci aurait pour tâche d’établir que tous les phénomènes de la nature se réduisent en dernière analyse à une action contiguë de « particule » à « particule », et que la théorie mathématique de ces phénomènes doit reposer sur le nouveau principe de l’action contiguë. Telle est, selon nous, l’unité de pensée la plus profonde recherchée par G.-S. Ohm, ce nouveau Laplace des « sciences baconiennes », qui déclare avoir ouvert une voie nouvelle par rapport à celle de Laplace :

  • 17 G.-S. Ohm, Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet, Berlin, 1827, Abschnitt A, 5.

Dans tous les cas où des actions moléculaires sont mises en jeu, on a coutume de les envisager d’une manière particulière qui a été imaginée par Laplace ; on admet qu’une action directe s’établit même à des distances finies entre deux éléments, qui se trouvent séparés par d’autres éléments intermédiaires, mais on suppose que cette action décroît avec une telle rapidité qu’elle devient assez petite pour être négligée, dès que la distance est appréciable. Laplace a été conduit à admettre cette hypothèse, parce que, quand on suppose que l’action directe s’exerce exclusivement entre les éléments contigus, les différentielles des variables ne sont pas de même ordre dans les deux membres des équations obtenues et que ce défaut d’homogénéité est en opposition avec l’esprit du calcul différentiel. Cette hétérogénéité, en apparence inévitable entre les deux membres d’une équation différentielle, qui cependant doivent être nécessairement égaux l’un à l’autre, est trop remarquable pour ne pas attirer l’attention de ceux pour qui de telles recherches ont du prix. Je vais donc essayer de donner une explication de cette énigme ; nous prendrons pour exemple la propagation de l’électricité, il ne sera pas difficile d’appliquer à toute autre question analogue les résultats obtenus.17

42Il importe de bien cerner par où s’engage la discussion de la doctrine de Laplace. Ohm prend pour cible, non pas la vision du monde qui sert de toile de fond à la physique laplacienne, mais l’approche scientifique de Laplace dans son ensemble. Il ne s’agit pas d’apprécier au plan métaphysique la justesse du principe philosophique de l’action à distance, mais d’éprouver la cohérence interne de la construction théorique de Laplace. Avant tout, Ohm veut vérifier si Laplace fait bien ce qu’il dit. Or Laplace lui semble inconséquent dans son approche. Il y a contradiction entre le point de vue clairement affiché de l’action à distance et la méthode réellement mise en œuvre. Le modèle mathématique obtenu après approximation ne correspond pas strictement à la représentation physique de l’action à distance. C’est là l’aiguillon qui pousse Ohm à s’intéresser de près à Laplace :

  • 18 Ibid., Abschnitt A, 7.

Si l’on établit une comparaison plus approfondie entre la méthode due à Laplace et celle que nous proposons ici, on peut faire quelques observations qui ne sont pas sans intérêt. Si l’on remarque, par exemple, que toutes les relations établies pour des masses infiniment petites, placées à des distances infiniment petites, doivent subsister pour des masses finies et placées à des distances finies, on ne voit pas au premier coup d’œil comment la méthode de l’immortel Laplace a pu donner des résultats exacts ; car ce savant, dont les travaux ont jeté tant de lumière sur la nature des actions moléculaires, admet que les éléments doivent toujours être traités comme s’ils étaient placés à des distances finies. Mais quand on examine sa méthode avec plus d’attention, on reconnaît qu’au fond il procède autrement qu’il ne l’indique. En effet, quand il s’agit de déterminer les variations que subit un élément sous l’influence de tous les éléments environnants, Laplace admet que les puissances supérieures de la distance sont négligeables par rapport aux premières puissances. Il suppose ainsi, ce qui est tout à fait dans l’esprit du calcul différentiel, que la distance à laquelle l’action s’exerce est infiniment petite, mais il l’appelle finie et la traite comme telle. On voit qu’au fond il traite comme des quantités finies des éléments infiniment petits, placés à des distances infiniment petites.18

43En fait, si l’on prend l’idée newtonienne d’action à distance comme point de départ, comme notion primitive, on est obligé, dans la construction du modèle mathématique, de traverser toute une série d’hypothèses (molécule considérée comme un ensemble émetteur-récepteur, sommation des actions moléculaires individuelles, réduction de la portée de l’action) qui n’ont rien de positif, rien de mathématiquement démontré, rien de physiquement observable, pour aboutir en quelque sorte à la modélisation d’une action de proximité. Dans ces conditions, pourquoi ne pas poser d’emblée un principe d’action contiguë ? C’est le défi majeur lancé par Ohm, qui entreprend de redéfinir la physique moléculaire en son principe fondamental.

44Le dynamisme continuiste constitue le cadre conceptuel propre à la réalisation de ce projet. Ohm identifie élément physique et élément mathématique. Sa manière de concevoir l’action électrique entre des éléments contigus en témoigne : les éléments corporels pris en compte dans la propagation de l’électricité sont de simples éléments d’espace, remplis par une distribution continue de force électroscopique. Ces conceptions continuistes donnent immédiatement prise au calcul analytique :

  • 19 Ibid.

On voit combien ces considérations sont liées intimement à l’esprit du calcul différentiel, car la condition exigée par cette méthode de calcul, pour qu’une quantité puisse être considérée comme un élément, c’est précisément que toutes ses parties soient homogènes sous le rapport de la propriété soumise au calcul.19

45L’erreur de Laplace, consécutive à son emprisonnement dans le réductionnisme mécaniste, ne pouvait passer inaperçue dans une autre culture, dynamiste et continuiste. Ohm tire profit de cette erreur, comme d’un puissant stimulant. Il faut bien comprendre ce que signifie l’hostilité d’Ohm au réductionnisme mécaniste : c’est le rejet de toute vision mécanique de la nature, qu’il s’agisse de la vision statique laplacienne, ou de la vision dynamique-énergétique qui dominera ensuite, et selon laquelle la matière en mouvement est la base de tous les phénomènes physiques. Ohm se garde bien de réduire la physique à la mécanique. Il n’y a pas de raison, selon lui, de privilégier la force mécanique par rapport aux autres forces physiques, elles ont toutes le même statut ontologique. Dès lors, on comprend que l’étude du mouvement de l’électricité dans les conducteurs métalliques puisse servir de modèle de mathématisation pour une nouvelle mécanique moléculaire (plutôt que l’inverse).

