CHAPITRE VI

LA PHYSIQUE MODERNE (SUite). — LES FAITS : CORRÉLATION DES FORCES PHYSIQUES. — ÉQUIVALENT MÉCANIQUE DE LA CHALEUR.

I. — Les phénomènes physiques ont paru de tout temps réductibles à plusieurs espèces distinctes hétérogènes les unes aux autres. D'où, en raisonnant à la façon scholastique, c'est-à-dire en inférant de la diversité des effets la diversité des causes, on serait porté à croire que les changements qui s'opèrent à la surface des corps sont produits par un certain nombre d^agents ou de forces distinctes. Nous rapprochons à dessein l'un de l'autre les deux termes agent et force; car, à première vue, il est clair que le terme force, pris au sens physique, ne saurait avoir la même valeur qu'en mécanique. Il gagne en extension, mais il perd en compréhension; que signifie-t-il au juste? Ce que signifient les mots cause ou agent quand on les applique à l'ordre matériel. Rien de plus

vague que ces mots; sont-ce des entités d'ordre supraseiisible ? Sont-ce des matières subtiles, imperceptibles à nos sens, mais susceptibles d'être perçues par des êtres mieux organisés que nous ? Ou bien encore, ces mots n'ont-ils qu'une valeur nominale et leur emploi n'aurait-il d'autre but que de faciliter par une classification méthodique la connaissance de la nature ? Voilà ce qu'à première vue, je le répète, il est malaisé de savoir.

Toutefois, si Ton se reporte d'un siècle en arrière, il semble que le deuxième sens soit adopté ; le phlogistique de Stahl, si heureusement détrôné par Lavoisier^ n'était autre chose qu'une sorte de matière; de même en était-il des agents connus sous le nom de chaleur, lumière, etc.

Ces agents multiples, en nombre relativement restreint, si Ton a égard aux phénomènes qui en dérivent ou paraissent en dériver, la science moderne prétend en réduire le nombre^ et cela, en s'appuyant sur la loi de conservation.

La force se conserve en quantité constante :

voilà le point de départ. Tous les phénomènes physiques, et partant toutes les forces physiques^ ne sont que des formes diverses d'une seule et unique force : voilà où on se propose d'arriver. La prétention semble légitime, et Ton serait tenté de croire que l'hypothèse de l'unité des forces est un corollaire immédiat du princii)e fondamental.

Ce principe en est la condition nécessaire ; il n'en est point la condition suffisante.

Pourquoi ?

Parce que la permanence dans l'ordre de la quantité n'implique nullement la permanence dans Tordre de la qualité.

La loi de conservation de la force se prêterait fort bien à l'expression suivante : la quantité d'énergie ou de travail développée par les agents physiques, dans leurs actions réciproques, reste toujours constante, quels que soient, d'ailleurs, la nature des agents et leur mode particulier d'action.

La loi ainsi énoncée ne saurait avoir pour conséquence immédiate la réduction des agents physiques à l'unité. Cette synthèse n'est possible qu'à une condition, c'est qu'on découvre entre les forces physiques un rapport de subordination analogaa, ou peu s'en faut, aux relations qui, dans la nature organique, unissent les espèces au genre. Ainsi : l*" poser à titre de principe la conservation de la force ; ^ en maintenant l'hétérogénéité spécifique des agents naturels, trouver l'agent primordial susceptible d'envelopper et d'expliquer tous les autres, telle est la double condition à laquelle doit satisfeire la théorie de l'unité des forces.

A l'égard de la première condition, rien n'est à craindre : on respectera d'autant mieux la loi fondamentale, qu'il semble au premier abord qu'entre

158 LA PHYSIQUE MODEPINE.

ce principe et la doctrine en question, la distance, pour exister, n'est pas infranchissable; on verra qu'elle ne l'est point. Quant à la deuxième condition^ tout fait espérer qu'elle sera remplie.

