LES PHYSICIENS FRANÇAIS

Si les mathématiciens français ont laissé à l'histoire, à l'époque qui nous occupe, des noms comme ceux de Laplace, Lagrange, Legendre, Galois et Cauchy, les physiciens ne leur cèdent en rien et soutiennent avec eux une légitime comparaison. Avec Fresnel et Ampère, pour ne citer tout d'abord que ceux-là, la science française, au commencement du siècle, à pris la direction d'un mouvement qui rappelle, par son importance et par ses résultats, les progrès accomplis au commencement du xvii^ siècle, sous l'influence d'un Galilée, ou au xviii® sous l'action d'un Newton. Ce n'est pas seulement, avec le premier, une science physique particulière, l'optique, qui prend, par la netteté de ses principes et la précision rigoureuse de ses explications, disons plus encore, par la merveilleuse sûreté de ses anticipations, une perfection semblable à celle de la mécanique céleste, telle qu'elle était sortie des mains de Newton et de Laplace ; ni, avec le second, une science naissante, la science de l'électro-magnétisme, rendue possible par les découvertes récentes de Galvani et de Volta, qui se fonde et qui rencontre dans la pratique ses premières et étonnantes applications ; mais, chose plus importante, ce sont les vues mêm^es de la physique moderne qui, sous l'action combinée des progrès de ces deux sciences et des indications d'expériences et d'études mémorables sur la chaleur, vont subir une profonde transformation ;

l'idée qui tend à s'établir dans la période qui précède, et qui persiste dans celle-ci, est qu'on doit rapporter à autant de fluides impondérables autant d'actions physiques qu'en révèlent les phénomènes et qu'en étudient des sciences n'ayant rien de commun que le nom de physique qui les réunit; sauf le son, dû, on le savait, à l'agitation des particules de l'air atmosphérique, lumière, électricité, chaleur, étaient identifiées, les deux dernières surtout, à des fluides subtils, et en un mot à des matières distinctes et spécifiques :et de là découlaient deux inconvénients graves, qu'on faisait coexister d'abord dans un seul et même espace toutes ces matières distinctes, qu'ensuite on n'y gagnait rien, tant s'en faut, pour élucider certaines actions mutuelles des phénomènes physiques et même certains échanges des uns dans les autres. Rien n'est plus important cependant que ces échanges et ces actions mutuelles : l'électro-magnétisme allait promptement les mettre au premier plan ; l'optique, en faisant de la lumière, non une essence distincte, mais un mode du mouvement, préparait à les comprendre ; et enfin la chaleur, en accusant son aptitude, encore mal comprise, à produire un travail mécanique, lequel possède précisément une aptitude inverse, allait, vers le milieu du siècle, faire soupçonner le rapport des modalités diverses des actions physiques à celles d'une énergie constante, mais transformable. Les milieux impondérables, comme l'éther qui transporte au loin les radiations lumineuses, calorifiques ou électriques, n'étaient nullement exclus par là du champ des spéculations physiques ; mais ils allaient cesser d'incarner grossièrement des entités physiques et prendre de plus en plus le rôle de milieux transportant à distance l'énergie universelle.

Pour l'éther lumineux, la preuve est faite d'une manière éclatante par les travaux de Fresncl. Fresnel est né en 1788 ; entré à l'Ëcolc polytechnique en 1804, il était ingénieur des ponts et chaussées lorsqu'il fut destitué, au commencement des Cent Jours, pour avoir pris les armes contre l'Empereur. C'est à partir de ce moment, jusqu'en

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1824, c'est-à-dire pendant dix ans à peine, qu'il s'adonne à l'étude de la lumière, et rédige les admirables mémoires, admirables par la simplicité et la clarté de la forme non moins que par la profondeur de la doctrine, qui ont été récemment réunis dans les trois volumes de ses OEuvres complètes. En 1824, une attaque d'hémoptysie le mettait hors d'état de continuer ses travaux, et il succombait trois ans plus tard, en pleine jeunesse (1827), à l'âge de 39 ans, comme Pascal et Torricelli.

