II. La méthode expérimentale et les théories

Les considérations générales que nous venons de présenter, et qui résument l'étude que nous avons faite des phénomènes physiques, sont indépendantes de toute hypothèse sur la nature de la force ; elles ont pour base une définition de la force qui n'est autre chose qu'une conséquence de l'a-

iraleates de l'énergie, et que l'énergie se conserve dans un système de corps, en y subissant des transformations.

La forée calorique est antagoniste de la force d'attraction moléculaire ; elle s'oppose à ce que les molécules et les atomes se rapprochent jusqu au contact, elle les maintient à des dislances délermh nées. Cn de ses caractères essentiels est la variabilité de son intensité dans le même corps. Ce sont ses Tariations qui déterminent le changement des distances interHOfioléculaires. La force calorique établit une action mutuelle, appelée rayotènement, entre deux corps diflërents, par laquelle son intensité tend à s^équilibrer entre eux, diminuant dans 1 un et augmentant dans Tautre. Cette action est modiliée essentiellement par Tinterposition d'un corps. Les variations d'intensité de la force calorique sont accompagnées d apparition et de disparition de chaleur, avec ou sans travail mécanique ; mais 1 éne^ gie se consene toujours.

Enfin la force calorique agit sur les a les molécules indépendamment de de leur nature. Cela résnUe ^ ' ^" la chaleur spécifique

La force éie^ avec la puèi

xiome : il ny a pas d'effet sans cause. Nous sommes donc restés fidèles aux règles fondamentales de la méthode expérimentale telle qu'elle a été pratiquée par Galilée, exposée et développée par Bacon.

Il ne sera pas inutile de rappeler ces règles, dans ce qu'elles ont d'essentiel.

Chaque phénomène qui frappe nos sens doit d'abord être soumis à une observation attentive ; on doit distinguer les circonstances qui y concourent et étudier chacune d'elles afln de savoir dans quelle mesure elle influe sur le phénomène. Pour mieux connaître cette mesure, on imagine une expérience, sorte de modification du phénomène, dans laquelle la circonstance que Ton veut étudier est prépondérante, et des appareils qui augmentent la puissance de nos organes, et nous permettent d'évaluer avec précision toutes les quantités mesurables de l'expérience. La comparaison des nombres obtenus nous conduit ensuite à formuler une loi en langage mathématique; le phénomène considéré est ordinairement le résultat de plusieurs lois ainsi obtenues.

Pour expliquer le phénomène, il faut le décrire dans tous ses détails en énonçant les lois qui y président. C'est par des explications de ce genre que doit toujours commencer l'étude de la physique. Elles sont en quelque sorte celles du premier degré.

En voici un exemple. Galilée observe un jour dans la cathédrale de Pise l'oscillation d'un lustre suspendu à la voûte ; il veut connaître ce phénomène, et il invente le pendule. Ayant suspendu

divers corps à Taide de fils, il les fait osciller, et compte leurs oscillations. Les circonstances qui lui semblent pouvoir jouer un rôle dans le phénomène sont la longueur du fil, la masse du corps, l'écart primitif donné au système, quand on le dérange de sa position naturelle d'équilibre. Dès lors il imagine trois expériences, et chacune d'elles lui fait découvrir une loi.

V^ Expérience. 11 suspend deux billes identiques à deux fils dont l'un a une longueur quadruple de l'autre ; il observe que le pendule le plus court effectue deux fois plus d'oscillations que l'autre dans le même temps. De là une loi restée célèbre : les carrés des nombres d'oscillations exécutées par deux pendules de longueurs différentes sont inversement proportionnels aux longueurs. Ce qui veut dire : pendant que le pendule de longueur 4, 9, 16, etc., effectue 1 oscillation, l'autre de longueur! en effectue 2, 3, 4, etc.; nombres dont les carrés sont 4, 9, 16, etc.

2"* Expérience. Le même pendule étant en repos, il dispose un cercle gradué dans un plan vertical, à côté du pendule, et place le centre du cercle à la hauteur du point de suspension du fil (fig. 57). Puis il écarte le fil de la verticale, et mesure sur le cercle le nombre de degrés d'écartement ; il abandonne le pendule, et il compte ses oscillations dans un temps déterminé. Il trouve que ce nombre est toujours le même, quel que soit l'écart, pourvu que celui-ci ne soit pas trop grand. De là une seconde

loi: la durée de r oscillation très-petite est indépendante de Tamplitude ; de sorte que les oscillations ont toujours la même durée, depuis le commencement de l'expérience jusqu'à ce que le frottement

'^22mmn™m«m»"«2'^*^

[■■nHHi

Fig. 57. - Pendule de Galilée.

de Taxe et la résistance de l'air aient ramené le pendule au repos.