En effet; depuis longtemps les sciences physiologiques ont appris ce qu'il faut penser des prétendues espèces physiques hétérogènes. Cette hétérogénéité spécifique n'a de valeur qu'en physiologie. Chacun de nos sens est doué « d'énergies spécifiques », grâce auxquelles l'homme se figure un univers physique, œuvre d'une infinie variété de causes distinctes et indépendantes. Or, s'il est vrai qu'une part revient aux organes sensoriels dans la perception de la nature extérieure, et qu'eux seuls sont^ pour ainsi parler, les ouvriers de cette multiplicité phénoménale, on peut croire que ceux qui parlent de l'hétérogénéité spécifique des forces ne devraient entendre par là qu'une hétérogénéité toute subjective. La tâche se trouve ainsi simplifiée, et rien n'empêche de croire que la nature, en apparence multiple, n'est multiple qu'au regard de l'homme et des êtreg organisés comme lui; rien n'empêche de croire qu'en elle-même la nature est une, dans l'ordre de la qualité, comme aussi dans l'ordre de la quantité. La loi de conservation pose la permanence d'une même quantité d'énergie ; la théorie de l'unité des forces va plus loin et cherche à démontrer la permanence d'une même

qualité d'énergie. Rien de plus vraisemblable; mais avant d'accepter une théorie, il est prudent d'interroger l'expérience et de se demander dans quelle mesure elle la rend possible.

IL — Qu'on n'attende point de la seule expérience une démonstration complète. Ce qui est incontestable, et l'on en donnera tout à l'heure de nombreux exemples, c'est la « corrélation qualitative » des forces physiques, de toutes ces forces sans exception ; ce qui est également incontestable et susceptible d'être prouvé par des expériences nombreuses et décisives, c'est la « corrélation quantitative » de deux de ces forces, la chaleur et le mouvement. Si l'on veut aller plus loin, on sort du domaine de l'observation proprement dite, et l'on franchit les bornes du savoir positif.

Ainsi donc, nous passerons successivement en revue deux ordres de faits : ceux qui prouvent la corrélation (qualitative) des forces, ceux qui établissent nettement et victorieusement l'équivalence mécanique de la chaleur.

Selon M. Grove, on dit que deux forces sont corrélatives quand elles peuvent se manifester simultanément ou successivement.

1" Constatons d'abord que le mouvement engendre la chaleur. Frottez deux corps l'un contre

l'autre, les deux corps s'échauflent. Frottez deux pierres l'une contre l'autre, l'étincelle jaillit, donc le mouvement produit la lumière. Si les corps mis en contact sont homogènes, il y a dégagement de chaleur; mais s'ils ne sont pas de môme espèce, non-seulement il se manifeste un phénomène de chaleur^ mais encore un phénomène d'électricité.

Nous n'avons cité qu'un cas de production de chaleur par l'intermédiaire du mouvement; nous pourrions en accroître la liste, et par des exemples remarquables. Le forage des canons, entr'autres, développe une quantité de chaleur capable de vaporiser à la température de cent degrés, dix litres d'eau en deux heures et demie. La balle de plomb, ({uand elle frappe la cible, peut s'échauffer jusqu'à son point de fusion. Comprimez un corps quelconque, qu'il soit solide, liquide, gazeux, vous obtiendrez toujours une élévation de température (1).

D'après ces exemples, la science est en mesure d'affirmer que le mouvement produit directement ou indirectement tous les phénomènes d'ordre physique. Directement il peut donner naissance à la chaleur, à l'électricité. La lumière naît, elle aussi, du mouvement, soit par production immédiate, ce qui a lieu chaque fois qu'elle accompagne la cha-

(t) Cf. Gro?e. Corréhticm des forces physiques, p. 37. Paris, Q.^Baillière, 18C8. — Cazin. La Chaleur, p. 63. Paris, Hachette, 1868.

leur née d'un frottement, soit par production indirecte, comme il arrive dans Tétincelle électrique. Le magnétisme, lui aussi, peut avoir pour cause le mouvement ; entre le mouvement et lui la médiation de rélectricité paraît indispensable.