Lorsque Fresnel commença ses recherches, la théorie régnante en optique était celle de Newton : on admettait en principe que les sources lumineuses projettent en tous sens et en ligne droite, à travers l'espace, des particules douées d'une prodigieuse vitesse, lesquelles provoquent, en touchant la rétine, nos sensations visuelles ; puis, étendant à l'action réciproque de ces particules lumineuses et des corps pondérables la loi universelle des forces attractives ou répulsives, on expliquait par là très simplement un grand nombre de phénomènes, tels que la réflexion, la réfraction, la diffraction, par l'action tantôt attractive et tantôt répulsive des surfaces polies, des milieux réfringents, ou des bords que rasent les rayons lumineux avant de produire les franges de diffraction. Le triomphe de l'hypothèse était la théorie des anneaux colorés, telle qu'elle était sortie des mains de New^ton. Déjà pourtant le caractère quelque peu arbitraire des « accès de facile réflexion ou de facile transmission », ou la nécessité de reconnaître simultanément aux mêmes surfaces le pouvoir répulsif et le pouvoir attractif, ne laissaient pas d'être inquiétants pour la simplicité, plus apparente que réelle, de l'hypothèse. Mais le grand nom de Newton avait un tel prestige, et les efforts de ses partisans, de Poisson entre autres, et de Biot (1774-1862), pour donner, dans le système de l'émission, une explication satisfaisante des phénomènes les plus complexes, tels que la polarisation et la double réfraction, étaient, somme toute, si remarquables, qu'unanimement les physiciens étaient newtoniens en

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optique comme en astronomie, et le demeurèrent longtemps, même après les travaux de Young et de Fresnel.

Cependant l'attention venait d'être rappelée sur l'hypothèse adverse de Huygens, oubliée depuis un siècle, par l'Anglais Thomas Young, qui, dans une série de mémoires, entre 1801 et 1803, venait de mettre en une vive lumière Vinterlérence des rayons lumineux (le mot même est de Young) : lien de plus simple que l'interférence dans le système des ondes, où l'on comprend sans peine que des rayons de même phase se renforcent à leur point de rencontre, tandis que des rayons de phases différentes ou rigoureusement opposées s'affaiblissent ou s'annulent ; rien de plus obscur, au contraire, dans le système de l'émission, où les moyens manquent d'une manière si complète de s'en faire une idée quelconque que, quelques années plus tard, Biot et les newtoniens allaient en nier l'existence physique et en rapporter l'origine à des causes subiectives : résolution désespérée équivalant à une abdication, et qui marque la date réelle de la fin de la théorie newtonienne.

On peut dire en effet de la première série des travaux de Fresnel, qu'ils reposent tout entiers sur l'élucidation de ce phénomène capital, et sur l'adjonction étroite de ses effets à ceux de la propagation proprement dite des ondes. En moins de trois ans, de 1815 à 1818, Fresnel édifie une théorie complète de la diffraction, où le phénomène de l'interférence, isolé dans des expériences célèbres de tout phénomène connexe, rattaché au principe de Huygens sur les on^des enveloppes, enfin Appuyé à la plus délicate, mais en même temps à la plus profonde et la plus complète analyse mathématique qu'ait connue la physique, rend compte avec une admirable précision de tous les phénomènes de diffraction, et, dans tous les cas possibles, de la position et des dimensions des franges aussi bien que de leur éclat respectif et de leur coloration. Du même coup les couleurs des plaques minces, ou celles qui irisent les bords des cônes d'ombre projetés sur un écran par les

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corps que rencontrent des faisceaux de lumière blanche, phénomène inaperçu des newtoniens et en tout cas inexplicable dans l'hypothèse de l'émission, rentrent d'euxmêmes dans la théorie, et en deviennent l'éclatante confirmation. Nous ne pouvons ici que rappeler d'un mot soit l'habileté suprême avec laquelle Fresnel discerne dans les faits même les plus favorables à l'hypothèse adverse tels de leurs caractères qui la contredisent, telles propriétés ou tels accidents qui constituent pour elle autant de faits cruciaux, soit l'art incomparable de ses expériences, bien qu'il n'ait le plus souvent pour les mener à bien que l'outillage le plus rudimentaire, soit enfin l'adaptation parfaite et comme l'adéquation de ses vues théoriques aux phénomènes eux-mêmes. A ce triple point de vue, son Mémoire sur la diffraction de 1818, couronné l'année suivante par l'Académie des sciences sous l'influence d'Arago, est resté un modèle impérissable d'expérimentation précise et décisive, en même temps qu'il portait la probabilité de l'hypothèse initiale au plus haut degré que puisse atteindre une hypothèse physique.

