CHAPITRE XII

L’expérimentation physique et ses guides.

On peut définir rexpérimentatiori physique la recherche autonome de nouvelles réactions ou de nouvelles relations. Nous Pavons déjà vue intervenir comme suite naturelle de l’expérimentation mentale, dans les cas où celle-ci ne décidait que difficilement, ou incomplètement, ou pas du tout.

Une observation fortuite peut aussi nous amener à chercher de nouvelles réactions et de nouvelles relations : nous pouvons l’observer sur des animaux et sur nous-mêmes, si nous y prêtons quelque attention. Dans ces cas, nous avons le droit de parler d’une expérimentation instinctive.

Mais si une observation fortuite nous rappelle d’une façon inaccoutumée une relation déjà connue, plus encore si elle se trouve en opposition manifeste avec ce à quoi nous sommes habitués, elle nous pousse à l’expérimentation physique. Les cas de ce genre sont nombreux; citons seulement la

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lampe dont Galilée observe les oscillations, les franges colorées que remarque Grimaldi, les couleurs des bulles de savon de Boyle et de Hooke, la grenouille de Galvani, l’aiguille magnétique dont un disque de cuivre amortit les oscillations, etc. Tous les expérimentateurs peuvent trouver dans leurs propres souvenirs des exemples analogues. J’ai cité les précédents à cause de leur importance historique et de leurs conséquences.

L’expérimentation physique et l’observation méthodique sont toujours guidées par la pensée, et ne * peuvent être séparées nettement de l’expérimentation mentale. Nous en trouverons les idées directrices en étudiant les travaux des chercheurs, mais nous n’avons nulle prétention à en donner un exposé complet.

Ce que l’expérimentation peut nous faire connaître, c’est la dépendance relative des éléments d’un phénomène, ou leur indépendance . La méthode fondamentale est la méthode des variations. Si nous faisons varier arbitrairement un certain groupe d’éléments, ou même un seul élément, d’autres éléments varieront en même temps. Si nous pouvions faire varier chaque élément isolément, la tâche serait relativement facile, mais les éléments sont en général groupés de telle façon que plusieurs d’entre eux varient simultanément. Alors il devient nécessaire de recourir à des combinaisons de variations. Quand le nombre des éléments augmente, le nombre des combinaisons à essayer croit si rapidement, que l’étude systématique de la ques-

la comBsua et l'ebuck

tiaa d(wii pratiquemeat impossible. Sans une cerUioe hil-iiode. qui noos Tient des observations fortaiîés. ;>A;«rnmentation serait presque toujours in:: L'expérience. acquise au serrice de nos

besoins illogiques. bous facilite essentiellement le travail en nous donnant une idée grossière des relat:- as les plus importantes, et. quand nouscommen v ns une recherche expérimentale, nous savons, au moins à peu près, quelles sont les circonstances à négliger provisoirement.

Nous devons distinguer entre les relations qualitatives et les relations quantitatives. Un certain rouge et un certain vert donnent du blanc, tandis que du rouge et du bleu donnent du violet : voilà des relations qualitatives. Au contraire, la relation entre l'angle de réfraction et l'angle d’incidence est quantitative. Ces deux angles ne sont pas si différents l'un de l’autre que le rouge et le vert; ils se laissent décomposer en éléments égaux, et ne diffèrent l’un de l'autre que par le nombre de ces éléments. La relation quantitative est un cas particulier plus simple de la relation qualitative. Quand nous avons trouvé une équation nous permette ' de déduire du nombre des éléments de l’anj d’incidence, celui des éléments de l’angle de réfr< tion (sin a = n sin ß), nous avons substitué av grand avantage l’emploi d’une formule à la née« sité de consulter des tableaux construits à l’avani

Au lieu de décrire en détail comment les radi tions lumineuses diversement colorées sont réfn tées dans le prisme, nous pouvons caractériser

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qualité de la couleur par la longueur d’onde (ou la largeur des bandes d’interférence) et trouver une formule qui nous donne les indices de réfraction en fonction des longueurs d’onde. Les sciences tendent à remplacer autant que possible les relations qualitatives par des relations quantitatives.

