I. BUT DE LA PHYSIQUE

11 y a deux manières cVarriver à la connaissance des lois de la chaleur. L'une est celle du philosophe et l'autre celle du physicien. Chercher par exemple la nature de la chaleur, en s*appuyant sur des considérations métaphysiques, sur certaines idées générales relatives à la constitution de l'univers, poser une suite de principes rationnels, et prévoir d'après ces principes les phénomènes, en passant de la cause à leffet : voilà ce que fera le philosophe. Le physicien, au contraire, appliquera d'abord son attention à l'observation exacte des phénomènes ; il mesurera, il comptera, il pèsera ce qu'il a sous les yeux, afin de bien connaître les rapports numériques des choses ; il imaginera des expériences dans lesquelles les quantités à mesurer seront nettement séparées ; il inventera des instruments avec lesquels il effectuera de^ rcve^xvc^'à ^^'îyRNfôs., ^

32 LA CIIALEUIi.

quand il aura rassemblé le résultat de ses recherches dans m énoncé mathématique, il aura trouvé la loi du phénomèoe. il aura découvert la règle de la nature.

Par exemple, une balle de plomb suspendue par un kn^ fil à un support fixe oscille nalurellement quand, après afoir incliné le fil, on Tabaiidonne. Nous |)ouvons facilemeot compter le nombre des oscillations effectuées en une minuU. Raccourcissons maintenant le fil, et réduisons sa longueur u quart de ce qu'elle était ; comptons de nouveau : nous Ut» verons que le nombre des oscillations est double pendant k même temps. Si on réduisait la longueur au neuvième, m verrait que le nombre des oscillations est triple. On feé trouver un énoncé mathématique qui représente le phénomène, quelles que soient les longueurs que Ton compare; cet énoncé exprime la loi des oscillations.

Lorsqu'on suivant celte méthode, on a obtenu un gnni nombre de lois relatives aux phénomènes évidemment dv à la môme cause, on peut, si l'on veut, essayer de remoottf des effets aux causes ; mais on cesse de faire de la scieott [)ositive, et les conceptions auxquelles on parvient .sont toijours incertaines; leur degré de probabilité dépend du nomliR et de lexactilude des observations qui y ont conduit : on h appelle hypothèses, et elles ne sont pas nécessaires pour b connaissance de la nature.

En jetant un coup d*œil sur Thisloire des sciences, noi^ verrons que la méthode expérimentale est d'origine récente. Les anciens ont procédé par lu métaphysique : Âristote estk plus célèbre maitrc dans cette école. Sa doctrine est htsit sur une foule do distinct ions nominales, dans lesquels on n'a égard (|u'aux qualiti'^s des choses, et non à lems quantités; riinagination a fait tous les frais. Et pourtant c'est la logique d'Aristotc (|ui prévahiit dans les écoles es* core au seizième siècle. Notre célèbre Descartes, qui livà

de 1596 à 1650, a lui-même contribué à retarder rétablissement de la méthode natureUe. Avant de chercher les lois de la pesanteur, dit-il, il faut que je sache ce qu est la pesanteur; car cest la cause qui doit expliquer les effets. 11 avait tort.

C'est GaHlée, qui professait à Florence vers cette époque, que Ton doit regarder comme le fondateur de la méthode naturelle ; il en a donné les règles, et il Ta mise en pratique, inventant les instruments, imaginant les expériences. Nous ne pouvons, disait-il, connaître Tessence des choses ; labsolu nous échappe, nous ne pouvons connaître que le relatif; peu importent les causes, ce sont les rapports nécessaires des choses ou les lois qu'il faut découvrir. Et il découvrait la rotation de la terre, les oscillations du pendule, le poids de l'air, la chute des corps ; il créait la mécanique, la physique proprement dite. Il était mathématicien, et il avait le secret pour Hre dans le livre de la nature, livre écrit, comme il le disait, en langage mathématique. Malgré cela il ne faudrait pas croire que toute sa science fut cachée dans des formules accessibles à un petit nombre d'adeptes. Galilée a eu le grand mérite de rendre la science populaire. Il écrivait un jour à un de ses amis.

(( J'ai remarqué que les jeunes gens qui fréquentent nos « universités pour s'y préparer aux professions libérales, « montrent souvent peu de goût et d'aptitude pour la philo- « Sophie naturelle ; d'autres, au contraire, dont la cervelle « est mieux faite sous ce rapport, restent livrés aux occupa- « tions domestiques ou industriellrs, sans songer à philoso- « pher, parce qu'ils s'imaginent que la philosophie est con- « tenue dans de gros livres écri*s en os et en us, qu'ils ne « sauraient lire : je veux qu'ils sachent que, de même que « la nature leur a donné aussi bien qu'aux gens parlant grec « et latin des yeux pour voir ses œuvte%, ^e. \s&«Nfc ^^^-

31 LA CiiMEUR.

c ment elle leur a donné un ccncau pour les connaître et « les comprendre *. »

Soyons disciples de Galilée : obsenons, analysons et distinguons bien la loi du phénomène de rhvpotlu^se qui a la prétention d*en faire connaître la cause. Pour nous, expliquer un phénomène, c*est le décrire, c'est montrer la relation qui existe entre ses diverses parties, ou bien entre lui et d'autres phénomènes déjà connus. Nous connaîtrons suftisainmentli chaleur, lorsque habitués ^ saisir un lien naturel entre ses divers effets, nous pouiTons prévoir que l'un d'eux va se produire, lorsque telle ou telle circonstance se présentera.

