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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE DE LA SICILE A LA CHINE
Grenoble Sciences Grenoble Sciences poursuit un triple objectif : • realiser des ouvrages correspondant a un projet clairement defini, sans contrainte de mode ou de programme, • garantir les qualites scientifique et pedagogique des ouvrages retenus, • proposer des ouvrages a un prix accessible au public le plus large possible. Chaque projet est selectionne au niveau de Grenoble Sciences avec le concours de referees anonymes. Puis les auteurs travaillent pendant une annee (en moyenne) avec les membres d'un comite de lecture interactif, dont les noms apparaissent au debut de 1'ouvrage. Celui-ci est ensuite public chez 1'editeur le plus adapte. (Contact: Tel. : (33)4 76 51 46 95 - E-mail:
[email protected]) Deux collections existent chez EDP Sciences : • la Collection Grenoble Sciences, connue pour son originalite de projets et sa qualite • Grenoble Sciences - Rencontres Scientifiques, collection presentant des themes de recherche d'actualite, traites par des scientifiques de premier plan issus de disciplines differentes.
Directeur scientifique de Grenoble Sciences Jean BORNAREL, Professeur a 1'Universite Joseph Fourier, Grenoble 1
Comite de lecture pour "Naissance de la physique" S. JOHSUA, Professeur a 1'Universite de Provence J. LAMBERT, Professeur a 1'Universite Pierre Mendes-France, Grenoble 2 P. NOZIERES, Professeur au College de France J.B. ROBERT, Professeur a 1'Universite Joseph Fourier, Grenoble 1 E. SALTIEL, Maitre de conferences a 1'Universite Paris 7 - INRP
Grenoble Sciences regoit le soutien du Ministere de 1'Education nationale, du Ministere de la Recherche, de la Region Rhone-Alpes, du Conseil general de 1'Isere et de la Ville de Grenoble.
Realisation et mise en pages : Centre technique Grenoble Sciences Illustration de couverture : Alice Giraud
ISBN 2-86883-589-9 © EDP Sciences, 2002
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE DE LA SICILE A LA CHINE
Michel SOUTIF
17, avenue du Hoggar Pare d'Activite de Courtaboeuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France
Ouvrages Grenoble Sciences edites par EDP Sciences Collection Grenoble Sciences Chimie. Le minimum vital a savoir (/. Le Coarer) - Electrochimie des solides (C. Deportes et al.) - Thermodynamique chimique (M. Oturan & M. Robert) - Chimie organometallique (D. Astruc) Introduction a la mecanique statistique (E. Belorizky & W. Gorecki) - Mecanique statistique. Exercices et problemes corriges (E. Belorizky & W. Gorecki) - La symetrie en mathematiques, physique et chimie (/. Sivardiere) - La cavitation. Mecanismes physiques et aspects industriels (J.P. Franc et al.) - La turbulence (M. Lesieur) Magnetisme : I Fondements, II Materiaux et applications (sous la direction d'E. du Tremolet de Lacheisserie) - Du Soleil a la Terre. Aeronomie et meteorologie de 1'espace (/. Lilensten & P.L. Blelly) - Sous les feux du Soleil. Vers une meteorologie de 1'espace (/. Lilensten & J. Bornarel) - Mecanique. De la formulation lagrangienne au chaos hamiltonien (C. Gignoux & B. Silvestre-Brac) - La mecanique quantique. Problemes resolus, Tomes 1 et 2 (V.M. Galitsky, B.M. Karnakov & V.I. Kogan) Analyse statistique des donnees experimentales (K. Protassov) Exercices corriges d'analyse, Tomes 1 et 2 (D. Alibert) - Introduction aux varietes differentielles (/. Lafontaine) - Analyse numerique et equations differentielles (J.P. Demailly) - Mathematiques pour les sciences de la vie, de la nature et de la sante (F. & J.P. Bertrandias) - Approximation hilbertienne. Splines, ondelettes, fractales (M. Atteia & J. Caches) - Mathematiques pour 1'etudiant scientifique, Tomes 1 et 2 (Ph.]. Haug) Bacteries et environnement. Adaptations physiologiques (/. Pelmont) - Enzymes. Catalyseurs du monde vivant (/. Pelmont) - La plongee sous-marine a Fair. L'adaptation de 1'organisme et ses limites (Ph. Foster) - L'ergomotricite. Le corps, le travail et la sante (M. Gendrier) - Endocrinologie et communications cellulaires (S. Idelman & J. Verdetti) L'Asie, source de sciences et de techniques (M. Soutif) - La biologic, des origines a nos jours (P. Vignais) Minimum Competence in Scientific English (/. Upjohn, S. Blattes & V. Jans) Listening Comprehension for Scientific English (J. Upjohn) - Speaking Skills in Scientific English (/. Upjohn, M.H. Fries & D. Amadis)
Grenoble Sciences - Rencontres Scientifiques Radiopharmaceutiques. Chimie des radiotraceurs et applications biologiques (sous la direction de M. Comet & M. Vidal) - Turbulence et determinisme (sous la direction de M. Lesieur) - Methodes et techniques de la chimie organique (sows la direction de D. Astruc)
AVANT-PROPOS De nombreux ouvrages1 traitent de 1'histoire de la physique et de son epanouissement au xxe siecle. D'autres envisagent 1'evolution de la pensee scientifique au contact des mysteres de la nature et la maniere dont, d'analyses en syntheses, de grandes lois naturelles ont permis de rendre compte de notre environnement. L'objet de cet ouvrage est plus modeste. II souhaite mettre en lumiere 1'interaction constante entre la science et ses applications au cours de leur developpement. Les besoins d'agir sur la nature ont stimule 1'etude des phenomenes afin de les dominer et cette domination, a son tour, a ouvert de nouveaux horizons aux savants. II faut montrer a chaque etape de la conquete scientifique son influence sur la societe et son economic, et comment a son tour cette derniere a pousse les etats a intervenir dans la recherche. L'interaction science, economic, histoire politique n'a jamais etc aussi flagrante que dans le domaine des sciences physiques, theoriques et appliquees. C'est pourquoi, a chaque etape de 1'ouvrage, j'insiste sur les applications et leur impact sur la civilisation de 1'epoque. Une autre evidence, bien rarement soulignee, permet de repondre a la question suivante : pourquoi la physique s'est-elle developpee en Eurasie, mais non en Afrique, en Amerique ou dans une ile du Pacifique ? Pourtant, a la fin du paleolithique, il n'y a pas si longtemps (environ 9000ans avant J.C.), la plupart des groupements humains disposaient du meme outillage lithique et se figuraient la nature sous une meme forme chamanique ou tout etait soumis aux caprices d'innombrables entires demoniaques. La reponse tient essentiellement au fait que 1'Eurasie s'etend d'Est en Quest et permet une forte circulation des idees sans barriere equatoriale ou maritime. La naissance de la physique est due a 1'accumulation d'innombrables observations ou reflexions qui ont pu se completer et former peu a peu un tout coherent. Toute la difference dans les techniques dont disposent un Americain et un Papou2 tient de cette communication. Mais, pour comprendre 1'importance de ce facteur cle, il ne faut 1. Voir bibliographic en fin d'ouvrage. 2. Le patrimoine genetique et les qualites intellectuelles de ces deux individus sont par ailleurs identiques, avec peut-etre un petit avantage pour le Papou confronte tres jeune a une lutte difficile centre un milieu physique tres hostile. Ainsi un Papou pourra survivre a New York tandis qu'un Americain seul aura du mal a resister a la foret de NouvelleGuinee.
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pas se borner, comme le font la plupart des auteurs, a 1'etude d'un element de la chaine eurasiatique, le bassin mediterranean ou, a la rigueur, un peu du MoyenOrient. II faut dormer toute sa place, dans la contribution essentielle a 1'emergence de notre civilisation, a 1'Extreme-Orient et en particulier a la Chine. Pour bien mettre en evidence cette circulation des idees, 1'expose est divise en chapitres portant chacun sur un phenomene physique arbitrairement individualise, mais pour retablir 1'unicite de la discipline, un dernier chapitre montre 1'histoire des interactions de 1'ensemble de la physique avec la sphere politique de 1'epoque. En conclusion, les raisons de 1'eclipse provisoire de la contribution chinoise aux xixe et xxe siecles seront evoquees. Puisque chaque jour Se renouvelle Renouvelle-toi chaque jour Et toujours renouvelle-toi. T£ oli (Li]i, Livre des rites)
REMERCIEMENTS Je tiens a remercier chaleureusement mes collegues de Grenoble, J. BORNAREL, J. LAMBERT, Ph. NOZIERES et J.B. ROBERT avec lesquels de nombreuses discussions m'ont permis de reformuler completement 1'expose de cet ouvrage. Je remercie egalement de leurs critiques tres constructives Madame E. SALTIEL et Monsieur JOSUAH. Je suis en outre infiniment reconnaissant envers ma femme, Ruth, pour 1'aide qu'elle m'a apportee dans la correction des epreuves successives. Je voudrais enfin remercier de leur travail minutieux toute 1'equipe d'edition de Grenoble Sciences, Sylvie BORDAGE, Aline CEPEDA, Christiane GUIRAUDIE, Thierry MORTURIER et Julie RIDARD.
CHAPITRE I LES PREMIERS ESSAIS D'INTERVENTION SUR LA NATURE : LES OUTILS ET LES ARMES L'homme en face de la nature cherche a 1'observer puis a intervenir pour 1'utiliser en sa faveur. En fait, il commence son intervention bien avant d'avoir les idees claires sur la physique et, pour cela, il prolonge ses capacites grace a des outils, dont la complexite croissante rythme 1'eveil de la civilisation. En 1836, le Guide des antiquites nordiques, du Danois Christiaan J. THOMSEN, propose de distinguer des phases de 1'evolution humaine qui deviendront classiques : age de la pierre, age du bronze, age du fer. Nous allons voir dans quelles conditions sont intervenues ces decouvertes fondamentales, quels ont etc les usages de ces produits et quelles en ont ete les consequences sur la societe. II convient d'ajouter que deux metaux particuliers ont egalement joue un role important vis-a-vis de 1'economie : 1'or et 1'argent. LES DEBUTS DE L'OUTILLAGE LITHIQUE EN EURASIE1 La distinction entre 1'homme et ses precurseurs hominides n'est pas facile et prete a controverse. On utilise des criteres purement physiologiques : capacite cranienne, forme de la colonne vertebrale a la base du crane, forme du pharynx, aptitude a la bipedie, et des criteres fondes sur des qualites cognitives traduites par la forme des outils en pierre. Les outils ont plusieurs usages et peuvent revetir plusieurs formes. Us servent a couper et fac.onner le bois, a forer des trous dans 1'os, a decouper les proies, recolter les plantes et racier des peaux. Pour toutes ces taches, le tranchant obtenu est essentiel, et A. LEROI-GOURHAN a chiffre la progression de la technique par la longueur lineaire de tranchant obtenu pour 1 kg de matiere premiere (silex). On trouve ainsi 10 cm de tranchant il y a 2 MA2, 40 cm il y a 0,5 MA, 200 cm il y a 50000 ans, 2000 cm il y a 2000 ans et 7000 cm a la fin du paleolithique, il y a
1. M. OTTE, Les Paleolithiques inferieur et moyen en Europe, Armand Colin, 1996. Y. COPPENS, Le Genou de Lucy, Odile Jacob, 1999, p. 76. 2. MA : Million d'Annees.
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lOOOOans. Les trois derniers resultats sont obtenus par passage du nucleus aux eclats puis aux microlites (progression des figures 1, 2 et 3). Voyons maintenant une breve chronologic de cette evolution : Phase initiate en Eurasie - L'Homo erectus passe d'Afrique en Asie. Sur ce continent, on en trouve les traces les plus anciennes a Java, datees de 1,8 MA. Recemment, on a trouve des outils dates de 1,36 MA dans le Nord de la Chine, a Xiao Chang Liang 3. L'homme de Pekin (ou sinanthrope) semble vieux de SOOOOOans (site de Zhou Kou Diari). Puis on le retrouve en Europe. La mandibule de Dmanisi au Caucase date d'environ 1 MA et Ton trouve en Europe centrale et en France, au Vallonet (pres de Menton), des galets amenages et des eclats massifs datant de 0,9 MA, a peu pres identiques a ceux de Chine. L'Homo erectus A I'occasion de changements climatiques qui affectent I'Afrique de I'Est (plus sec, plus froid), de grands singes anthropo'i'des se redressent. Vers 4,5 MA on trouve un bipede encore arboricole, Ardipithecus, puis 1 MA plus tard des australopitheques se deplagant au sol sur des distances de plus en plus grandes. L'un d'entre eux, A. anamensis, serait I'ancetre de Homo habilis vers 3 MA : encephale de 600 a 800 cm3, dentition d'omnivore, fabricant d'outils de pierre amenages consciemment et diversifies en fonction de leur usage. A partir de 1,8 MA, le descendant d'Homo habilis a la stature bipede definitive et va se repandre a partir de I'Afrique de I'Est dans toute I'Eurasie. On lui donne arbitrairement le nom de Homo erectus.
Cette industrie tres grossiere a pris beaucoup de retard sur celle des hommes restes en Afrique qui taillent deja des bifaces a partir de 1,6 MA.
1 - a - Crane de I'Homo erectus de Zhou Kou Dian b - Galet amenage biface massif
3. R.X. ZHU et al, Nature 413, 2001.
I - LES PREMIERS ESSAIS D'INTERVENTION SUR LA NATURE : LES OUTILS ET LES ARMES
De 0,7 MA a 0,5 MA - On trouve, tres disperses en Europe, des vestiges lithiques frustes et un premier element de squelette, la mandibule de Mauer (pres de Diisseldorf) datee de 0,6 MA: il s'agit d'une forme robuste d'Homo erectus. La crise de 0,5 Ma a 0,3 MA Apparition, dans de nombreux espaces artisanaux en Espagne et en France, de la tradition de bifaces, dite acheuleenne. On observe egalement 1'apparition des premiers foyers a Terra Amata (Nice), vers 0,35 MA. II s'agit sans doute d'une deuxieme vague d'immigrants venant d'Afrique, probablement a travers le detroit de Gibraltar (largeur au minimum de 15 kilometres). On observe egalement des vestiges acheuleens en Angleterre et en Allemagne, mais la plupart des sites europeens n'en sont qu'aux galets massifs de la premiere vague d'occupation : c'est en particulier le cas de Tautavel (Pyrenees-Orientales) ou 1'abri sous roche de la Caune de 1'Arago date plutot de 0,4 MA. De 0,3 MA a 0,1 MA - La population croft et 1'Industrie progresse. Le bloc de silex est d'abord mis en forme par le choc de percuteurs tendres (bois de cerf), puis on en extrait des eclats, debites sous des formes tres variees, adaptes a des usages specifiques: c'est le debitage Levallois qui conduit a 1'acquisition de plus de 60 outils differents. Le saut technique essentiel reside dans le remplacement du noyau faconne par les eclats extraits du noyau.
Le debitage Levallois Cette technique est une methode essentielle pour la fabrication de lames de pierre. Apres une preparation du nucleus en surface bomb6e, des petits coups (jusqu'a 20 impacts differents) ddtachent lamelles de silex apres lamelles, directement dans la forme appropriee 3 I'usage recherche. Le nucleus n'est plus I'outil lui-meme mais la source d'un grand nombre d'outils. La prevision du resultat recherche et sa mise en ceuvre marquent une etape importante dans les possibilites intellectuelles de I'ouvrier. Le nom provient du lieu de la premiere mise en evidence de cette technique : Levallois-Perret, pres de Paris. Debitage LEVALLOIS a &clat{s) preferentiel(s)
Debitage LEVALLOIS recurrent
2 - Schemas de debitage Levallois
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De 100000 a 30 000 ans- C'est la periode mousterienne occupee par 1'homme de Neandertal, forme anatomique trapue et grande capacite cranienne. Cette periode recouvre le dernier interglaciaire (Riss-Wurm) et la premiere moitie de la derniere glaciation : les habitats sous abri et dans les grottes se generalisent, ainsi que la pratique des sepultures. L'outillage sur eclats continue a se diversifier avec des traditions regionales. On note des differences suivant la necessite ou non d'economiser la matiere premiere et les reseaux d'approvisionnement s'etendent. Mais rhomme de Neandertal reste limite a 1'Europe et au Moyen-Orient. La transition de 40 00 a 30 000 ans - L'homme moderne apparait progressivement. Son origine reste discutee (Eve africaine de D. WALLACE et A. WILSON ?), mais il a probablement transite par le Proche-Orient puisqu'on le trouve en Israel a Gafzeh, dans un site qui est date de 92 000 ans, ou il coexiste avec des neandertaliens et utilise le meme outillage (datation par R.P.E. et electroluminescence)4. Get homme moderne, dit de Cro-Magnon, va developper des experiences techniques combinees (couteaux, grattoirs, burins) et 1'usage de 1'os. On trouve de grands outils plats et foliaces, des lames a retouches ecailleuses et des sagaies en bois de renne. C'est a cette epoque que rhomme sort de 1'utilitaire et invente 1'art. Bijoux (pendeloques), statuettes (VENUS de Brassempouy, environ 22000 avant J.C.) et surtout fresques parietales dont les plus anciennes, dans la grotte Chauvet, remontent a 34 000 ans.
LES DEBUTS DE L'OUTILLAGE METALLIQUE Lorsque rhomme s'est fixe aupres d'un champ ou a construit un enclos pour animaux domestiques, il a partout, avec des fortunes diverses, construit des recipients d'argile cuite. Cette invention de la ceramique a parfois meme precede 1'agriculture, comme ce fut le cas au Japon des Ainous avec la poterie Jomon (11000 avant J.C.). L'usage des metaux est venu ensuite, mais il n'a pas le meme caractere d'universalite. II est au contraire devenu 1'apanage de quelques civilisations qui en ont tire leur puissance militaire et economique. Car il ne suffit pas de chauffer, avec ou sans discernement, la substance adequate, il faut faire subir au minerai une vraie reaction chimique : la reduction. L'invention de cette operation, nee au Moyen-Orient, a diffuse avec des vitesses diverses, a travers 1'Eurasie, et a subi le cumul progressif de toutes les innovations en circulant a travers un continent dont 1'orientation generate est-ouest facilite les contacts, en n'imposant pas des barrieres climatiques trop redoutables.
4. Archeometrie, Dossiers d'Archeologie 253, mai 2000.
I - LES PREMIERS ESSAIS D'INTERVENTION SUR LA NATURE : LES OUTILS ET LES ARMES
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3 - Principaux types de pointes solutreennes 19000 a 16000 avant J.C.
II est vrai que quelques rares echantillons de certains metaux existent a 1'etat dit natif: le cuivre, Tor, le fer meteoritique, mais leur rarete les a tenus a 1'ecart d'une utilisation de type industriel. C'est probablement le cuivre natif qui est apparu le premier sous forme ouvree en Mesopotamie, au ixe millenaire et sous forme fondue en Anatolie, a Catal Hoyiik, vers 6000 avant J.C. C'est le cas aussi de la hache d'Hibernatus, mort en 3200 avant J.C. en traversant les Alpes d'ltalie vers 1'Autriche. C'est egalement le cas des bijoux sumeriens en metal du del, fer meteoritique inoxydable employe des 3500 avant J.C. (les meteorites metalliques contiennent une forte proportion de nickel, c'est ainsi que celle qui est tombee en France, a La Caille, en 1828, etait en fer avec 9,8% de nickel et pesait 626 kg). Mais la metallurgie proprement dite dont nous allons maintenant parler est nee a Sumer, vers 3500 avant J.C., pour le cuivre. Elle a ete ensuite maitrisee par les Egyptiens des la me dynastie, en 2800 avant J.C.
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LE CUIVRE
Les minerals de cuivre et leur traitement Ces minerals sont assez repandus et tres faciles a detecter grace a leur couleur. Les grandes mines de 1'Antiquite ont etc a Chypre (d'ou le nom du metal), dans le Sinai' (les mines du roi SALOMON), autour de An Yang en Chine. Actuellement, 1'essentiel de la production est au Chili. Les minerais sont des oxydes comme la cuprite ou des hydrocarbonates verts ou bleus, comme la malachite ou 1'azurite. Le plus repandu est la chalcopyrite CuFeS2 de couleur noire. Les derives oxydes, ou carbonates, sont traites par le charbon de bois dans des fours ou Ton entasse des couches successives de mineral et de combustible. Le role du charbon de bois est double : il porte 1'ensemble a la temperature de reaction et reduit 1'oxyde en prenant 1'oxygene pour dormer CO2. Le cuivre coule au fond en se separant de la gangue, a condition de depasser sa temperature de fusion, soit 1083°C, ce qui est assez difficile. Les derives sulfures sont egalement chauffes mais on ajoute un fondant (silicate) qui se combine au fer pour donner une croute legere. Puis on injecte de 1'air qui oxyde une partie du CuS en CuO, et on laisse la reaction se poursuivre : CuS + 2 CuO > 3Cu + SO2 La reaction est exothermique et le cuivre coule. Les premieres coulees donnaient de petits lingots de quelques dizaines de centimetres. Puis la fabrication s'est standardised pour conduire a Chypre a des elements en forme de peau de bceuf de 2 talents (environ 70 kilogrammes), destines a 1'exportation dans toute la Mediterranee orientale et particulierement vers les grandes puissances de 1'epoque : les Hittites et les Egyptiens. 4 - Transport d'un lingot de cuivre Releve d'une tombe thebaine
Bien entendu, les objets casses ou uses etaient recycles des 3500 avant J.C. (a Uruk) dans des moules ouverts. Cette metallurgie a 1'air libre conduisait a une certaine perte du metal par vaporisation. Dans des carottes de glace du Greenland, S. HONG et al.5 ont trouve des traces de pollution atmospherique, correspondant aux periodes ou d'enormes quantites de monnaie de cuivre ont ete fabriquees : soit a la periode romaine autour du debut de notre ere, soit a 1'epanouissement de la dynastie SONG en Chine, vers 1100. 5. S. HONG, J.P. CANDELONE, M. SOUTIF et C.R BOUTRON, Science of the Total Environment, Elsevier, avril 1996.
I - LES PREMIERS ESSAIS D'lNTERVENTION SUR LA NATURE : LES OUTILS ET LES ARMES
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Usages du cuivre Les proprietes du cuivre tranchent completement sur celles de la pierre par sa plasticity et sur celles du bois par sa r^Qictar,™ IcSlsldllLt;.
Proprietes du cuivre Le cuivre est un metal relativement mou et c'est pourquoi il sera rapidemerit. .detrone par des alliages prei i -ii --
C'est done un nouveau materiau qui va remplacer les rprecedents et ouvrir de r
tes metalliques. Son point de fusion, a 1083°C est en outre d'acces dif-
nouvelles applications. Ainsi, les premieres roues en bois s'u., . „„ saient rapidement sur leur pourtour. Elles , . , . , , sont alors renforcees par des clous de cuivre a partir de 3000 avant J.C., en Ur et a Kish, puis revetues d'un bandage complet a partir de 2000 avant J.C., a Suse.
sentant de bien meilleures propne-
ficile avec le charbon de bois et la
temperature, obsera'"aSes, confere a ceuxci un avantage supplemental^, Par centre, on peut, par martelage et recujts successifs, en obtenir des feuilles extremement minces et des f''s tres f'ns-
baisse de cette vee sur les
Des outils en cuivre, ecrouis par martelage ont ete utilises pendant une assez courte periode avant de passer aux divers alliages. Des montages en bois renforces de feuilles de cuivre aux endroits strategiques utilisent la grande facilite d'obtention de feuilles minces par martelage et recuits. La fabrication de clous apporte de nouvelles possibilites. Divers objets de decoration ou de bijouterie voient egalement le jour. LE BRONZE
La plupart des minerals de cuivre renferment, en plus ou moins grande quantite, des impuretes d'antimoine, de plomb, d'arsenic ou d'etain. D'ou 1'apparition, involontaire au depart, d'alliages : un peu d'etain en Anatolie vers 3000 avant J.C., du plomb et de 1'antimoine en Mesopotamie. Puis les bronzes a 1'arsenic se developpent grace a la coexistence avec les sulfures de cuivre, d'arseniates et de sulfoarseniates (par exemple, 1'enargite Cu3AsS). Us ont d'excellentes proprietes, mais les ouvriers meurent comme des mouches. Aussi, finalement, c'est le bronze a 1'etain, de proprietes metallurgiques analogues, qui est retenu en Egypte et dans la culture indo-europeenne.