Il est très important d 'écarter ce qui masque ou ce qui trouble la relation que l’on cherche. Pour étudier la réfraction de la lumière par un prisme, Newton expérimente dans une chambre noire; il ne laisse entrer qu’un étroit pinceau de lumière solaire; au moyen d’une lentille, il forme une petite image lumineuse, et il obtient finalement, juxtaposées, les images correspondant aux rayons de différentes couleurs.

Les grands expérimentateurs ont toujours cherché à écarter toutes les influences étrangères, en simplifiant leur dispositif pratique. Leurs écrits sont riches en exemples de ce genre, et rien ne saurait en remplacer la lecture.

Galilée met en évidence l’action réciproque des aimants, en les plaçant dans de petits tubes de verre, qui nagent sur l’eau. Après avoir calculé la vitesse du son, il contrôle le résultat par l’expérience, et fait ses observations dans une longue galerie, en observant l’écho multiple et en se servant d’un pendule de longueur variable. Les appareils d’Ampère, de Faraday, de Bunsen sont des modèles de simplicité et de convenance.

Mais il ne faut pas seulement chercher la simplicité dans des expériences que Ton installe à

dessein; il faut aussi apprendre des grands chercheurs à voir, dans des phénomènes tout ordinaires, autre chose que des banalités sans intérêt. L’attention stimulée vers un but déterminé peut surprendre, même dans la vie journalière, les traces de relations importantes, et, tant que l’on n’a pas acquis cette capacité, on a peine à faire des découvertes par voie expérimentale.

Huygens observe de petits morceaux de cire à cacheter qui se rassemblent sur l’axe de rotation, au fond d’une masse d’eau agitée en tourbillon, et le phénomène le fait songer à la gravitation. L’image extrêmement nette de pattes de mouches très fines, éclairées par de la lumière monochromatique et vues à travers un prisme, est pour Newton la preuve que la lumière monochromatique n’est plus décomposée par le prisme. Des expériences faites avec des ustensiles ordinaires, comme celles que Tissandier a décrites, sont très intéressantes, parce qu’elles aiguisent le regard et le dirigent sur des sujets auxquels on ne prête d’ordinaire aucune attention.

Si deux éléments dépendent l’un de l’autre, la supposition la plus simple à faire est qu’ils varient dans le même sens, qu’ils s’annulent en même temps, et changent de signes en même temps. On pourrait appeler cela le parallélisme.

Si un élément n’a sur un autre élément qu’une faible influence, de telle façon que les variations du second soient difficilement observables, il convient de les renforcer. Galilée, voulant mettre en

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branle une Lourde cloche, utilise déjà le phénomène de la sommation des effets, en lui communiquant, toujours à la même phase de son oscillation, de petites impulsions; et il explique de cette façon la résonance. Aujourd’hui, on recourt au même procédé pour obtenir, par la méthode balistique, de fortes impulsions de l’aiguille du galvanomètre avec des courants très faibles. On augmente la déviation de l’aiguille d’un galvanomètre en multipliant le nombre des spires de la bobine. Fresnel, dans son réfractomètre interférentiel, fait parcourir à la lumière des chemins assez longs pour avoir une différence de marche notable dans l’air sec et dans l’air humide. Faraday fait réfléchir plusieurs fois le rayon polarisé dans la direction des lignes de force magnétique. Voilà des exemples de la sommation des effets .

Quand la détermination directe d’un élément est peu commode, difficile ou impossible, on substitue parfois à cet élément un élément connu équivalent. Pour déterminer la résistance d’un conducteur, on installe à sa place un fil de longueur telle que tous les phénomènes restent les mêmes. Quand Hirn, faisant ses expériences sur les quantités de chaleur produites par un homme au travail et un homme au repos, introduisait dans son grand calorimètre un homme qui pouvait actionner une roue ou rester tranquille, la quantité de chaleur produite était très difficile à déterminer directement. Hirn fit des expériences comparatives en remplaçant l’homme par un brûleur à

gaz, réglé de façon à produire, dans le même temps, le même effet sur le calorimètre, et la consommation du gaz lui donna facilement la quantité de chaleur produite.