46On trouve l’esquisse d’une telle mécanique, calquée sur la théorie du mouvement de l’électricité galvanique, dans sa théorie mathématique de l’électrolyse. Dans le but de calculer le déplacement d’une partie matérielle, Ohm considère, dans le conducteur électrolytique cylindrique, trois tranches consécutives infiniment minces. Il calcule la résultante des forces qui tendent à déplacer la tranche intermédiaire. Il montre qu’elle est proportionnelle à la force électroscopique résidant dans la tranche, à l’intensité du courant et à la durée dt de l’action. On peut remarquer que la force (Kraft) dont il s’agit ici a la dimension d’un travail ou d’une énergie. Cette connotation énergétique du mot Kraft, dans la mécanique d’Ohm, n’autorise pourtant pas à faire de lui un précurseur de la physique de l’énergie. En effet, la perspective unitaire offerte par son principe de l’action contiguë ouvre la voie à la découverte de connexions mathématiques entre les phénomènes, mais elle ne permet pas d’envisager ces derniers sous l’angle de l’indestructibilité des forces naturelles dans leurs conversions mutuelles. La connotation énergétique du mot Kraft apparaît plutôt ici comme un signe de persistance de l’influence leibnizienne (vs. newtonienne) dans la dynamique germanique. C’est une autre manière d’exprimer la différence d’approche entre Ohm et Laplace. Nous verrons plus loin (cf. Deuxième partie) l’importance de la tradition leibnizienne dans la naissance de la physique de l’énergie au milieu du XIXe siècle.

47Le projet d’Ohm d’une physique de l’action contiguë va faire long feu, mais il a au moins le mérite de « désacraliser » la physique laplacienne. La Théorie mathématique du circuit galvanique est l’objet de violentes critiques. Nombre de contemporains considèrent, à juste titre, la conception électroscopique comme une erreur. L’électrodynamique d’Ampère, élaborée à la même époque, a-t-elle un fondement plus solide ?

III. L’ÉLECTRODYNAMIQUE D’AMPÈRE ET SES PROLONGEMENTS

48André-Marie Ampère (1775-1836) effectue la première synthèse physico-mathématique cohérente dans la science de l’électricité et du magnétisme. Son Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques, uniquement déduite de l'expérience (1827) constitue le couronnement de son œuvre. Mais c’est dans une courte période de deux années, à partir de septembre 1820, date à laquelle il assiste, à l’Académie des sciences de Paris, à la répétition des expériences d’Oersted par Arago, qu’il obtient ses principaux résultats et formule ses idées les plus hardies. Deux sortes d’idées émergent de ses travaux : d’une part, celle de la spécificité de l’électricité dynamique par rapport à l’électricité statique, avec pour caractéristiques le courant, l’intensité du courant, etc. ; d’autre part, l’idée que le magnétisme peut être ramené à l’électricité dynamique, idée contraire à la conception laplacienne dominante, et impliquant que deux courants doivent agir l’un sur l’autre à distance, fait nouveau que personne n’avait soupçonné jusque là.

49Reprenant les expériences d’Oersted, en septembre 1820, Ampère constate que la déviation de l’aiguille aimantée se produit à proximité de chaque partie du fil conducteur relié aux pôles de la pile voltaïque. Ce fait lui suggère l’idée que quelque chose circule dans le fil et la pile, quelque chose qu’il appelle « courant » électrique, qui existe partout dans le « circuit », avec la même « intensité ». Son invention du courant s’accompagne d’une autre innovation majeure : la distinction systématique entre deux ordres de phénomènes bien différents, ceux de l’électricité statique et ceux de l’électricité dynamique. L’« électrostatique » remplace l’ancienne science de l’électricité de friction, elle étudie la classe des phénomènes d’attraction et de répulsion, correspondant à l’état de tension de l’électricité. L’« électrodynamique », elle, étudie la classe des phénomènes de courant, les effets de l’électricité en mouvement, qui se séparent eux-mêmes en deux groupes, correspondant aux deux sens du mot dynamique, à savoir mouvement et force : d’une part, les phénomènes de mouvement de l’électricité dans la pile et l’ensemble du circuit galvanique, de décomposition chimique des substances, etc. ; d’autre part, les actions mécaniques entre courants, et celles entre courants et aimants.

50Les notions de circuit et de courant, malgré leur nouveauté et leur portée considérable, restent pourtant tributaires de représentations archaïques et erronées. En effet, Ampère interprète ses résultats en termes de deux courants antagonistes. Les fluides électriques opposés, issus des pôles de la pile et mus spontanément vers le fil de connexion, s’y neutralisent continuellement :

  • 20 A.-M. Ampère, « Mémoire présenté à l’Académie royale des sciences le 2 octobre 1820, où se trouve c (...)

On est généralement d’accord qu’elle [l’action électromotrice] continue à porter les deux électricités dans les deux sens où elle les portait auparavant, en sorte qu’il en résulte un double courant, l’un d’électricité positive, l’autre d’électricité négative, partant en sens inverse des points où l’action électromotrice a lieu et allant se réunir dans la partie du circuit opposée à ces points.20

51Dans la façon de voir d’Ampère, il n’y a pas une circulation continue d’électricité, au sens où nous l’entendons aujourd’hui. Sa conception du courant porte encore la marque de l’ancienne science de l’électricité de friction, avec notamment l’idée de décharge électrostatique. À ses yeux, la pile ne fournit pas de l’électricité de manière continue. Elle se charge, libère ensuite son électricité dans le fil ; puis, la recombinaison étant effectuée au milieu du fil, elle se charge à nouveau et ainsi de suite. Il y a donc une suite ininterrompue, se répétant à intervalles très rapprochés, une suite continuelle de charges et de décharges, de recombinaisons des deux fluides au milieu du fil, ce qui donne l’impression de continuité du courant. Par ailleurs, il faut aussi savoir que, vers 1820, Ampère adhère encore à ce principe de l’ancienne science de l’électricité, le principe de nullité des tensions aux pôles de la pile en circuit fermé, qui équivaut à une relation d’exclusion entre tension et courant.