Usages du bronze Contrairement au cuivre, le bronze est un metal dur qui peut s'affuter et conserver son tranchant. II permet done de realiser des armes tres superieures a celles qui existaient avant son apparition : pointes de lances ou de javelots, epees, haches. Mais sans doute 1'avantage militaire fondamental apporte par le metal reside dans ses proprietes de frottement. Elles permettent de realiser des essieux tournant dans des paliers ou le frottement (lubrifie avec de la graisse animale) est sans rapport avec le contact bois sur bois. Les vehicules ainsi equipes sont maniables et,
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
combines avec la vitesse permise par la traction hippique, vont dormer une suprematie absolue aux possesseurs de chars. A partir de 1'Asie centrale de part et d'autre de la Mer Caspienne, les populations indo-iraniennes munies d'armes de bronze et dotees de chars legers vont envahir 1'Inde, Tlran et le Moyen-Orient. Leur langue et leurs mythes 6 vont submerger tout 1'Ouest de 1'Eurasie, jusque et y compris 1'Irlande. Les minerals d'etain L'etain existe sous forme d'oxyde Sn02, la cassiterite. A part quelques nodules dans certains torrents, le mineral est rare. Au debut, on le trouve dans le Caucase, en Perse, en Europe centrale, puis les Remains vont epuiser les mines du Nord-Ouest de I'Espagne et devoir aller en chercher en Grande-Bretagne. Actuellement, on le trouve en Malaisie et en Bolivie. Le traitement se fait par reduction au charbon de bois, mais le metal coule a 232°C et devient tres volatil au-dessus de cette temperature, si bien que tres souvent la cassiterite pulverisee est deposee sur la surface d'un creuset rempli de cuivre et recouverte du charbon de bois. Lorsque I'ensemble est porte a la temperature de fusion du cuivre, retain est reduit et diffuse aussitot dans le cuivre : le dosage est aise et les pertes reduites, si bien que le trafic a longue distance porte plus sur la cassiterite que sur le metal.
5 - Principales sources d'etain en Europe
6. G. DUMEZIL, Heur et Malheur du guerrier, Flammarion, 1985.
I - LES PREMIERS ESSAIS D" INTERVENTION SUR LA NATURE : LES OUTILS ET LES ARMES
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Proprietes du bronze Elles dependent tres fortement de la composition. Proportion d'etain inferieure a 13% - la structure [a] est une simple solution solide de retain dans le cuivre, de proprietes reversibles et de resistance mecanique et durete moyennes a froid. L'avantage essentiel est I'abaissement du point de fusion qui tombe au-dessous de 1000°C. Proportion d'etain entre 13% et 20% - il apparaTt a chaud une phase[b] tres malleable qui se transforme en dessous de 520°C en une combinaison avec SnCu4 tres dure. Si on refroidit tres brutalement (trempe) la transformation n'a pas le temps de se produire et Ton obtient a la temperature ordinaire une phase malleable que Ton peut travailler. Puis, on rechauffe au-dessus de 520°C et on laisse refroidir lentement: on atteint alors une grande durete pour armes et engrenages. Proportion d'etain entre 20% et 30%- il apparaTt SnCu3 qui diminue la resistance a la rupture mais la fusion s'effectue entre 700°C et 800°C, ce qui est favorable a la coulee de bronzes d'art, et une tres belle sonorite conduit a la fabrication des cloches. Proportion superieure a 30% alliage fragile et cassant sans interet.
6 - Diagramme de fusibilite des alliages cuivre-etain
Influence de I'usage du bronze sur la societe A cause de la rarete de 1'etain, cette matiere reste chere et n'est utilisee que pour 1'armement ou I'usage des possedants et des temples. Elle renouvelle cependant completement 1'art de la guerre avec les epees, les pointes de fleches ou de javelots, les pieces de chars rapides. A titre civil, elle donne des vases et recipients d'apparat ou cultuels, des instruments de musique a percussion. Mais elle ne penetre absolument pas dans le monde des travailleurs qui reste celui de 1'age de pierre.
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Son influence sur la societe est peut-etre rendue plus importante par les exigences de la fabrication dans deux domaines : la specialisation des metiers et 1'appro visionnement en matiere premiere. L'ouvrier metallurgiste est hautement specialise et se consacre entierement a son travail. La societe doit done, en echange de ses fournitures, nourrir sa famille et, par suite, les paysans doivent produire plus de biens d'alimentation que pour euxmemes. Mais ceux-ci n'etant pas directement preneurs des produits metalliques en echange de nourriture, il faut des circuits d'echange complexes et hierarchises beaucoup plus subtils que dans la civilisation purement agricole du neolithique. D'autre part 1'etain est rare. II faut parfois le faire venir de tres loin, ce qui implique des caravanes, des marchands itinerants egalement specialises, fondant des comptoirs d'echanges a 1'etranger, necessitant une balance commerciale exacte. Ainsi les Assyriens, des 1900 avant J.C., fondent un comptoir important a Kanesh, en Anatolie, pour y apporter des etoffes et de retain en echange de cuivre, d'or, d'argent et de laine. Ce centre commercial sera au cceur du developpement ulterieur de la puissance hittite. Tout cet ensemble de nouvelles occupations conduit done a une reelle rupture dans 1'organisation de la societe neolithique agricole et non-specialisee, et c'est pourquoi on parle souvent de Yage du bronze.
Le bronze en Chine Le bronze apparaft subitement parfaitement maitrise, en meme temps que Tart animalier de la steppe, au debut de la dynastie SHANG (1530 avant J.C.). Quelques rares vases sont attribues a des dates anterieures (vers 1700 avant J.C.) au musee de Shanghai, mais aucun objet en cuivre pur ne semble avoir vu le jour en Chine. La technique metallurgique arrive directement en Chine par le sud de la Siberie.
7 - Haches en bronze a - b : Chinoises (xe siecle avant J.C.), c - d : Est de I'Oural, Kamkevichevo
I - LES PREMIERS ESSAIS D'lNTERVENTION SUR LA NATURE : LES OUTILS ET LES ARMES
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Cette route des steppes passe par le nord des deserts de Taklamakan et Gobi, par le Baikal et le fleuve Amour. Cette region boisee et difficile d'acces est brusquement transformed en steppe par un rechauffement provisoire du climat de 1600 a 1250 avant J.C. et la culture d'Andronovo, situee dans 1'Oural et liee aux Indo-europeens, va brusquement etre ainsi en liaison avec la Chine en Mongolie et dans les Ordos (forme des epees et des haches). Les objets chinois en bronze sont des armes, des pieces de char et des vases cultuels. On les retrouve dans les sepultures cruciformes d'An Yang (1300 avant J.C.), qui renferment des chars avec leurs chevaux et des sacrifices humains. Ces objets sont 1'apanage d'une classe noble et hereditaire qui va gouverner jusque vers 840 avant J.C. (apparition de la phase Printemps et Automnes).
8 - Bronze SHANG 1400 avant J.C. En Europe, les vases en bronze se font a 1'unite par la methode de la cire perdue (le vase est fagonne en cire dans une enveloppe d'argile, puis 1'ensemble est chauffe et la cire fond; on coule alors le bronze a sa place). En Chine, on prefere construire des moules demontables permettant une fabrication en petite serie.
9 - Moule demontable pour vase de bronze Dynastie SHANG
APPARITION DU PER Malgre 1'abondance et la grande repartition des minerais, la diffusion du fer s'est faite bien apres celle du bronze, en raison des difficultes de sa metallurgie. Celle-ci tient a deux facteurs : la haute temperature de fusion du metal et la complexite de ses alliages avec le carbone, rendus obligatoires par la technique de preparation
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usuelle. Les premiers objets manufactures se trouvent dans le Caucase et le Nord mesopotamien vers 2500 avant J.C.: ce sont des ornements et des armes de ceremonie de fabrication deficiente et sans avantage sur le bronze. Une meilleure maftrise de la reduction du minerai est realisee, et surtout la decouverte fortuite de la cementation superficielle et de 1'acier est faite vers 1500 avant J.C. par une peuplade d'Armenie, sujette des Hittites, les Chalybes. Les Hittites en retirent leur superiorite militaire de 1400 a 1200 avant J.C. Quand ils s'effondrent devant les peuples de la mer, la technique va diffuser dans tout le Moyen-Orient. Les Philistins (descendants des peuples de la mer) en heritent vers 1100 avant J.C., puis les Assyriens et les Egyptiens vers 850 avant J.C. Le fer fait 1'objet de gros trafics (18 tonnes de lingots dans les ruines de Mari, celles provenant de 1'occupation par 1'Assyrien TUKULTI-NINURTA, vers 1200 avant J.C.).
Le minerai et son traitement Le fer est present partout car c'est le dernier element produit par fusion thermonucleaire dans les etoiles lourdes (superieures a 8 fois le soleil). II represente 17% de la composition de la terre (50% pour 1'oxygene, 14% pour le silicium). II est present dans la croute sous forme d'oxyde Fe2O3/ hematite rouge ou jaune (hydrate) ou divers ocres, de sulfures (pyrites) ou de carbonates. Un oxyde particulier Fe3O4, la magnetite, est le seul produit naturel ferromagnetique. Les sulfures et carbonates sont grilles et ramenes a Fe2O3: on trouve encore les restes de grands fours a Allevard, siege d'une mine de carbonate de fer tres active des la fin du Moyen Age. La fabrication du fer consiste done essentiellement en la reduction de Fe2O3 par le charbon de bois, dans un bas fourneau ou Ton entasse couches d'oxyde et de charbon de bois avec un fondant, pour donner des scories liquides (le laitier) avec les corps etrangers.
10 - Schema d'un bas fourneau
Avec les fours du Moyen-Orient, on est tres loin d'atteindre la temperature de fusion du fer (1535°C), ou meme des alliages fer-carbone les plus fusibles (1145°C). Par consequent, le produit est obtenu a 1'etat solide sous forme d'une eponge renfermant du laitier dans ses mailles. On rechauffe cette eponge vers 1000°C : le fer
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devient malleable et le laitier liquide. Un martelage repete permet alors d'expulser les impuretes puis, par soudure autogene, d'augmenter les loupes en un lingot plus important (corroyage). Ce travail tres penible a ete ameliore par 1'usage de marteaux a excentrique, mus par des machines hydrauliques, depuis 1'ingenieur GAO (494 • 554) en Chine, beaucoup plus tard en Europe, jusqu'au marteau-pilon du xvnie siecle. Certains minerais renferment des impuretes qui passent dans le fer et lui conferent (a lui ou a Tacier) des proprietes particulieres, benefiques ou nuisibles. Ainsi, les carbonates d'Allevard renferment du manganese qui accroit la souplesse de 1'acier sans nuire a sa resistance. Par centre, le soufre a un effet desastreux : lors de la plongee telecommandee sur 1'epave du Titanic en 1995, il a ete remonte des echantillons de la coque; les impuretes de soufre qu'elle contenait lui conferaient une resistance d'a peine un quart de celle d'un acier moderne. Tout s'est passe comme si le Titanic avait eu une coque en verre !
Lefer en Occident Le fer parvient en Europe centrale avec les Celtes vers 750 avant J.C. C'est la periode dite de Hallstatt (Autriche). Les alliages fer-carbone et leurs transformations II est impossible dans cette fabrication d'echapper a une certaine combinaison du carbone avec le fer. Le fer extra pur (Armco) ne peut etre obtenu qu'en changeant de methode : c'est le fer electrolytique, qui fond a 1535°C. Tous les alliages fondent en dessous de cette temperature. • S'il renferme moins de 0,1% de carbone, on a du fer doux ou du fer 3 forger malleable des 800°C, permettant la soudure autogene, et de resistance mecanique moyenne. • De 0,1% a 1,7% de carbone, il s'agit de I'acier, difficile a travailler a chaud mais devenant dur et elastique, un peu cassant par la trempe (c'est I'inverse du bronze). • De 1,7% a 6,6% (Fe3C) de carbone, on a la fonte : produit cassant sans interet pour les metallurgistes du Moyen-Orient, mais c'est dans cette plage que se situe la temperature de fusion minimale (eutectique) de ces alliages : 1145°C pour une proportion de 4,3% en carbone. II est possible de passer d'une categoric a I'autre en modifiant la proportion de carbone : • Carburation - en chauffant un fer doux au contact de carbone, le carbone penetre lentement sur des epaisseurs de plusieurs millimetres donnant une couche d'acier: c'est la cementation superficielle des Hittites. • Affinage - les fontes peuvent etre affinees en acier a I'etat solide ou liquide, essentiellement par deux methodes : - Chauffage en atmosphere oxydante (courant d'air souffle), qui brule I'exces de carbone - cette methode a ete decrite par le moine taoTste HUAI NAN Zi sous le nom des cent affinages en 120 avant J.C. - Chauffage avec du fer doux ou du fer oxyde, qui ajoute du fer et retire du carbone - methode employee des le vie siecle en Chine.
Depuis 900 avant J.C., 1'Europe subissait une mutation, les villages occupaient toutes les vallees et des agglomerations grossissaient sous V influence de seigneurs locaux. Le fer arrive par le courant d'echange classique est-ouest mais celui-ci
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bascule lentement au nord-sud, et 1'Europe centrale va jouer le role du deuxieme cercle d'une economie-monde (au sens de R BRAUDEL) entre les cites motrices de la Mediterranee (Etrurie-Provence) et les pourvoyeurs de matieres premieres au Nord de 1'Europe. Aux nceuds cles des communications, les principautes celtes vont vivre une grande richesse marquee par les tombes a tumuli de leurs princes, ou une economic de prestige entasse des chariots, des vaisselles grecques ou etrusques (vase de Vix), des armes en fer et meme de la soie de Chine (Hohmichele). Une des plus anciennes de ces tombes est en Isere, a Saint-Romain de Jalionas (750 avant J.C.)/ ou le prince porte une epee de bronze et un couteau de chasse en fer. Cette civilisation s'effondre en 450 avant J.C., et elle est suivie d'un deuxieme age du fer, celui de La Tene (en Suisse) au cours duquel 1'usage du fer progresse peu. Les Romains equipent leurs armees de materiel de fer a partir du debut de notre ere, mais ce materiel, forge a 1'unite, reste tres couteux et ne penetre pas dans 1'usage civil. La grande propriete agricole, decouverte sur le lac de Paladru et occupee autour de 1'an 1000, revele des traces d'oxydes de fer, dit des battitures, resultant du martelage d'eponges de fer: elles revelent la fabrication artisanale de fer repondant au manque d'industrie civile. Sans doute, il s'agit de fabrication locale de quelques outils destines a la taille des outils en bois utilises couramment. C'est ainsi que la regie de SAINT-BENOIT (Cluny) vers 950 consacre un article, le 27e, aux soins que doivent prendre les moines vis-a-vis des quelques elements de fer destines a la fabrication des outils agricoles en bois. Les forgerons de metier se consacrent essentiellement a la fabrication des armes et, de ce fait, sont aureoles de respect (SIEGFRIED forge lui-meme Nothung, I'epee sans pareille). Us conservent jalousement leurs connaissances dans une corporation qui fige tout progres. II faut attendre le xnesiecle pour que 1'industrie se developpe en Belgique, en Bourgogne et en Dauphine et que 1'outil de fer (soc de charrue, par exemple) se generalise. Aussitot, le grand defrichage de 1'Europe va pouvoir commencer, sous la houlette des monasteres, et conduire a 1'expansion demographique que Ton connait. Le fer de I'ere industrielle L'Angleterre developpe au xvme siecle, pour secher le houblon dans les brasseries, un nouveau combustible, le coke, obtenu en distillant la houille en vase clos. Le gaz obtenu sert de gaz d'eclairage et le reliquat est du charbon pur, tres dur et tr6s performant. On peut done entasser en couches, I'oxyde de fer et le combustible sur de grandes hauteurs (hauts fourneaux) et Ton obtient en continu de la fonte liquide. Celle-ci est affinee dans un convertisseur BESSEMER (1850) ou Ton insuffle, par la base, de I'air (ou de I'oxygene) dans la fonte liquide. Le carbone brule et augmente la temperature, en maintenant liquide I'acier qui est coule dans un moule en gros lingot (bloom). II est egalement possible de puddler la fonte, avec des dechets de fer rouilles, dans un four a reverbere ; c'est le precede MARTIN-SIEMENS (1860).
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11 - Cornue BESSEMER
Le fer en Chine La technique arrive en Chine en 800 avant J.C. II y a de tres gros gisements au Nord de la Chine, au Shanxi et au Shaanxi. Mais les Chinois possedent la technique des fours a ceramique a tres haute temperature et ils depassent tres largement la temperature de fusion de la fonte. Or, la fonte liquide coule comme de 1'eau et se moule avec facilite. Aussi, des 513 avant J.C., elle est utilisee pour des moulages en serie d'outils civils, qui sont ensuite affines et produits a has prix et en grande quantite.
12 - Objets en fonte affinee pour un travail civil en Chine - 513 avant J.C.
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L'apparition du soufflet a double effet, vers 200 avant J.C., puis le remplacement du charbon de bois par la houille en 300, I'usage de machines hydrauliques pour les souffleries, puis d'explosifs dans les mines a partir de 1000 font de la Chine le premier producteur mondial pour longtemps. Ainsi, la quantite de fonte produite en 1078 est de 114000 tonnes. Par comparaison, le pays d'Europe le plus industrialise, 1'Angleterre, n'en produit que 68000 tonnes, 700 ans apres, en 1788. Influence de 1'usage du fer sur la societe en Chine Pendant longtemps, le fer ne penetre la societe civile qu'en Chine, ou il va provoquer une explosion demographique presque immediate. En 481 avant J.C., s'ouvre la periode des Royaumes Combattants : les petites principautes de la periode precedente sont regroupees en sept grands hegemons qui entrent en lutte. Les grandes families hereditaires, qui avaient la charge des bourgades et des cultes, declinent et a leur place, 1'administration est confiee a une classe de petits gentilshommes (shi \-^} fonctionnaires, revocables et retribues. La guerre, qui etait essentiellement menee par des aristocrates possedant des chars et des armes de bronze, change d'echelle et fait appel a une infanterie paysanne de plus en plus nombreuse, armee d'epees en fer et d'arbaletes tendues au pied, ainsi qu'a une cavalerie equipee d'arcs. L'usage du char, peu utilisable en terrain varie, decline et le paysan vainqueur devient, en recompense, cultivateur independant. L'effet de nombre devenant decisif, des defrichements intenses, rendus possible par I'usage d'outils en fer, portent sur les forets et les zones marecageuses et accroissent les ressources alimentaires de la population. L'agriculture se modernise (engrais, cultures selectives, irrigation) et emploie des outils de fer. Des ingenieurs hydrographes modifient le parcours des rivieres dans la vallee de la Wei et au Si Chuan (Li BING et son fils). La charrette prend deux limons, 1'attelage est ameliore par la bricole de portail.
13 - Vue du canal de Li BING - au ler plan devant la Du Jiang a Guan Xian, Si Chuan
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La population croissant tres vite, une grande activite commerciale se developpe. Les impots sur les paysans libres et les commergants se prelevent en monnaie metallique (en forme de beches, de couteaux, de nez de fourmi ou circulaires avec un trou central carre) qui facilitent les echanges. Chaque etat s'enrichit et les villes s'epanouissent: des cours centrales tres brillantes favorisent une grande activite intellectuelle et artistique. La consequence de ces modifications est 1'unification de la Chine par la principaute QIN, la mieux organisee, en 221 avant J.C. A partir de 200 avant J.C., sous les HAN ANTERIEURS, la Chine s'etend a 1'ouest et au sud, et 1'etat nationalise les ressources essentielles, sel et fer, en 117 avant J.C. Des le ive siecle avant J.C., 1'arc en bois avait ete remplace par un ressort d'acier avec systeme de guidage de la fleche et mecanisme de declenchement: c'est 1'arbalete. Sous les HAN, le mecanisme est constitue de pieces interchangeables, et 1'historien Si MA QIAN rapporte qu'en 157 avant J.C., les arsenaux renfermaient plusieurs centaines de milliers d'arbaletes fabriquees a la chame, standardises dans des usines ou regnait un secret severement garde et une securite stricte dans le controle du personnel; c'est-a-dire typiquement un complexe militaro-industriel au sens moderne.
METAUX
PRECIEUX
L'or et 1'argent, grace a leur eclat, ont d'abord servi comme parures et objets d'apparat. Mais lorsque 1'economie a depasse le stade du troc local, ils ont servi de monnaie d'echange et ont eu un role economique fondamental au point que, lorsque les disponibilites en metaux nobles n'ont pas suivi 1'expansion de 1'economie, celle-ci a ete freinee, sauf expedients relativement peu nombreux : pillage de Byzance par la ive croisade en 1204, proces des templiers par PHILIPPE LE BEL en 1307 ou proscription des bouddhistes par les TANG en 847. Des solutions moins brutales peuvent aussi etre soulignees : la Casa de San Giorgio a Genes, au debut de la Renaissance (banque generale ne mobilisant que les soldes) ou 1'impression des billets de banque par les SONG a partir de 1107. L'OR
L'or existe a 1'etat natif en petites quantites tres dispersees et on en trouve tres peu en Europe, sauf dans les Carpathes. II a d'abord ete utilise sous forme de pepites, puis on a commence a le travailler vers le ve millenaire avant J.C. et 1'on trouve de nombreux objets dans la necropole de Varna en Bulgarie. La plupart de 1'or utilise en Europe (avant 1492) venait d'Afrique.
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14 - Tombe n°43 a Varna - Bulgarie 4500 avant J.C. - au total, plus de 1,5 kg d'or
Les Carthaginois avaient un circuit maritime a partir du Senegal, mais cette source est detruite avec Carthage (SciPiON EMILIEN, 148 avant J.C.) et Rome est rapidement a court d'or (deficit de la balance commerciale, rentes aux Barbares du Nord). Cela conduit TRAJAN a conquerir la Dacie (Carpathes) mais, des le me siecle, la production tombe a moins de 300 kg/an. Les Arabes renouent avec Tor de 1'Afrique grace a des caravanes terrestres par le Maroc : 600 kg/an a partir de Tan 1000 avec un trafic d'esclaves de 20000 tetes/an.
I - LES PREMIERS ESSAIS D'INTERVENTION SUR LA NATURE : LES OUTILS ET LES ARMES
A partir de Tan 1000,1'eglise sort ses tresors pour payer les cathedrales et des monnaies d'or sont creees : le florin en 1252, 1'ecu de SAINT-LOUIS en 1263, le ducat venitien en 1284. Les caravanes du Mali augmentent. En 1324, le pelerinage a La Mecque de KANKAN MOUSSA, Mansa de Niani, amene au Caire des tonnes d'or. Mais la prise de Ceuta, en 1415, par les Portugais coupe cette route, devalorise Grenade et pousse a la reconquete de la voie maritime. Puis de 1520 a 1600, 85% de 1'or europeen vient d'Amerique.
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Proprietes de Tor Le metal pur est mou ; tres ductile et malleable (on peut en faire des feuilles jusqu'a 1/10 u, d'epaisseur) aussi, en general, est-il allie a de I'argent ou du cuivre pour le durcir. II fond a 1063°C. L'alliage a 750/1000 est dit a 18 carats. L'or vert a 25% d'argent, Tor rouge 25% de cuivre et Tor jaune 12,5% d'argent et 12,5% de cuivre. On le recolte a la battee par gravite dans les boues. Les installations modernes font un amalgame avec le mercure ou le dissolve au cyanure de sodium [(CN)2AuNa], puis deplacent Tor par le zinc. Ces deux methodes ravagent I'environnement.
15 - Les routes de I'or au Moyen Age
I/ARGENT Metal inoxydable, assez repandu mais rarement a 1'etat natif (cela resulte alors d'un deplacement local de ses sels par une action chimico-geologique). II est le plus souvent en faible proportion dans des sels de cuivre ou de plomb. On le trouve au Moyen-Orient, en Europe pres d'Athenes ou en Boheme, et en grande quantite en Amerique. II est egalement present en Chine.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE La plupart des sels de cuivre ou de plomb interessants sont des sulfures (PbS est la galene) que Ton traite comme il a ete vu pour le cuivre : une partie du sel est oxydee en PbO et reagit alors avec le PbS restant vers 900°C. Le plomb coule a 327°C.
16 - Figurine de Hasanoglou Anatolie - 2200 avant J.C. argent et bandeaux d'or
Metallurgie de I'argent A partir du plomb argentifere - Le plomb coule avec la totalite de 1'argent dissous. En refroidissant, le plomb se solidifie d'abord pur (et on 1'enleve) jusqu'a 1'eutectique a 2,6% d'argent. On precede alors par coupellation : 1'eutectique est fondu a 900°C dans une coupelle en terre soumise a un courant d'air : le plomb s'oxyde seul et la litharge (PbO) surnage, fondue a 880°C. Par une entaille de la coupelle, on 1'elimine au fur et a mesure. A la fin, un miroir d'argent apparait. Ce precede etait exploite des le ve siecle avant J.C. dans les mines du Laurion, au Nord d'Athenes. Celles-ci ont contribue a la puissance economique d'Athenes jusqu'a leur prise par Sparte, en 403 avant J.C. A partir du cuivre argentifere - C'est le cas des principales mines d'Europe en Boheme, et la separation est difficile car les temperatures de fusion sont voisines : TfAg - 962°C et TfCu = 1083°C. Cependant, le rendement a ete multiplie par 10 grace a la decouverte decrite dans le Schmelzbucher des Hans Stockl, en 15207. Au cours de 1'etape initiale ou 1'on chauffe le minerai avec du charbon de bois et un fondant pour la gangue, on ajoute du plomb qui dissout tout I'argent. On est alors ramene au probleme precedent. Grace a ce nouveau procede, Jacob FUGGER d'Augsbourg tire de ses mines, des le debut de 1500, environ 50 tonnes d'argent par an. II pourra ainsi prefer a CHARLES 1ER d'Espagne les sommes necessaires pour acheter les grands electeurs d'Allemagne et devenir CHARLES QUINT.