Quant à la nature intime de la clialcur, Thomme est rédiut à de simples conjectures, et quand on passe en revue les 0|mnions qui ont été émises à ce sujet, on voit bientôt dûs quelles erreurs sont tombés leurs auteurs, faute d'observations exactes.

a. HYPOTHfeSES SUR LA NATURE OK LA CHALEUR.

Jusqu'au commencement de ce siècle, Thypo thèse la plus accréditée était celle de la matérialité du calorique. Dans cette hypothèse, la chaleur serait une sorte de matière fluide Mon pesante, différente de celle qui constitue les molécules des corps, interposée entre elles, et capable de passer d'un corps dans un autre avec une très-grande vilcsse; on l'appclk le calorique. Quand un corps est écliaufl'é, il recevrait du dehors une certaine quantité de calorique, venant s'ajouter a« calorique qu'il contenait déjà ; (|uand il est refroidi, le calorique sortirait au contraire.

Dans la combustion, les substances différentes se combine-

* Galilée, par M. Trouessart. Povlvct*, \8G3,

raient en dégageant du calorique, parce que leurs molécules changeant de position constitueraient un nouveau corps incapable de contenir la sonuue des quantités de calorique qui se trouvaient primitivement dans les substances mises en présence. En appelant calorique spécifique la quantité de fluide contenue dans l'unité de poids des corps, on disait, par exemple : le charbon en se combinant avec Toxygène dégage de la chaleur, parce que le calorique spécifique de Tacide carbonique formé est plus petit que la somme des caloriques primitivement contenus dans le charbon et l'oxygène qui constituent l'unité de poids de l'acide carbonique. Quelques observations bien simples vont nous prouver l'inexactitude de cette hypothèse.

Quand on attaque un morceau de cuivre avec une lime de manière à détacher de la hmaille, on dégage de la chaleur. D'après la théorie précédente, cette limaille devrait donc avoir un calorique spécifique moindre que celui du cuivre compacte. Or cela est faux. La poudre de cuivre ne se comporte pas autrement que le cuivre compacte quand on la soumet à l'action de la chaleur.

Autre exemple : frottez Tun contre l'autre deux morceaux de glace, en prenant toutes les précautions imaginables pour ne pas les échauffer par le contact de corps plus chauds, la glace fondra, comme si on la mettait sur le feu. Les partisans du calorique diraient : C'est qu€ le calorique spécifique de l'eau est moindre que celui de la glace ; par conséquent, le frottement déterminant la sortie de la chaleur, l'eau ne peut plus conserver l'état solide, et prend l'état liquide. Sans chercher comment on peut concevoir la sortie de la chaleur comme un effet du frottement, nous n'avons qu'à observer, pour réfuter cette théorie, que le caloiique spécifique de la glace est inférieur à celui de l'eau, contrairement au raisonnement précédent.

Dans le cliapitrc premier, nous avons décrit une ex|)ériciic« dans laquelle il y avait disparition de chaleur, sans qu*il fit |)ossible de la retrouver dans le système de corps mis enjeu; on ne saurait concevoir un tel n*sultat, si l'on admettait qw la chaleur est une sorte de nlati^rc.

Aujourd'hui cette hypthèse est n»jetée, parce qu'on i découvert un grand nombre de faits avec lesquels elle est incompatible; mais comme elle a régné longtemps dansb science, on trouve encore plusieurs expressions et formes de raisonnement qui ont cons4Tvé son empreinte : il ne ftat donc pas leur attribuer le sens qu'elles avaient quand on en a fait usage ]K)ur la première fois.