2* Il n'est point de force physique qui n'obéisse à l'appel du mouvement; il n'en est point non plus qui ne se montre docile aux ordres de la chaleur.

D'abord le mouvement naît de la chaleur. C'est la chaleur qui fait mouvoir les machines, c'est elle qui dilate les corps et leur permet, en augmentant de volume, de supporter la résistance d'un obstacle. La machine à vapeur sert aussi à élever des fardeaux ; donc la chaleur est une source de travail, c'est-à-dire de mouvement (1).

La chaleur produit le mouvement, et par son intermédiaire, les autres espèces physiques (2).

Il en est, toutefois, qui se manifestent directe-ment sous son Influence. Si l'on prend un cristal de tourmaline et qu'on chaufte, on obtiendra ce qu'on peut appeler une séparation électrique ; l'une

(1) Çf. Achille Cazln. Lm Forcet physiques, p. 77. Paris, Hachette,

(2) Nous (lisons espèces physiques, et non « mode de la force. ■ M. Grove emploie cette dernière expression, mais elle est des plus vagues et nous hésitons à nous en servir.

IG'2 LV PHYSIQtK MODERNE.

des extrémités du cor|)s sera électrisée positivement, Tautre négativement.

Maintenant, soudez à un barreau de bismuth un barreau de cuivre, chauffez Tune des soudures» mais faites en sorte que l'autre reste froide, et vous verrez un courant d'électricité positive circuler le long des barreaux (1).

La chaleur est donc susceptible de donner naissance à l'électricité ; comme, d'autre part» il est inutile d'insister sur les expériences qui démonttent son aptitude à produire la lumière, tenons pour certain que la chaleur est une espèce physique dont la manifestation peut, dans certains cas, dotiitér le signal à toutes les autres.

3* Chargez deux corps d'électricités différentes et vous les verrez se rapprocher; prenez deux fils parallèles l'un à l'autre et servant de conducteurs à des courants de même direction, si ces deux fils ont la faculté de se mouvoir, ils s'attireront réciproquement. L'attraction s'obtient par des courants de môme sens, la répulsion par des courants de sens opposés (â); si l'on rapproche deux corps chargés d'électricités de nom contraire, les deux électricités semblent courir l'une au devaftt de l'autre; elles forment un courant et font jaillir

(I) Cf. Balfour Skwart. ior. cti., { 100 et 161.

i.ES FAITS. 16Î

rétincélle. L'électricité produit la lumière et cette lumière donne naissance à un dégagement de chaleur (1). On sait aussi qu'un courant électrique, formé par les deux pôles d'une pile, échauffe le ifiil conducteur et le porte, en quelques secondes^ à la température du rouge,

Les effets magnétiques du courant sont bien connus; non-seulement il dévie Tàiguille aimantée, mais il transforme le fer doux en un aimant puissant.

L'électricité est donc un agent qui, malgré ses propriétés toutes spéciales, ne fait cependant pas exception à la règle commune.

4* Supposons un aimant iBxe, et danà son voisinage des corps conducteurs de l'électricité ; si les corps conducteurs se meuvent à travers les lignes de force magnétique, des courants électriques se dévelopJ)ent en eux. L'électricité dégagée produit de la chaleur, de la lumière, et par conséquent sert de médiateur au magnétisme. L'expérience prouve que des corps non magnétiques, et qui ne sont point parcouriis par des courants, rie restent pAs inaccessibles à l'influence d'un puissant aimarit. Placés dans son voisinage, ils tendent à se mou-

(1) B. sitwart. Loc. cu, j 90.

i Î4 LA PHYSIQUE MODERNE.

voir. Le magnétisme est un agent capable de produire directement un mouvement^ de même, et dans certaines circonstances, il provoque, sans intermédiaire, un dégagement de chaleur.