7. R.F. TYLECOTE, The early History of Metallurgy in Europe, Langman, 1987.
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La decouverte de I'Amerique apporte, un peu plus tard, a I'Europe d'importantes ressources pendant une centaine d'annees : les mines de Zacatecas, puis celles du Potosi en Bolivie (conquises en 1545) fournissent a 1'Espagne des quantites importantes, a partir de 1570. Elles vont culminer en 1595, puis se tarir au fil d'une exploitation forcenee. Le tonnage arrivant a Seville est le suivant (en tonnes): 1595:2711 1620:2141 1630:1401 1650:441... e II faudra attendre la decouverte, au Mexique, au xix siecle, de nouvelles mines pour que le prix de 1'argent sur le marche international subisse une chute brutale, aggravant la situation economique de la Chine dont tous les echanges etaient bases sur 1'argent. Contrairement a 1'argent europeen, 1'argent andin renferme quelques ppm d'indium et ce marqueur permet de suivre 1'usage du metal americain, en dosant les pieces d'argent du xvie siecle. Le dosage se fait par activation neutronique, puis par comparaison des spectres y de 1'indium et de 1'argent. L'argent active a une periode T = 2,42 minutes et 1'indium T = 54,1 minutes. La limite de detection est de 0,03 ppm d'indium.
Cette page est laissée intentionnellement en blanc.
CHAPITRE II LA RAISON ET i'EXPERIENCE Lorsque 1'homme, non content d'agir sur la nature, voulut chercher des explications aux contraintes qu'elle imposait, il imagina des volontes superieures a la sienne, celles de genies d'abord diffus ou incarnes par des animaux, puis rapidement il invoqua Faction de surhommes crees a son image physique et psychologique. Les premiers documents ecrits, a I'aube de 1'histoire, nous montrent a Sumer tout un pantheon anime par ENLIL, le createur, accompagne d'ENKi et d'lNANNA qui ont invente 1'humanite pour se decharger des besognes ancillaires, mais se degoutent rapidement des querelles et criailleries de ces creatures au point de vouloir les noyer dans un deluge. II n'y a la nulle logique, nulle etude experimentale de la nature dont les manifestations se ramenent a la volonte capricieuse de divinites qu'il convient de nourrir et de venerer dans leurs temples. Le principal souci qui perce dans ces legendes est d'expliquer comment 1'ordre actuel est ne du desordre l : ainsi, a Babylone, MARDUK tue TIAMAT, monstre femelle incarnant le chaos et peut ensuite regler le mouvement des astres et la naissance de rhomme2. En Grece, HESIODE, dans la Theogonie (vinesiecle avant J.C.), nous raconte que Xaoc s'est ouvert pour que le jour y penetre et que soient desunis Taia, la terre, et Oupavoc, le ciel.
LA TRADITION GRECQUE Une grande revolution intellectuelle, peut-etre la plus grande de toutes, va naitre sur la cote ionienne de la mer Egee, au vne siecle. Le souci fondamental d'explication va etre laicise et la physique va reprendre les systemes de representation elabores par la religion mais sur un plan totalement abstrait. Ainsi entre la philosophic d'ANAXiMANDRE (- 610 • - 547), eleve de THALES, et la Theogonie d'HESiODE, les structures se correspondent jusque dans le detail3: le philosophe a rationalise le my the. 1. Le probleme est toujours d'actualite: nos physicians modernes cherchent a expliquer comment la matiere qui constitue notre univers s'est separee de 1'anti-matiere, alors que les deux types de particules apparaissent a egalite dans le bouillon primordial. 2. J.P. VERNANT, My the et Pensee chez les Grecs, La Decouverte, 1996, p. 376. 3. KM. CORNFORD, Principium sapientiae, Cambridge, 1952, p. 159.
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Le premier artisan de cette nouvelle vision du monde est THALES DE MILET (- 625 • - 547). Mathematicien ayant voyage en Egypte (mesure de la hauteur des pyramides) et a Babylone, il reflechit aux mecanismes de formation de la terre et a leurs consequences. Pour lui, tout vient de I'eau et la terre est un cylindre circulaire plat, porte par une mer infinie dont 1'agitation est la cause de tous les seismes. Bien sur, ces schemas sont sommaires, mais ce qu'ils ont d'essentiel est qu'il n'est plus besoin de faire intervenir le ciel pour expliquer la nature: la puissance de la logique va remplacer celle des dieux. Pendant que les travaux de 1'ecole ionienne se poursuivent, PYTHAGORE (- 570 • - 480), originaire de Samos qu'il a du quitter pour se refugier en Grande Grece4, a Crotone, fonde une secte esoterique dont les conclusions, en principe secretes, partent des memes preoccupations. II est le premier a estimer que la terre est ronde (a cause de son ombre sur la lune lors des eclipses) et il suppose que les mouvements de 1'univers sont regis par des nombres entiers et des sons harmoniques, a I'image de ceux qui resultent des mouvements d'une corde vibrante. Nous sommes tellement impregnes de ces sons que nous ne les entendons plus. Nous reviendrons, dans les chapitres specialises, sur les speculations physiques des uns et des autres. Rappelons seulement, pour 1'instant, que plus tard PLATON (- 427 • - 348) pense que les mathematiques (et leur corollaire, 1'astronomie) sont les expressions les plus proches de la verite et que pour le reste nous ne voyons que des reflets deformes des idees pures. Son eleve, ARISTOTE (- 384 • - 322), fondateur du Lycee a Athenes et precepteur d'ALEXANDRE LE GRAND, est le chantre de la pensee rationnelle et objective sous forme du Xoyoc (le discours). Mais la position de la rex^T] (la technique) est bien differente5. Chaque specialite artisanale a regu 1'enseignement de ses methodes directement du ciel et respecter les pratiques des ancetres est un devoir. Toute modification des processus employes releve du sacrilege. La seule amelioration concevable consiste a acquerir une specialisation plus etroite, permettant une meilleure approche de la perfection des gestes du corps et de la main dans laquelle 1'outil n'a qu'un role mineur. Ainsi, vis-a-vis de la science, Yempeiria (on dirait 1'empirisme) n'est pas vraiment rationnelle meme si elle est pratiquee par un apxireKroov, on pourrait traduire par ingenieur, professionnel dirigeant de tres haut les artisans. PLATON fulmine ainsi contre ARCHYTAS, inventeur d'une regie a calcul. II lui reproche «de perdre et de miner 1'excellence de la geometric en desertant les notions abstraites et intelligibles pour passer aux objets sensibles, ce qui revient a 1'utilisation d'elements materiels demandant un long et grossier travail manuel». II n'y aura que peu d'inventions techniques en Grece (ni plus tard a Rome), sauf dans le domaine des mecaniques militaires. La figure de 1'ingenieur qui, par des artifices savants, peut contraindre la nature a produire des merveilles, comporte
4. Nom general de 1'Italie du Sud et de la Sicile. 5. J.P. VERNANT, Mythe et Pensee chez les Grecs, La Decouverte, 1996, p. 302-314.
II - LA RAISON ET L' EXPERIENCE
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aux yeux des Grecs une force demonique au sens ou ARISTOTE, voulant marquer la presence dans la nature d'une force rationnelle, ecrit que le «phusikos est daimonion»6. La machine de 1'ingenieur garde le caractere d'un resultat exceptionnel sur une nature a laquelle on ne peut imposer entierement sa loi. C'est pourquoi elle n'est pas susceptible d'une application generalisee. Elle se degage difficilement de 1'art du thaumaturge. Ainsi, certaines des inventions de HERON D'ALEXANDRIE (ier siecle apres J.C.), qualifiers de prodiges, ne resteront que des gadgets. 17 - La boule tourne par reaction. HERON D'ALEXANDRIE
18 - Quand on allume I'autel, les portes s'ouvrent. HERON D'ALEXANDRIE
D'apres la conception d'ARiSTOTE, on doit partir de principes evidents et universels pour en deduire logiquement des consequences absolues. Quel est le role de 1'experience dans ces premisses ? II s'agit seulement de \ experience commune que chacun peut invoquer. Une experience un peu complexe, avec un dispositif ad hoc, n'entre pas dans cette definition, meme attestee par temoins. Elle devient d'autant plus discutable que les Grecs n'ont pas le sens de la marge d'erreur dans une mesure; par consequent celle-ci ne peut etre raisonnablement prise en compte. A ce propos, on peut citer une mesure d'ARisiARQUE DE SAMOS (- 310 • - 230) du rapport des distances du soleil a la terre (ST) a la distance de la lune a la terre (LT). La mesure se ramene a celle de Tangle a (figure 19), lorsque la lune apparait comme un demicercle exactement. On a LT/ST = cos a.
19 - Calcul d'AmsTARQUE DE SAMOS
6. J.P. VERNANT, Mythe et Pensee chez les Grecs, La Decouverte, 1996, p. 316.
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La seule erreur qui preoccupe ARISTARQUE est celle, mathematique, du calcul de cos a (les lignes trigonometriques n'existent pas a cette epoque, elles seront inventees par ARYABHATA, en Inde, au vie siecle apres J.C.) alors que la principale cause d'erreur est la mesure physique: visee au temps exact ou la lune apparait comme un exact demi-cercle. La confiance dans la mesure est si faible qu'en cas de divergence entre raisonnement et mesure, cette derniere est systematiquement ecartee, voire modifiee. C'est ainsi que 1'astronome CLAUDE PTOLEMEE (100 • 170), mesurant Tangle de refraction r de la lumiere, de 1'air dans 1'eau, sous Tincidence i (figure 20), cherche a verifier une relation qu'il a supposee etre logicjuement r = ai - bi2. II est en effet parti de la constatation que la relation n'est pas lineaire sauf aux tres petits angles. Le dispositif de mesure utilise est correct et ne devrait evidemment pas verifier la formule mais, cependant, il deforme ses resultats jusqu'a ce qu'ils donnent la reponse qu'il attend.
20 - Experience de CLAUDE PTOLEMEE
LE PROLONGEMENT EN OCCIDENT Avec les invasions barbares, la tradition grecque disparait progressivement en Italic et le dernier erudit pratiquant la langue est le conseiller du roi ostrogoth THEODORIC 1ER, BOECE, qui finit emprisonne a Ravenne, en 524. La philosophic grecque reapparait au Moyen Age grace aux traductions arabes et ARISTOTE ressuscite grace a THOMAS D'AQUIN (1225 • 1274), dominicain, professeur a 1'Universite de Paris. Dans la Summa Theologica, ce predicateur souhaite constituer la theologie en science par des raisonnements logiques a la maniere d'ARiSTOTE, en remplagant les principes debase de celui-ci par les dogmes chretiens. II professe en particulier que : «rien n'arrive au hasard, tout se produit selon la necessite.» Vu sous cet angle, ARISTOTE regnera pendant plus de trois siecles sur la pensee medievale. Par centre, 1'interpretation d'AvERROES (!BN RUSHD, 1126 • 1198), selon laquelle il faut totalement separer la verite philosophique de la foi, sera violemment combattue presque partout, sauf a Padoue ou des adeptes de la double verite se manifesteront un temps. Cependant, une position assez differente est professee par le fondateur de 1'Universite d'Oxford en 1215, le franciscain Robert GROSSETESTE (1175 • 1253).
II - LA RAISON ET L'EXPERIENCE
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Les tribulations de I'ceuvre d'AmsroTE d'Athenes a Paris Certains manuscrits etaient conserves a Athenes mais la plupart devaient se trouver dans les deux grandes bibliotheques : celle de Pergame et celle d'Aiexandrie. Or la premiere fut offerte par MARC ANTOINE a CLEOPATRE vn en 40 avant J.C. et rejoignit done la deuxieme. La premiere atteinte a I'integrite du formidable tresor de connaissances d'Aiexandrie se situe en 269, lors du raid sur I'Egypte de ZENOBIE, reine de Palmyre, mais I'essentiel de la catastrophe a lieu en 415 quand I'eveque CYRILLE fait bruler la bibliotheque par des emeutiers Chretiens. Enfin I'hallali est sonne par le calife OMAR dont les troupes prennent Alexandrie en 634. II fait distribuer les derniers livres aux bains publics pour servir de combustible. Parallelement, I'empereur JUSTINIEN ferme en 529 les ecoles d'Athenes pour paganisme et leurs biens sont disperses. Quelques ouvrages se retrouvent dans la bibliotheque de Byzance. Le concile d'Ephese, en 431, avait condamne I'eveque NESTORIUS pour son heresie dyophysiste et celui-ci est alle fonder une universite nestorienne pas tres loin, a Edesse, en territoire sassanide. Get organisme va collectionner tous les ecrits philosophiques grecs qu'il peut se procurer (en acheter meme a Byzance) et les traduire en syriaque (langue locale derivee de I'arameen). Ce zele formidable, auquel nous devons presque toute notre connaissance de la pensee grecque, se poursuit avec I'eveque BAR SAUMA lorsqu'une victoire temporaire de Byzance oblige I'universite a emigrer a Nisibe. Les nestoriens vont rayonner dans toute I'Asie centrale et on ignore souvent que, par exemple, le patriarche TIMOTHEE IER a cree au ixe siecle un eveche au Tibet. Le calife abbasside AL MAMUN (813 • 833) fixe a la Maison de la Sagesse (Bayt al Hikma), qu'il cree a Bagdad, la mission de collecter tous les textes grecs et nestoriens et de les traduire en arabe, et c'est ainsi que ces documents tournent autour de la Mediterranee et se retrouvent en Espagne des le debut de la reconquete. Lorsque ALPHONSE vi reprend Tolede en 1085, I'eveque RAIMOND cree un grand centre de traduction d'arabe et d'hebreu en latin. Les textes d'ARistOTE vont se retrouver sous la plume d'ADELARD DE BATH, de Gerard DE CREMONE et de bien d'autres, puis apparaissent a Paris vers 1200 au moment de la fondation de I'Universite.
II proclame que tout raisonnement scientifique comprend trois phases successives: 1'induction, 1'experience et la formulation mathematique. Son successeur, Roger BACON (1219 • 1292), se refuse a suivre ARISTOTE les yeux fermes et ecrit que «le raisonnement ne prouve rien, tout depend de l'experience». Nous reparlerons plus tard des travaux importants de R. BACON, en particulier en optique. II a egalement travaille en astronomie et attire 1'attention sur un memoire de P. DE MARICOURT, publication experimental sur le magnetisme (1269), dans la tradition des ingenieurs militaires. Malheureusement, R. BACON fut emprisonne pour averro'isme et son attitude remarquablement moderne s'est eteinte avec lui dans un cul de basse-fosse. II faudra attendre GALILEE (1564 • 1642) pour que revive la methode experimentale en physique. La plupart des misonnements experimentaux medievaux, dont nous parlerons dans chacun des chapitres suivants, sont en fait des experiences faites par la pensee :
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
«si je me mets dans telles et telles conditions, voila ce qui se produira». Cela parait beaucoup plus sur que de recourir a des mesures en lesquelles personne n'a confiance. C'est pourquoi 1'attitude de P. DE MARICOURT, qui rompt des aimants puis les recombine pour examiner le role des poles magnetiques, est si exceptionnelle. Sans doute est-ce du au fait qu'il n'est pas universitaire, mais ingenieur militaire habitue a regler des problemes concrets. DESCARTES lui-meme, adepte de la rigueur du raisonnement, n'est pas un experimentateur et les premiers successeurs de GALILEE au xvnesiecle sont sans doute PASCAL, avec 1'etude de la pression atmospherique, et NEWTON qui decompose et recompose la lumiere blanche.
LA PRATIQUE
CHINOISE
LES ORIGINES II se developpe tres tot en Asie centrale une tradition d'intercesseurs entre les membres de la tribu et les forces de la nature: ce sont les chamanes. Ceux-ci sont des sages qui se singularisent par une vie ascetique et des connaissances esoteriques transmises par un maitre. Par une discipline de tension et de concentration spirituelle en liaison avec un controle du souffle respiratoire, ils peuvent rassembler les elements de Fame disperses en tous les points du corps, et celle-ci peut s'en detacher et le reintegrer a volonte apres une peregrination dans le monde infernal, ou un voyage a travers 1'espace. Ces chamanes peuvent ainsi acquerir des informations
La religion au Tibet La religion primitive du Tibet est une religion animiste qui attribue une conscience a chaque objet: c'est la religion bon servie par des chamanes intercesseurs. Lorsque I'unificateur du Tibet, SRONGTSEN GAMBO (634 • 650), epouse la princesse chinoise WEN CHENG (dynastie TANG), il se convertit au bouddhisme avec la cour. Mais la population ne commence sa conversion que lorsque I'armee tibetaine occupe les oasis d'Asie centrale (666 • 692), ou se trouvaient de tres nombreux monasteres bouddhiques (en particulier a Hotan). Puis le roi THYSONG DETSEN (756 • 797) decrete le bouddhisme religion d'etat et, apres la confrontation de Samye (792 • 794), rejette I'amidisme chinois pour le bouddhisme de la branche indienne dite Grand Vehicule. Cependant, peu apres, le roi LANGDARMA (838 • 842) proscrit la nouvelle religion et retablit le bon. Le bouddhisme se refugie alors tout a I'ouest du Tibet (au Ladakh et au Spiti) et tout a Test (le Kham, le Boutan), puis reprend lentement du terrain sous I'influence des predicateurs comme MARPA (1012 • 1096) et son disciple MILAREPA (1040 • 1123), qui introduisent dans le Grand Vehicule les demons du bon sous forme de divinites converties et bienfaisantes. Cette religion nouvelle est nommee le lamaTsme. Enfin TSONGKHAPA (1337 • 1419) reforme le lamaTsme en creant la secte des Gelugpa (bonnets jaunes) et fonde les monasteres de Sera et Drepung pres de Lhassa. Plus tard les Mongols (ALTAN KHAN), en 1578, chargerent le superieur de Drepung de la gestion temporelle du Tibet, avec le titre de Dalai' Lama.
II - LA RAISON ET L'EXPERIENCE
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sur le passe, le present et 1'avenir, ou interceder eventuellement pour des morts dont les descendants craignent qu'ils n'eprouvent des difficultes dans 1'au-dela. Ces pratiques, qui vont de pair, souvent, avec 1'existence d'un animal ancetre et protecteur, le totem, sont encore tres repandues dans une population qui a la steppe pour origine, les Coreens. Dans leur pays, des ceremonies pour Fame des ancetres ou la guerison de malades se deroulent encore sous la direction de femmes chamanes, les mudang. De meme, au Tibet, la tradition chamanique de la religion Bon impregne fortement le lamai'sme reforme de MARPA et MILAREPA (1040 • 1123). La connaissance de la nature est approfondie par ces chamanes dans le but de mieux exercer leur ministere, mais nullement dans le desir de theoriser sur les phenomenes euxmemes. En Chine, de nombreuses legendes, issues de cette tradition, portant sur 1'origine des phenomenes naturels, se retrouvent dans les premiers ecrits et dans la pratique des os oraculaires (a An Yang, capitale de la dynastie SHANG, a partir de 1350 avant J.C.). L'empereur Jaune (HUANG Di), apres avoir ete le maitre du ciel, a ete transforme en createur de la nature chinoise et Yu LE GRAND est choisi par le roi mythique YAO pour regner, car il a su «pacifier les eaux et les terres dans les neuf provinces et nettoyer les neuf grands cours d'eau» 7 . Des problemes techniques se trouvent ainsi entremeles de representation mythique. A cette epoque, des pratiques de divination a partir de la position en trigrammes, puis en hexagrammes, de baguettes d'achillee sont a la base de la numeration.
On a trouve autour de la ville d'An Yang, deuxieme capitale de la dynastie SHANG a Test de la Chine, des milliers d'os plats (omoplates de ruminants ou plastron de tortue) sur lesquels les fideles gravaient les questions qu'ils souhaitaient poser aux dieux. L'officiant soumettait ce message au feu et interpretait les craquelures qui apparaissaient comme les reponses divines. Ces os sont des documents fondamentaux sur les problemes de Pepoque et sur les debuts de I'ecriture chinoise. Cette pratique debute en 1350 avant J.C. et s'etale sur plusieurs siecles.
Plus tard, la perte de pouvoir de la dynastie centrale ZHOU (fondee en 1027 avant J.C.), gardienne non seulement de 1'ordre politique mais de la pratique des rites, conduit a un 7. Ph. RAWSON et L. LEGEZA, Le Tao, Le Seuil, 1973.
21 - Os oraculaire
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desordre sanglant et a une perte des reperes moraux attaches a la tradition. Aussi, a partir du vie siecle avant J.C., se developpent des reflexions philosophiques tres influencees par le desordre politique de la periode dite des Printemps et des Automnes (-722*-481). LA VOIE DE LA SAGESSE
CONFUCIUS et le confucianisme KONG Fu Zi f L £ f (- 551 • - 479) Fils d'un petit noble ruine et travailleur acharne, KONG Zi occupe un poste administratif dans sa principaute d'origine, le Lu, puis doit s'exiler a la suite de difficultes locales. II passe ensuite une quinzaine d'annees a errer de principautes en etats (c'est la periode ou la Chine est tres rporcelee), suivi de quelques disciples dontZttS^IZiGONG (Yasushi !NOU£, Confucius, Steiek, 1992). II cherche sans succes un prince qui accepterait de gouverner suivant ses idees. On ne possdde aucun texte redige par lui. Les commentaires les plus anciens sont reunis dans les Entretiens de CONFUCIUS, ecrits au me siecle avant J.C. La philosophic de KONG Zi est avant tout une politique de societe et de gouvernement, et elle n'est nullement revolutionnaire. Dans une Chine en decomposition et en proie a la guerre, il prone le retour aux vertus et aux rites d'autrefois, mais il attribue a I'homme un role essentiel et fonde I'equilibre de la societe sur la vertu individuelle dont I'essentiel est le ren [^~], la vertu d'humanite, c'est-a-dire le respect de I'autre homme quel qu'il soit, meme un sauvage Wa (japonais). L'organisation de la societe doit etre fondee sur le respect de la hierarchie et des rites correspondants, suivant une echelle des valeurs strictes, incluant dans la famille le pere, la femme, le fils ame, les autres enfants. Si beaucoup de politiciens ont adopte ce principe, la plupart ont oublie la contrepartie obligatoire qui est une exigence de vertu croissante avec le grade et, pour couronner le tout, ('exigence que le prince soit le modele de toute la principaute. Le mattre ne nie pas ('existence d'un ciel, mais comme il ne peut le connaTtre, il juge inutile de le faire intervenir.
La plupart des penseurs de cette epoque, au premier rang desquels KONG Fu Zi (- 551 • - 479), reflechissent aux problemes de societe et a la remise en ordre de celle-ci. Cependant, un grand courant naturaliste centre, au contraire, ses reflexions sur 1'individu et la voie la meilleure a suivre, independamment des vicissitudes politiques. Cette voie, c'est le Dao [Jit] que nous nommons le taoisme. Le point de depart remonte a la pensee chamanique mais s'applique a un sage qui s'abstrait, a titre individuel, du monde en desordre autour de lui. Get homme se retire dans un ermitage (de preference peu accessible, par exemple dans un massif montagneux) et la, par des regies magico-religieuses, s'efforce d'accroitre sa puissance vitale en vue d'atteindre I'immortalite et d'acquerir des pouvoirs surnaturels. Cela exige des pratiques de tous ordres: alimentaires, respiratoires, gymniques, sexuelles et alchimiques. II doit faire le vide dans son esprit et ne s'interesse qu'a la joie qu'apporte la nature. La retraite de Termite et 1'acquisition de I'immortalite sont si liees dans 1'esprit populaire que le mot immortel (xian) s'ecrit en joignant la cle de I'homme a celle de la montagne: \ |Jj.
II - LA RAISON ET L'EXPERIENCE
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La tradition attribue a un personnage mythique, LAoZi [7^^], la paternite d'un texte de sentences esoteriques: le Dao De Jing (Traite de la voie de la sagesse), extremement connu mais neanmoins tres obscur. Ce personnage aurait disparu, monte sur un buffle, en partant vers le paradis de 1'Ouest (les monts Kun Lun). L'ceuvre principale du Dao est cependant celle de ZHUANG ZHOU (- 370 • - 300).
22 - LAO Zi sur son buffle
Cette attitude philosophique a rapidement evolue vers une religion populaire, sans eglise organisee, et a favorise les revokes paysannes, a commencer par celle des Turbans jaunes qui scelle la fin de la dynastie HAN (- 200 • 190). Sous 1'influence de la societe et de la concurrence, 1'evolution du taoi'sme a suivi celle du bouddhisme, introduit en Chine a partir de 65 (regne de 1'empereur MING Di). A cote de 1'enseignement de BOUDDHA, axe sur la recherche individuelle et personnelle de rillumination dans le Hinayana, il s'est developpe, en Inde, une nouvelle conception, celle du Mahayana, ouverte a la compassion universelle des Bodhissatvas et a une vie monastique en societe. De meme, en Chine, sous la direction de Kou QIAN ZHI (363 • 448), actif a la cour des WEI du Nord, les premiers monasteres taoi'stes voient le jour et s'ouvrent a la population en quete de reconfort. L'observation attentive de la nature permet de mieux la connaitre, mais pas de mieux 1'expliquer. L'experience est done reine, pas la theorie. L'astronomie, la physique et la biologic font 1'objet d'etudes attentives qui vont accumuler des connaissances empiriques, sans idees precon^ues, en magnetisme, vibrations, usage des sons, etc. Les experiences de chimie s'apparentent a 1'alchimie europeenne avec, par exemple, 1'invention de la poudre noire et d'engrais. Alors qu'en Europe, le moteur de 1'alchimie est la recherche de la transmutation des metaux en or, celui qui anime les taoi'stes est la poursuite de 1'immortalite. Au passage, on peut signaler que la fascination de certains sages pour le cinabre (HgS), produit d'un si beau rouge donnant facilement naissance au vif argent, prodigieux metal, les a conduits rapidement a une mort prematuree (les sels de mercure sont de violents poisons).