52Examinons maintenant l’autre groupe de phénomènes électrodynamiques, celui des actions désignées par Ampère sous le nom de « forces électrodynamiques ». La plupart des physiciens cherchent à expliquer les faits révélés par les expériences d’Oersted (action d’un courant sur un aimant) et d’Ampère (action d’un courant sur un courant) dans l’ancien cadre conceptuel, celui de la physique laplacienne. Ils tentent de réduire ces faits à de pures actions entre aimants. L’un des partisans les plus résolus de cette théorie de l’aimantation est Jean-Baptiste Biot, dont les recherches dans cette voie connaissent, il est vrai, un certain succès. Il s’imagine que les particules de tout conducteur contiennent des fluides magnétiques Nord et Sud qui se neutralisent en temps normal, mais qui se séparent au passage du courant électrique ; ainsi prendrait naissance une aimantation transversale et temporaire du conducteur.

53Ampère se démarque d’emblée de ses contemporains. Son idée première, celle qui est à l’origine de toutes ses recherches électrodynamiques, c’est l’idée que les propriétés d’un aimant ne tiennent pas à l’existence, en son sein, de deux fluides magnétiques au repos, analogues aux deux fluides électriques responsables des attractions et répulsions électrostatiques. Son idée fondamentale est que toutes les propriétés magnétiques proviennent de l’électricité même, mais dans un état nouveau, inconcevable dans l’ancien cadre de l’électricité de friction, non pas un état statique, mais un état dynamique, l’état de courant électrique. Dans la représentation d’Ampère, un aimant est constitué, dans sa substance même, d’un assemblage de courants électriques disposés perpendiculairement à son axe. Non seulement le magnétisme est ramené à l’électricité dynamique, mais plus fondamentalement l’électricité dynamique est inventée, l’idée d’action entre courants est instituée comme nouveau modèle, générateur d’un vaste programme de recherche expérimentale, théorique et mathématique, qui rend bientôt caduque l’entreprise de Biot de ramener l’électromagnétisme aux conceptions magnétiques statiques.

54Pour fonder sa nouvelle science de l’électrodynamique, Ampère doit maintenant, après avoir mis en évidence qualitativement l’action mécanique entre deux courants électriques, trouver la loi quantitative de cette interaction. Contrairement à ce que laisse penser le titre de son fameux Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques, uniquement déduite de l’expérience, ce n’est pas uniquement par l’expérience qu'Ampère établit sa loi fondamentale de l’interaction entre deux éléments de courant. Cette formule d’idéalisation mathématique présente en effet un caractère hautement hypothétique. La principale hypothèse, dérivée de l’œuvre de Newton, est celle de forces centrales agissant instantanément à distance entre deux corps. Ces corps sont des petits tronçons de circuits, appelés éléments de courant. Ampère essaie de trouver l’interaction de deux éléments de courant, bien qu’il ne puisse pas isoler cette action, étant donné que dans un circuit un élément de courant ne peut pas être séparé du reste du circuit. La loi d’Ampère est une généralisation du schéma newtonien : la force est dirigée suivant la droite qui joint les deux éléments de courant, elle est inversement proportionnelle au carré de leur distance et elle dépend en outre des trois angles définissant leurs positions relatives. Ampère postule une équation contenant un certain nombre de fonctions plus ou moins indéterminées des variables, et des constantes inconnues. Les expériences devront déterminer progressivement les fonctions et les constantes. Cette méthode deviendra classique. Elle s’oppose à la méthode empirique par essais et erreurs qu’Ampère avait utilisée dans un premier temps, sans succès.

55La loi d’Ampère n’est plus admise de nos jours. Elle est basée sur l’idée d’action instantanée à distance et elle conduit notamment à la conséquence étrange que deux éléments consécutifs d’un même courant devraient se repousser. Ampère a cru mettre en évidence expérimentalement cette force de répulsion, mais il s’est trompé. Plus profondément, la théorie d’Ampère est entachée d’un défaut radical : ses expériences mettent toutes en évidence l’interaction globale de circuits fermés, alors que sa formule exprime l’interaction d’éléments de courants locaux et ouverts. Or, dans un état beaucoup plus avancé de l’expérience, cet intervalle se révélera trop large pour être tolérable :

  • 21 J. Merleau-Ponty, Leçons sur la genèse des théories physiques, Paris, Vrin, 1974, p. 94.

[Car] une difficulté expérimentale spécifique est, à l’évidence, suscitée par le postulat épistémologique « newtonien » suivant lequel la loi de l’interaction électrodynamique doit être différentielle, c’est-à-dire définir cette interaction entre deux éléments « infiniment petits » de courant électrique ; or, pour ne rien dire de son statut mathématique, qui n’a rien d’évident, cette notion d’« infiniment petit » n’a aucun sens expérimental. Entre la formule et l’expérience doit donc nécessairement s’interposer à la fois le traitement mathématique du calcul intégral et des montages expérimentaux destinés à en éprouver les résultats ; or, pour le choix des intermédiaires, Ampère dispose d’une certaine liberté.21

56La théorie électrodynamique d’Ampère connaît en France un succès considérable, jusqu’à ce qu’elle soit supplantée par l’électromagnétisme maxwellien. Il en est de même en Allemagne pour la théorie électrodynamique de Weber, qui se situe dans son prolongement. Wilhelm Weber (1804-1891) se propose de connecter, d’unifier l’électrostatique et l’électrodynamique. Il part du constat que la loi électrodynamique d’Ampère ne repose pas sur une base conceptuelle aussi fondamentale que la loi électrostatique de Coulomb. Appliquant au courant électrique la représentation en usage en électrostatique, il remplace chacun des éléments de courant d’Ampère par deux fluides électriques dirigés en sens inverses, les particules positives en mouvement dans un sens et les particules négatives en mouvement dans l’autre sens. La force d’Ampère entre deux éléments de courant apparaît alors comme la résultante d’actions entre particules électriques. Weber en déduit l’expression de la force d’interaction de deux particules électriques en mouvement :

F = (e1e2/r2) [1 - (v/c)2 +(2ra/c2)]

  • 22 C’est ainsi qu’on expliquera les irrégularités du mouvement de la planète Mercure.
  • 23 C’est le titre d’un article publié en 1884 par le physiologiste et physicien Adolf Fick, « Ueber de (...)