5""* Expérience. Des boules de diverses subtances sont suspendues au même (il ; on trouve que la durée de l'oscillation est la même pour toutes ; de là une troisième loi : la durée de l'oscillation très-

petite d'un pendule est indépendante de la nature du corps oscillant.

Ainsi Galilée découvre trois lois dont l'ensemble fait connaître le phénomène de l'oscillation pendulaire. Mais il faut remarquer que ces trois lois supposent Toscillation très-petite, de sorte qu'elles ne sont pas générales. 11 fallut donc faire de nouvelles recherches pour découvrir les lois plus générales dont les précédentes dérivent comme conséquences particulières. C'est ce qu'on a fait après Galilée, et aujourd'hui l'oscillation pendulaire est un des phénomènes les mieux connus de la physique.

Lorsqu'on a l'explication du premier degré d'un phénomène, on procède à sa comparaison avec d'autres phénomènes déjà connus, et l'on cherche quels sont ceux qui sont dus à la même cause ; parmi eux se trouvent toujours un ou plusieurs phénomènes simples, auxquels on peut rattacher par le raisonnement celui qu'on considère. Les lois qu'on vient de découvrir deviennent ainsi des conséquences rationnelles de lois simples, embrassant un très-grand nombre de phénomènes, et qu'on peut appeler lois générales. Montrer cet enchaînement rationnel, c'est donner une explication plus complète du phénomène; c'est en quelque sorte une explication du second degré.

Nous allons continuer l'exemple précédent, pour développer notre pensée.

L'oscillation du pendule est due à la môme cause que la chute des corps terrestres. En effet, il

résulte des lois de cette chute que tout corps est sollicité à se mouvoir vers la terre, suivant la verticale, en vertu d'une attraction qui est à peu près constante, lorsqu'on ne considère qu'une chute de petite hauteur. Lorsque le fil du pendule est vertical, l'attraction de la boule produit seulement une déformation temporaire du fil. Par suite de cette déformation, les molécules de ce fil sont dérangées de leurs positions ordinaires, et les forces moléculaires sont mises en jeu. Elles produisent un effort sur la boule qu'on appelle la réaction du fil, et qui équilibre l'attraction terrestre. Le fil étant ensuite écarté de la verticale, l'attraction n'agit plus dans sa direction; la réaction du fil est moindre que précédemment, et une partie de l'attraction est seule équilibrée. L'autre partie agit alors pour faire descendre la boule, et comme le fû ne peut pas s'allonger notablement, la boule décrit à peu près un arc de circonférence dont le centre est au point de suspension. A mesure que le fil s'approche de la verticale, la force motrice diminue, et on démontre, par le raisonnement mathématique, qu'elle est à chaque instant proportionnelle à la distance qui sépare le centre de la boule de sa position d'équilibre.

En continuant le raisonnement, on trouve par le calcul les diverses circonstances du mouvement pendulaire, telles qu'elles se présentent dans les expériences de Galilée. 11 est donc démontré que l'attraction universelle est la cause de ce genre de

phénomènes, et Texplication du second degré consiste à donner cette démonstration. Un ensemble d'explications de ce genre constitue une théorie physique.

C'est en suivant cette méthode que nous sommes arrivés à ranger tous les phénomènes physiques en trois classes, correspondant à trois causes ou forces distinctes. C'est une sorte de classification naturelle que nous faisons, et son degré de certitude est essentiellement subordonné à l'état de nos connaissances actuelles. Nous la préférons à une autre, parce qu'elle nous parait actuellement plus simple; mais nous ne pouvons affirmer qu'elle persistera dans Tavenir ; elle est donc provisoire, et tel sera toujours le caractère des connaissances humaines fondées sur l'usage de nos sens.

m. Les fluides impondérables.

Le mode d'enchaînement des faits, qui est le propre de la méthode expérimentale, est-il le dernier degré du travail intellectuel qu'il soit donné à rhomme d'accomplir? N'est-il pas possible de remonter plus haut encore dans l'échelle des causes, de connaître l'essence même de la force? En d'autres termes , la méthode expérimentale est-elle toute la science ?

Interrogeons le passé, avant de répondre catégoriquement à cette question. Nous mettrons à profil les erreurs auxquelles elle a donné lieu, et w<\ms

préparerons le terrain sur lequel nous devons la transporter.

La curiosité de l'esprit humain a toujours été vivement excitée par le spectacle du monde visible ; il a cherché dans tous les âges à en découvrir les harmonies secrètes„et, s'enorgueillissant de la plus petite découverte, il a souvent cru posséder le se cret de la création, tandis qu'entouré des épaisses ténèbres de l'ignorance, il ne promenait sa pensée que dans un monde imaginaire.