Une seconde liy]M)thèse consiste à i-egarder la chaleur comme un mouvement des molécules d«»s corps, qui est accéléré y)endantr(''cliauifement, et ralenti |)endant le refroidissement, qui peut être transmis d'un e^irps a un'autre, de même que Tagitation (»xcitéeen un point d'une niasse dVau est pro. gressivcmeut conmumi(]uée ù tout le Hifuide, par une sorte de rayonnement dans tous les sens. fiCs molécules des corp seraient (listril)uées, sous I empire d'une forc^ attractive universelle, au milieu d'un ilnide tivs-élastique, appelé éther, répandu dans tout l'espace; et c'(»st jwr l'intermédiaire de cp fluide ()ue le rayonnement de la chaleur et de la lumièrr aurait lieu. Lorscpie deux corps sont en présence, les mouvements de leurs molécules tendraient à s'équihbrer, et les efiets de la clialeur sei*aient dus à la transmission réciproque de ces mouveinents. ]jc frottement développe de la chaleur, parce (jue, dil-on dans cette théorie», il y a un mouvement ex)nmiuniqué d(>s masses frottantes aux luolé'cules dos corp fi'ottés. Ce mouvement échajqM» à nos regards de même que les molécules, à vausi*. de leur ténuité ; mais nos sens sont impressionnés par hîs divers elfets de ce mouvement que non? ap/fohns chaleur.

^ Remarquons que le même mot chaleur est employé dans

1^- deux acceptions différentes. Ici nous voulons parler de l'effet ;

^ ailleurs le même mot désigne la cause. Il suffît d*un peu

j^ d'attention pour distinguer celle de ces deux significations

qu'il convient de prendre dans telle ou telle circonstance.

- La disparition de la chalem* serait simplement la diminu-

m tien du mouvement des molécules, celui-ci étant transmis,

» non pas aux molécules des corps voisins, mais aux masses

sensibles de ces corps, lesquelles se mettent toujours en

mouvement quand cette disparition a lieu. 11 y aurait donc

I conversion de mouvement moléculaire en mouvement de

masse ; transformation de chaleur en travail mécanique,

de même qu'inversement, dans le frottement et dans d'autres

circonstances, il v aurait conversion de mouvement de masse

. en mouvement moléculaire, transformation de travail méca-

nique en chaleur.

Cette hypothèse, qu'on appelle dynamique, a été adoptée par un grand nombre de philosophes dès le dix-septième siècle. On en trouve l'indication dans les écrits de Descartes» Bacon, Euler, etc., mais sans aucune précision. Ce n'est qu'après Galilée, lorsque la physique fut réellement fondée sur l'expérience, que les conceptions métaphysiques prirent une forme déterminée et purent servir de base à une théorie. Il ne suffit pas, en effet pour que cette hypothèse soit définitivement formulée, que l'on parle de la chaleur comme d'un mouvement ; il faut dire encore quel mouvement on imagine, et quelles en sont les lois. Jusque-là il n'y a qu'une préparation, qu'une ébauche.

Plusieurs auteurs modernes ont essayé d'atteindre ce but, et ont présenté une théorie de la chaleur fondée sur l'hypothèse dynamique. Imaginant une certaine constitution des corps, ils ont établi des formules pour exprimer les lois qu'ils supposaient régir le mouvement des xï\o\écvi\^'à,<i\.'^'^^Vi.^^îN.

38 LA CllALEUB.

tiré toutes les conséquences mathématiques possibles. Poui que la tiiéorie soit acceptable, il faut que toutes ces couse quences soient conformes ù rexpérience. Si une seule est en opposition avec les faits, il faut refaire toute la théorie, de truire l'édifice péniblement construit, et, après avoir corrigt' le point de départ, recommencer Fenchaînement des conséquences, afin de le soumettre à une nouvelle épreuve.

Un tel travail est une spéculation de lesprit ; certains hommes d'un rare génie s'y livrent pour satisfaire à leur soif insatiable de connaissances ; ils contribuent puissamment lo progrès de la physique, en élargissant le champ des découvertes. Bien souvent, en effet, une conséquence mathématique de Thypothèse conduit à soupçonner un phénomène encore ignoré. Le physicien se met à l'œuvre, il rassemble les matériaux de la nouvelle expérience ; il ohserve, et si lo phénomène apparaît tel qu'il était prévu, la théorie est confirmée. Quoi qu'il en soit, une théorie établie de cette manière est toujours instable, comme tout ce qui est enfanté par l'imagination. Vienne une expérience contraire, et la théorie est renversée. La théorie de Newton sur la lumière a été anéantie par h physiciens disciples de Galilée, et celle de Fresncl conforme aux résultats de l'expérience l'a remplacée. Seule la loi du phénomène, étahlie d'après des observations bien faites, peut rcsîcr immuable. C'est le secret dérobé à la nature; c'est la conquclc do notre intolligonce aidée de nos sens; nous lui avons consacré toutes les forces dont nous a dotés le Créateur.

Après ces réflexions, nous savons dans quelle voie nous devons nous engager : ohscrver les principaux effets de la chaleur, les coordonner et en trouver les lois, sans nom occuper de la force qui les produit; voilà notre tâche. Pour l'accomplir complètement, il faudrait que nous fussions un peu géomètres. Mais, comme tout le monde ne possède pas les éljmcnis des mathématiques, el v\wc c^ \vs\fe e%t destiné à

tous, nous ne pourrons donner qu'une simple esquisse, une sorte d'initiation.