Cependant deux phénomènes, la polarisation et la double réfraction, demeuraient, semble-t-il, hors des prises de la théorie ondulatoire, tandis que les remarquables travaux de Biot en rendaient compte, en somme, dans l'hypothèse adverse d'une manière fort plausible. Déjà Fresnel, en 1816, avait tenté d'en demander l'explication aux lois de l'interfélrence ; mais il n'avait obtenu que des résultats négatifs. La découverte par Aragp de la polarisation chromatique lui fournit, en 1819, l'occasion d'y revenir avec lui, et à leur grande surprise les deux physiciens constatèrent qu'on ne peut en aucun cas produire l'interférence du rayon ordinaire et de l'extraordinaire. Mais Arago ayant eu l'idée de polariser d'abord dans le même plan un faisceau émané d'un seul point lumineux, l'expérience donna des résultats remarquables qui furent résumés dans les quatre propositions suivantes : P deux rayons polari-

es ÉTUDES d'histoire DES SCIENCES.

sés dans le même plan interfèrent comme les rayons ordinaires ; 2° polarisés dans des plans perpendiculaires, ils n'interfèrent en aucune circonstance ; S"» polarisés dans des plans perpendiculaires, puis ramenés au même plan do polarisation, ils interfèrent, pourvu qu'ils émanent d'un même rayon polarisé ; 4^ s'ils émanent, au contraire, d'une lumière naturelle, ils n'interfèrent en aucune circonstance. Ces lois furent pour Fresnel le point de départ de considérations théoriques nouvelles ; pour expliquer la diffraction, peu importait le sens des vibrations des particules d'éther eu égard à la direction de propagation du rayon lumineux ; qu'elles fussent de même sens ou longitudinales, ou qu'elles fussent normales au rayon lui-même, c'est-à-dire dans le plan de l'onde et transversales, interférence et diffraction dans les cas ordinaires s'arrangeaient aussi bien d'une condition que de l'autre : tout autrement en allait-il, après la révélation des lois d'interférence des rayons polarisés : une seule hypothèse permettait de les expliquer, mais les expliquait pleinement : la transversalité des vibrations de l'éther. Mais une mécanique nouvelle de l'éther s'imposait : Fresnel mit à la constituer toutes les ressources de son génie : il soutint contre Poisson, contre Arago lui-même, en un mot contre toutes les résistances du préjugé alors courant de la continuité des fluides et de l'éther, une lutte où il fut victorieux, bien que sa victoire n'ait été reconnue que bien des années plus tard. Mais l'hypothèse de la transversalité des vibrations de l'éther expliquait à son tour d'une manière si simple et si complète l'ensemble des phénomènes connus, elle se montra dans la suite si parfaitement apte à rendre compte des phénomènes nouveaux, elle fît enfin entre les mains de Hamilton, à qui elle permit de prévoir la polarisation conique, la preuve si éclatante de sa fécondité, qu'elle conquit droit de cité dans la physique moderne non seulement à elle-même, mais à la conception de la discontinuité de l'éther, à laquelle répugnaient les mathématiciens contemporains de Fresnel.

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Telles sont, brièvement résumées, les contributions de Fresnel aux progrès de l'optique ; en 1814, un fragment d'une de ses lettres souvent cité prouve qu'il ignorait encore ce que c'était que la polarisation ; dix ans plus tard, en 1824, il avait fait de l'optique la plus parfaite des sciences physiques, et lui avait donné la forme qu'elle a gardée jusqu'à l'avènement des théories de Maxwell. Par la maturité précoce et la puissance de son esprit, Fresnel fait penser à Galois ; l'un a été le génie de la méthode physique, unissant la maîtrise du mathématicien à l'art incomparable de l'expérimentateur, comme l'autre a incarné la puissance créatrice du mathématicien de race s'élevant sans effort et presque sans initiation jusqu'aux plus hauts sommets de la spéculation.