La méthode de compensation est employée aussi pour faire des déterminations indirectes. Ou ajoute à l’élément difficile à déterminer un autre élément facile à déterminer, qui le compense. Par exemple, deux rayons présentant une très grande différence de marche, ne donnent plus de franges d’interférence; on peut compenser cette différence de marche, en intercalant sur le trajet du rayon qui n’a pas été retardé une lame de verre d’épaisseur connue, et on détermine indirectement la différence de marche. On peut ramener à zéro l’impulsion que produit sur le galvanomètre une pile thermo-électrique échauffée par un rayonnement inconnu, en faisant agir sur l’autre face de la pile un rayonnement connu.

L’emploi de la compensation est encore important à un autre point de vue. Si À agit sur B en déterminant l’intervention de N, qui agit à son tour sur B, la relation qui existe simplement entre À et B se trouve troublée ; il faut alors s’efforcer de compenser N. Par exemple, Jamin fait passer deux faisceaux à travers des tubes remplis d’eau, d’égale longueur. S’il comprime l’eau dans un tube, le faisceau lumineux correspondant est aussitôt retardé; mais ce retard tient en partie à ce que le tube s’est un peu allongé. Jamin compense à peu près cette dernière circonstance en plaçant

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les deux tubes en question dans un tube plus grand et rempli d’eau à la pression ordinaire.

On recourt encore au principe de compensation dans la technique et les applications pratiques, quand il s’agit de maintenir constantes certaines grandeurs, par exemple la longueur d’un pendule.

La substitution et particulièrement la compensation conduisent aux méthodes dites de zéro. Supposons qu’on veuille étudier de petites variations de B dépendant des variations de A : on réalise la sensibilité maxima en compensant B de telle sorte qu’il ne devienne perceptible que quand A éprouve des variations à partir d’une certaine valeur. A est, par exemple, la température d’un corps dont la résistance électrique B dépend de la température ; on installe un galvanomètre, dont on compense la déviation par l’interposition d’une résistance égale (dispositif du pont de Whealstone). Dès que B augmente par suite de l’élévation de la température A, en supposant, bien entendu, que la résistance compensatrice ne varie pas, la variation de B est aussitôt indiquée par une déviation du galvanomètre (bolomètre). Si, sur une plaque traversée par un courant, on choisit deux points situés sur une ligne équipotcntielle et qu’on relie ces deux points aux bornes d’un galvanomètre, l’aiguille reste au zéro. Les plus petits déplacements dissymétriques des lignes équipotentielles dus, par exemple, à une variation magnétique de la plaque, donnent lieu immédiatement à un écart de l’aiguille (phénomène de Hall). L’appli-

cation du, compensateur de Soleil aux recherches polarimétriques est aussi un exemple de méthode de zéro.

On doit naturellement étudier d’une manière indirecte les phénomènes trop rapides pour être observés directement. On emploie pour cela la méthode de composition , dans laquelle le phéno- , mène inconnu donne une composante qui, avec une autre composante connue, fournit une résultante observable. C’est le principe de l’appareil de Morin pour la chute des corps et du miroir tournant de Wollaston. En perfectionnant le procédé du miroir tournant, Feddersen est parvenu à faire l’étude précise des oscillations électriques. Mentionnons encore la méthode de Foucault pour la mesure de la vitesse de la lumière et les nombreuses applications du miroir tournant à l’acoustique. Il est tout naturel de choisir, pour constituer la composante connue, un rayon lumineux, dont le mouvement n’influence nullement le phénomène à étudier.

Un intérêt spécial s’attache aux expériences, qui ne nous font pas connaître la dépendance des valeurs de deux éléments A et B, mais par lesquelles nous acquérons une vue d’ensemble sur tout un système de valeurs dépendant les unes des autres. Quand Newton promène dans le spectre les verres producteurs d’anneaux et qu’il observe la contraction de ces anneaux en passant du rouge au violet, il fait une expérience de cette sorte. Si l’on produit des phénomènes de diffrac-

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tion avec une fente étroite très courte et si, à l’aide d’un prisme, on en étale le spectre dans le sens de la fente, c’est-à-dire perpendiculairement à la direction de la diffraction, on obtient simultanément les phénomènes de diffraction monochromatique pour toutes les couleurs. Ce sont là des expériences collectives .