57Cette loi électrodynamique, établie en 1846, affirme que l’action mutuelle de deux particules ne dépend pas seulement de leur éloignement, mais aussi de l’état de mouvement relatif dans lequel elles se trouvent (r est la distance mutuelle, v la vitesse relative, a l’accélération relative des « masses » électriques e1 et e2 ; c est une constante). Elle ouvre ainsi une nouvelle brèche dans l’édifice de la science newtonienne. Du reste, rien n’empêche de supposer que la validité de la loi de Weber ne se borne pas aux seules particules électriques, mais qu’elle constitue la loi générale décrivant l’interaction de deux masses quelconques, grosses ou petites, pondérables ou impondérables, et que la loi de Newton exprime seulement une partie de l’interaction22. Deux masses en mouvement relatif agissent l’une sur l’autre autrement que deux masses au repos à la même distance r ; deux masses peuvent, soit s’attirer, soit se repousser, selon leur état de mouvement. Ainsi la théorie de Weber ruine à tout jamais l’ancienne notion de principes actifs, attractifs ou répulsifs par nature, qui expliquaient par leur seule présence – leur présence statique – toutes les forces observées dans le monde des phénomènes. La théorie de Weber ruine toute conception statique de la force, elle consolide le nouveau modèle dynamique de la physique. Beaucoup d’Allemands considéreront le pas franchi par Weber comme le progrès le plus important de la science depuis Newton23.

IV. LA CONVERSION DES PUISSANCES DE LA NATURE CHEZ FARADAY ET JOULE

Les découvertes électromagnétiques de Faraday

58Au moment où Ampère fonde son électrodynamique, Michael Faraday (1791-1867) en Angleterre jette les bases de l’électromagnétisme. Faraday s’est formé au contact du grand chimiste Humphry Davy. Lorsqu’il prend connaissance des expériences d’Oersted, il a déjà acquis une solide réputation de chimiste. L’interprétation électrodynamique d’Ampère ne lui plaît pas. Après avoir refait les expériences d’Oersted en en faisant varier les conditions, il invente en 1821 un nouveau dispositif montrant l’interaction entre un courant électrique et un pôle magnétique isolé. Un aimant attaché par un fil souple au fond d’un vase de verre rempli de mercure peut tourner autour d’un fil métallique vertical parcouru par un courant continu. L’action électromagnétique se traduit par une rotation, continue tant que le courant passe, du pôle émergé de l’aimant autour du fil conducteur. Cette découverte ouvre la voie à la construction du premier moteur électromagnétique.

59Pour Faraday, la « rotation électromagnétique » remet en question le modèle newtonien de force agissant en ligne droite, le long de la droite qui joint les deux corps en interaction. Ce qui lui semble fondamental, dans l’interaction entre courant et aimant, ce n’est pas, comme Biot le pense, l’attraction ou la répulsion entre petits aimants, ou encore, comme Ampère le pense, l’attraction ou la répulsion entre éléments de courants, mais bien la rotation du pôle magnétique autour du fil électrique. C’est ce genre d’expérience qui amène Faraday à développer son idée révolutionnaire de « ligne de force » magnétique. Une ligne de force peut être définie comme la ligne qui est constamment tangente à une toute petite aiguille aimantée que l’on déplace dans la direction de sa longueur. La représentation des interactions par des lignes de force présente l’intérêt d’inclure d’emblée la possibilité qu’une seule force puisse faire tourner un corps, puisse produire une rotation. Alors que, dans la tradition newtonienne, on a recours à deux forces plus ou moins fictives, dans la mesure où elles ne peuvent être expérimentalement séparées et où ce qui agit vraiment est leur couple, Faraday au contraire ne fait intervenir qu’une seule force, censée être l’expression même de la réalité physique.

60La force au sens de Faraday n’est pas un concept mécanique, elle fait partie d’un réseau d’outils conceptuels forgés au cours de son apprentissage de chimiste. En fait, sa conception de la force est étroitement liée à sa conception de la matière. La courbure d’une ligne de force, magnétique ou électrique, montre à l’évidence que l’action est déterminée par la présence et la configuration des particules matérielles. Une telle action s’exerce entre deux particules « contiguës », c’est-à-dire les plus proches voisines. Elle ne s’exerce pas en ligne droite, parce qu’elle doit procéder dans la direction de la particule la plus proche, tandis qu’une action à distance comme celle de la gravité peut le faire, à cause de son indifférence aux particules matérielles situées entre les deux corps considérés. La courbure des lignes de force constitue pour Faraday la preuve manifeste de sa théorie moléculaire de l’« induction ». L’induction est une action entre particules matérielles contiguës, par laquelle ces particules deviennent tendues, déformées, « polarisées ». L’effet de polarité est un signe de la nature de la force elle-même. La nature polaire ou inductive de la force est la raison pour laquelle la force agit localement ou par particules contiguës ; autrement dit, la contiguïté de l’action découle de la nature inductive ou polaire de la force.