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LE CANON DES MOHISTES
Les taoi'stes ne sont pas les seuls observateurs de la nature. S'ils cherchent a mieux la connaitre pour mieux s'en impregner, d'autres ont des points de vue plus utilitaires. Mo Zi [fl ^ ] (- 480 • - 390) professe une idee peu repandue en Chine: 1'amour universel, et condamne 1'esprit de conquete et de lucre. II fonde alors une ecole, ecole des mohistes, dont le but est de mettre a la disposition des opprimes les connaissances permettant de construire une defense efficace grace a leurs applications militaires et scientifiques. II publie un ouvrage qui decrit des experiences dans de nombreux domaines dont nous reparlerons, particulierement en optique et en mecanique. Malheureusement, apres un grand succes populaire au rve siecle et au me siecle avant J.C., 1'influence des mohistes est ruinee par les persecutions du ler empereur QIN SHI HUANG Di (- 221 • - 210), et leurs decouvertes sont completement occultees jusqu'au xixe siecle. L'ECOLE DES LOGICIENS
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(MlNG JlA)[^%]
La grande confusion qui regne, au ive siecle avant J.C., entre toutes les philosophies chinoises est aggravee par 1'emploi de mots et de concepts mal definis. Dans un premier temps, les membres de cette ecole s'attachent a une etude logique, abstraite, des principales idees et de leur expression: idees de grandeur, de temps, d'espace, d'unite et de multiplicite. Puis cette logique va etre appliquee a des classifications de la nature, de 1'histoire et de la politique. Zou YAN (- 305 • - 240) revient ainsi a des motivations plus proches de celles des Grecs et va curieusement converger vers certaines de leurs explications. C'est ainsi qu'il developpe une theorie de la matiere en 5 elements (4 chez les Grecs), reagissant sous I'influence du Yin et du Yang (VAmour et le Conflit en Grece). Nous etudierons au chapitre V cette theorie qui est a la base de 1'un des quatre grands classiques de Chine: le Yi Jing, Livre des mutations, immense classement entre toutes choses, qui rencontrera un prodigieux succes.
EVOLUTION ET DIFFUSION Nous avons vu qu'en Occident quelques grandes philosophies de 1'Antiquite avaient revu le jour au xme siecle, grace aux traductions arabes reprises par THOMAS D'AQUIN et ses disciples.
Souvent le nom de Mingjia, litteralement ecole des noms, est traduit par Ecole des sophistes. Pour ne pas introduire de confusion avec la Grece, je prefere le nom de logiciens introduit par le philosophe anglais G.E.R. LLOYD, dans son ouvrage Pour en finir avec les mentalites, La Decouverte, 1993, p. 167.
II - LA RAISON ET L'EXPERIENCE
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Une reprise analogue est tentee a peu pres a la merne epoque et avec le merne succes en Chine. En effet, sous la dynastie SONG (960 • 1278), ZHU Xi (1130 • 1200) s'efforce de faire une synthese entre le Yi Jing et le confucianisme classique de MENG Zi (successeur de KONG Zi, - 372 • - 289). II cherche a concilier 1'idealisme du maitre et le materialisme de la nature. C'est pourquoi ce travail a rec.u le nom de Li Qi Xue (etude du souffle et de la raison). En Europe, ce mouvement est nomme neo-confucianisme. II est interessant de comparer les declarations deterministes du dominicain (p. 32) et une profession de foi de ZHU Xi: «Sous le ciel, il n'y a jamais eu un quelconque phenomene sans raison.» Curieusement, le travail de ZHU Xi, interpreted de facon etroite et restrictive, fixe et sclerose toute la pensee chinoise officielle pour des siecles, tout comme d'ailleurs la resurrection d'ARiSTOTE fait le meme effet sur 1'universite europeenne.
CONCLUSION Mis a part le cas des logiciens deja souligne, les attitudes dans la sphere mediterraneenne et celles de 1'Extreme-Orient sont fondamentalement differentes, tout comme d'ailleurs leurs structures sociales et politiques. Des la periode hellenistique, les gouvernements de 1'Europe ont ete essentiellement d'ordre militaire, soit centralises, soit disperses dans des buttes fortifiees ou des constructions plus elaborees. Nous avons vu, au chapitre I, que le fer, substance difficile a travailler, permet aux soldats d'assurer 1'autorite, qui est incarnee par des seigneurs hereditaires. En Chine, des le premier empereur, les gouverneurs sont des civils recrutes par concours, souvent sans preferences familiales. Us ont sous leur autorite les militaires, generalement meprises 9, et les ingenieurs civils ceuvrant pour le bien public (tout au moins theoriquement). L'usage du fer, grace a la fonte, est civil et generalise. En Occident, 1'esclavage, extremement repandu, apporte 1'essentiel de la maind'ceuvre sur terre comme sur mer, et son bas prix rend inutile toute reflexion sur les energies naturelles. En Chine, 1'esclavage est beaucoup moins generalise et souvent restreint aux besognes ancillaires, si bien que la necessite de domestiquer la nature conduit a des applications empiriques assez systematiques de toutes decouvertes. Dans ce 9. Anoter la vieille graphic pour dui, 1'armee p^< : troupeau de cochons %^ defendant les murailles P . Ce caractere a ete reforme par le parti communiste a 1'aide de la cle de 1'homme A/ donnant P/\ .
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contexte, les explications logiques viennent au deuxieme plan, d'autant plus que les administrateurs sont recrutes sur des concours essentiellement litteraires et tout a fait etrangers au raisonnement scientifique (et ceci est vrai aussi pour les fonctionnaires de 1'astronomie qui resteront essentiellement des astrologues, sauf sous les Mongols epris de culture arabe). Le progres technique va ainsi subir, en Extreme-Orient, une evolution reguliere et progressive, une lente amelioration des conditions de vie, sans remises en cause, ni brutales evolutions. C'est ainsi qu'en 1780, le niveau de vie du paysan chinois moyen est superieur a celui du paysan frangais et son niveau d'instruction est plus eleve. Mais par centre, en Europe, la stagnation complete de 1'evolution scientifique au Moyen Age se decale de plus en plus violemment par rapport a 1'evolution economique de la Renaissance (qui commence vers 1450), jusqu'a la rupture, c'est-adire la remise en cause de tous les principes. C'est alors 1'eclosion d'une veritable revolution intellectuelle aux consequences incalculables.
CHAPITRE III LA NUMERATION ET LE CALCUL
INTRODUCTION L'etude des phenomenes physiques, d'abord qualitative, va progressivement se quantifier. La connaissance des ordres de grandeurs est necessaire a 1'analyse de phenomenes rarement isoles d'influences perturbatrices. Pour cela, il faut chiffrer les valeurs relatives et on est ainsi amene a exprimer les quantites par des chiffres et a faire subir a ceux-ci des transformations appelees operations. Sans doute les premiers besoins de noter des valeurs ont ete d'ordres commerciaux, s'adressant a des produits materiels essentiellement discontinus, traduits essentiellement par une serie de nombres entiers; plus tard, a 1'occasion de divisions ou de proportions geometriques, apparaissent les fractions et leur generalisation en tant que nombres rationnels de type m/n, mais nous restons toujours dans le domaine de la representation discontinue, ce qui est le cas des Grecs. Le continuum des nombres, et sa notation decimale remplacant les fractions, apparait beaucoup plus tot en Chine qu'en Europe, de meme que son extension aux nombres negatifs. Avant de prendre un envoi independant, les mathematiques ont ete longtemps un outil de physicien. Plus tard, au contraire, les progres des mathematiques ouvriront la voie a la physique. Mais, tout au debut, une autre contingence limite le calcul: sur quel support ecrire les chiffres et faire les calculs intermediaires ? Les bulles-enveloppes en argile durcie permettent de fixer les termes d'un contrat, mais ne sont guere utilisables pour des calculs intermediaires. Le papyrus resulte d'une operation de collage a angle droit de deux fibres vegetales: il est fragile et couteux. Quant au parchemin, resultat d'un long travail d'assouplissement de la peau d'un mammifere, il est tout a fait hors de
23 - Fragment de bulle-enveloppe
avec les calculi materialisant les nombres
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prix. Aussi, le plus souvent, les intermediaries s'ecrivent sur des tablettes revetues de sable ou de poussiere, et on ne peut en conserver la trace. En Chine, apres Templed systemaLes supports du calcul tique de baguettes et de damiers, Les tables revetues de sable ou de pousTapparition du papier (invention de sieres sont tres utilisees autour de la CAI LUN, en 107) apporte un support Mediterranee, mais les latins preferent commode et bon marche qui est systeles jetons poses sur un damier. Ceux-ci . / sont souvent de petits cailloux (caillou se matiquement utilise et participe largedit calculus), et c'est ainsi qu'en ment a Tessor de Tarithmetique et de Angleterre le ministre des finances se dit 1'algebre en Orient. chancelier de I'Echiquier. Une methode tres employee consiste a L'acquisition par les Arabes de la techpratiquer des encoches sur des batons et nique papetiere, au cours de la bataille on en retrouve la trace etymologique en de Talas (751) avec les Chinois, est un latin : dans cette langue compter se dit . deg 616ments n { favorisent r6pa r rationem putare, or la signification mitiale du verbe putare est inciser, elaguer. nouissement de la Maison de la De meme, en France, I'impot direct preleSagesse de Bagdad et de ses matheve sur les paysans s'appelle la taille. maticiens a partir de 800. Enfin on peut noter en Chine que le carac^re fabrique de papier euroLa premi r r r tere qi, signifiant un contrat, s ecnt fj?, ou ^ la cle du couteau, dao J], voisine avec la peenne n apparait en Espagne qu'en representation d'entailles sur du bois ^. 1185, et sa generalisation va prendre presque un siecle. Son usage coincidera avec 1'apparition des banquiers dans la premiere Renaissance, charges au debut du xive siecle des comptes des grandes entreprises mediterraneennes d'importexport (voir plus loin). Et c'est ainsi que la technique, fille de la physique, apporte un soutien considerable aux mathematiques.
LA NUMERATION - LES DEUX PROCEDES Des les premiers pas de I'ecriture, vers 3300 avant J.C. en Sumer, la necessite de traduire de fagon materielle par des petits cailloux de formats differents, par des signes imprimes dans 1'argile des bulles-enveloppes, s'est averee necessaire. Le choix d'une base pour simplifier la notation en regroupant les unites s'est aussitot impose. La Mesopotamie a adopte la base 60, tandis que presque toutes les autres civilisations ont opte pour la base 10. Ce dernier choix a evidemment une origine anthropomorphique, la tradition du calcul sur les doigts des deux mains. D'apres G. IFRAH1, la base 60 peut se justifier aussi par un schema anthropomorphique: la main droite dressee designe par le pouce une des 12 phalanges des 4 doigts restant, tandis que la main gauche avec 1'un de ses 5 doigts designe la multiplicite de 12 choisie: il y a bien ainsi 60 positions (5x 12). 1. G. IFRAH, Histoire universelle des chiffres, tome 1, Laffont, 1994, p. 221.
Ill - LA NUMERATION ET LE CALCUL
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Une fois la base choisie, la maniere de noter les nombres peut se ramener a deux methodes profondement differentes: le precede de superposition ou le precede de position. Le precede de superposition - chaque symbole a une valeur numerique intrinseque. II represente soit 1'unite, la dizaine, la centaine avec parfois des relais pour 5, 50... et 1'ecriture du nombre consiste a poser autant de symboles qu'il est necessaire pour que leur somme donne le nombre voulu. Ainsi, en notation latine, 132 s'ecrit CXXXII. Le procede de position - seuls les 9 chiffres des unites sont employes, mais leur valeur change suivant leur position ecrite: ainsi, le premier chiffre ecrit a droite represente le nombre des unites, le deuxieme, le nombre des dizaines, le troisieme le nombre des centaines... La graphic est extremement simple, mais pose un redoutable probleme : que faire lorsqu'une multiplicite est absente du nombre envisage, comment noter cette absence qui ne pose aucun probleme dans 1'autre methode ? LE PROCEDE DE SUPERPOSITION
Ce procede, initie par les civilisations egyptienne et mesopotamienne et par tous les pays mediterraneens, restera celui de 1'Europe jusqu'a la fin du Moyen Age. II oblige a inventer de nouveaux symboles chaque fois qu'on envisage une multiplicite supplementaire et explique partiellement le vertige des Grecs devant les grands nombres.
La notation egyptienne La base de la numeration est 10 et chaque multiplicite est representee par un symbole different: 1:1 |~]:10 9:100 La notation de chaque symbole est repetitive.
i.:1000...
Exemple: 2413 s'ecrit *]? •?? !l, 1'ordre importe peu et la representation est dictee par I'esthetique de 1'ecrit comme pour les hieroglyphes.
La notation grecaue La base de numeration est 10, mais il y a eu deux systemes concurrents du ve siecle avant J.C. jusqu'au debut de 1'ere chretienne. Le premier systeme est tout a fait analogue a la methode egyptienne: 1:1 A : 10 H : 100 X : 1 000 avec des relais a 5: P :5 F : 50 P : 500 etc. (P pour pente) L'alphabet numeral (notation savante) utilise 1'alphabet grec ancien a 27 lettres (avec le digamma, le koppa et le san) dont on fait trois groupes de 9 : * le groupe commengant par a note les unites, * le groupe commenc.ant par L note les dizaines, * le groupe commengant par p note les centaines.
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De 1000 a 10 000, on reprend le premier groupe avec une majuscule apostrophee : 'A. On aborde ensuite un deuxieme palier de la numeration, c'est la myriade, |iupioi : 10 000, on note M : fvl : 10000 f{1 : 20000 M : 110000 ... La notation de tres grands nombres a toujours preoccupe les savants grecs. Ainsi, ARCHIMEDE, dans I'Arenaire, invente de nouveaux chiffres pour exprimer le nombre de grains de sable que pourrait contenir la sphere ayant pour rayon la distance de la terre aux etoiles fixes.
La notation latine Chacun connait cette notation, tout a fait analogue a la premiere methode grecque avec les relais aux multiples de 5 : 1:1 V :5 X : 10 L : 50 C : 100 D : 500 M : 1 000 Mais il y a une importante innovation: 1'ordre d'ecriture des symboles se fait par valeurs decroissantes de gauche a droite et une inversion de cet ordre signifie une soustraction du symbole inverse: LX : 60 XL : 40 (au lieu de XXXX). Cela allege la notation mais ne facilite pas les calculs.
La notation mesopotamienne Cette fois-ci la base est 60. L'interet de cette base reside dans ses nombreux sousmultiples qui favorisent les divisions simples. L'inconvenient est 1'existence de 60 noms differents pour les chiffres des unites. En fait, les multiples de 10, utilises comme relais de notation, le sont egalement dans cette nomination. On a done : 1 - 10 - 60 - 600 - 602 (3 600) - 36 000 - (60)3... Les symboles sont ecrits par valeur decroissante de gauche a droite : un grand coin ^ = 60, un coin de cote <3 = 10, un petit coin T = 1. Ainsi YYY«
24 - Compte de chevres et de moutons Lagash - 2350 avant J.C.
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Mais a partir de la rae dynastie d'Ur (vers 2000 avant J.C.), le systeme va evoluer et donner le systeme babylonien savant qui introduit partiellement la methode de position.
25 - Tablette mathematique de Babylone -1800 avant J.C.
Le moteur de cette evolution est la perte de dimension de la grande encoche notant le 60, qui prend la taille de la petite encoche notant le 1. Pour lever cette ambiguite, les savants inventent un systeme positionnel, mais maintiennent 1'ecriture en superposition dans chaque multiplicite. On a un systeme de type: | (60)2 a (60)3 sexagesime de 60 a 602 | unites (de 1 a 60). Entre chaque barre verticale, qui simule pour nous la separation des multiplicites, peuvent apparaitre plusieurs signes. Par exemple, <$<3 W signifie: « W , soit 25 (tous les signes etant dans la premiere multiplicite), ou « | W, soit 20 x 60 + 5, ou encore d'autres combinaisons. Pour eviter cet inconvenient, la premiere idee a ete de separer nettement chaque groupe, puis d'utiliser un signe de separation entre chaque groupe, par exemple un exposant ** jouant le role de la barre verticale precedente. Par centre, une difficulte encore plus grave ne peut etre evitee: I'absence de zero ne permettait pas de noter une multiplicite absente, ce qui revenait a ecrire identiquement 701 et 71 !
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La base 60 a progressivement ete eliminee dans 1'usage courant par les envahisseurs Semites habitues a la base 10. Elle a cependant perdure jusqu'a nos jours dans notre division du temps ou des angles (heritage des astronomes babyloniens). On a retrouve de nombreuses tablettes portant des tables de multiplication systematiquement utilisees par les scribes. Enfin, une remarquable avancee de la science babylonienne a ete de savoir reduire les fractions a leur expression sexagesimale. Par example, 1/5 (qui donne 0,2 en notation decimale) donne 0;12, soit, la virgule etant notee ^ •, ^<3YY . Ce type de conversion n'a pas ete appliquee en Europe avant 1530. LA NOTATION DECIMALE DE POSITION
C'est la methode moderne universellement employee. Cependant, son adoption et sa diffusion resultent d'une histoire longue et controversee. L'expose ci-dessous presente 1'opinion de 1'auteur, mais elle n'est pas la seule explication reconnue2.
Les chiffres en Chine L'ecriture en Chine apparait beaucoup plus tard qu'en Mesopotamie ou en Egypte. Elle se repand rapidement pendant la deuxieme periode de la dynastie SHANG, sous la forme des os oraculaires autour de la capitale An Yang, vers 1350 avant J.C. II s'agit de poser des questions aux dieux, ecrites sur des os plats (plastrons de tortues ou omoplates de mammiferes) soumis a 1'epreuve du feu. Beaucoup de nombres sont ainsi ecrits en base 10 des 1'origine, c'est-a-dire avec seulement 9 chiffres, mais en specifiant, apres chaque chiffre, la multiplicite par son nom (celui-ci n'intervenant pas a proprement parler comme nombre). Ainsi, pour 251, on ecrira 2 centaines, 5 dizaines, 1 unite. II n'y a alors aucun probleme pour les multiplicites absentes. Plus tard, vers le milieu de la periode ZHOU (-1027 • - 221), on commence a utiliser, pour faire les calculs, des tableaux plats ou des boites a casiers disposes en lignes ou en colonnes, ancetres lointains des bouliers, et que Ton appelle damiers a calcul (Suan Pan). Chaque colonne est affectee a une multiplicite, et les chiffres sont constitues de batonnets dont la disposition, normalisee sous le grand empereur QIN (- 221 • - 210), est la suivante:
ou La notation est ainsi strictement de position puisque la valeur du chiffre depend de la colonne ou il apparait et que celle-ci 1'affecte d'une multiplicite precise. Le probleme de la multiplicite eventuellement absente est aussi resolu puisque la colonne correspondante est laissee vide.
M. SOUTIF in D. TOURNES et al, L'Ocean Indien an carrefour des matheinatiques, IUFM de la Reunion, colloque, 1998, p. 153.
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26 - Discussion d'un probleme difficile entre mattre et eleves Frontispice du Traite d'arithmetique de CHENG DA WEI - 1593
Cependant, lorsque le nombre va etre transpose par ecrit sur un document, il faudra prendre soin de menager un vide pour noter cette absence, sinon les positions sont decalees, par exemple noter «303» sous la forme «3 3». Pour eviter la plupart des ambigui'tes pouvant naitre d'une ecriture trop rapide, apparait alors la methode du Wei (\~^7. ), qui consiste a placer les batonnets en position zong (verticale) dans les colonnes de rang impair et en position heng (transversale) dans celles de rang pair. Ainsi un decalage accidentel de un rang est aussitot detecte. Par exemple, 33 s'ecrit =111, mais 303 donne HI HI. Ce systeme est stabilise a partir du regne de 1'empereur QIN 3. II est largement utilise dans le Jiu Zhang Suan Shu multiplicateur (livre de calcul en 9 chapitres), (shang wei) qui est sans doute ecrit au ier siecle avant J.C., et dans le Sun Zi Suan Jing (traite de calcul de maitre SUN), date de 280 a 470. produit (zhong wei)
27 - Multiplication de 81 x 81 d'apres le Jiu Zhang Suan Shu
multiplicande (xia wei)
3. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 3, Cambridge University Press, 1979, p. 9, 10, 12.
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Ce dernier ouvrage traite des 4 operations, de la mesure d'aires et de volumes, des fractions et des racines carrees et donne des indications sur les poids et mesures ainsi que sur les masses volumiques de differents materiaux, en utilisant systematiquement les chiffres en batonnets. L'usage du zero moderne apparait tres tardivement, puisque sa premiere apparition imprimee a ete trouvee dans un ouvrage de 1247, le Su Shu Jin Chang ou le nombre 1405536 est ecrit | m 0=111111 = I ; mais une allusion a 1'emploi d'un point pour signifier une multiplicite vide se trouve dans le Kai Yuan Chan Jing, edite entre 718 et 729.
Les chiffres en Inde Les debuts de 1'ecriture sont tres retardes en Inde par 1'hostilite des Brahmanes qui tiennent a 1'exclusivite de la transmission orale. II faut attendre le regne du 3e empereur MAURYA, AgoKA (- 269 • - 232), converti au bouddhisme, pour qu'apparaisse, d'abord sur des inscriptions lapidaires, 1'ecriture brahmi de type syllabique. La fecondite de cette ecriture a ete prodigieuse4 et elle a diffuse a travers de nombreuses adaptations vers 1'Asie centrale et du Sud-Est, sans compter du nord au sud de 1'Inde. Cependant, son origine est tres peu claire. Une des hypotheses les plus probables la rattache aux ecritures semitiques, le phenicien et 1'arameen, bien qu'elle s'ecrive de gauche a droite. A travers de nombreuses evolutions, en particulier les ecritures koushan et gupta, la brahmi conduit a 1'ecriture nagari qui est a la base de 1'ecriture moderne de la langue hindi. L'ecriture meme des chiffres suit une evolution analogue et nous verrons que les chiffres nagari conduisent aux chiffres arabes. Mais avant d'evoquer ces evolutions purement scripturales, examinons les methodes de numeration. Des 1'origine, la numeration est decimale avec 9 chiffres de base, mais elle n'est pas positionnelle et repose sur le principe de superposition, avec une foule de chiffres independants representant les nombres:
1 10 100 000
2 20 200
3 30 300
4 40 400
5 50 500
6 60 600
7 70 700
8 80 800
9 90 900
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Ainsi, par exemple, le nombre 24400 s'ecrit: le signe 20000 + le signe 4 000 + le signe 400. Bien evidemment 1'ecriture du zero est alors inutile. Le desir de trouver les limites de Vinnombrable (par exemple dans le Bhagavat Gita, dialogue de KRISHNA et d'ARjUNA dans le Mahabarhata) pousse a donner des noms particuliers aux puissances de 10 de plus en plus elevees, jusqu'a 10140 (mahakathana). 4. J.C. FEVRIER, Histoire de 1'ecriture, Payot, 1984, p. 343.
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La premiere apparition5 de la numeration de position se trouve dans un traite cosmologique jain, le Lokavibhaga, date de 1'annee 380 de 1'ere Shaka, soit 458 de notre ere. Les chiffres y sont exprimes par leur nom Sanscrit (eka, dvi, tri, chatur, panqa, sat, sapta, asta, nava) dans 1'ordre de la position, et 1'absence d'une puissance de 10 est notee shunya, c'est-a-dire vide. Apres cette date, on dispose d'interventions de plus en plus nombreuses de la notation positionnelle, par exemple dans les Surya-siddhanta de 1'astronome ARYABHATA (vers 510), 1'inventeur des lignes trigonometriques modernes, puis du mathematicien BRAHMAGUPTA qui donne la solution generale des equations du 2e degre et definit 1'infini comme 1'inverse du nombre nul.
La religion jain MAHAVIRA (- 540 • - 468), comme BOUDDHA, apres une vie princiere, quitta son foyer a I'age de 30 ans pour une vie d'ascete. Au bout de 12 ans, il parvint a la connaissance parfaite. II precha alors, en se presentant comme le 24e prophete (Tirthankara), jusqu'a sa mort, due aux privations, a I'age de 72 ans. La doctrine de MAHAVIRA, le jainisme, pose que I'univers obeit a des lois universelles et non a des dieux ; il est eternel et subit un nombre infini de cycles de croissances et de declins. L'ame est une propriete de tout etre anime ou inanime, et subit des transmigrations obscurcies par tout acte cruel ou egoi'ste. Seuls les moines peuvent atteindre la beatitude infinie mais les laTques doivent mener une vie tres stricte : frugalite, temperance, non-violence a I'extreme. Ainsi, ne pas blesser la terre par I'agriculture, porter un masque pour proteger les insectes de sa respiration... II existe plusieurs millions d'lndiens adeptes du jaTnisme, particulierement a I'ouest de I'lnde, avec des temples de marbre superbes (Mont Abu, Ranakpur). Us sont divises en deux grandes sectes : ceux vetus de blanc et ceux vetus d'espace (integralement nus).