L'une des tendances les plus naturelles de notre esprit consiste à vouloir figurer les causes premières des phénomènes. On veut voir un agent intermédiaire opérant une modification donnée ; par exemple, une source de chaleur agit sur un corps solide ; on observe un accroissement de volume de ce dernier, une fusion, une vaporisation ; on veut se représenter les molécules du corps recevant quelque chose qui les déplace et on imagine une manière d'être de la chaleur, qui soit conforme aux notions acquises à Taide des sens sur les mouvements ordinaires des corps visibles. C'est aînsr qu'est née l'hypothèse du fluide calorique qui a été acceptée longtemps par les physiciens, pour expliquer la nature de la chaleur. Ce fluide était formé de particules impondérables, c'est-à-dire n'obéissant pas à la force d'attraction universelle, se repoussant mutuellement et attirant les molécules des corps. Une source de chaleur émettait ce fluide, qui, rencontrant ensuite un corps, pouvait rebondir à sa sur-

face, rester emprisonné dans son intérieur, ou bien le traverser. En appliquant au mouvement de ce fluide idéal les principes de la mécanique des corps ordinaires, on réussissait à en déduire les principaux phénomènes de la chaleur.

Cette hypothèse répondait-elle au désir qui l'avait inspirée? On voulait voir, donner une forme à la chaleur, et que faisait-on? on dotait les particules du fluide calorique d'une répulsion mutuelle et d'une attraction sur les molécules des corps ? Quelle était la cause de ces deux forces? On ne la figurait pas ; on l'admettait sans pousser plus loin la méthode figurative. Évidemment on reculait la difticulté sans la résoudre.

Les découvertes expérimentales ont condamné définitivement cette hypothèse, de même que celle du fluide lumineux qui avait été inventée parallèlement à l'autre , pour l'explication de la cause de la lumière. La fausseté de ces conceptions est évidente de nos jours, et pourtant des hommes de génie tels que Newton Font adoptée I

Les fluides impondérables ont joué un grand rôle dans les théories physiques. Lorsqu'un phénomène nouveau était découvert, on cherchait à l'expliquer d'abord à l'aide des fluides déjà admis dans la science; puis, si l'explication paraissait impossible, on dotait l'un de ces fluides de qualités nouvelles, on l'habillait en quelque sorte pour l'adapter à la nouvelle découverte ; c'est ce qu'ont fait les partisans du système de Newton pour la lumière, à me-

sure que Young, Malus, Brewster, Arago, Fresnel, Biot découvraient les remarquables phénomènes de la diffraction, de la double réfraction et delà polarisation. Les hypothèses s'entassaient ainsi les unes sur les autres dans la théorie de l'émission, et le jour où Fresnel formula définitivement une théorie plus simple, l'ancienne théorie fut condamnée sans rilour.

L'électricité a eu le privilège de suggérer aux physiciens du siècle dernier un assez grand nombre de fluides impondérables. L'abbé NoUct voyait dans les lueurs qui apparaissent fréquemment à la surface des corps éleclrisés la matière électrique entrant ou sortant; il assignait les points d'entrée etde sortie, appelantaffluenceseteffluenc^ cesdeuxmouvements simultanés, et il expliquait la plupart des faits connus de son temps avec une certaine facilité de langage. Les attractions et répulsions étaient pour NoUct le résultat des impulsions données par le mouvement des particules électriques. Mais la découverte de la bouteille de Leyde jeta son système dans le discrédit, et d'autres hypothèses un peu moins grossières prévalurent.

Suivant Franklin, il y avait un fluide électrique impondérable, dont les particules se repoussaient et attiraient les molécules pondérables des corps. Lorsque la quantité de ce fluide renfermé dans un corps était en quantité convenable, le corps était à l'état naturel; lorsqu'elle était plus grande ou moins grande, le corps était électrisé positivement

OU négativement. C'est cette idée qui a amené l'emploi des mots électricités positive et négative^ bien que de nos jours ils n'indiquent plus qu'une opposition d'effets, sans idée préconçue sur la nature de rélectricilé. On se figure aisément, avec l'hypothèse de Franklin, la neutralisation des électricités contraires de deux corps mis en contact ; l'excès de fluide de Tun d'eux passe simplement dans Fautre. La répulsion de deux corps ayant la même électricité est le résultat de la répulsion des particules du fluide et de leur combinaison avec les corps ; enfin, l'attraction de deux corps ayant des électricités contraires s'explique par des mouvements que le fluide imprime à l'air en cherchant à se mettre partout en équilibre. 11 est facile de voir que plusieurs faits sont contraires à cette hypotiièse; par exemple, elle n'explique pas comment les attractions et répulsions des corps mauvais conducteurs ont lieu dans le vide. Mais une objection plus grave encore vint détruire ce système qui d'abord avait été Irès-bien accueilli. Œpinusle soumit au calcul, et il trouva que pour expliquer la répulsion des corps électrisés négativement, il fallait admettre que les molécules pondérables des corps fussent douées d'une répulsion mutuelle, et non d'une attraction, ce qui est contraire à tous les phénomènes moléculaires.