61Faraday est de plus en plus convaincu que tout phénomène est la manifestation de l’état de tension ou de réaction du milieu, appelé état de polarisation. Cet état actif polaire constitue, selon lui, la base physique de la corrélation des puissances de la nature. Il affirme que toutes les forces sont des formes convertibles d’une puissance unique, fondamentale, universelle. L’électricité serait cette forme basique de puissance, toutes les autres (magnétisme, chaleur, lumière, attraction mécanique, influence nerveuse) étant seulement des formes converties de celle-ci. Faraday distingue les aspects quantité et intensité de la force électrique (et aussi de la force magnétique). Il connaît les différences phénoménales évidentes entre l’électricité statique et l’électricité voltaïque (dynamique), mais il croit que ces différences correspondent à deux états différents de la force électrique : d’une part, l’état « statique », « élastique » ou « tonique » (état « électrotonique »), caractérisé par une haute intensité et une basse quantité ; d’autre part, l’état « dynamique » ou « progressif », caractérisé par une basse intensité et une haute quantité. La croyance de Faraday dans la primauté de la force électrique et sa distinction entre les états statique et dynamique de l’électricité font de la conversion le processus central de sa physique. Il l’imagine comme une rapide succession de polarisations et de dépolarisations, accompagnées par des renversements d’intensité et de quantité, qui sont les deux caractéristiques phénoménales de la force.

62La découverte de l’induction électromagnétique par Faraday en 1831 intervient après dix années de recherches soutenues pour « produire de l’électricité avec du magnétisme » (c’est l’expression qui figure journellement sur son cahier de laboratoire pendant cette décennie). Le dispositif est constitué d’un anneau de fer doux porteur de deux bobinages, le primaire et le secondaire, isolés électriquement de l’anneau. Lorsque Faraday ferme (ou ouvre) le circuit primaire, alimenté par une pile, il voit un courant bref apparaître dans le circuit secondaire. Il réalise ainsi son souhait d’obtenir de l’électricité avec du magnétisme ordinaire. On pourrait penser que cette découverte est la conséquence simple, directe et nécessaire de l’idée de corrélation de la force : une force magnétique doit pouvoir se convertir en une force électrique. En fait, le système conceptuel de Faraday est plus complexe.

  • 24 Voir sur cette question : D. Gooding, « Metaphysics versus measurement : the conversion and conserv (...)

63Faraday utilise un courant continu ou un aimant permanent fixe, en croyant que cette « action » dépensée dans le circuit primaire produit dans le circuit secondaire une « réaction » équivalente. Non seulement parce que l’effet doit égaler la cause, mais aussi parce qu’une action existe seulement quand elle est construite contre une réaction, laquelle se manifeste par cet état de tension ou de polarisation dont nous avons parlé ci-dessus. Pour Faraday, une action primaire continue produit une réaction secondaire continue ; l’effet dans le circuit secondaire doit subsister aussi longtemps que la force magnétique primaire agit. Il ne peut pas accepter que le courant induit éphémère soit le seul effet observé dans le secondaire. Cela exigerait que ce courant ait une haute intensité, propriété qu’il associe à l’électricité statique. Pour résoudre le désaccord entre ses attentes théoriques et ses résultats expérimentaux, il postule alors l’existence d’un état inobservé, l’état « électrotonique ». Il va même jusqu’à considérer sa « découverte » de l’état « électrotonique » comme sa contribution majeure à la mise en place de la loi de l’induction électromagnétique24.

64On apprend aujourd’hui au lycée que l’induction électromagnétique peut être mise en évidence d’une autre manière : le même courant bref se produit lorsqu’on déplace un aimant dans un bobinage fixe, ou encore lorsqu’on déplace un circuit conducteur dans les lignes de force magnétique d’un aimant fixe. Faraday a lui-même fait ces expériences, mais sans reconnaître que le mouvement est une cause physique suffisante pour la production de la force électrique. Pour lui, le mouvement relatif du conducteur et des lignes de force magnétique est simplement une condition nécessaire pour l’induction, une condition permettant la conversion d’une force statique préexistante en sa forme dynamique. Faraday ne conçoit pas le mouvement de l’aimant ou du fil conducteur comme une force mécanique, au même titre que les forces de l’électricité et du magnétisme, ni l’effet moteur comme un équivalent mécanique de la force électrique induite par le magnétisme. À la différence de la plupart de ses contemporains, qui se tournent vers une conception mécanique des processus de conversion des forces naturelles, il ne considère pas le mouvement comme une source privilégiée d’information sur les forces. Sa formation de chimiste le conduit à penser encore en termes d’états d’équilibre statique et de quantité de force liée (force d’affinité), non en termes de mouvement et d’effet dynamique. À cet égard, le contraste avec Joule, un de ses élèves, est saisissant, comme nous le verrons ci-dessous.

65L’incapacité de Faraday à intégrer le mouvement dans sa représentation de l’induction révèle une limitation fondamentale de son cadre conceptuel, tout à fait étranger à la philosophie mécanique renaissante. Cette conception erronée, maintenue sa vie durant, a pourtant une conséquence heureuse : l’invention de la notion de « champ », une idée révolutionnaire, totalement opposée à celle d’action à distance. Faraday soutient que le seul mouvement n’est pas une base suffisante pour la création de la force électrique à partir de la force magnétique, à moins que cette dernière n’existe comme une atmosphère d’action tout autour de l’aimant. Plus généralement, il affirme qu’un corps quelconque crée dans l’espace autour de lui une « condition nécessaire à l’action », qui préexiste potentiellement et qui peut, dans certaines circonstances, s’actualiser sous forme de force, par exemple en présence d’un autre corps. Maxwell mettra à profit l’idée de champ de Faraday et développera sa théorie électromagnétique destinée à remplacer les théories électrodynamiques continentales basées sur l’idée d’action à distance. Nous en reparlerons dans la Troisième partie de cet ouvrage.

Les recherches électrochimiques de Joule et leur aboutissement : l’équivalent mécanique de la chaleur

66Lorsqu’on veut évaluer aujourd’hui la contribution de James Prescott Joule (1818-1889) à l’établissement du principe de la conservation de l’énergie, on pense d’abord immanquablement à ses expériences sur la friction des liquides, ou expériences de la « roue à palettes », qui permettent la détermination de l’équivalent mécanique de la chaleur. Or, ces expériences ne sont que la mise en scène finale d’une théorie mécanique de la chaleur que Joule a invoquée après coup. En revanche, celles qui ont un véritable intérêt heuristique font partie d’un raisonnement expérimental qui se déroule d’abord dans le cadre conceptuel erroné de l’électrochimie de Faraday.