« 5* Une plaque daguerrienne préparée est » enfermée dans une boîte remplie d'eau et fermée » par une lame de verre recouverte d'un écran » mobile. Entre le verre et la plaque, dit M. Grove, » je place un grillage de fil d'argent; la plaque » est en contact avec Tune des extrémités du fil » d'un galvanomètre, et le grillage de fil avec » l'extrémité d'un hélice de Bréguet (élégant ins- » trument formé d'une lame très-mince de deux x> métaux soudés ensemble, et dont les dilatations y> inégales indiquent les plus légères variations de » température) ; les extrémités restantes du fil du » galvanomètre et de l'hélice thermométrique sont D unies par un fil conducteur, et les aiguilles du ^ galvanomètre et du thermomètre sont amenées » à zéro. Aussitôt qu'un rayon de lumière diffuse » trouve accès sur la plaque^ par le déplacement » de l'écran, les aiguilles se dévient. Ainsi, en pre- ]» nant la lumière pour force initiale, nous avons » sur la plaque une action chimique ; dans les fils )i^ d'argent, de rélectricité circulant sous forme de » courants; dans la bobine du galvanomètre, du

» magnétisme; dans Tliélice, de la chaleur; dans » les aiguilles, du mouvement (1). »

La corrélation qualitative des « forces physiques » n'est plus douteuse. Chaleur, lumière, électricité, magnétisme, mouvement, l'une quelconque d'entre elles peut être considérée par hypothèse comme une force initiale ; car il suffit de

(t) Gro^e. Loc. cit., p. 148-149. L'expérience Doas a semblé assez belle et assez décisWe pour mériter d'être transcrite. — Citons encore cette belle page do père Secclii :

« La lumière considérée pendant très-longtemps comme un agen M destiné exclusivement à mettre les êtres animés en relation avec » l'univers par l'intermédiaire du sens de la vue, est aujourd'hui comp- » tée parmi les forces les plus puissantes de la nature... En effet, si » nos vaisseaux sillonnent les mers sous l'impulsion des vents, la cause » en est au soleil, dont Ut rayoïa maintiennent notre atmosphère en » mouvement; si les cours d'eau animent nos usines et entretiennent la » vie des végétaux dans nos prairies, ils le doivent à la radiation » solaire, qui, par l'évaporation, élève dans les airs la vapeur d'eau des • Océans, laquelle va se condenser dans les hautes régions de l'atmos- » phère pour venir couler dans nos rivières ; si le feu réconforte nos » corps, et nous rend tout- puissants à l'aide de nos machines à vapeur, n il tient cette faculté de la lumière qui a décomposé l'acide carbonique » et l'a transformé en dépôts de force... L'importance du rayonnement » lumineux s'accrott encore lorsqu'on envisage ses rapports avec les » autres forces de la nature, et nous devons reconnaître à la cause qui » lui donne naissance, une influence de premier ordre dans la mécanique » de la création : ainsi se confirme cette notion vaguement exprimée ■ par Kepler dans les premières pages de son livre sur l'optique ; tous » les phénomènes de la nature peuvent être rapportés aux principes de I» la lumière. • — VUnité des forces physiques, 2« édition, p. 154.

166 LA PHYSIQUE 3fODERNE.

la rendre manifeste, pour rendre possible la mani^ festation directe ou indirecte des autres forces. 1^ première partie de notre tâche est terminée.

m. — LVx|>érience prouve la corrélation quar litative des forces physiques; elle prouve également bien la corrélation a quantitative d de deux tVentre elles, la chaleur et le mouvement.

Soit un corps de un kilogranmie; on Tabandonne à lui-même et il tombe de la hauteur de 425 mètres dans une masse d'eau; Peau s'agite, puis se calme. Une fois le corps parvenu au terme de sa course, la quantité de mouvement développée dans la chute paraît anéantie.

En revanche, Peau s'est échauffée et le ther-^ momètre que l'on avait placé dans l'eau avant le dioc accuse une élévation de température. M, Joule en Angleterre, M. Hirn en France, ont mesuré la quantité de chaleur produite dans l'exemple précédent; il résulte de leurs expériences, qu'étant donné un poids quelconque, tombant dans l'eau d'une hauteur quelconque, le nombre de calories, c'est-à-dire, d'unités de chaleur manifestées est égal au quotient du nombre de kilogrammètres dépensés par 425 (1).