Quand on expérimente, il faut toujours faire bien attention aux erreürs possibles, pour ne pas en faire une fausse interprétation, et c’est tout particulièrement nécessaire quand on n’attend que de petites indications. Quand Faraday étudiait l’influence d'un fort électro-aimant sur des substances faiblement magnétiques, il vérifiait, au point de vue magnétique , tous les supports (papier, verre, etc.) où il plaçait les corps à étudier, et c’était seulement quand il s’était assuré que les supports n’avaient pas d’action, qu’il accordait sa conflânce aux expériences faites avec la substance elle-même. Une expérience, dans laquelle on écarte ainsi l’objet que l’on veut étudier, s’appelle une expérience à blanc (Blinder Versuch). Avant de se servir d’un appareil de Marsh pour rechercher l’arsenic dans une substance, le chimiste commence par vérifier que les caractères de l’arsenic ne se manifestent pas, tant qu’il n’a pas mis dans l’appareil la substance à étudier.

L’histoire de la Science nous apprend que les expériences qui donnent un résultat négatif ne doivent jamais être considérées comme définitives. Avec ses balances, Ilooke ne put montrer que le

poids d’un corps dépend de sa distance à la terre ; nous le faisons facilement aujourd’hui avec des balances plus sensibles. Herschel ne put observer la rotation du plan de polarisation magnétique, Faraday réussit à la mettre en évidefice.

Les différents guides indiqués ici sont tirés d’expériences qui ont réellement été faites, mais notre exposé n’est pas complet, car les savants de génie en trouveront toujours de nouveaux.

Plusieurs de ces leit-motifs peuvent se trouver réunis. Dans les méthodes de Fizeau et de Foucault pour la mesure de la 'vitesse de la lumière, interviennent, avec la composition et la sommation , des effets, le souci de rendre fixe dans le temps un phénomène momentané : Fizeau mesure des

maxima et des minima de l’intensité lumineuse

et Foucault observe des déplacements d’images. Maxima, minima et déplacements d’images dépendent de la vitesse que l’on cherche.

Toutes nos idées viennent des expériences antérieures et peuvent se modifier par 'des expériences à venir. Dans quelle mesure peut-on les considérer comme justes? Dans quelle mesure seront-elles modifiées éventuellement, si les circonstances viennent à changer? Ces questions générales sont de la plus haute importance pour le savant, qui aborde les recherches expérimentales.

On est particulièrement tenté d’étendre à d’autres cas analogues les résultats trouvés pour un cas connu. L’analogie entre la chaleur et l’électricité, les phénomènes de diffusion et les phénomènes

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mécaniques, etc., a suggéré de nombreuses expériences. Des aimants agissent l’un sur l’autre. Un courant agit sur un aimant coriime un autre aimant. Des courants agiront-ils l’un sur l’autre comme des aimants? Arago a fait remarquer que, dans ces considérations d’analogie* il faut tenir un compte très serré des différences. Un aimant et un morceau de fer doux s’attirent réciproquement, et le fer doux se comporte alors comme un aimant, mais deux morceaux de fer doux restent indifférents l’un par rapport à l’autre. D’ailleurs le courant et le fer doux ne se comportent pas de même façon vis-à-vis de f’ aimant : il y a pour l’un une polarisation, qui n’existe pas pour l’autre.

On a le droit de penser à la possibilité d’une opposition quand certains phénomènes se présentant à des degrés divers, par exemple, des corps, présentant des degrés différents de magnétisme, nous font songer au diamagnétisme. Connaissant une sorte de double réfraction qu’on appelle négative, on cherche la double réfraction positive. On n’a pas réellement trouvé par cette voie tous les phénomènes qu’elle aurait pu indiquer, mais on en a découvert plusieurs par hasard : à côté d’une sorte d’électricité déjà connue, Dufay en trouve une autre.