L'apparition de cette notation positionnelle, en 458, est-elle une invention specifiquement indienne comme beaucoup d'auteurs le pensent ? Nous remarquons qu'elle intervient a peu pres 1000 ans apres la meme innovation en Chine et utilise pour le zero la meme notation que les Chinois : le vide. Elle se produit en outre a une periode ou les relations entre 1'Inde et la Chine se sont multipliers. Chassees par les Turco-Mongols, diverses populations d'Asie centrale ont envahi 1'Afghanistan, puis 1'Inde par le col de Khyber et la vallee de la riviere Kaboul: les Parthes, les Scythes poussant les Grecs de Bactriane, puis les Koushans (population d'origine iranienne nommee Yue Zhi par les Chinois) a partir de 50. Le royaume KOUSHAN tourne autour de 1'Himalaya. II va de la vallee du Gange au Kashmir, a 1'Afghanistan, a la mer Caspienne et a tout le bassin du Tarim jusqu'au Gansu. II constitue un tres puissant facteur d'echanges entre 1'Inde et la Chine, jusqu'a son effondrement devant les Gupta en 320. En particulier, le roi KANISCHKA (78 • 144) favorise la diffusion du bouddhisme qui va envahir 1'Asie centrale. Pour les besoins de la connaissance des sutras, des grands centres de traduction ddu5. G. IFRAH, Histoire universelle des chiffres, tome 1, Laffont, 1994, p. 928.
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Sanscrit en chinois et reciproquement (parfois par 1'intermediate du sogdien, langue des voyageurs de commerce sur la route de la sole) s'installent. Us fonctionnent a Hotan des 260, puis 1'Indien KUMARAJIVA installe a Kuqa une veritable usine a traductions (344 • 413).
28 - Le royaume KOUSHAN
Des pelerins chinois se rendent en Inde. L'illustre FA XIAN y sejourne de 399 a 412, avant de retourner a la cour des WEI du Nord. On ne peut qu'etre frappe par la coincidence de cette activite avec la prise en compte dans le Lokavibhdga de la numeration de type chinois. Cela ne peut etre une coincidence.
L''apparition du zero La notation positionnelle souleve une difficulte technique. Le blanc ou vide (shunya) est une notation qui peut porter a confusion. Tout au moins faut-il la souligner ou mieux 1'entourer. On obtient ainsi 0 ou 1'essentiel n'est pas le trait mais le vide au centre ! La notation de 1'absence d'une multiplicite par un point ou un rond 0 apparait pour la premiere fois dans le Sud-Est asiatique 6 : Au Cambodge, a Trapeang Prei : (? ' ^ (605 de 1'ere SHAKA), soit 683 6. G. COEDES, A propos de I'origine des chiffres arabes, BLSOAS 6, 1931, p. 323.
Ill - LA NUMERATION ET LE CALCUL
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A Sumatra, a Palembang : ^0 ^ (605 de 1'ere SHAKA), soit 683. Encore a Palembang : ^Oc) (606 de 1'ere SHAKA), soit 684. Cette notation diffuse dans la culture champa vers 800, ou encore a Bali: p" 00 (800 de 1'ere SHAKA), soit 878. En Inde, la premiere inscription dont la date soit certaine, celle de Gwalior, parce que gravee sur un monument, se trouve dans un long texte consacre a VISHNU et date de 1'annee 922 de 1'ere VIKRAMA, soit 876 de notre ere. Elle fait etat de la donation, au temple, d'un terrain de 270 hasta de long et de 50 guirlandes de fleurs, et 1'on a 2.70 pour 270 et $0 pour 50. II pourrait y avoir des inscriptions plus anciennes sur cuivre, mais leur datation est sujette a caution. G. COEDES deduit de la presence du zero en Asie du Sud-Est, en 683, que 1'Inde avait certainement invente cette notation avant cette date, malgre 1'absence d'evidence, et transfere 1'idee dans leur zone d'influence. Certes les chiffres et 1'ecriture, ainsi que la religion brahmanique, sont venus d'Inde du Sud a travers 1'activite des navigateurs du Fu Nan (Cambodge) ou du Champa (Annam), plus qu'a travers les navigateurs indiens peu nombreux, sauf beaucoup plus tard, au moment de la dynastie tamoul des CHOLAS (985 • 1110). Mais 1'essentiel de 1'activite de ces contrees etait sous controle chinois. Le Nam Viet a ete conquis par les HAN, en 111 avant J.C., et divise en 7 commanderies. II s'agissait au depart d'un protectorat laissant en place 1'aristocratie LAC, mais apres la revolte des sceurs TRUNG (40 • 42), toutes les instances politiques locales sont eliminees et remplacees par des Chinois. Apres la decadence HAN, des royaumes independants (le Lam Ap, le Champa, le Fu Nan) se forment transitoirement avec une activite tournee vers la mer, mais les Sui, puis les TANG interviennent massivement a partir de 603 et il s'ensuit un tres grand essor economique. Le bouddhisme chinois (le chan ou zen) penetre largement a partir de 580 et diffuse vers Sumatra, en particulier a Palembang. II est tout a fait clair que la numeration dans les activites economiques est essentiellement chinoise dans toute la peninsule indochinoise, y compris au Cambodge qui prend a cette epoque le nom de Zhen La et se tourne vers la Chine 7. Pourquoi des lors refuser au genie des ethnies locales, sous le choc des civilisations indiennes et chinoises, d'avoir elles-memes invente le zero?
Diffusion des connaissances indiennes vers les Arabes Des la mort du Prophete (632), 1'expansion arabe explose en Asie. La Mesopotamie (Kadasiya, 637), 1'Iran (Nihavend, 642), puis Samarcande, en 712, sont conquis jusqu'au coup d'arret de la bataille de Talas avec les Chinois, en 751. Du cote de 1'Inde, les conquerants occupent le Sindh en 712, mais ne franchissent pas le desert de Thar. 7. C. JACQUES, Chronologic du Pays Khmer, Dossiers d'Archeologie 221, 1997, p. 9. LE THANK KHOI, Histoire du Vietnam, Sudestasie, 1987.
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En 750, les Omeyyades sont supplantes par les Abbassides qui fondent une nouvelle capitale a Bagdad, en 762. Les califes successifs, et surtout AL MAMUN (813 • 833), vont financer et encourager une extraordinaire activite intellectuelle. Une Maison de la Sagesse (Bayt al hikma) va reunir, autour d'une grande bibliotheque, mathematiciens, astronomes, medecins et traducteurs. Tous les textes grecs sauves par les nestoriens d'Edesse et de Nisibe sont traduits du syriaque en arabe. Des specialistes du pelhvi et du Sanscrit, comme Mohammed AL FAZARI, traduisent ARYABHATA et BRAHMAGUPTA, et introduisent ainsi a Bagdad la numeration decimale et 1'usage du zero. A cote de ce travail de compilation, des chercheurs arabes menent des travaux completement originaux dans tous les domaines. En mathematiques, AL KHWARIZMI (780 • 850) pose les fondements de 1'algebre et popularise les notations indiennes. En astronomie, Thabit IBN QURRA (836 • 901) et ses descendants developpent 1'astronomie a partir de traductions de YAlmageste de PTOLEMEE. NasirALTusi realise des tables astronomiques et, beaucoup plus tard, AL KASHI (1436) generalise la transformation chinoise de fractions en decimales. En physique, IBN AL HAYTHAM (965 • 1039) ouvre la voie a 1'optique moderne. A travers 1'usage qui s'en repand, les chiffres indiens se modifient, se simplifient ou changent leur orientation par rotation dans le plan (phenomene relativement frequent comme celui qui, vers 2800 avant J.C., voit tourner les pictogrammes sumeriens de 7i/2 vers la gauche, masquant ainsi leur sens primitif). On obtient deux series differentes, Tune qui reste au Proche-Orient et donne les chiffres arabes modernes, 1'autre qui se generalise dans le Maghreb (chiffres ghubars) ou 1'Europe ira les chercher8. On aura par exemple
Et, au total, on aboutit aux deux series: 1
2
3
4
5
6
7
8
9
ghubar
Introduction des chiffres «ghubars» en Europe L'Europe du Moyen Age conserve la numeration latine, numeration de superposition compliquee de soustraction: si LX represente 50 + 10, XL represente 50 -10 et permet d'eviter d'ecrire XXXX, et ainsi de suite.
8. G. IFRAH, Histoire universelle des chiffres, tome I, Laffont, 1994, p. 879-887.
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La premiere apparition de la numeration decimale (sans le zero) se trouve dans un manuscrit, le Codex Vigilanus, ecrit en 976 dans un monastere du Nord de 1'Espagne, le couvent d'Albelda. Get ouvrage utilise les chiffres ghubars. Ce travail est remarque par le moine GERBERT D'AURILLAC qui devint le pape de Tan 1000, SYLVESTRE n. La reconquete de 1'Espagne n'interrompt pas la communication entre les Arabes et les Europeens, au contraire. Des la prise de Tolede en 1085 par ALPHONSE vi, 1'eveque RAIMOND organise dans la ville un centre de traduction tres actif entre les langues arabe, hebrai'que et latine. L'Anglais ADELARD DE BATH public, en 1130, Algoritmi de numero Indorum, et une traduction d'AL KHWARIZMI. II explicite 1'origine indienne de la methode. Gerard DE CREMONE (1114 • 1187) traduit IBN AL HAYTHAM, VAlmageste, et plus de 80 textes a Tolede. La Sicile est reconquise par les Normands et Palerme prise en 1072. Pendant plus d'un siecle, les HAUTEVILLE font regner un ordre feodal teinte de coutumes musulmanes et s'emparent de Djerba, de Sousse et de Sfax. Us font de la Sicile un lieu de civilisation mixte arabo-normande ou les idees circulent librement9. Parmi les nombreux marchands qui traversent frequemment la Mediterranee, Leonardo FIBONACCI de Pise redige un traite d'arithmetique, le Liber Abacci, en 1202. Get ouvrage, qui jouera un role moteur pendant tout le xme siecle, decrit les Novemfigurae Indorum avec le signe 0 que les Arabes appellent zephyrum. A la fin du xne siecle, tous les grands maitres arabes et leurs traductions des auteurs grecs sont disponibles en latin, mais cette masse de connaissances reste pour 1'essentiel totalement inexploitee.
Les maitres de calcul au debut de la Renaissance La croissance de la production agricole, a la fin du xne siecle, ouvre un marche qui depasse le cercle restreint du troc local. La diffusion de la monnaie metallique, les progres de la navigation, ouvrent un marche aux produits de luxe comme la soie ou les epices. L'Italic, grace a sa position geographique, prend une place centrale dans les echanges a travers la Mediterranee vers 1'Orient ou 1'Afrique. Venise, Genes, Pise et Florence s'organisent en fonction des besoins considerables en capitaux qu'exige le commerce maritime. Des associes fondent une compagnie qui investit dans des succursales exterieures a 1'Italie et dans des navires de commerce. Les benefices, les amortissements du capital, les risques et les pertes doivent etre calcules et cette activite bancaire demande de bons comptables. Pour former ceux-ci, des ecoles privees s'ouvrent dans toute 1'Italic : en 1338, Florence compte 1200 eleves en comptabilite. De nouvelles methodes de calcul sur papier vont remplacer les jetons, les bouliers et les ecrits sur planchettes a poussiere. Les professeurs font fortune. On connait, par exemple, le detail de la succession de maitre Paolo DEL ABACCO, proprietaire d'une ecole vers 1350 : il possede
9. J.M. PESEZ, La Sicile arabe et normande, Dossiers d'Archeologie 225,1997, p. 118.
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deux maisons en ville et une a la campagne. II a, en outre, un capital de 1000 florins (salaire annuel d'un domestique : 10 florins). Mais a partir de 1348, depuis Marseille, la peste noire ravage 1'Europe, les banques s'effondrent: a Florence, les BARDI et les PERRUZI font faillite, victimes de leurs prets. Les equipages meurent comme des mouches et tout va s'arreter pour ne reprendre qu'un siecle apres. Au debut du xve siecle, tout redemarre et, cette fois-ci, c'est la Renaissance pour de bon. Cosme DE MEDICIS constitue un empire (1389 • 1464) a Florence, les FUGGER un autre a Augsbourg. Les fils de famille vont suivre les cours de calcul des maitres qualifies et ceux-ci vont etre epaules par une technique toute nouvelle : I'imprimerie. Nicolas CHUQUET est ecrivain (professeur) a Lyon. II public, en 1484, le Triparty en la science des nombres. Pour gagner une large audience, le latin a ete abandonne pour la langue vernaculaire locale: le frangais. Jehan CERTAIN public, en 1485, le Kadran aux marchans. Comme son nom 1'indique, cet ouvrage comprend 4 parties : * la premiere partie enseigne 1'usage des chiffres arabes et les 4 operations, ainsi que 1'usage des fractions, 4 la deuxieme partie est relative a la regie de trois et son emploi dans les poids et mesures, * la troisieme partie parle des metaux precieux, des monnaies et des taux de change, * la quatrieme partie, plus physique, est consacree aux alliages et essais. En 1495, Luca PACIOLI public, a Venise, la tres celebre Summa de arithmetica. Au total, retenons de ces publications qu'a la fin du xve siecle, il etait necessaire d'enseigner a «haut niveau» la numeration decimale de position et les operations elementaires. La regie de trois est laborieuse, la division des fractions mal maftrisee et 1'usage des decimales inconnu.
LA NAISSANCE DU CALCUL Le calcul est lie au developpement de 1'economie et son utilisation est bien connue grace aux tablettes d'argile de Mesopotamie, quasiment indestructibles tandis que les papyrus egyptiens sont plus fragiles. Vers 2000 avant J.C., ces deux cultures avaient mis en place des mathematiques correspondant a leurs besoins. Les principaux documents que nous connaissons sont des manuels scolaires destines aux scribes et qui renferment des collections de problemes et des tables de calcul. Les problemes, exemples de procedure, sont exprimes de fac.on rhetorique a la 2e personne (1'enseignant s'adresse a 1'eleve) et sur un exemple numerique.
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Tout tourne autour d'un exemple chiffre et chaque etape sous forme d'algorithme est une instruction detaillee et non justifiee, chaque resultat etant reintroduit dans 1'etape suivante.
EN EGYPTE w L'addition et la soustraction ne posent pas de probleme. Ensuite, les papyrus donnent une procedure explicite que Ton trouve en particulier dans le papyrus Rhind (trouve en 1858) qui date d'AHMOSis (-1607 • -1566), vainqueur des Hyksos, et n'est que la copie d'un texte plus ancien : * la multiplication se fait par doublement, decuplement et addition. Ainsi, si je veux faire Ax24, je fais A x l O x 2 + A x 2 x 2 . * la division et les fractions sont bien plus delicates, car les valeurs decimales ne sont pas connues et seuls sont utilises les quantiemes de la forme 1 /N (exception faite pour 2/3). II faut done decomposer le resultat en une somme de 1 /N portant chacun un nom different. Ces decompositions sont donnees par une table. Ainsi, si je veux diviser 8 par 9, la table me donne 8/9 = 2/3 + 1/6 + 1/18. * le simple doublement d'une fraction pose un probleme si le quantieme est impair et une table donne les doubles fractions de 1/5 a 1/101. Ainsi, 2x1/5=1/3+1/15. *la division par 2 ne pose pas de probleme puisqu'il suffit de multiplier par 2 le denominateur, et que Ton reste toujours sous la forme I/N'. Les equations du ler degre sont resolues par la methode de la fausse position en vigueur, jusqu'au Moyen Age, en Europe. Le 24e probleme du papyrus Rhind est ainsi redige : «la quantite cherchee et son septieme ajoute on obtient 19». A 1'heure actuelle on ecrira :x + x/7 = 19 Pour resoudre par la fausse position, on preche le faux pour connaitre le vrai (enonce du Moyen Age : 1540), ce qui revient a une interpolation lineaire. On essaiera par exemple la solution x^ = 7, ce qui donne 8 et non 19. II suffit alors de corriger xx dans le rapport 19/8 et Ton a x = 7x 19/8, et le calcul en Egypte se fera ainsi:
EN MESOPOTAMIE Comme en Egypte, 1'addition et la soustraction ne semblent pas poser de probleme, mais on en est reduit aux hypotheses pour les autres operations. II semble certain qu'on utilisait des tables preetablies : multiplications, carres et racines carrees. De meme, la division est faite a 1'aide d'une table d'inversion. La 10. Article de J. RITTER in M. SERRES et al, Elements d'histoire des sciences, Bordas, 1989, p. 39 et suivantes.
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base 60 facilite les divisions par 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30 mais il y a des troiis : comment diviser par 7,11...? Cependant, I'equivalent des decimales existe : ce sont des sexagesimales: 1 /3 = 0,20, 1/5 = 0,12... Lorsque nous ecrivons a base 10 le nombre 642, cela veut dire : 6x100 + 4x10 + 2. Dans la base 60, la meme ecriture vaut 6x(60) 2 + 4x60 + 2 = 21842, c'est comme lorsque nous convertissons en secondes 6 h 4 min 2 s. Beaucoup de problemes sont resolus par des formules de conversion apprises par cceur, les igigubbu; ainsi on obtient le volume (dans une unite sans rapport avec 1'unite de longueur), la charge d'un panier, la mesure de graines. Une tablette de Babylone, datee de 1700 avant J.C., expose 24 problemes numeriques du 2e degre, traites en base 60, mais donnant seulement la racine superieure. L£S MATHEMATIQUES
GRECQUES ET HELLENISTIQUES
Le fond de la pensee grecque est contraire a la notion de continu d'infiniment grand ou petit. Ainsi ARCHIMEDE (- 287 • - 212), apres un hommage a DEMOCRITE (1'atome), se declare pret a calculer le nombre de grains de sable (la plus petite particule connue) susceptible de remplir la sphere de 1'univers (plus grand volume connu) dans I'Arenaire. Les nombres entiers comme les fractions rationnelles (m/n) sont bien assimiles mais 1'existence de nombres irrationnels est repoussee; c'est ainsi que Ton ne peut pas exprimer la diagonale a d'un carre de cote I11. Le theoreme de PYTHAGORE donne : a2 = 1 +1 = 2 Si a etait un nombre rationnel, on pourrait trouver a = m/n, ce qui est impossible. En effet, m 2 /n 2 = a2 = 2. Si m est pair, n doit etre impair, sinon m/n ne serait par irreductible et pourrait etre simplifie. Mais m est pair, m2 est multiple de 4, or n 2 = m 2 /2, done n2 est multiple de 2, mais un carre n'est multiple que de nombres au carre, done il faut que n2 soit multiple de 4, done n pair: n ne peut pas etre a la fois pair et impair, done c'est impossible. Que faut-il faire dans ce cas ? PLATON nous le dit: «ce que tu ne peux pas calculer, montre-le». Dans le dialogue de SOCRATE et de MENON, il est demande a un esclave la valeur du cote d'un carre dont la surface sera double de celle d'un carre de cote 2. Apres avoir propose 4 puis 3, 1'esclave est conduit vers la construction du carre sur la diagonale du precedent. Le resultat est ainsi montre: les 5 triangles de la figure sont egaux: il y en a 2 dans le carre primitif et 4 dans celui construit.
11. Raisonnement tire du livre X d'EuCLiDE (en appendice).
Ill - LA NUMERATION ET LE CALCUL
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La notation grecque ou romaine est tres malcommode pour les calculs qui sont essentiellement faits par table : essayez par exemple de diviser CXLIV par XXIV? Quant aux nombres negatifs, ils sont rejetes pour absurdite, par exemple avec DlOPHANTE (325 • 410). LES MATHEMATIQUES CHINOISES
Un premier ouvrage fondamental d'algebre12 parait entre 165 et 49 avant J.C. C'est le Jiu Zhang Suan Shu (fl ^ ffl f ). Ce travail sera repris et etendu par le grand mathematicien du me siecle, Liu Hui. II donne les regies de calcul des operations sur les fractions, des regies de trois. II resout les equations du ler degre par la methode de la fausse position. II traite des nombres negatifs qui sont inscrits en rouge pour les distinguer des positifs normalement en noir. Cette notation sera abandonnee par Liu Hui au profit d'une barre en travers du chiffre : - 2 : %. L'extraction des racines carrees (par une methode analogue a celle de HORNER, en 1819) et des racines cubiques est detaillee. Une notation matricielle des systemes d'equations lineaires est developpee. On trouve egalement chez Liu Hui la reduction des fractions en decimales, la notation des nombres eleves en utilisant les puissances de 10,1'etude des nombres irrationnels et la resolution des equations du 2e degre. Plus tard, les equations algebriques jusqu'en x9 sont etudiees par QIN Jiu SHAO (1202 • 1262). De meme, les combinaisons et les coefficients du binome avec le triangle numerique sont donnes par JIA XIAN (1100). LES MAmEMATIQUES INDIENNES
Le premier grand mathematicien indien est ARYABHATA (476 • 550), auteur des Surya-siddhanta. II calcule les racines carrees et cubiques mais surtout donne la premiere table connue des sinus et cosinus qu'il definit. Un siecle apres, BRAHMAGUPTA enonce la solution generale de 1'equation du 2e degre et en donne 1'expression generale de la racine superieure. II faudra attendre le xne siecle ou, sous 1'influence «retroactive» des mathematiciens arabes, BHASKARA tiendra compte des deux racines de 1'equation du 2e degre. LES MATHEMATZQUES DE L'lSLAM
Nous avons vu plus haut comment les Abbassides, et particulierement AL MAMUN, ont sauve une partie des connaissances greco-latines. L'astronomie fut un des moteurs de ce renouveau avec Thabit IBN QURRA et des travaux originaux furent effectues, comme la generalisation a la sphere de la trigonometric indienne par 12. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 3, Cambridge University Press, 1979, p. 26.
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AL BATTANI puts, bien plus tard, la conversion des fractions en decimales par AL KASHI (? • 1429). Mais la contribution essentielle de cette epoque est 1'introduction de 1'algebre moderne par AL KHWARIZMI (780 • 850) a partir des notations indiennes. Son ouvrage, le Kitabaljabr (restauration) wa-l muqabala (reduction) donne les regies de changement du signe dans une equation (restauration du signe +) et celui du regroupement des termes de meme puissance (reduction). II discute egalement toutes les formes de 1'equation du 2e degre suivant les signes des coefficients. Un peu plus tard, le poete Omar KHAYYAM (1048 • 1122) ecrit des commentaires d'EucLiDE et etudie les equations de degres eleves (jusqu'au 6e) en s'inspirant des travaux chinois. Pour rislam, les mathematiques jouent un role spirituel et religieux essentiel selon le principe du Tawhid, tout est dans un, et un est dans tout. L'ESSOR DES MATHEMATIQUES
EUROPEENNES APRES 1500
En 1500, les mathematiques restent elementaires et utilitaires, calculs mercantiles, geometric pratique (la perspective dans la peinture de Piero DELLA FRANCESCA en 1480). Le formalisme est encore a peu pres absent, malgre un effort de Nicolas CHUQUET qui ecrit par exemple [12 p 31 egaulx a 4 2 ] pour [12 + 3x = 4x 2 ]. Mais des le premier tiers du xvie siecle, tout s'accelere. Christoff RUDOLFF, dans Exempel Buchlin, en 1530, presente la transformation des fractions en decimales, telle que I'employaient les astronomes arabes depuis un siecle (AL KASHI, 1436) et Gemma FRISIUS expose les mesures de terrain par triangulation en 1533. Un medecin mathematicien, Jerome CARDAN (1501 • 1576), public en 1545 Ars Magna, ou il presente une veritable theorie des equations algebriques en insistant sur celles en x3, qui font egalement les delices de TARTAGLIA (1500 • 1577) et de BOMBELLI, auquel on doit dans son Algebra d'avoir ressuscite le mathematicien du crepuscule d'Alexandrie: DIOPHANTE (325 • 410). C'est encore J. CARDAN qui introduit pour la premiere fois en Europe les nombres negatifs qu'il appelle debitum. Ceux-ci etaient, comme nous 1'avons vu, couramment employes par les Chinois depuis le ne siecle avant J.C. (]iu Zhang Suan Shu). Enfin il invente les nombres imaginaires et leur emploi. Francois VIETE (1540 • 1603), juriste mathematicien originaire de la Vendee, introduit la notation moderne representant les inconnues par des lettres. II propose egalement des methodes de resolution graphique et etablit les relations liant les differentes lignes trigonometriques entre elles. Son travail reste initialement peu connu et n'est vraiment largement diffuse qu'en 1646 a travers Les Travaux mathematiques de VIETE, publics par un Hollandais. Les mouvements des planetes dans le systeme de PTOLEMEE ont etc tres finement calcules par PEUERBACH et son eleve REGIOMONTANUS (1436 • 1476) des avant cette
Ill - LA NUMERATION ET LE CALCUL
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periode, et MERCATOR en 1569 invente la projection cylindrique du globe terrestre. Un des plus grands mathematiciens de cette epoque est un Flamand de langue franchise, Simon STEVIN (1548 • 1620), qui etudie les polygones et les fractions decimales. Bon connaisseur des mathematiques chinoises, il tenta sans succes d'introduire le systeme decimal dans la monnaie. Enfin, un peu plus tard, vient Pierre DE FERMAT (1601 • 1665), juriste, precurseur des travaux de NEWTON sur les differentielles, specialiste de la theorie des nombres, dont le dernier theoreme n'a ete demontre qu'en 1995 par Andrew WILES.