Le nombre 425 est appelé par Mayer l'équivalent mécanique de la chaleur.

(1) Cf. Achille Gazin. La Chaleur, pages 70 et 7t.

LES FAITS. t67

Fj'éqiiivalent mécanique de la chaleur est inva-r riable; une unité de chaleur se substitue j)artout et toujours à 42a unités de travail. Ainsi, quand on emploie la chaleur à la production d'un effet mécanique, on constate qu'il disparaît une quantité de chaleur invariablement proportionnelle au travail accompli.

Il y a donc, ou du moins il est permis de le croire^ un rapport de causalité (1) entre la chaleur perdue ou gagnée^ et le travail mécanique produit ou dépensé.

i^a cbftleur doime naissanGe au mo^yem^nt^ cela est inponte&tahle ; mais, ce qui Test mQins>, <?e qui paraît même assez délicat à, établi* , c'est que dans tQus les ç^s où il y a disparition, de çha,-^ leur, il y a protduction. d^e travail. La preuve en. est difficile « vu la ^w.nde valeur de Téquivalent çaéçaniq^ue de la chaleuç- » Voijài. pourquoi elle c'est, fejit si Ipn^ti^wps attendre-

Â.uloui^d'tuiK: l|ï ehosi^ ne Sait plus; Voxnbr^; d'un douiet; on a fait l'ei^ripuce pow toutes sprt^Sf ^ machines et même p<wr les: n;)acbâae$ ajÛQoaJiesv M. Hirni. a démontré que cha,qiie fois qu,'il ce produit» u,n travail dynamique, la respiration devieat

(1) Nous prenons ici le terme causalité au sens empirique, la perte de chaleur a pour e(,nséquent la production d-uoe certaine qw^ntité de travail.

plus active, et la quantité d'oxygène consommée plus grande.

\ous avions deux stades à parcourir :

1" Montrer qu'à une perte de travail correspond, dans tous les cas d'expérience possible, un gain de chaleur (et réciproquement).

2" Mesurer le rapport entre ces quantités, démontrer la constance de ce rapport.

A cet égard, la science moderne ne laisse plus rien à désirer.

La découverte de l'équivalent mécanique de la chaleur a changé, pour ainsi dire, la face des sciences physiques ; cette découverte , fruit de l'expérience, mais d'une expérience suscitée par le génie, devait faire table rase d'une foule de préjugés et faire justice d'un grand nombre d'erreurs. Avec elle disparaissaient la chaleur, latente et mille autres idoles ; avec elle devait disparaître la physique ancienne, et sur ses débris s^élever la majestueuse doctrine qui s'appelle aujourd'hui la théorie de V unité des forces.

Cette théorie, dont l'exposé suivra bientôt, est fondée sur un postulat et sur un fait; le postulat est la loi de conservation de la force; le fait est

l'équivalent mécanique de la chaleur. Pour conce-

voir l'indestructibilité de la force, il faut, selon

nous, concevoir rindestructibilité de la matière (1) : Pun n'est pas Tautre, mais Tun conduit à Tautre. Pour mesurer et pour démontrer l'équivalence mécanique de la chaleur^ c'est-à-dire la « corrélation quantitative » du travail mécanique et de la chaleur dégagée, il est auparavant nécessaire de démontrer la « corrélation qualitative des espèces physiques. » Tel est l'enchaînement logique des idées et des principes^ telle est la démarche de l'esprit dans la construction de cette vaste synthèse, objet suprême de la science et de la philosophie.

(1) Le théorème de la conserTalion des forces yUes se démontre abstraitement sans qa*il y ait à faire intervenir le principe de la permanence de la matière. Mais, quand il s*agii de passer de Tordre mathématique à l'ordre physique» il n'en est point de même. En fait, la force parait toujours unie à la matière; aussi, quand on conçoit rindestructibilité de l'une, on est naturellement amené à concevoir la persistance de l'autre.