Le contraste, que l’on croit voir au début, n’est pas forcément réel. On ne considère plus aujourd’hui le magnétisme et le diamagnétisme comme opposés l’un à l’autre, mais l’on y voit simplement des degrés différents de magnétisme par

rapport à un milieu répandu partout, et on n’attribue plus l’ascension de certains corps dans l’air à une pesanteur négative, mais seulement à ce que leur poids spécifique est moindre que celui de l’air. On peut en dire autant de la chaleur et du froid, des électricités positive et négative. Ce sont d’ailleurs des modifications qui rentrent dans le domaine de la théorie.

Quand les circonstances d’un fait varient d’une façon continue, nous nous attendons à voir les résultats expérimentaux varier d’une façon continue. Il y a un passage continu des solides aux liquides au point de vue de la rigidité et de la viscosité. Une pression inégale dans, les différentes directions communique aux corps solides la double réfraction. On est ainsi en droit de penser que, soumis à une traction ou à une pression convenable, les corps plastiques et les liquides visqueux présenteront la double réfraction, et on l’at observée réellement. Puisqu’il n’y a pas de liquide tout à fait exempt de rigidité et de viscosité, seules, la grandeur des forces et la vitesse des déformations font que la double réfraction peut s'observer. Rappelons encore l’étroite parenté qui existe entre les gaz et les vapeurs au point de vue de la liquéfaction par pression et par refroidissement.

Quaud on fait varier les circonstances dans lesquelles se produit un phénomène, on cherche à l’étudier pour leurs valeurs extrêmes] on cherche, par exemple, pour les plus hautes et les plus basses températures, quelles sont la dureté d’un

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corps, son élasticité, sa résistance électrique, etc. On étudie les propriétés du vide le plus parfait possible, les longueurs d’ondes lumineuses les plus longues et les plus courtes, etc. Ces recherches sont toujours fécondes.

Un gaz que l’on chauffe s’étend, un gaz qui s’étend sous pression se refroidit. Le courant agit sur le pôle magnétique, et le pôle magnétique agit sur le courant en sens inverse. Le courant continu aimante le fer, et un aimant, qu’on approche d’un circuit, ou dont l’intensité magnétique varie, éveille dans le circuit, pendant toute la durée du changement, un courant qui tend à éloigner l’aimant, ou à l’affaiblir. Quand le courant thermo-électrique de Seebeck traverse la soudure chaude en allant d'un métal M à un métal N, le courant qui va de M à N refroidit la soudure (Peltier).

Ce sont là des exemples de phénomènes inverses et nous pouvons les présenter sous la forme schématique suivante : si A régit la production de B, inversement, B régit la production du phénomène inverse de A. Nous avons là un bon guide de l’expérimentalion, mais il s’en faut de beaucoup qu’on ait découvert par cette voie tous les phénomènes auxquels elle aurait pu conduire.

Peltier ne cherchait pas le phénomène inverse du phénomène de Seebeck; il pensait à une influence de la rtmductibilité calorifique des métaux dans l’expérience de Seebeck. Échauffant par un courant les métaux de la pile thermo-électrique, il trouva, dans la température des sou-

dures, une inégalité qui dépendait du sens du courant. Si Ton enferme une tige de bismuth et une tige d’antimoine un peu fortes dans le réservoir d’un thermomètre à air, on observé un échauffement, quand le courant positif va de l’antimoine au bismuth, et un refroidissement inattendu, quand il passe en sens inverse.

Lorsque nous cherchons le phénomène inverse, le guide que nous venons de signaler peut bien nous donner une indication, mais il ne peut nous conduire à lui seul. Un courant conlinu peut bien créer un aimant, mais un aimant constant au repos ne peut pas donner naissance à un courant, qui représenterait un travail sans dépense d’énergie équivalente. Seule, l’association du principe de l’énergie et de la loi de l’inversion nous donne un système complet de phénomènes directs et inverses. Il nous fallait donc, en plus de notre guide, des expériences spéciales. Cela tient à ce que dans les phénomènes étudiés nous avons rarement affaire à des relations simples et immédiates. Quand deux corps réagissent l’un sur l’autre sans intermédiaire, c’est aux dépens de l’un d’eux que s’effectue toute modification de l’autre. Si toutes les relations étaient aussi simples, le guide en question pourrait nous conduire en toute sûrété. Quand les relations réciproques des phénomènes sont plus compliquées, nous ne pouvons plus trouver directement le phénomène inverse.