Cette page est laissée intentionnellement en blanc.
CHAPITRE IV LA MESURE ET LA PRECISION Des que les echanges commerciaux ont depasse le stade du troc elementaire, la mesure des produits, faisant 1'objet de la transaction, s'est revelee indispensable a 1'equilibre des societes et, avant tout, revaluation des dimensions et de la masse.
MESURES DE LONGUEUR HlSTOIRE
Les references choisies au Moyen-Orient sont anthropomorphiques et cette solution gagne 1'Occident. Sumer prend comme unite de longueur 1'avant-bras: la coudee sumerienne vaut 495 mm et les sous-multiples sont obtenus en divisant par 12 ou 60, ce qui est coherent avec le systeme de base de la numeration. Pour eviter les contestations, des etalons sont deposes dans les lieux publics et, en particulier, le roi GUDEA de Lagash (2300 avant J.C.) fait graver 1'unite sur un socle de basalte porte par des centaines de statues (voir le Musee du Louvre).
29 - GUDEA et la regie etalon
L'Egypte adopte une coudee royale un peu plus longue: 524 mm, mais prend des sous-multiples egalement lies au corps humain, en divisant la coudee en 7 paumes et 28 doigts, ce qui ne facilite pas les calculs. La Grece prefere se referer au pied mais, pour faciliter les echanges avec 1'Egypte, elle fixe sa valeur aux 3/5 de la coudee royale, soit 316 mm. C'est cette valeur que Ton retrouve dans toute 1'Europe du Moyen Age avec de tres faibles variations : 316,75 mm en Grande-Bretagne, 314 mm en Allemagne. Les etalons sont alors la propriete des seigneurs locaux: ils leur conferent 1'autorite d'arbitres et la possibilite de toutes les tricheries, si bien que la demande de systemes de mesure clairs et
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unifies est presente dans la plupart des cahiers de doleances aux Etats Generaux de 1789. A cette epoque, en effet, les unites de longueur s'etaient diversifies suivant les regions: les pieds differaient entre la Franche-Comte, le Maine ou le Perche. Quant au pied de Bordeaux, pour 1'arpentage, 5 pieds faisaient la canne de Toulouse et la verge de Norai. La canne de Marseille dependait de la matiere mesuree et il y avait ainsi plusieurs centaines de noms. En Chine, le souci de rigueur est beaucoup plus grand et 1'etalon fondamental est lie au son de la cloche jaune: c'est la longueur du tuyau sonore, lu, accorde sur cette frequence (d'apres le Mo Jing deja cite). Les divisions qui serviront de reference secondaire conduisent a identifier cette longueur a celle de 90 fois la largeur d'un grain de millet noir. Des subdivisions decimales sont le chi [ J^ ] et le cun [ ~t ] que, pour des raisons de convenance, on traduit souvent par pied et pouce, bien que cette image humaine ne corresponde ici a rien. On trouve des regies etalons en bronze, en jade ou en ivoire, datant de toutes les periodes depuis les ZHOU.
30 - Regies etalons du musee historique de Beijing depuis la dynastie ZHOU (en haul) jusqu'a la dynastie MING (en bas)
Pour les mesures intermediaries, les Chinois inventent le pied a coulisse, dont on connait un exemplaire date de 9, alors que cet instrument est invente en Europe par P. VERNIER, en 1631. Les Japonais utilisent au debut le pied coreen de 356 mm mais, par decret de Tan 713, ils adoptent, sous le nom de shaku, le chi chinois.
IV - LA MESURE ET LA PRECISION
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31 - Pied a coulisse chinois An 9
LA RECHERCHE D'UN ETALON UNIVERSE!
L'Assemblee legislative decida, en 1792, de faire mesurer la longueur du meridien terrestre entre Dunkerque et Barcelone, et d'indexer une nouvelle unite, le metre, sur cette longueur. La preoccupation de 1'Assemblee etait de proposer au monde entier une unite independante de toute reference a un pays. C'est pourquoi, 1'une quelconque des unites en vigueur avait ete ecartee, ainsi que 1'usage d'un phenomene exigeant une reference en un lieu donne (longueur du pendule battant la seconde, par exemple). La mesure, effectuee par DELAMBRE et MECHAIN, fut longue et difficile1 mais, des le 18 germinal an in (7 avril 1795), la loi definit le metre comme la quarante millionieme partie du meridien terrestre. C'est «une mesure universelle, pour tous les temps, pour tous les hommes» (CONDORCET). Le 4 messidor an vn (22 juin 1799), 1'etalon du metre est depose aux archives de la Republique : c'est une regie plate a section droite rectangulaire (25,3 mm x 4 mm), en platine. C'est un etaIon a bouts (la longueur est definie par la distance entre les deux faces terminales). Abandonne sous 1'Empire, le metre fut ressuscite le ler Janvier 1840. Un peu plus tard, un nouvel etalon fut realise en platine iridie, a section en X, de maniere a materialiser la fibre neutre, et la longueur est lue entre deux traits graves, pointes par des microscopes. L'erreur de lecture est de 1'ordre de 10~8. Ce nouvel etalon, realise en 1. D. GUEDJ, La Mesure du monde, Robert Laffont, 1997.
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1889, a ete en service jusqu'en 1960 puis, de 1960 a 1983, le metre a ete defini a partir de la longueur d'onde de la raie orangee du krypton-86, ce qui permettait une definition de 1'ordre de 10~9. Maintenant, la reference internationale n'est plus une mesure de longueur mais de temps. En effet, 1'etalon choisi est la vitesse de la lumiere dans le vide : c. Cette quantite, a laquelle la theorie de la relativite attribue une valeur absolue, a ete fixee par definition a la valeur approximative (a 10~9 pres) mesuree dans 1'ancien systeme. Elle devient alors une reference suivie d'autant de zeros que necessaire. Ainsi, c = 299795458,000... m/s. Le metre est done la distance parcourue dans le vide par la lumiere en un temps t = 1/c, en secondes. Cette definition est alors liee a la mesure d'un temps, beaucoup plus precise (10~12 ou plus), avec les techniques actuelles, qu'une longueur. L'idee de definir 1'unite de longueur a partir du meridien terrestre n'est pas une idee franchise. Elle a ete proposee par Liu Quo, en 604, et appliquee en 723 par le moine taoi'ste Yi XING. Celui-ci a mesure en deux points du meme meridien, au solstice d'ete a midi, 1'ombre d'un gnomon, ce qui permet d'obtenir la difference de latitude. Les deux points choisis etaient 1'un a Hue (Vietnam), soit a 17° 4' de latitude et 1'autre a Weizhou a 40° de latitude, ce qui represente une distance de plus de 2 500 km. La mesure de cette distance prouve la tres grande avance des Chinois de cette epoque en cartographic. Des cette epoque, ils savaient decouper le terrain en coordonnees de reference rectangulaires et rapporter a celles-ci les details par leurs projections, mais cette connaissance considered comme secret militaire ne diffusa pas hors de Chine. La mesure de Yi XING, reprise en 1001, conduisit a une longueur de 333 li pour 1° de meridien. Beaucoup plus tard, en 1702, 1'empereur QING KANG Xi chargea un jesuite representant le Portugal, mais d'origine beige, Antoine THOMAS, de reprendre le pro bleme, et la valeur de la li fut ajustee a une nouvelle definition: soit le 1/200 d'un arc de meridien de 1° (ce qui correspond a 556 m). Maintenant, la Chine utilise la gong li (li universelle) qui est le kilometre.
MESURES DE SURFACE ET DE VOLUME La surface du rectangle ne pose pas de probleme mais, par contre, celle du cercle a donne lieu a des evaluations extremement variees dont voici quelques exemples:
Le modele egyptien 2 A partir de la mesureD du diametre, la procedure est la suivante : * premiere etape: D x 1 / 9 * deuxieme etape: D - D / 9 * troisieme etape: [D-D/9]2, c'est la surface S.
2. M. SERRES et al, Elements d'histoire des sciences, Bordas, 1989, p. 44.
IV - LA MESURE ET LA PRECISION
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On verifiera aisement que cela revient a prendre n - 4(8/9) 2 - 3,16. Cette excellente valeur semble tomber du ciel.
Le modele mesopotamien C'est egalement une suite d'algorithmes a partir du diametre D : * premiere etape: D x 3, c'est le perimetre * deuxieme etape: (3D)2 * troisieme etape: (3D)2x 1 /12, c'est la surface S.
Cela revient tout simplement a prendre K — 3. Le modele des Vedas indiens 3 On prend le diametre D qui est multiplie par 13/15 et on construit un carre sur cette dimension : il a la surface du cercle S. Done S = (13/15)D2. Cela revient a n = 3,002.
Le modele des textes Jain (- if siecle • if siecle) On prend tout simplement n = V10 , soit n = 3,162.
Le calcul d'ARCHIMEDE (-269 • -212) II inscrit dans le cercle un polygone regulier, decompose en une serie de triangles isoceles dont on connait la surface. La surface du polygone represente une estimation inferieure a celle du cercle, qui tend vers celle du cercle lorsque le nombre de cotes du polygone croft. On repete 1'operation avec un polygone exinscrit et on encadre ainsi la valeur cherchee par une estimation inferieure et une estimation superieure. ARCHIMEDE estime ainsi la valeur de TC comprise entre 3 + 10/71 et 3 + 10/70, c'est-a-dire 3,140 < TI < 3,142. Cette valeur a ete adoptee dans tout 1'Occident jusqu'a la fin du Moyen Age.
Le calcul de Liu Hui (uf siecle) II utilise la meme methode qu'ARCHIMEDE, mais pousse le nombre de cotes du polygone inscrit jusqu'a 3072, trouvant ainsi TC = 3,14159.
Les calculs ulterieurs Tous les auteurs utilisent la methode d'ARCHIMEDE poussee plus ou moins loin: Zu CHONG ZHI (ve siecle) donne 10 decimales exactes. AL KASHI (xive siecle) donne 16 decimales, a Samarcande. Adrien ANTHONISZOON (1600) ameliore, en Occident, la valeur d'ARCHIMEDE avec 7 decimales. Les unites de volumes sont generalement deconnectees de la definition d'une longueur et correspondent a chaque produit mesure: ce n'est pas la meme unite pour 1'huile que pour le vin ou les cereales, et c'est tres local et arbitraire. 3. M. SERRES et al, Elements d'histoire des sciences, Bordas, 1989, p. 131.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
32 - Calcul de TT par Liu Hui - 264
MESURES DE MASSE LA BALANCE Des 2500 avant J.C., aussi bien en Egypte que dans la vallee de 1'Indus, le probleme de la comparaison de masses, en particulier de poudre d'or, s'est pose et a ete resolu par de petites balances suspendues a fleaux egaux.
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IV - LA MESURE ET LA PRECISION
33 - Balance et poids zoomorphes
El Amarna - Egypte -1530 avant J.C.
La mesure n'a ete cependant traitee qu'a I'aide de masses de reference totalement arbitraires et differentes d'un lieu a I'autre. Puis, on s'est interesse a des produits de plus en plus lourds, si bien qu'on a trouve une masse en basalte figurant un canard dormant et pesant plus de 60 kg. Une unite, commune a la Mediterranee, s'est imposee sous le nom de talent (autour de 30 kg), mais 1'accord ne s'est jamais fait autour des sous-multiples. Le talent est generalement divise en 120 mines, la mine correspondant a un nombre de sides tres variable (25, 50 ou 60), eux-memes divises en un nombre de grains de 120 a 218. Les Remains, grace a une bonne connaissance des lois des leviers, construisent, vers 200 avant J.C. en Campanie, une statera, balance a bras inegaux, que nous appelons balance romaine, qui restera, en Europe, d'usage limite. Par centre, ce dispositif se generalise en Chine a partir des HAN, sous le nom de Tian Ping (paix celeste) et se complete par le deplacement du contre-poids avec un curseur le long du levier. De vives controverses s'elevent pour savoir qui des Romains ou des Chinois ont invente le systeme. II a cependant ete recemment decouvert en Chine une petite balance a bras egaux, avec des poids en forme d'anneaux de differentes dimensions, et datant du ive siecle avant J.C.
34 - Balance dite romaine Tiang Ping - vers 1050
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
LA RECHERCHE D'UN ETALON DE MASSE
En France, comme pour 1'unite de longueur, il regnait a la fin de 1'Ancien Regime une grande anarchic dans les mesures de poids (on dirait maintenant de masse). L'unite s'appelait partout la livre, mais la valeur de celle-ci variait d'une region a 1'autre, voire dans la meme ville. Ainsi, a Lyon, il y avait la livre poids de marc pour 1'or et 1'argent a 489,506 g, mais aussi la livre poids de ville de 418,75 g et la livre poids de sole de 459 g. Le seul etalon fiable etait la pile de CHARLEMAGNE, constitute de godets creux entrant les uns dans les autres, sauf le plus petit, plein, le total faisant 50 marccreux ou 25 livres. Cette pile datant du xve siecle etait conservee a la Monnaie. L'Assemblee nationale charge, en mars 1791, LAVOISIER et HAUY de determiner le poids dans le vide d'un volume d'un decimetre cube d'eau 35 - La pile de CHARLEMAGNE distillee a la temperature de la glace fondante. Les dimensions exterieures d'un cylindre creux en cuivre sont mesurees a 0,005 mm pres, moyenne de 24 mesures, puis cet objet est pese avec une balance fabriquee par FORTIN, dans 1'air, puis dans 1'eau (poussee d'ARCHIMEDE). Toutes corrections faites, la masse du decimetre cube d'eau distillee a 0°C est trouvee valoir 18 848,25 grains de marc-creux. Ce resultat a ete critique et, en 1799, LEFEVRE-GINEAU et FABBRONI ont recommence en prenant 1'eau a son maximum de densite (4°C), et un kilogramme etalon en platine a ete fabrique a 18 827,15 grains de la pile de CHARLEMAGNE. La poussee CTARCHIMEDE Le roi HERON de Syracuse avait fait realiser une couronne d'or, mais craignait que le fournisseur n'ait pas utilise de I'or pur. ARCHIMEDE, consulte, decouvrit la fraude en pesant successivement la couronne, puis la masse d'eau deplacee par celle-ci (grace a un vase muni d'un trop-plein), puis en repetant la meme operation avec de I'or pur. Cette mesure, souvent citee comme mise en evidence de la poussee d'ARCHIMEDE, n'est en fait qu'une mesure de masse volumique, facilitee par la tres grande difference de densite entre I'or et les constituants de la fraude (probablement du cuivre ou de I'argent). La mesure du poids d'un objet a I'air libre, puis immerge dans de 1'eau, est une amelioration de I'operation precedente, puisque la difference est justement le poids de 1'eau deplacee et constitue la poussee d'ARCHIMEDE. Longtemps oublie, ce resultat fondamental de la statique des liquides a ete redecouvert au debut du xvne siecle par GALILEE, puis utilise par LAVOISIER pour mesurer la masse exacte d'un volume d'eau bien defini, celui d'un solide parfaitement usine de 1 decimetre cube que Ton immerge completement, et definir ainsi le kilogramme.
IV - LA MESURE ET LA PRECISION
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Le kilogramme etalon international actuel a ete regie sur cette valeur en 1880. Le terme de grave pour 1'unite, choisi par 1'Assemblee, a ete remplace par celui de kilogramme le 18 germinal an in (7 avril 1795).
MESURES DE TEMPS Une mesure exacte du temps n'a pas preoccupe 1'humanite dans ses debuts. Nous examinerons dans un chapitre special 1'evolution de 1'idee de temps et de sa mesure.
AUTRES MESURES Nous verrons, dans les chapitres correspondants, les principales mesures derivees. Nous citons simplement ici un cas particulierement interessant: un des problemes capitaux dans la civilisation agricole chinoise, si sensible au debordement des fleuves, etait de mesurer la quantite d'eau tombee sous forme de pluie ainsi que rhumidite de 1'atmosphere. Des le HUAI Zi (150 avant J.C.), la mesure de 1'hygrometricite se faisait en pesant 1'augmentation de poids, par absorption d'eau, d'une eprouvette de charbon de bois d'orme ou du graphite naturel. Au xvnesiecle, le jesuite F. VERBIEST construisit, en Chine, un hygrometre a boyaux de cerf et, actuellement, les meilleurs appareils fonctionnent avec un cheveu d'Asiatique (la section de ceux-ci est differente de celle des Europeens), dont la variation de longueur actionne la rotation d'une aiguille. On attribue aux Coreens 1'invention de jauges de hauteur des pluies, car un decret royal de 1442 en institue 1'usage en plusieurs endroits critiques. II est cependant possible que le dispositif ait ete invente en Chine4, ou un texte de 1247 discute de la forme a dormer au reservoir de capture en bronze.
LA PRECISION DES MESURES ET LA NOTION D'ERREUR Qu'est-ce qu'une experience, et que doit-elle verifier ? Pour ARISTOTE, une experience est une constatation des sens accessible a toute personne normale. Aussi, le truchement d'un instrument ad hoc est condamne pendant tout le Moyen Age et lorsque GALILEE dirige sa lunette astronomique vers le ciel et decouvre quatre satellites de Jupiter, les critiques fusent: si cet instrument permet de verifier les theories d'ARISTOTE, il est inutile car c'est 1'evidence, s'il les contredit, c'est qu'il donne de fausses indications. 4. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 3, Cambridge University Press, 1979, p. 472.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
A cette epoque, la chimie est simplement descriptive : voila ce que je vois lorsque je melange ces deux produits. L'exigence d'une verification experimental a la portee de tous se retrouve encore au xvme siecle lorsque le pere BERTHIER atteste que le poids des corps ne change pas avec leur elevation en realisant des experiences, le 6 decembre 1774, «en presence de plusieurs temoins dignes de foi, autant par leurs lumieres que par leur etat» 5. Des que Ton abandonne 1'experience par la pensee pour se confronter avec la realite, on se pose la question du degre de confiance a accorder a chaque mesure. Cela conduit a une evaluation de la precision, mais aussi a un effort pour accroitre celle-ci. De meme, 1'apparition de phenomenes nouveaux ou 1'accroissement des besoins de verifier par 1'experience des theories de plus en plus precises vont modifier la conception meme des instruments, et chaque accroissement de la precision des mesures va conduire a une etape critique dans 1'avancement de la connaissance. J'en distinguerai deux particulierement importantes: * U accroissement de la precision sur le pointe de la position des planetes par les instruments fabriques, a Uraniborg, sous la direction de Tycho BRAHE de 1580 a 1597: celui-ci adapta a ses instruments les graduations transversales d'HoMiLius et inventa un viseur a double fente, beaucoup plus precis que le viseur a simple trou circulaire habituel (il n'y avait nulle optique de verre a cette epoque). D'autre part, T. BRAHE adopta, pour la premiere fois en Europe, la representation du ciel en coordonnees equatoriales (axe de rotation de la terre et plan equatorial), en usage en Chine, au lieu du plan de 1'ecliptique et de sa normale. Avec ces coordonnees, le mouvement des etoiles est infiniment plus simple a representer. Enfin, il tint compte, avec plus d'exactitude, de la refraction atmospherique. Grace a ces diverses avancees, la precision de ses mesures, avec son quart de cercle mural de deux metres de rayon, atteignit, en valeur absolue, 34 secondes d'arc, grace a de longues series de mesures moyennees. Cette precision stupefiante pulverisait toutes les theories en vigueur, bien sur les epicycles de PTOLEMEE, mais aussi les trajectoires circulaires de COPERNIC. Elles permettront a KEPLER, d'abord pour le cas de Mars, puis pour toutes les planetes connues du systeme solaire, d'enoncer ses deux premieres lois sur le mouvement planetaire: la trajectoire est une ellipse dont le soleil est un foyer, et le mouvement suit la loi des aires.
36 - Deuxieme loi de KEPLER Les deux zones grisees sont egales et decrites dans des temps egaux. 5. Ch. LICOPPE, La Formation de la pratique scientifique, La Decouverte, 1996, p. 261.
IV - LA MESURE ET LA PRECISION
37 - Le Quadran mural de Tycho BRAKE avec la graduation transverse d'HoMiuus
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE L'heliocentrisme triomphait, et 1'homme n'etait plus au centre de 1'univers. KEPLER dit lui-meme, en remarquant une difference de 8 minutes entre les resultats de la theorie de PTOLEMEE et les mesures de Tycho BRAHE : «Si j'avais cru devoir negliger ces 8minutes, j'aurais pu corriger de maniere satisfaisante [...] Thypothese calculee selon PTOLEMEE. Mais parce qu'aujourd'hui elles ne peuvent plus etre negligees, ce sont ces seules 8 minutes qui ouvrirent la voie a la complete reforme de 1'astronomic.»
* La deuxieme conquete de la precision concerne 1'emploi de la balance par Lavoisier. Nous avons vu combien cet instrument est ancien mais, pendant des millenaries, personne n'avait songe a analyser son fonctionnement, seulement a adapter sa structure a la gamme de masse a mesurer. Lavoisier fait fabriquer, pour son usage, une balance, a la fois exacte (egalite des bras du fleau) et tres sensible (deviation pour une surcharge de moins d'un grain pour une charge de 5 a 61ivres). II verifie, en repetant les experiences, que 1'engin est fidele (c'est-a-dire ne reagit pas a des perturbations erratiques). Grace a la maitrise de ces qualites distinctes autrefois confondues, il verifie 1'egalite des masses des produits chimiques reagissant, avant et apres la reaction, tuant le phlogistique et il ouvre la voie a la notation chimique moderne et quantitative (voir figure 38 au chapitre suivant). De toutes ces considerations, il resulte qu'un instrument scientifique est forcement complexe et exige un manipulateur averti. II y a done divorce avec 1'appareil pratique pour la mesure courante. II y a la physique exacte et la physique utile. II est interessant alors de retrouver 1'eternel discussion entre les partisans d'une mesure sophistiquee, faite par un specialiste, et ceux qui estiment, comme PRIESTLEY et CAVENDISH en Angleterre, que 1'appareil doit etre simple et largement reproductible pour 1'edification des honnetes gens.
CHAPITRE V LA MATIERE ET LE VIDE
LA MATIERE LA PHYSIQUE GRECQUE
Nous avons note au debut du chapitre II que la naissance de la matiere et de la terre avait ete une des premieres preoccupations des philosophes de Milet et que, pour repondre a cette question, ils avaient laicise les mythes existants. Cela correspond a la nouvelle structure de la societe grecque. Le my the du roi fondateur, de ZEUS ecrasant TYPHON, n'est plus a 1'ordre du jour et la richesse et la technique des cites ioniennes substituent une interpretation mecanicienne aux anciens schemas anthropomorphes. L'apparition de la monnaie (inventee en Grece au vne siecle avant J.C. sous sa forme quantitative) donne un caractere commun, quantitatif, aux biens les plus divers. L'origine du monde pour ANAXIMANDRE est Yillimite (cnreipov), source d'ou tout provient et ou tout retourne. Le ciel de feu, 1'air froid, la terre seche et la mer humide vont remplacer ZEUS, HADES, GAIA et POSEIDON. Pour ANAXIMENE, son successeur (vers 535 avant J.C.), 1'origine de la matiere est Yair plutot que 1'eau ou 1'illimite. Pour lui, la terre est encore un disque plat, flottant dans 1'air et de dimensions limitees. «Ce qui a pris dans la doctrine des Milesiens la place des anciennes divinites primordiales ou personnelles, ce sont des elements, congus comme des puissances, imperissables au meme titre que les dieux et qui ont, comme eux, de la force plus ou moins grande, des domaines d'action plus ou moins etendus.»1 EMPEDOCLE (- 490 • - 435) va formuler la theorie la plus connue : celle des quatre elements (piCwiicrra) eternels et increes, dont la combinaison constitue toute matiere : il s'agit de 1'air, 1'eau, la terre et le feu. Ces elements se melangent en proportion definie dans chaque corps sous V action de deux forces antagonistes, Yamour et le conflit ((|)iXLa et vetKoc). C'est cette opposition qui donna naissance aux 1. J.P. VERNANT, My the et Pensee chez les Grecs, La Decouverte, 1996, p. 224-225.