Ampère. — On serait tenté d'appeler Fresnel le « Newton de l'optique » ; Maxwell, dont la compétence et l'autorité ne sont point récusables, a désigné Ampère, sans hésiter, sous le nom de « Newton de l'électricité ». Au temps même où ce dernier (André-Marie Ampère, 1775- 1836) faisait à Poleymieux ses premières études sous la direction éclairée de son père, un événement considérable (vers 1790) s'accomplissait dans la petite maison d'un médecin italien : Galvani découvrait le courant électrique. L'histoire fameuse du balcon de Galvani pourrait bien, comme tant d'autres, n'être qu'une légende ; car, à en juger par le récit qu'il a laissé lui-même de ses expé riences, c'est en poursuivant patiemment et avec une méthode et un esprit de suite qui lui font honneur, des recherches sur les conditions où se produisent certaines contractions des muscles des grenouilles, que Galvani fut amené à remarquer le premier le courant électrique, et à noter plus d'une circonstance essentielle où il se produisait. Sur l'origine même et la cause du courant, trompé par l'idée qu'il se faisait de l'électricité animale, il se méprit complètement ; mais le courant électrique était découvert, et à la suite des travaux de Volta, qui substitua à l'idée

de Galvani une idée non moins fausse, mais plus heureuse, celle de l'électricité dite de contact, ou métallique, et qui surtout construisit la première pile connue, des effets surprenants du courant électrique furent bientôt enregistrés, dont le plus remarquable et le premier qu'expérimentèrent les physiciens du temps fut l'action du courant sur l'eau qu'elle décompose et d'une manière générale sur les composés chimiques et sur les sels. Carlisle et Nicholson préludèrent par d'importantes observations aux beaux travaux de Davy, qui accomplit le premier (1800) l'électrolyse de l'eau et qui, quelques années plus tard (1807), exécutait les expériences célèbres de la décomposition de la potasse et de la soude. Citons encore les travaux de Berzélius, qui servirent de base à sa théorie électrochimique, et nous aurons relevé les principaux effets du courant électrique qu'aient observés les physiciens dans les vingt premières années du xix® siècle.

A la fin de cette période, en 1820, OErsted, physicien danois, publiait une observation capitale : le courant électrique fait dévier l'aiguille aimantée, vers l'est, si, diririgé du pôle boréal au pôle austral de l'aiguille, il passe au-dessous d'elle ; vers l'ouest, s'il passe au-dessus. Pour juger de l'émotion provoquée par ces faits dans le monde des physiciens, il faut se souvenir que l'aimantation, dans les idées du temps, constituait un domaine très restreint de manifestations rapportées d'un commun accord à un fluide spécial ; et voici que les faits troublaient les physiciens dans leurs convictions arrêtées, et démontraient l'action, inexplicable pour eux, de forces non magnétiques sur le magnétisme même. Déjà l'électrolyse leur donnait à penser que l'électricité et l'affinité chimique avaient une source commune. Le préjugé des forces et matières séparées recevait un nouveau coup des expériences d'OErsted.

Les choses en étaient là lorsque Ampère entre en scène. On connaît les événements de sa vie tourmentée, son séjour à Bourg (1801-1803), loin de sa femme mou-

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ranle, et son retour à Lyon (1803), enfin sa nomination comme répétiteur d'analyse (1804), puis comme professeur titulaire à l'École polytechnique ; durant tout ce temps, son activité se partage entre des travaux mathématiques d'une haute valeur, et des recherches passionnées de psychologie, de métaphysique et de philosophie des sciences. A l'époque de l'expérience d'OErsted, il avait près de 45 ans, et s'ignorait lui-même comme physicien ; c'est à cet âge, et avec sa fougue ordinaire, qu'il reprend pour son compte les recherches d'OErsted ; en quelques années, nous allons dire brièvement l'œuvre qu'il accomplit, et qui peut-être est en physique la plus grande du siècle. D'abord, il fixe dans une règle connue sous le nom de règle d'Ampère la dépendance précise des déviations de l'aiguille par rapport à la direction du courant voltaïque : mais ce n'est là qu'une précision plus grande apportée aux remarques déjà faites par OErsted. Le trait de génie d'Ampère, l'idée féconde qui semble avoir dominé toutes ses recherches, fut de concevoir d'emblée l'analogie profonde du courant et de l'aimant, puisqu'il est manifeste que l'un agit sur l'autre. Dès lors, que se passerait-il, si l'on essayait l'action du courant, non plus sur un aimant, mais sur son analogue, sur un autre courant? Huit jours après la mention par Arago, dans la séance de l'Institut du 11 septembre 1820, de l'expérience d'OErsted, Ampère apportait, à la séance suivante du 18 septembre, le résultat de ses recherches ; il était capital : deux conducteurs rectiligneset mobiles, situés parallèlement dans le voisinage l'un de l'autre, s'attirent ou se repoussent, suivant qu'ils sont traversés par deux courants de même sens ou de sens opposé. Ainsi d'une part, il existe une « influence » voltaïque, comme il existe une « influence » des corps ordinaires électrisés, mais avec cette différence que les courants de même sens s'attirent, tandis que les électricités de même signe se repoussent ; il faut donc distinguer une électricité statique et une électricité dynamique ; et, d'autre part, l'observation ne révèle pas seulement des; phéno-