Puisqu'on ne réussissait pas à tout figurer avec un seul fluide, on en imagina deux ; et, en leur attribuant un bon nombre de qualités sçécifiqjies^

262 LES FORCES PHYSiaUES

Symmer obtint un résultat assez satisfaisant. On voit, par le développement même de ces théories, ce qu'elles ont de forcé et d'irrationel. Avec de grands efforts d'imagination, on a fini par inventer un mécanisme qui imite grossièrement les phénomènes électriques, comme un automate imite la vie. El pourtant cette imitation a recueilli tous les suffrages pendant longtemps, comme une explication vraisemblable, et de nos Jours encore, bien qu'on ne l'accepte plus que comme un procédé mnémonique, qui facilite l'enchaînement des phénomènes électriques, elle est en usage dans l'enseignement. Ne vaudrait-il pas mieux la supprimer définitivement, et revenir franchement à la méthode expérimentale?

Voici en quoi consiste l'hypothèse de Symmer. Il existerait dans tous les corps deux fluides impondérables qui s'y trouveraient naturellement en quantités égales et combinés intimement. Les particules du même fluide se repousseraient mutuellement; celles de l'un attireraient celles de l'autre; enfin ces particules attireraient les molécules pondérables des corps. Dans les corps conducteurs ces fluides pourraient facilement se mouvoir, ce qui n'aurait pas lieu dans les corps bons conducteurs.

Électriser un corps, ce serait séparer les deux fluides et rendre l'un d'eux prépondérant. Celui qui se trouverait en excès dans le verre poli, frotté avec de la laine, a reçu le nom de fluide positif: J'autre est appelé fluide négatif.

Cette hypothèse permet de se figurer la plupart des phénomènes électriques. Poisson l'a soumise au calcul, et a établi une admirable théorie mathémathique dont les formules représentent fidèlement les résultats des expériences que Coulomb avait faites antérieurement sur l'inttuence électrique, et sur la distribution de l'électricité dans les corps bons conducteurs ; c'est à ces beaux travaux que nous devons certainement la faveur dont ce système jouit encore de nos jours. La découverte de Volta ne Ta pas ébranlée; l'assimilation d'une pile à une batterie électrique qui aurait en elle-même la faculté d'engendrer l'électricité, est tout à fait conforme à l'hypothèse des fluides. Mais à mesure que la science expérimentale apportait des faits nouveaux et en donnait les lois, les fluides devenaient insuffisants, et les physiciens ont dû les abandonner, en ne les regardant plus que comme un symbolisme, utile quelquefois pour aider la mémoire.

Nous remarquerons que l'hypothèse de Symmer suppose l'existence de trois forces : une répulsive entre les particules du même fluide ; une attractive entre les particules de l'un des fluides et celles de l'autre ; enfin, une attractive entre ces particules et les molécules des corps. Or le fait principal qu'on cherche à se figurer, c'est la polarité électrique ; on recule donc le problème sans le résoudre, puisque, si l'on réussit à se figurer la cause de cette polarité, on ne se figure point la cause des

attractions et répulsions qu'admet l'hypothèse.

Les phénomènes magnétiques ont été longtemps attribués à une cause distincte de celle des phénomènes électriques, et l'histoire de cette partie de la physique nous offre aussi une foule de systèmes ayant le même caractère que les précédents. Les anciens ont imaginé un fluide dont l'émission produirait l'effet du vide entre un aimant et le fer. C'est après les découvertes de Gilbert, contemporain de Galilée, qui l'appelle grand à faire nattre r envie j que les explications commencent à être sérieuses. Coulomb supposait qu'il existe dans les aimants deux fluides impondérables, doués de propriétés analogues à celles des fluides électriques, mais différant de ces derniers en ce qu'ils ne se trouvent pas dans tous les corps, et qu'ils ne peuvent se mouvoir que dans des portions excessivement petites ou éléments de l'espace occupé par l'aimant. Les fluides sont naturellement combinés dans les éléments du fer, et l'aimantation consiste dans leur séparation au sein de chaque élément. Une force particulière, appelée force coercitive, existerait en outre dans la pierre d'aimant et dans Tacier, qui expliquerait la conservation du magnétisme dans ces corps. Poisson a traité cette hypothèse par le calcul, et l'accord de ses formules avec l'expérience est aussi satisfaisant que possible, ce qui a mis en honneur les fluides magnétiques au même titre que les fluides électriques.

Nous avons vu comment les découvertes d'Am-

père ont ramené le magnétisme à la même cause que Télectricité. L'hypothèse de Coulomb devient donc inutile.