  • 25 Voir à ce propos: J. Forrester, « Chemistry and the conservation of energy: the work of James Presc (...)

67La série de recherches de Joule qui, commencées en 1840, aboutissent en 1843 à une première formulation du futur principe de la conservation de l’énergie, et à une mesure de l’équivalent mécanique de la chaleur, se rapportent toutes à des expérimentations et à des conceptualisations qui font intervenir l’électricité. L’électricité joue, dans ses premières recherches, le rôle de grand agent de transformation. En fait, le but premier de Joule est l’explication et la quantification de problèmes appartenant à deux domaines de la chimie : le courant électrique et la thermochimie. Plus fondamentalement, Joule cherche à unifier l’étude des forces électrique, chimique et calorifique ; il cherche à établir un système de conversions mutuelles et d’équivalences quantitatives entre ces forces. Ce qui permet une telle unification, c’est le cadre explicatif de l’électrochimie de Faraday, avec son ontologie électrique. Joule est d’abord un disciple de Faraday, il appartient à la communauté des chimistes, et non pas à celle des physiciens25.

68En 1841, Joule découvre la loi qui régit le dégagement de chaleur lors du passage de l’électricité dans un corps conducteur : la puissance P dégagée est proportionnelle à la résistance R du conducteur et au carré de l’intensité I du courant (P=RI2). Suivant la suggestion de Faraday, il a d’abord étudié le système simple d’un courant passant dans un fil métallique, avant de généraliser la loi à toutes les parties du circuit. Mais son souci principal est l’élucidation des lois de réchauffement impliqué dans les réactions chimiques. La loi qu’il vient d’obtenir lui sert de modèle pour cette étude. Suivant la voie tracée par Faraday, Joule conçoit la génération de la chaleur dans les réactions chimiques comme le même phénomène que la génération de la chaleur par le passage du courant électrique dans un circuit. Il pense que la chaleur développée dans un processus chimique est la conséquence de la résistance à la conduction électrique. Comme Faraday et les autres électrochimistes, il se représente l’action chimique comme consistant dans l’interaction des électricités associées aux atomes. Le courant passant entre les atomes rencontre une résistance et son passage obéit à la loi P=RI2 :

  • 26 J.-P. Joule, « On the electric origin of the heat of combustion », Philosophical Magazine, 20, 1842 (...)

Je pense avoir prouvé, de manière satisfaisante, que la chaleur de combustion (au moins quand elle se termine par la formation d’un électrolyte) est occasionnée par la résistance à l’électricité qui passe entre l’oxygène et le combustible au moment de leur union [...] Que la chaleur développée par les autres actions chimiques, à côté de celle qui est appelée combustion, soit causée par la résistance à la conduction électrique, je n’ai aucun doute à ce sujet. Cependant, dans le présent article, je ne peux pas entrer dans la preuve expérimentale de ce fait.26

69Toutes les expériences que Joule exécute sur le circuit électrique semblent plaider en faveur de l’idée que la puissance électrique doit être conservée dans le circuit. L’idée vague de conservation de la force électrique l’habite depuis avril 1841. Il la développe et lui donne corps dans le cadre de la théorie électrique de la chaleur chimique, ou hypothèse de l’origine électrique de la chaleur chimique. Mais voilà qu’une nouvelle puissance, mécanique cette fois, fait irruption dans le réseau des forces naturelles que Joule prend en considération. D’abord il pense que la chaleur chimique peut être portée par l’électricité et être convertie ensuite en force mécanique. Puis il prend conscience que les forces électrochimiques ne sont pas la seule source de puissance. La machine magnéto-électrique est l’appareillage qui lui permet d’affermir sa nouvelle conception. Il établit deux faits importants : la chaleur développée dans les circuits d’une machine magnéto-électrique est gouvernée par la même loi que celle qui régit la chaleur produite par un appareil voltaïque ; quand une machine magnéto-électrique est insérée dans un circuit voltaïque, l’intensité des courants est diminuée par le mouvement de la machine, et une diminution de chaleur a lieu, cette quantité de chaleur perdue étant proportionnelle (équivalente) à la force mécanique développée par la machine. Ces faits prouvent que la chaleur peut être générée ou détruite par la magnéto-électricité. L’idée selon laquelle le circuit électrique est un système clos, dans lequel il y a conservation des forces électrochimiques, était donc erronée. Le nouvel élément important dans le système de forces est l’entrée et la sortie de force mécanique. Pourtant, dans cet article, l’électricité reste l’intermédiaire essentiel pour la conversion mutuelle de la chaleur et de la puissance mécanique, le circuit électrique est encore la structure expérimentale et conceptuelle centrale :

  • 27 J.-P. Joule, « On the calorific effects of magneto-electricity, and on the mechanical value of heat (...)

J’observerai en conclusion que les expériences détaillées dans le présent article ne militent pas contre les vues que j’avais adoptées antérieurement concernant l’origine électrique de la chaleur chimique, bien qu’elles les modifient certainement quelque peu. J’avais auparavant tenté de prouver que quand deux atomes se combinent, la chaleur développée est exactement celle qui aurait été développée par le courant électrique dû à l’action chimique, et est donc proportionnelle à l’intensité de la force chimique amenant les atomes à se combiner. Je me hasarde maintenant à déclarer plus explicitement que ce n’est pas précisément l’attraction de l’affinité, mais plutôt la force mécanique dépensée par les atomes en tombant l’un vers l’autre, qui détermine l’intensité du courant, et par conséquent la quantité de chaleur développée ; si bien que nous avons une hypothèse simple par laquelle nous pouvons expliquer pourquoi la chaleur est développée si librement dans la combinaison des gaz, et par laquelle en vérité nous pouvons rendre compte de la « chaleur latente » comme d’une puissance mécanique préparée pour l’action comme l’est une montre à ressort lorsqu’elle est remontée.27

70Joule comprend aussitôt que le rapport entre chaleur et effet mécanique peut être évalué en nombre. Il exécute de nouvelles expériences et détermine la « valeur mécanique de la chaleur ». Qui plus est, il prend conscience que l’électricité n’est pas cruciale à la production de chaleur à partir de force mécanique, il comprend que la force mécanique peut être directement transformée en chaleur par friction :

  • 28 Ibid., p. 442.