mènes électro-magnétiques (actions des courants sur les aimants), mais elle révèle aussi des phénomènes électrodynamiques (actions des courants sur les courants). Il y a plus, Télectro-magnétisme n'est peut-être lui-même qu'une modalité spéciale des phénomènes électro-dynamiques. Déjà Ampère s'était servi dans ses premières expériences de conducteurs rectangulaires ou circulaires afin de renforcer et de rendre plus visible l'action réciproque des courants : l'idée lui vint alors d'enrouler plusieurs fois en hélice le même fd conducteur^ et il construisit l'ingénieux appareil auquel il donna le nom de solénoïde (1822). Or, si l'on fait agir un cour^int galvanique sur un solénoïde, celui-ci se comporte rigoureusement comme l'aiguille aimantée, c'est-à-dire que son axe s'oriente perpendiculairement à la direction du courant ; ce n'est pas tout : sur cet aimant artificiel, un aimant ordinaire produit les mêmes effets qu'un courant galvanique ; et le magnétisme terrestre ne fait point exception, il oriente l'axe de tout solénoïde dans la même direction que l'aiguille aimantée.

Ainsi tous les aimants peuvent être assimilés à des solénoïdes : les phénomènes dont ils sont le siège seraient complètement expliqués si l'on supposait autour de toutes leurs molécules des courants galvaniques parallèles et de même sens. La terre elle-même n'est qu'un immense solénoïde où des courants circulent dans le plan des parallèles, ou même seulement dans le plan de l'équateur. Ce ne sont donc point deux classes différentes que celle des phénomènes électro-magnétiques et celle des phénomènes électrodynamiques ; ils ont essentiellement mêmes lois et même nature, et témoignent ainsi de l'unité de la cause qui les produit.

On se ferait une idée imparfaite du mérite d'Ampère si Ton ne faisait mention de la forme mathématique qu'il sut donner à sa théorie : « Les recherches d'Ampère, a écrit Maxwell, par lesquelles il établit les lois de l'action mécanique des courants électriques les uns sur les autres, comptent parmi les faits les plus brillants qui se soient

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jamais produits dans la science. Théorie et expérience semblent avoir jailli dans leur pleine puissance et leur plein achèvement du cerveau de ce « Newton de l'électricité 1 ». Son ouvrage {Théorie des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de Vexpéricnce, Mém. de l'Acad., VI, 1823, paru en 1827) est parfait dans la forme, inimitable pour la précision de l'expression ; et le bilan de cet ouvrage est la formule d'où tous les phénomènes électriques peuvent être déduits et qui restera dans tous les temps comme la formule cardinale de l'électro-dynamique. Ampère recueillit donc, de 1820 à 1827, tandis qu'il faisait ces merveilleuses expériences auxquelles vinrent assister, dans sa modeste maison de la rue des Fossés-Saint-Victor, tous les savants de l'Europe de passage à Paris, les fruits de la haute culture mathématique à laquelle il avait auparavant donné près de trente ans de sa vie ; et c'est à elle qu'il dut, non moins qu'à la puissance de son imagination et qu'à son habileté d'expérimentateur, la valeur et la solidité de son œuvre. Ampère a réuni les qualités maîtresses qui font le grand physicien : le génie de l'expérience, le génie de l'analyse. N'oublions pas qu'il fut, par ses travaux, l'initiateur de tant de grandes découvertes qui sont la gloire du siècle ; n'oublions pas non plus qu'il a fait faire un pas considérable à la doctrine de l'unité des forces de la nature, en ramenant à une seule deux classes de phénomènes considérés jusqu'alors comme absolument séparés et distincts.

Une autre partie de la physique dont les progrès sont remarquables dans la première moitié du siècle, et qui deviendra, dans la période suivante, le point de départ d'une réforme profonde de la physique dans son ensemble, est la science de la chaleur. Là encore, les physiciens français occupent une belle place dans l'histoire de la science, et ont trouvé des lois ou formulé des théories d'une extrême importance.