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premieres creatures vivantes quand 1'ardeur du soleil rechauffa la vase humide de la terre. II faut noter que les termes employes ont une signification plus large qu'en frangais, et que la terre signifie plutot Vetat solide, 1'eau Vetat liquide et Fair Vetat gazeux. Mais on pourrait s'attendre a ce que de nombreux exemples concrets viennent appuyer ces concepts. Or il n'en est rien, nous retrouvons le sentiment bien grec que la theorie se suffit a elle-meme. Ce qui fit la fortune de cette theorie est sa reprise par ARISTOTE (- 384 • - 322). Celui-ci ajoute aux quatre elements, les quatre opposes fondamentaux qui correspondent aux quatre saisons et qui, chaque annee, predominent un moment puis cedent la place au principe suivant: 1'ete est le chaud, 1'hiver le froid, le printemps est sec et 1'automne humide. On obtient ainsi le tableau suivant: * la terre est froide et seche, * 1'eau est froide et humide, * 1'air est chaud et humide, 4 le feu est chaud et sec. Par des raisonnements tres specieux, ARISTOTE explique alors tous les phenomenes materiels. Par exemple, lorsque 1'eau, froide et humide, est chauffee, elle devient evidemment chaude et humide done de 1'air (un gaz); c'est le phenomene de vaporisation. Ces quatre elements ont chacun tendance a rejoindre un lieu naturel, en bas vers le centre de 1'univers pour la terre et 1'eau, en haut pour 1'air et le feu. Cela explique la structure de la planete : d'abord la terre entourant le centre de 1'univers, puis 1'eau, puis 1'air et enfin le feu des astres. Cependant, a partir de la lune, les planetes et les astres ont un comportement different: ils sont done constitues d'une substance speciale, Vaether, dans lequel se meuvent les astres et se propage la lumiere. L'importance de cette theorie d'ARISTOTE reside dans sa prevention a tout expliquer. Son acceptation quasi unanime sterilisa toutes les recherches contradictoires, sauf sur certains points de detail: par exemple, THEOPHRASTE, successeur d'ARISTOTE a la tete du Lycee, puis plus tard Jean PHILOPON (mort en 551), chretien monophysiste copte, se demanderent si la nature du feu etait comparable a celle des trois autres elements. Mais ces objections resterent tardives et isolees. Cependant, le probleme de 1'origine et de 1'apparition de la matiere avait fait couler beaucoup d'encre. Ainsi, ANAXAGORE DE CLAZOMENE (ville d'lonie), vers 445 avant J.C., apres avoir nie la naissance de quoi que ce soit a partir du non-etre, en avait conclu que «tout est dans tout». Cela conduisait a des structures tres compliquees ou le ble, par exemple, puisqu'il nous nourrit, contient de la chair, de 1'os, du sang, qui sont separes par la digestion. Pour simplifier cette idee a partir de denominateurs communs, LEUCIPPE, milesien etabli a Abdere, amorce une theorie atomique qui est reprise et developpee par son
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eleve DEMOCRITE (- 460 • - 370): la matiere est constitute de particules infiniment dures et insecables (a-tomos), de formes variees et de dimensions tres diverses, mais toutes trop petites pour etre pergues. Ces particules se deplacent au hasard dans tous les sens, dans le vide et forment des agregats transitoires qui constituent la matiere sensible. Ces atonies forment une bulle spherique qui est notre univers. Mais comme il n'y a pas de limite au vide, ni au nombre de particules, il y a beaucoup d'autres univers de failles diverses, a cote du notre. Tous les evenements sont determines par le hasard de la rencontre des atomes. L'ame, elle-meme, est composee d'atomes spheriques qui ont pour tache de produire la chaleur dans le corps et se dispersent sans rien laisser apres la mort. Cette physique est reprise et integree a 1'ensemble d'une philosophic materialiste par EPICURE (- 341 • - 270), puis par le poete remain LUCRECE (- 98 • - 55), dans son vaste poeme philosophique De natura rerum. Cette theorie est, en de nombreux points, en rupture complete avec les idees de tous les autres groupes de philosophes grecs, en particulier sur : * le caractere discontinu de la matiere qui n'est pas infiniment secable, * 1'existence du vide qui est violemment combattue par ARISTOTE et les sophistes (voir ci-dessous), * la nature transitoire de 1'ame, * 1'existence de plusieurs univers, * notre monde n'a ni haut, ni bas, ni milieu, ni extremite, * tout est possible, rien n'est oriente vers un but. A 1'oppose, ARISTOTE dit que «DEMOCRITE neglige de parler de la cause finale», car la causalite chez ARISTOTE conduit a 1'existence pour tout phenomene d'une cause finale : les elements comme la terre et le feu ont un comportement regulier en tombant ou en s'elevant toujours sauf obstacle precis; la graine de I'arbre se developpe naturellement pour devenir un arbre complet, etc. II ne faudrait pas confondre la theorie atomique moderne et cette philosophic, qui n'ont en commun que le nom. La structure atomique que nous connaissons est 1'explication apportee a un grand nombre de phenomenes physiques etudies experimentalement en detail, tandis que 1'atomisme grec est une pure speculation de 1'esprit sans aucun support experimental.
LA SUITE EN EUROPE Ensuite, en Europe, jusqu'a la fin du xixe siecle, 1'etude de la matiere releve beaucoup plus de la chimie ou de 1'alchimie. Nous allons cependant en retracer les grandes etapes et cela d'autant plus facilement que le dogme des quatre elements est la colonne vertebrale de cette chimie jusqu'a LAVOISIER. Les reflexions du Moyen Age sont dominees par 1'interpretation de 1'Eucharistie : au cours de ce sacrement fondamental, 1'hostie devient le corps du Christ. II s'agit la d'un «mystere» et il «ne peut etre sainement examine» (SAINT-AUGUSTIN).
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Cependant, vers 1050, BERENGER 2 et 1'Ecole de Chartres soutiennent que le pain et le vin continuent a exister, ce qui est formellement condamne par plusieurs conciles. Thomas D'AQUIN, dans la Summa Theologica, convoque ARISTOTE pour eclairer le probleme. Celui-ci distingue dans une substance deux principes, la matiere et la forme. La matiere c'est le volume, la densite, la structure sensible. La forme est la realite fondamentale interne : le miracle de 1'Eucharistie s'explique alors par la separation des deux. Dans un souci de rationalite, Guillaume D'OCKHAM (1290 • 1349) reprend 1'atomisme de DEMOCRITE : le pain conserve en partie sa substance ancienne : c'est le corps du Christ mais aussi les elements du pain. C'est ainsi que va naitre une des plus formidables querelles de la «physique» medievale, pour laquelle ont coule des flots d'encre et encore plus de sang : + la transsubstantiation : le pain est totalement converti en corps ressuscite du Christ, tandis que demeure les apparences, * la consubstantiation : le corps du Christ est dans et avec le pain. J. WYCLIFFE (1330 • 1384) reprit cette derniere idee en Angleterre (et fut condamne a titre posthume), suivi de Jan Hus (1370 • 1415) en Boheme, qui fut, lui, excommunie puis brule vif. Mais lorsque LUTHER (1483 • 1546) se rallia a la deuxieme formule, le concile de Trente, concile de la Contre-Reforme (1545 • 1563), voua au bucher les partisans de la consubstantiation et, pour faire bon poids, 1'idee atomique en ellememe. La Divine Comedie traduit bien 1'adhesion a ARISTOTE de DANTE (1265 • 1321) et de son epoque. Le poete se deplace au-dessous des neuf spheres celestes et au-dessus des neuf spheres qui descendent jusqu'a 1'enfer, distribution verticale de toutes les substances. L'homme occupe ainsi une surface qui unit en lui le centre vil et le ciel parfait, et a «le choix de suivre sa nature corporelle jusqu'a son lieu naturel, le centre de 1'argile corrompu, ou de suivre son ame vers Dieu». La terre immobile au centre du monde participe ainsi au dogme de la Redemption. La Renaissance fut, elle, traversee par un autre debat qui est celui de Yhermetisme. Un agent en Macedoine du banquier Cosme DE MEDICIS lui rapporta, vers 1460, un manuscrit grec, mi-religieux mi-magique, attribue a 1'epoque de Moi'SE au dieu egyptien THOT (dieu de la sagesse), dont 1'equivalent grec est HERMES, trois fois grand (trismegiste). Traduit par 1'erudit FICIN au service du banquier, ce texte melangeait ARISTOTE, la magie, 1'astrologie et autres sciences occultes et surtout, preuve de sa qualite, prevoyait 1'arrivee du Christ. En fait, il s'agissait d'un document tres posterieur au debut de notre ere, comme le demontra en 1614 un protestant genevois, I. CASAUBON. Cependant, les discussions autour de I'hermetisme eurent un effet stimulant sur la recherche experimentale et mathematique jusques et y compris COPERNIC. Par exemple, PARACELSE (1493 • 1541), hermetiste et eminent alchimiste, est un des premiers a mettre en doute la theorie des quatre elements.
2. J. BLAMONT, Le Chiffre et le Songe, Odile Jacob, 1993, p. 451.
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Enfin, il faut considerer la conception de la matiere par DESCARTES (1596 • 1650) qui a donne lieu a de vifs debats au cours du xvne siecle. Pour lui, la matiere se reduit a 1'etendue dans son sens le plus geometrique et s'identifie a elle : entre la matiere et 1'espace qu'elle occupe il n'y a qu'une seule difference, c'est la mobilite, car un corps est une forme de 1'espace qui peut etre transported sans perdre son identite. Cette distinction est un apport essentiel a la revolution scientifique. Les consequences sont, pour DESCARTES, les suivantes : * unite de la matiere constituant le monde, * extension indefinie du monde, * divisibilite a 1'infini de la matiere, * impossibilite du vide. Dans Meteores, DESCARTES expose que Dieu a divise la matiere et 1'a mise en mouvement. Ainsi se sont formes trois elements qui constituent le monde : * Le premier element est constitue de particules infinitesimales dont 1'agitation constitue la lumiere : c'est une sorte de liqueur, sans figure determinee, qui se de verse directement du soleil en remplissant tous les interstices. 4 Le deuxieme element est 1'ether qui forme les cieux et transmet la lumiere. Ses particules sont a peu pres toutes rondes et jointes. * Le troisieme element est constitue de particules torses qui se soudent entre elles et constituent tous les corps opaques. Certaines sont grosses et resistent au mouvement, d'autres, comme 1'eau, sont longues et glissantes comme de petites anguilles. Tous les mouvements se font done sous forme de heurts et de forces de contact (les forces a distance relevent de la magie et sont a condamner). Done les lois des chocs sont des lois fondamentales : «si un corps qui se meut en rencontre un autre plus fort que soi, il ne perd rien de son mouvement. [...] S'il ne subit aucune force, il tend a continuer son mouvement en ligne droite.» Dans son entreprise de reconstruction complete et rationnelle du monde physique dont 1'ambition reste toute a son honneur, DESCARTES sera geometre et fondera tout son raisonnement sur un certain nombre d'axiomes et de deductions. A. KOYRE remarque que, contrairement a GALILEE ou NEWTON, DESCARTES ne se demande jamais «quels sont les modes d'action de la nature» mais il se demande «quels sont ceux que la nature se doit de suivre», et il constitue ainsi un roman philosophicjue dont on verra un peu plus bas le chapitre «cosmologique», consequence de la negation du vide. Sur son exemplaire des Principia Philosophiae de DESCARTES (1644), NEWTON notera error, error et, las de se repeter, finira par jeter le livre (15e lettre philosophique de VOLTAIRE). A cote de ces grandes theories, les alchimistes ont bien identifie un certain nombre de corps simples, entre lesquels leur constitution a partir des quatre elements devait permettre des transmutations. A la fin du xvne siecle, 12 corps simples sont bien connus : le cuivre, 1'etain, le fer, 1'or, 1'argent et le carbone, comme nous 1'avons vu des 1'Antiquite, auxquels sont ajoutes : 1'antimoine, 1'arsenic, le phosphore, le
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plomb, le soufre et le mercure. Les etudes des proprietes de ces corps sont stimulees par des problemes de metallurgie ou de fabrication de la poudre, et font 1'objet de traites detailles comme la Pirotechnia de V. BIRINGUCCIO (1480 • 1540), puis I'Alchemia (1597) de LIBAVIUS, plus oriente vers 1'analyse et les medicaments. Les idees hermetiques restent vivaces dans 1'usage de vases dont la forme speciale (vase d'HERMEs) a des qualites mystiques propices a favoriser certaines reactions. Au xvme siecle, une contribution majeure est celle de Georg E. STAHL (1660 • 1734) qui maintient la theorie des quatre elements, mais fait apparaitre le feu sous forme d'un fluide, le phlogistique, qui s'echappe des corps que Ton calcine et qui explique aussi la combustion et la respiration. Certes, le plomb ou 1'etain calcine augmente de poids, mais GUYTON DE MORVEAU, en 1772, reglera la question en supposant que le phlogistique a un poids negatif. La meme annee, J. PRIESTLEY isole 1'oxygene de 1'air3 et suppose que 1'air se decompose en air-phlogistique (!'azote) et air-dephlogistique (1'oxygene). Enfin, il realise avec une etincelle electrique la premiere synthese de 1'eau en 1781, grace a la decouverte de 1'hydrogene par CAVENDISH en 1776. C'est un premier echec de la theorie des quatre elements qui regne encore dans le Dictionnaire de Chymie de P.J. MACQUER en 1766 : «quelque maniere qu'on decompose les corps on n'en peut jamais retirer que ces substances (les 4 elements): elles sont le dernier terme de 1'analyse chimique.» Apres avoir remplace le phlogistique par le calorique, contenu dans 1'air, A.L. DE LAVOISIER (1743 • 1794) realise une synthese quantitative de 1'eau en 1783 et va, de cette date a 1789, completement bouleverser la mesure en chimie grace a la balance de precision. II va unifier, reformer, la nomenclature chimique. Le principe des 4 elements disparait et, en 1800, 21 nouveaux corps simples sont ajoutes aux 12 connus en 1700.
38 - Gazometre de LAVOISIER utilise pour I'etude de la composition de 1'air
3. En decomposant par la chaleur 1'oxyde rouge de mercure HgO.
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39 - Synthese de I'eau devant I'Academie des sciences par LAVOISIER et LAPLACE en juin 1783
Le xixe siecle voit 1'explosion de la chimie. Nous n'en ferons pas 1'histoire ici. Rappelons simplement que c'est J. DALTON (1766 • 1844) qui introduisit la structure atomique quantitative, completee par GAY-LUSSAC et AVOGADRO. La notation chimique moderne des elements est proposee par JJ. BERZELIUS (1779 • 1848) qui, avec Humphrey DAVY (1778 • 1829), enrichit la chimie de nombreux nouveaux elements prepares pour la plupart par electrolyse. Mais si les electriciens enrichissent ainsi le
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nombre de nouveaux corps simples de 24 jusqu'en 1850, ce sont les physiciens, par spectrometrie 4, qui prennent le relais en en decouvrant 24 nouveaux de 1850 a 1900. Decouverte des elements FAvant 1700 antimoine i argent arsenic carbone cuivre etain fer me re u re or phosphore plomb : soufre
1700 - 1799 azote berylium bismuth chlore chrome cobalt fluor hydrogene manganese molybdene nickel oxygene platine strontium tellure titane tungstene uranium yttrium zinc zirconium
1800-1849 aluminium baryum bore brome cadmium ; calcium cerium erbium iode lanthane iridium lithium magnesium niobium osmium palladium potassium rubidium selenium silicium sodium tantale thorium vanadium
1850 - 1899 actinium argon cesium dysprosium gadolinium gallium germanium helium holmium indium krypton neodyme neon polonium praseodyme radium rhodium ruthenium samarium scandium thallium thulium xenon ytterbium
;
Devant ce foisonnement de nouveaux corps et la difficulte d'y mettre un peu d'ordre, D. MENDELEIEV, professeur a Saint-Petersbourg, publie sa fameuse classification, en deux etapes : 1860 et mars 1869. Purement formelle au debut, cette table des elements trouvera une prodigieuse justification dans la structure profonde de ratome. Mais 1'integrite de 1'atome ne commence a etre ebranlee que par 1'apparition de 1'electron, particule etudiee par J.J. THOMSON5 a partir de rayons cathodiques (decharge dans un gaz) et caracterisee en 1897 par son eleve J. TOWNSEND. Ce n'est qu'en 1911 que E. RUTHERFORD donne une structure de 1'atome avec un noyau localise compensant par sa charge celle des electrons, et que N. BOHR propose, en 1912, sa fameuse theorie planetaire. Cependant, dans 1'intervalle, une decouverte de P. et M. CURIE avait failli tout remettre en question: c'est la decouverte en 1898 de la radioactivite. Ce retour a 1'alchimie des transmutations avait tellement scandalise MENDELEIEV qu'il tenta une explication en invoquant un nouvel element, Tether, qui trouva sa place dans la fameuse classification de 1903 a 1906 ! 4. M. SERRES et al., Elements d'histoire des sciences, Bordas, 1989, p. 451. 5. B. LELONG, Personne n'a decouvert I'electron, La Recherche 303, 1997, p. 80.
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L'evolution du xxe siecle montre que rien n'est jamais definitif. L'atome, d'abord particule insecable, est devenu a 1'aube du siecle un petit systeme solaire, noyau et electrons, puis la dissection a continue avec la structure du noyau, puis celle des baryons et des leptons. Mais ceci est une autre histoire. LA PHYSIQUE DE LA MATIERE EN CHINE
Nous avons vu que 1'Ecole des logiciens, apres une remise en ordre du vocabulaire philosophique, s'est attaquee avec Zou YAN a de vastes classifications politiques et naturelles. La priorite au raisonnement, comme en Grece, va dormer des resultats tres convergents : Pour Zou YAN (- 305 • - 240), toute substance est un melange de cinq elements : la terre, 1'eau, le feu, le bois et le metal. Ces elements se controlent de fac,on cyclique suivant ce schema : * la terre domine 1'eau (elle peut 1'endiguer), * 1'eau domine le feu (elle peut 1'eteindre), * le feu domine le metal (il peut le fondre), * le metal domine le bois (il peut le tailler), * le bois domine la terre (il peut la retourner), Et on revient: la terre domine 1'eau, ... Ces elements interagissent entre eux grace a deux principes opposes : * le Yang ( ^>jy ) : chaleur, ardeur, soleil, virilite, * le Yin (p^): froid, humidite, sombre, feminite. Ces deux principes sont toujours imbriques et interviennent par leur presence relative. Us se manifestent comme des ondes qui se succedent et se remplacent: «Quand le Yang a atteint son maximum, il diminue en faveur du Yin ; quand le Yin a atteint son maximum, il se retire en faveur du Yang»6. C'est ainsi que certains expliquent les mouvements du soleil ou les phases de la lune. Quant au nombre 5 pour les elements, il est invoque tres tot pour expliquer de fac,on symbolique des phenomenes naturels. XUN Zi, vers 345 avant J.C., note qu'il y a 5 notes de musique fondamentales, 5 couleurs de base, 5 gouts cardinaux. L'idee d'une onde qui se gonfle et se degonfle dans un continuum de mouvement est tres profondement ancree dans la comprehension des phenomenes. La discontinuite de la matiere des atomistes, deja tres minoritaire en Grece, est totalement inconnue en Chine. Cette continuite se retrouve dans la science des nombres, tandis qu'en Grece le refus des nombres irrationnels conduit a une arithmetique discontinue. Elle se retrouvera dans une perception intuitive des phenomenes de propagation, telle 1'acoustique, ou dans 1'action a distance comme le magnetisme.
6. WANG CHONG, cite par J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 4(1), Cambridge University Press, 1977, p. 7.
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La theorie de Zou YAN et des logiciens a ete largement utilisee dans le Yi Jing (% ^ )/ ouvrage de reference d'une importance capitale en Chine, le Livre des Mutations.
Comme en Grece, la prevention de cet ouvrage a tout expliquer sterilisa toute recherche dans le domaine. Egalement comme en Grece, il y a eu quelques opposants dont le succes fut insignifiant. Par exemple, sous les HAN de 1'Est (19 • 190), 1'ecole des sceptiques reagit centre les idees simplistes du Yi Jing. WANG CHONG (27 • 97) ecrit les Discours peses dans la Balance, qui forment un veritable traite de rationalisme applique essentiellement aux sciences humaines. C'est ainsi qu'il refuse tout presage et tout prodige et affirme que 1'ame est mortelle comme le corps. II est cependant tres discret en ce qui concerne les phenomenes physiques. Par centre, on revient a des analogies avec la Grece dans la doctrine des exhalaisons venant de la terre. Pour ARISTOTE (Meteorologica), elles sont de deux sortes : 1'une est aqueuse et par condensation donne les metaux, 1'autre seche et donne tous les mineraux a 1'instar des fumeroles deposant du soufre pres des volcans. En Chine, c'est le souffle, qi (^), qui joue un role analogue, bien que le terme soit de plus large definition que le pneuma d'ARISTOTE : c'est ainsi que la meteorologie se dit qi xiang xue (etude de 1'aspect du souffle). II y a d'ailleurs une forte similitude entre le qi, le pneuma et le prana indien, sans qu'on puisse discerner s'il y a eu transmission des uns aux autres. De tres nombreux produits mineraux ont fait 1'objet de descriptions et de classements systematiques portant soit sur 1'aspect, soit sur 1'usage, sans rechercher une analyse plus profonde de leurs constituants primaires. Une premiere selection7, sous la dynastie SHANG (- 1530 • - 1026), qui se retrouve dans la graphic porte sur les roches (shi ~%), les metaux (jin /£•), les gemmes (yu 5 ) et les sels (lit $)). Plus tard, la couleur ou V aspect physique entre en jeu, mais les classifications les plus precises portent sur la valeur therapeutique dans de vastes pharmacopees (Ben Cao ^ ^). Une des plus importantes est celle de Li SHI CHEN en 1596. D'autres criteres de classement ont parfois ete employes. Ainsi, le peintre Mi Fu (1051 • 1107), sous la dynastie SONG, donne en 1085 une liste de plus de cinquante produits differents susceptibles de donner de bonnes pierres a encre (grain tres fin permettant une bonne dissolution dans 1'eau du batonnet d'encre). Pour conclure, disons qu'au cours du Moyen Age le nombre de substances connues et decrites par leurs proprietes est tres superieur en Chine a ce qu'il est en Europe. Mais leur nombre ne va croitre que lentement jusqu'au xixe siecle sans que 1'aspect qualitatif de leur connaissance ne se modifie, tandis que la chimie scientifique explose a 1'Ouest. 7. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 3, Cambridge University Press, 1979, p. 636.
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LE VIDE ET LE PLEIN
EN OCCIDENT Nous avons deja evoque le probleme de la continuite physique de la matiere. C'est un debat philosophique essentiel en Grece. Pour la plupart des auteurs, la matiere emplit tout 1'espace et elle est indefiniment secable. * Pour ARISTOTE, 1'etendue et la matiere sont indissociables et on ne peut definir 1'espace en dehors d'un corps materiel. Get espace a 6 dimensions, il est plein, anisotrope et anthropomorphe. Nous verrons les consequences de cette conception dans le chapitre Mecanique. Aucun vide ne peut subsister et d'ailleurs cette meme mecanique d'ARISTOTE en souligne 1'evidence : sous 1'action d'une force, tout corps prend une vitesse inversement proportionnelle a la resistance du milieu (la Physique, livre vn) done, dans le vide, la vitesse serait infinie, ce qui est absurde. II en decoule une structure de 1'univers bien claire : au centre se trouve la terre, puis une couche inegale d'eau, ensuite de 1'air et enfin le feu des astres. * Pour les sto'iciens, Ecole fondee par ZENON DE KITION (- 335 • - 263) et quelques autres, qui eurent une large audience en Grece et a Rome - SENEQUE (-4 • 65) sous NERON fut un des adeptes -, le monde est constitue de deux principes continus et infiniment divisibles. Ces deux principes sont la matiere qui est passive et le pneuma (la cause, Vesprit, le destin] qui est actif. Us sont en interpenetration totale, le principe actif se trouvant ainsi immanent a 1'ensemble du monde. Le hasard n'est qu'apparent, il est ce qui se derobe a la connaissance humaine. Ici encore, le vide ne peut exister. * EPICURE (- 340 • - 270) est en reaction totale avec cette vision du monde. II reprend les idees de DEMOCRITE fondees sur le mouvement des atomes au hasard dans le vide. Cependant, EPICURE n'est pas un scientifique. Son but est de delivrer 1'homme de la crainte des dieux en lui montrant que tout phenomena a une explication naturelle. S'il trouve plusieurs explications naturelles possibles au lieu d'une, c'est encore mieux et le choix entre celles-ci est sans interet. Malgre le grand poeme de LUCRECE (- 98 • - 55), les positions d'EpicuRE, ridiculisees sous certains de leurs aspects (par exemple, 1'artifice de la deviation du mouvement vertical pour expliquer les combinaisons8) mais surtout sans possibilite de controle experimental, ne rencontrerent aucun echo. 4 Le Moyen Age europeen adopte unanimement la theorie d'ARISTOTE et trouve son dernier defenseur en la personne de Rene DESCARTES, dont nous avons vu plus haut la theorie de la matiere. Cette theorie nie 1'existence du vide et le presente meme comme un non-sens : ce serait un neant existant, une realite contradictoire.
8. G.E.R. LLOYD, La Science grecque apres Aristote, La Decouverte, 1990, p. 33.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
A partir de cet axiome, DESCARTES va deduire toute sa cosmologie9. Les etoiles sont des tourbillons de feu qui se recouvrent progressivement de matiere lourde et opaque. Elles cessent de briller et deviennent des planetes. Celles-ci vont decrire des tourbillons (clin d'ceil a COPERNIC) pour la raison suivante : «c'est-adire que quand un corps quitte sa place, il entre toujours en celle d'un autre et celui-ci en celle d'un autre, et ainsi de suite jusqu'au dernier, qui occupe au mesme instant le lieu delaisse par le premier ; en sorte qu'il ne se trouve pas davantage de vuide parmy-eux lorsqu'ils se remuent que lorsqu'ils sont arretez» (Meteores, XI, 19). La premiere tentative pour sortir de ces prejuges doit etre attribuee a un ecclesiastique anglais Henry MORE (1608 • 1647), qui affirme clairement que la matiere ne coincide pas avec 1'etendue. La premiere mise en evidence experimentale du vide est due a un eleve de GALILEE, E. TORRICELLI (1608 • 1647), grace a son tube barometrique, en 1642. TORRICELLI avait ete charge de construire des fontaines pour le grand due de Toscane et avait constate 1'impossibilite d'elever 1'eau de plus de 10 metres par des pompes aspirantes. GALILEE aurait meme conclu, en plaisantant, que «l'horreur du vide s'arrete a 10 metres». Supposant que la colonne d'eau est equilibree par 1'atmosphere, TORRICELLI verifie cette hypothese en remplagant 1'eau par le mercure, plus lourd, pour diminuer la hauteur. Presque aussitot apres cette experience, B. PASCAL en deduit que la hauteur de la colonne barometrique doit dependre de 1'altitude et organise la fameuse expedition du Puy-de-D6me, en 1647, qui verifie ses conclusions. Pour PASCAL, et en cela il s'oppose a DESCARTES, il ne fait aucun doute qu'au-dessus de la colonne de mercure regne le vide. A Ratisbonne, Otto VON GUERICKE realise, en 1654, plusieurs experiences montrant la force de pression de 1'atmosphere sur des recipients prealablement vides.