P.S.- Nous serons obligés d’admettre, après tout, que le Comte Rumford avait raison d’attribuer à la friction la chaleur dégagée par le forage du canon [...] J’ai moimême prouvé expérimentalement que la chaleur est dégagée par le passage de l’eau à travers les tubes étroits [...] Je ne perdrai pas de temps à répéter et étendre ces expériences, étant convaincu que les grands agents de la nature sont, par le fiat du Créateur, indestructibles ; et que partout où la force mécanique est consommée, un équivalent exact de chaleur est toujours obtenu.28

71Joule ne considère plus l’électricité comme essentielle aux transformations de la force. Ses généralisations ne sont plus limitées aux circuits électriques et aux combinaisons chimiques, elles s’étendent maintenant au monde entier. À partir de 1843-1844, il change complètement de cadre conceptuel. Il adhère à la doctrine de la primauté des puissances mécaniques dans les opérations de la nature. Désormais, il conçoit la chaleur comme un mode de mouvement.

72En 1845, Joule mentionne pour la première fois l’expérience de la « roue à palettes », qu’il a mise au point dans le but de s’assurer que la chaleur est bien l’équivalent de la force mécanique, et qui l’immortalisera. L’appareil est composé d’un vase cylindrique en fonte, à l’intérieur duquel est placée horizontalement une roue à pannes en tôle, immergée dans un liquide (eau, huile de baleine, mercure, etc.). À la partie supérieure est vissé un couvercle également en fonte, lequel a deux ouvertures : l’une, au centre, pour le passage d’un axe par lequel le mouvement est communiqué à la roue ; l’autre, pour l’introduction d’un thermomètre. Lorsque la température du liquide est exactement déterminée, la roue à palettes est mise en mouvement par des poids, avec lesquels elle est en communication par l’entremise de poulies. Après que le liquide ait été agité ainsi pendant un certain temps, l’augmentation de la température est déterminée par une nouvelle observation thermométrique. Joule trouve que la quantité de chaleur dégagée est en proportion exacte de la force mécanique dépensée.

73Joule présente ce résultat au colloque d’Oxford de la British Association for Advancement of Science, en 1847. Il l’interprète dans le langage de la mécanique : le travail et la chaleur sont convertibles l’un dans l’autre, la chaleur est un mode de mouvement de la matière. C’est à la suite de cette communication qu’il est admis dans la communauté des physiciens. Fort de l’accueil de ces derniers, il est élu à la Royal Society en 1850. Dans un article qu’il publie la même année dans les Philosophical Transactions, il construit une histoire de la nouvelle théorie mécanique de la chaleur. Il laisse entendre que le débat sur la nature de la chaleur (une matière ou un mode de mouvement ?) a joué un rôle dans la genèse de ses propres idées et il passe sous silence les conceptions électrochimiques de ses débuts. Dès les années 1850 prend naissance le mythe de « Joule physicien expérimentateur » que nous connaissons aujourd’hui. Dans ses expériences avec la machine magnéto-électrique, puis la roue à palettes, Joule aurait simplement procédé par induction et obtenu ainsi la valeur numérique du facteur de conversion entre le travail et la chaleur. Ses premières conceptions, électrochimiques et non pas mécaniques, erronées et pourtant fécondes, sont entièrement gommées.

74Dans les Comptes rendus de la séance du 16 octobre 1848 de l’Académie des sciences de Paris, Joule trouve un article du médecin allemand Julius Robert Mayer (1814-1878), « Sur la transformation de la force vive en chaleur, et réciproquement », dans lequel celui-ci prétend avoir été le premier à découvrir, en 1842, l’équivalent mécanique de la chaleur et à déterminer sa valeur numérique (par compression d’un gaz dans un cylindre). C’est le début d’une longue querelle de priorité, à laquelle prendront part de nombreux scientifiques. En fait, les travaux de Mayer et de Joule reposent sur des bases conceptuelles essentiellement différentes. Mayer rejette ce qui est devenu central dans le travail de Joule, c’est-à-dire la conception mécanique de la chaleur. Pour Mayer, la loi d’équivalence de la chaleur et du mouvement ne signifie pas que la chaleur consiste en un mouvement des particules de matière ordinaire. Fidèle à la tradition dynamiste germanique, il conçoit la chaleur comme une force particulière, une force de chaleur, de même que l’électricité est une force électrique ou que le magnétisme est une force magnétique. Toutes ces forces peuvent se transformer l’une dans l’autre, mais aucune n’a un statut privilégié, pas même la force de mouvement, la force mécanique. L’intention de Mayer est de créer une nouvelle physique, qu’il conçoit comme la science de la force, de même que la chimie est la science de la matière. Le principe de base de la chimie est l’indestructibilité de la matière durant les transformations chimiques. De même, le principe de base de la physique doit être l’invariabilité quantitative de la force quand elle change de forme : c’est le principe de la conservation de la force. Dans leurs conversions mutuelles, les forces sont détruites dans leur ancienne forme, mais elles sont conservées quantitativement. Conversion qualitative et conservation quantitative : telles sont les propriétés fondamentales des forces selon Mayer.

75Les travaux sur la détermination numérique de l’équivalent mécanique de la chaleur, et notamment ceux de Joule et de Mayer, constituent l’une des étapes les plus marquantes de l’histoire du principe de la conservation de l’énergie. L’emploi généralisé de ce principe, dans la seconde moitié du XIXe siècle, entraîne une transformation radicale de toutes les branches de la physique, et, en particulier, de l’électrodynamique, comme en témoigne la « théorie dynamique du champ électromagnétique » de Maxwell (cf. Troisième partie). Vu l’importance, théorique et pratique, de ce principe, il nous paraît nécessaire de retracer d’abord l’histoire de sa construction.

Notes

1 C’est l’idée que développe A. Benseghir, « Formation des concepts d’électrocinétique. Un point de vue historique », Bulletin de l’Union des Physiciens, n° 713, 1989, pp. 451-466.

2 Sur l’obstacle substantialiste en tant qu’obstacle épistémologique, voir par exemple : G. Bachelard, La formation de l’esprit scientifique, 1938, Paris, Vrin, 11e édition, 1980, pp. 97-129.

3 P.-S. Laplace, Note ajoutée au « Mémoire sur les mouvements de la lumière dans les milieux diaphanes », Mémoires de l’Académie, 10, 1810, Œuvres complètes, Paris, Gauthier-Villars, 12, 1908, pp. 267-298, p. 295.

4 H. Navier, « Note relative à la question de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques », Bulletin des sciences mathématiques, physiques et chimiques (de Férussac), 11, 1829, pp. 243-253, p. 248.

5 I. Kant, Metaphysische Anfangsgründe der Naturwissenschaft, 1786, Premiers principes métaphysiques de la science de la nature, tr. J. Gibelin, Paris, Vrin, 3e édition, 1982, pp. 112-114.

6 W. Ritter, cité par Georges Gusdorf, Le savoir romantique de la nature, Paris, Payot, 1985.

7 E.F.F. Chladni (1756-1827) étudie notamment les vibrations des plaques, localisant les nœuds et les ventres à l’aide de sable fin, et constituant ainsi la base empirique d’une théorie mathématique. Il exhibe dans plusieurs pays d’Europe ses fascinantes « figures du son », ainsi que son étrange « euphone », instrument de musique qu’il invente en 1790. Sa rencontre avec Goethe fait naître chez celui-ci l’intuition d’analogies entre ses « figures du son » et les « figures de couleur entoptiques » découvertes par Seebeck. Chladni publie en 1802 Die Akustik, une monographie qui influence cette science jusqu’à l’entrée d’Helmholtz et des physiologistes sur la scène de la recherche acoustique. Pour de plus amples renseignements, voir : Dieter Ullmann, Chladni und die Entwicklung der Akustik von 1750-1860, Basel-Boston-Berlin, Birkhäuser, 1996.

8 H.-C. Oersted, Recherches sur l'identité des forces chimiques et électriques, tr. M. de Serres, Paris, 1818, p. 130.

9 Ibid., p. 238.

10 H.-C. Oersted, cité par T. Shanahan, « Kant, Naturphihsophie, and Oersted’s discovery of electromagnetism: a reassessment », Studies in History and Philosophy of Science, 20, 1989, pp. 287-305, p. 302.

11 Ce point de vue est défendu par : T. Shanahan (voir note précédente); D.-C. Christensen, « The Oersted - Ritter partnership and the birth of romantic natural philosophy », Annals of Science, 52, 1995, pp. 153-185; K.-L. Caneva, « Physics and Naturphihsophie: a reconnaissance », History of Science, 35, 1997, pp. 35-106 (avec 254 notes et références bibliographiques).

12 G.-S. Ohm, « Versuch einer Theorie der durch galvanische Kräfte hervorgebrachten elektroskopischen Erscheinungen », Annalen der Physik und Chemie, 6,1826, pp. 459-469, 7, 1826, pp. 45-54.

13 Le mémoire d’Ohm, Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (Berlin, 1827, réédité par M. Sändic, Wiesbaden, 1965), a été traduit par J.-M. Gaugain, Théorie mathématique des courants électriques (Paris, Hachette et Mallet-Bachelier, 1860). Mais les défauts de traduction, concernant notamment les notions fondamentales de la théorie, sont considérables : elektroscopische Kraft est traduit par tension, Körperelement par molécule, Uebergang par flux, etc. Gaugain semble interpréter l’œuvre d’Ohm en termes de conceptions bien françaises...

14 G.-S. Ohm, Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet, Berlin, 1827, Anhang, « Ueber die chemische Kraft der galvanischen Kette ».

15 Ibid., Einleitung.

16 Sur cette question, voir aussi : B. Pourprix, « G.-S. Ohm théoricien de l’action contiguë », Archives internationales d’histoire des sciences, 45, 1995, pp. 30-56.

17 G.-S. Ohm, Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet, Berlin, 1827, Abschnitt A, 5.

18 Ibid., Abschnitt A, 7.

19 Ibid.

20 A.-M. Ampère, « Mémoire présenté à l’Académie royale des sciences le 2 octobre 1820, où se trouve compris le résumé de ce qui avait été lu à la même Académie les 18 et 25 septembre 1820 », Annales de chimie et de physique, 15,1820, pp. 59-76, p. 64.

21 J. Merleau-Ponty, Leçons sur la genèse des théories physiques, Paris, Vrin, 1974, p. 94.

22 C’est ainsi qu’on expliquera les irrégularités du mouvement de la planète Mercure.

23 C’est le titre d’un article publié en 1884 par le physiologiste et physicien Adolf Fick, « Ueber den bedeutendsten Fortschritt der Naturwissenschaft seit Newton », à propos de la loi de Weber.

24 Voir sur cette question : D. Gooding, « Metaphysics versus measurement : the conversion and conservation of force in Faraday’s physics », Annals of Science, 37, 1980, pp. 1-29.

25 Voir à ce propos: J. Forrester, « Chemistry and the conservation of energy: the work of James Prescott Joule », Studies in History and Philosophy of Science, 6, 1975, pp. 273-313.

26 J.-P. Joule, « On the electric origin of the heat of combustion », Philosophical Magazine, 20, 1842, pp. 98-113, pp. 112-113.

27 J.-P. Joule, « On the calorific effects of magneto-electricity, and on the mechanical value of heat », Philosophical Magazine, 23, 1843, pp. 263-276, pp. 347-355, pp. 435443, pp. 442-443.

28 Ibid., p. 442.

© Presses universitaires du Septentrion, 2010

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