40 - Le cylindre a vide equilibre par des poids Otto VON GUERICKE
A. KOYRE, Newtonian Studies, Harvard University Press, 1965. C. RONAN, Histoire mondiale des sciences, Le Seuil, 1988, p. 453. P. Rossi, La Naissance de la science moderne en Europe, Le Seuil, 1999, p. 165.
V - LA MATIERE ET LE VIDE
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Le mouvement s'accelere et le tandem R. BOYLE et R. HOOKE etudie le comportement plus general des gaz en fonction de la pression, en mettant au point diverses machines a faire le vide, a partir de 1660.
41 - La pompe pneumatique R. BOYLE et R. HOOKE -1660
Lorsque NEWTON public dans le Principia, en 1687, sa demonstration des lois de KEPLER sous 1'action de la gravitation, il est tres gene par la nature de 1'espace a travers lequel s'effectue 1'attraction gravitationnelle, et il est tente de ressusciter la notion d'aether chere a ARISTOTE, mais il y renonce tres vite, ce qui fait dire a VOLTAIRE, en 1728, un an apres la mort de NEWTON : «Un Franc, ais qui arrive a Londres trouve les choses changees en philosophic comme dans tout le reste. II a laisse le monde plein, il le trouve vide; a Paris on voit 1'univers compose de tourbillons de matiere subtile ; a Londres on ne voit rien de cela.» La science selon I'Abbe DE CONDILLAC (1714 • 1780) Le nouvel esprit qui souffle chez certains scientifiques est puissamment encourage par CONDILLAC qui ecrit par exemple (Discours): «Au lieu d'observer les choses que nous voulions connaftre, nous avons voulu les imaginer. De supposition fausse en supposition fausse, nous nous sommes egares dans une multitude d'erreurs ; et ces erreurs etant devenues des prejuges, nous les avons prises pour des principes ; nous nous sommes done egares de plus en plus... Quand les choses sont parvenues a ce point, quand les erreurs se sont ainsi accumulees, il n'y a qu'un moyen de remettre de I'ordre dans la faculte de penser, c'est d'oublier tout ce que nous avons appris, de reprendre nos idees a leur origine...»
Tres recemment, 1'astrophysique a peuple le vide intersideral de nombreux notes tels que les poussieres resultant de 1'explosion de supernovae et generatrices de nouveaux mondes ou de molecules organiques, carbures et cyanures, detectees par leur spectre hyperfrequence, mais ce vide reste encore bien meilleur que tout ce qu'on sait obtenir par nos dispositifs de labor atoire. Enfin, on peut rappeler que 1'industrie du vide est devenue un fournisseur notable non seulement des laboratoires, mais des industriels tels ceux de la micro-electronique.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
EN CHINE La notion et 1'importance du vide depassent tres largement le point de vue purement physique pour revetir un aspect essentiel des philosophies orientales. L'existence d'un vide materiel ne pose pas de probleme aux physiciens chinois, bien qu'ils ne cherchent pas a en dormer une mesure. L'astronome ZHANG HENG (78 • 139) enseigne, sous la dynastie HAN, que le monde est semblable a un oeuf dont le jaune est la terre et la coquille le del, avec le vide entre eux. Le vide et la poesie La suppression des articulations de la phrase, ne laissant en evidence que quelques mots cles, permet de mieux insister sur ceux-ci et de laisser au lecteur le soin d'imaginer leurs connexions. Ainsi, les poemes classiques TANG sont particulierement concis : prenons I'exemple du plus celebre des poetes de cette epoque, Li BAI (701 • 762), mort noye en voulant pecher le reflet de la tune dans le Yang Zi. II se lamente de sa solitude :
avec
leve
seul
fleurie
ombre
verre
bois
place
constitue
invoque
sans
un
trois
brillante
aucun
verre
personne
lune
vis-a-vis
d'alcool
Avec nos habitudes litteraires, il faudrait retablir les liaisons et cela donnerait approximativement (traduction M. SOUTIF) : Sous une tonnelle fleurie, devant un verre de vin Je bois seul, sans le moindre compagnon Je leve mon verre et porte un toast a la lune brillante Malgre tout, avec elle et mon ombre nous sommes trois. Les Japonais ont pousse I'exercice a son extreme avec les Haika'i, poemes en 3 vers de 5, 7 et 5 caracteres. Ainsi Matsuo BASHO (1644 • 1694) ecrivit (traduction P. SEGHERS) : Lune d'automne Aux bords de I'etang Une nuit.
Un peu plus tard, les taoi'stes pensent que le bleu du ciel est une illusion et que les astres flottent dans le vide d'un ciel sans limites.
V - LA MATIERE ET LE VIDE
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Des le Dao De Jing, les taoi'stes attachent la plus grande importance a la notion de vide. II y a d'abord le vide primordial d'ou tout est issu, le Wu (inexistant j®), puis le vide par opposition a plein, le Xu ( /£ ). HUAI NAN Zi ecrit: «Le Dao a pour origine le vide (Wu). Du vide est ne le cosmos dont emane le souffle vital.», et LAO Zi (chap, xi) dit: «Trente rayons se joignent en un moyeu unique; ce vide (Xu) dans le char en permet 1'usage. D'une motte de glaise on faconne un vase; ce vide dans le vase en permet 1'usage.» Nous avons vu que le livre des Mutations (Yi Jing) explique toutes choses par 1'influence du Yin et du Yang. Le passage de Tun a 1'autre ne se fait qu'a travers le vide. Sans lui, le systeme binaire Yin-Yang reste amorphe. «C'est un point nodal tisse du virtuel et du devenir ou se rencontrent le manque et la plenitude» (Fr. CHENG)10.
Or les deux principaux courants de la pensee chinoise, taoi'ste et confucianiste, se referent tous deux au livre des Mutations. CONFUCIUS exalte la vertu du del, done du Yang, grace a quoi I'homme domine la terre, et LAO Zi preconise 1'obeissance aux lois de la terre, done du Yin, pour rejoindre le ciel. Ces conceptions du role du vide, dans la dynamique de la pensee, se retrouvent chez d'autres philosophes comme XUN Zi (- 315 • - 236) qui souligne, dans le Yue Lun, la necessite du vide du cceur pour un etat d'impartialite n. En Inde, lorsque 1'adepte du tantrisme bouddhique (vajrayana) pratique la meditation (dhyana), il doit completement vider sa conscience pour etre apte a recevoir la connaissance et plus tard I'illurmnation. Cette technique a penetre en Chine par la route de la soie et a recu le nom de chan, puis elle a gagne le Japon ou on 1'appelle zen. Dans ce dernier pays, plusieurs manifestations sont specifiques de cet esprit: parmi elles, le jardin zen constitue de quelques pierres dont la nudite evoque le neant, et la ceremonie du the. Cette derniere technique de meditation a ete codifiee par RIKYU (1520 • 1591), qui lui apporte un caractere esthetique par 1'aspect de la piece, decoree par un Kakemono naturaliste, et par la ceramique du bol de the (couleurs discretes, asymetrie). Selon RIKYU, «faire la ceremonie du the dans une petite piece est la premiere pratique qui permette de parvenir au salut selon la loi de BOUDDHA»12.
Ces pratiques du bouddhisme ont ete tres vite assimilees en Chine, des le debut de 1'ascension des WEI du Nord (315), car elles convergeaient avec les pratiques autochtones et leur conception du vide (Kong ^) etait tres voisine de celle du taoi'sme. Bien que sa definition precise reste floue, le vide est un element pivot agissant a tous les niveaux en Chine : en art, en philosophic et gymnastique, en acupuncture et meme dans les pratiques de combat. 10. Fr. CHENG, Vide et Plein, le langage pictural chinois, Le Seuil, 1979. 11. M. GRANET, La Pensee chinoise, Albin Michel, 1934, p. 464. 12. S. KATO, Histoire de la litterature japonaise, tome 1, Fayard, 1985, p. 328.
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En musique, le vide se traduit par des silences qui creent un espace permettant aux sons de se depasser ; en poesie, par la suppression de certains mots grammaticaux, il permet un meilleur couplage entre les images essentielles. Mais c'est en peinture que le vide se presente comme un souffle reliant deux mondes, deux antitheses. Les deux peintures de SHI TAG (1642 • 1707), representees ici, sont tout a fait significatives. La premiere montre la meditation du pecheur qui engendre un vide dynamique envahissant les trois-quarts de la composition.
42 - SHI TAG - Au gre du fleuve
Dans la seconde, le vide est le mediateur entre les deux rives du fleuve, entre I'eau et la montagne qui sont les termes de 1'alternance (paysage se dit en chinois shan shui: montagne - eau). Pendant ce temps, une barque est peniblement halee a contre-courant, tandis que d'autres devalent allegrement dans le vent.
CONCLUSION En Occident, I'etat le plus favorable est le plein : la plenitude caracterise I'etat final triomphant. Pour la Chine, seul le vide est efficace car il permet tous les devenirs : on ne peut rien ajouter a un verre plein alors que s'il est vide, tout est possible.
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V - LA MATURE ET LE VIDE
Nous retrouverons en physique ces memes attitudes : la Grece est championne de 1'etude de la statique des corps, la Chine devance 1'Europe, parfois de plus de dix siecles, dans I'etude de la dynamique et des interactions a distance.
43 - SHI TAO - Barques a la Porte celeste
Cette page est laissée intentionnellement en blanc.
CHAPITRE VI LE CALENDRIER ET LE TEMPS
LA NOTION
PRIMITIVE
Les premiers pas dans la mesure du temps ont ete guides par des preoccupations agricoles. La prevision du retour des saisons, puis la situation a 1'interieur du mois, permettent de determiner les moments propices aux diverses operations de 1'agriculture. Plusieurs phenomenes astronomiques ont pendant tres longtemps ete a 1'origine de la mesure du temps (en fait, jusqu'en 1967). Le probleme est complique par le fait que les periodes de ces phenomenes sont incommensurables, au sens etymologique du terme. II s'agit de : * la rotation de la terre sur elle-meme, definissant en gros le jour (ce qu'on nomme le jour sideral) que nous prenons comme unite, * la rotation de la lune autour de la terre, caracterisee par les aspects de cet astre (pleine lune, nouvelle lune...), definissant le mois lunaire. La periode en est de 29,53059... jours et le plan de rotation de la lune est legerement incline sur celui de la terre autour du soleil (ecliptique), « la rotation de la terre autour du soleil, reperee a partir du point de 1'equinoxe de printemps (point vernal), definissant Vannee tropique dont la valeur est de 365 jours 5 heures 48 minutes 47,97... secondes, 4 eventuellement, le mouvement de rotation de la planete Venus dont deux levers heliaques (en meme temps que le soleil) sont espaces de 583,92... jours. D'autre part, ces mesures sont legerement compliquees par la precession des equinoxes, mouvement conique de 1'axe de la terre autour de la normale a 1'ecliptique. L'ouverture du 1/2 cone est d'environ 23° et la rotation complete est decrite en 26 000 ans, soit une vitesse de 50,26 secondes d'arc par an. Ainsi, 1'axe de la terre qui pointe, a 1'heure actuelle, approximativement vers 1'etoile Polaire etait dirige, il y a 5 000 ans, vers 1'etoile Thuban et pointera vers Vega dans 12 000 ans1.
1. J.R. ROY, L'Astronomie et son histoire, Masson, 1982, p. 86.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Position du pole • 3000 ans avant J.C.
© actuellement • dans 5000 ans • dans 13000 ans
44 - Precession des equinoxes - mouvement conique de I'axe terrestre
Au cours de 1'annee, la terre tourne autour du soleil et si Ton regarde celui-ci, on observe derriere lui un fond d'etoiles qui change. En Occident, on divise ce fond en 12 regions ou les etoiles les plus visibles sont regroupees en signes arbitraires (les 12 signes du zodiaque, les 28 maisons en Chine). Tous ces mouvements apparaissent beaucoup plus compliques si Ton prend la terre pour point fixe autour duquel tourne 1'univers (par exemple, regression des planetes superieures). Quoi qu'il en soit, la periode de 1'annee peut etre reperee grace au groupe d'etoiles derriere le soleil, done par le signe du zodiaque. L'influence de la saison, attribute alors a ces etoiles, est determinante sur les cultures et a conduit les hommes a 1'attribuer egalement au comportement humain et a son environnement social: c'est 1'astrologie qui a partout accompagne 1'astronomic et en a sou vent ete le moteur. Bien avant de se soucier de la structure de 1'univers, 1'astronomie a eu pour role unique 1'etablissement du calendrier qui avait non seulement un role technique mais politique.
LE CALENDRIER LE CALENDRIER
MESOPOTAMIEN
Une tres longue tradition d'observations et de releves systematiques pendant des siecles ont permis des calculs precis de periodicites qui, sans 1'aide d'aucune theorie cosmologique, donnaient une prevision correcte de la plupart des evenements celestes.
VI - L£ CALENDRIER ET LE TEMPS
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Les pointes s'effectuaient generalement a 1'apparition ou a la disparition a 1'horizon, ce qui n'est pas trop difficile en pays sec. Le calendrier lunaire est determine par 1'apparition du premier croissant de lune, le soir qui definit le premier jour du mois. On a ainsi des mois de 29 ou de 30 jours, dont la succession n'a ete predite correctement qu'a partir de 300 avant J.C. L'annee lunaire comprend alors 6 mois de 29 jours alternant avec 6 mois de 30 jours, soit au total 354 jours. Pour completer 1'annee solaire de 365 jours, on ajoute 11 jours hors temps, au moment de 1'equinoxe de printemps, avant le debut des labours; c'est alors, a Babylone, la fete royale au cours de laquelle, par sa victoire centre un dragon, le roi reaffirme sa souverainete2. On a plus tard adopte un mois civil de 30 jours et une annee de 12 mois, soit 360 jours. Cette annee trop courte conduit a un decalage des saisons qui, au bout d'un certain temps, est compense par un mois supplemental decrete de fagon arbitraire. Vers 380 avant J.C., le systeme est normalise par 1'adoption d'un cycle, propose sans succes a Athenes, par METON (432 avant J.C.), portant sur 19 annees dont 7 de 13 mois panachant 12 de 12 mois. Ce systeme restera le calendrier du Proche-Orient jusqu'au Moyen Age. LE SYSTEME GREC
II derive essentiellement du precedent avec quelques idees cosmologiques fondamentales : * PYTHAGORE (535 avant J.C.) considere la terre comme spherique. 4 ARISTARQUE DE SAMOS (- 310 • - 230) propose un systeme heliocentrique et s'efforce de mesurer le rapport des distances de la terre au soleil et a la lune. 4 ERATOSTHENE (- 284 • - 194) calcule le rayon terrestre en remarquant qu'Assouan est presque sur le tropique. * HIPPARQUE deduit la precession des equinoxes des mesures babyloniennes et donne pour 1'annee la valeur (365 + 1/4-1/150) jours. II etablit aussi le plus grand catalogue d'etoiles de 1'Antiquite. » PTOLEMEE (100 • 165), dans YAlmageste, donne au systeme solaire une explication geocentriste a partir de cycles et d'epicycles. LE CALENDRIER EGYPTIEN
Les Egyptiens disposent d'un indicateur tres particulier qui est la crue du Nil. Tres reguliere, celle-ci detecte rapidement toute derive des saisons. C'est pourquoi 1'annee a ete tres tot (vers 1'Ancien Empire, autour de 2400 avant J.C.) fixee a 365 jours, en 3 saisons de 4 mois de 30 jours, augmentes de 5 jours speciaux de fetes. Malgre tout, cette annee se decale lentement (1 jour tous les 4 ans) et, dans la pratique, ce calendrier a ete abandonne aux pretres, en faveur d'un deuxieme decompte base 2. J.P. VERNANT, Mythe et Pensee chez les Grecs, La Decouverte, 1996, p. 376.
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
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45 - Le systeme solaire de CLAUDE PTOLEMEE
sur 1'apparition de 1'etoile Sothis (Sirius) a 1'horizon, au moment de la crue, et sur 1'usage des mois lunaires. Le decalage entre les deux calendriers parcourt une annee entiere en 4 x 365 ans, soit 1460 ans, et une nouvelle coincidence entre les deux decomptes est apparue sous RAMSES n, augmentant le prestige symbolique du pharaon, et permet de fixer 1'origine du premier calendrier vers 2750 avant J.C., c'est-a-dire au moment de 1'edification de la pyramide de KHEOPS. L'astrologie ne joua pas, en Egypte, de role important jusqu'a 1'arrivee des Assyrians (Assurbanipal, 667 avant J.C.). LE CALENDRIER
INDIEN
Les Rig Veda, hymnes oraux de 1500 a 900 avant J.C., font allusion a une annee de 12 mois, avec parfois un 13e mois intercalaire; plus tard, un calcul plus precis conduit a ajouter un 13e mois de 26 jours tous les 5 ans, ce qui correspond a une correction moyenne de 26/5 = 5 jours et 4,8 heures par an, tres bonne methode qui ne donne en gros qu'une heure d'erreur par an. L'astronomie indienne a ete tres influencee par 1'ecole grecque d'Alexandrie; en particulier ARYABHATA (500) reprend le calcul de la precession des equinoxes et en
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VI - LE CALENDRIER ET LE TEMPS
donne la valeur de 54 secondes par an, en croyant qu'il s'agit d'une oscillation et non d'une rotation.
46 - Observatoire de Jaipur
LE CALENDRIER
CHINOIS
Des le xine siecle avant J.C., la duree de 1'annee definie entre equinoxes est fixee a 365 1/4 jours. Pour cela, le mois est alternativement de 30 et de 29 jours, et 1'annee comporte 12 mois (soit 354 jours) avec un 13e mois de 29 jours. 7 ans sur un total de 19 ans : c'est tout a fait analogue au cycle de METON. En Chine, 1'astrologie joue un role politique fondamental des la periode des royaumes combattants (-420 • - 221), car 1'ordre social doit refleter et participer a 1'ordre celeste. Dans ces conditions, I'etude de l'astronomie est reservee a un bureau imperial et 1'etablissement du calendrier avec les jours fastes et nefastes devient un attribut de la souverainete 3. Mais les astronomes recrutes sur concours litteraires et astreints au secret sont de mediocres scientifiques jusqu'a la dynastie YUAN (1279 • 1368) qui, feme d'astronomie, fait appel aux Arabes. II faut cependant citer quelques remarquables observations : * decouverte et etude de 1'evolution des taches solaires dont une liste complete est dressee en 28 avant J.C., * calcul de la precession des equinoxes par Yi Hi, en 200, * etude detaillee des explosions des supernovae depuis celle de 185, et en particulier de celle du Crabe en 1054. 3. D.S. LANDES, L'Heure qu'il est, Gallimard, 1987, p. 67.
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II faut surtout noter que, pour reperer les positions des etoiles, les Chinois utilisent le systeme de reference equatorial, bien plus simple que la reference au plan de 1'ecliptique utilisee autour de la Mediterranee. C'est en adoptant le systeme chinois que Tycho BRAHE fait faire des progres decisifs a 1'astronomie europeenne. Les pointes se font au passage au meridien et non plus a 1'horizon ou la refraction de 1'atmosphere exige des corrections. 47 - Observatoire de Pekin
48 - Observatoire de Chichen Itza vu de la Nonnerie
LE CALENDRIER AZTEQUE4 II est fonde sur des nombres entiers. Les corrections sont done impossibles et le calendrier se decale par rapport aux saisons qui deviennent incomprehensibles. Les pretres, avec leurs calculs corrects, sont alors les seuls a pouvoir predire les periodes agricoles convenables, et cela constitue une partie de leur pouvoir politique. L'annee a 365 jours est divisee en 18 mois de 20 jours + 5 jours nefastes. Les jours sont numerates de 1 a 13, tandis que 20 jours ont 20 noms differents. On ne retrouve done le meme chiffre sur le meme nom que tous les 20 x 13 = 260 jours qui constituent le cycle divinatoire; la coincidence entre ce cycle et 1'annee apparait pour 365 x 52 : c'est le siecle de 52 ans. Le cycle de Venus, de 584 jours, coincide tous les 104 ans. 4. M. GRAULICH, Montezuma, Fayard, 1994.
VI - LE CALENDRIER ET LE TEMPS
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Lorsque les Espagnols debarquent au Mexique, le decalage entre ce systeme et 1'annee astronomique etait de 209 jours (en 1519). On peut done calculer que 1'origine du calendrier remonte a 209 x 4 = 836 ans. LE TEMPS DANS LE MONDE OCCIDENTAL
Lorsque les Remains unifierent le monde mediterranean, ils trouverent de multiples calendriers, plus ou moins coherents. Aussi JULES CESAR decide une unification sur la base d'une annee de 365 jours 1/4, par le biais d'annees de 365 jours auxquelles on ajoute 1 jour tous les 4 ans (annee bissextile). Par rapport a la valeur astronomique (365 j 5 h 48 min), ce calendrier, dit Julien, est surcorrige de 12 minutes environ (travail de SOSIGENE, astronome grec). L'astronomie defile done plus vite et prend une avance que detecte REGIOMONTANUS (1436 • 1476), des la fin du Moyen Age. Une reforme apparait necessaire et elle est promulguee par le pape GREGOIRE xm en 1582. A 1'epoque, le decalage avait atteint 10 jours : * le calendrier est avance de 10 jours pour rattraper son retard, ainsi le 4 octobre est suivi du 15 octobre ; * desormais, les annees bissextiles terminees par 00 sont annulees, sauf celles divisibles par 400 (on supprime ainsi 3 jours sur 400 ans). Cette reforme est immediatement appliquee dans les pays catholiques et totalement rejetee par les autres qui, cependant, finissent par 1'appliquer, en 1751 en GrandeBretagne, en 1918 en Russie.
LA MESURE DU TEMPS Une connaissance detaillee du temps a travers la journee n'est pas tres necessaire aux cultivateurs qui se suffisent d'une estimation d'apres la position du soleil, si bien que pendant longtemps le jour et la nuit ont ete divises en moments egaux, quelle que soit la saison. Ces moments sont de 12 en Mediterranee, sous 1'influence de 1'Egypte, de 15 en Inde. L'ombre du soleil donnee par un baton ou un stylet a donne naissance au cadran solaire, dont la graduation depend de la saison, sauf si le stylet est oriente suivant la direction de 1'axe de rotation de la terre. Un cadran tres simple remonte a 1'epoque de THOUTMOSIS in (- 1490 • - 1436).
49 - Cadran solaire egyptien
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
C'est a peu pres a la meme epoque que furent inventes les sabliers pour mesurer de courts intervalles de temps puis la clepsydre a ecoulement d'eau. Bien que ces instruments puissent montrer que les moments du jour et de la nuit ne sont pas egaux, cette division de la journee n'est abandonnee en Europe qu'au xive siecle. Par centre, les Chinois adoptent des heures fixes des la dynastie HAN (- 200 • 200). Les Egyptiens construisent des horloges a eau a partir d'un recipient, a niveau fixe, debitant dans un flacon, dans lequel le niveau est mesure par un flotteur dont le mouvement peut etre amplifie par un levier. Les Chinois font de meme a partir de la dynastie ZHOU (1026 avant J.C.).
50 - Clepsydre a ecoulement d'eau
Pour tout systeme mecanique, mu par un poids ou un debit d'eau, il faut tenir compte du fait que le mouvement de chute est uniformement accelere, done pas du tout proportionnel au temps; on ajoute alors un systeme mecanique, 1'echappement, qui bloque periodiquement le mouvement pour qu'il revienne chaque fois au zero et presente ainsi des caracteristiques egales pendant des temps egaux5. En Chine, la premiere horloge mecanique de ce type est celle de Yi XING (724). Le moteur est une roue a godets remplis par un courant d'eau. Puis, en 976, ZHANG Si XUN remplace 1'eau par le mercure pour pouvoir fonctionner a basse temperature. Enfin, en 1092, Su SONG construit une grande tour-horloge avec un echappement a palettes regie par des poids.
51 - Horloge de Su SONG -1092
5. On pourrait aussi envisager 1'action d'un frottement important proportionnel a la vitesse. II y eut effectivement une tentative dans ce sens avec 1'usage du mercure force a traverser des petits trous : Libros del Saber de Astronomia, Tolede, 1276.
VI - LE CALENDRIER ET LE TEMPS
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52 - Echappement de I'horloge de Su SONG
Toutes ces horloges chinoises sont tres volumineuses, compliquees et d'entretien si difficile qu'elles sont assez vite hors d'usage. Elles n'existent qu'a un seul exemplaire chacune et ne sont pas remplacees, si bien que la technique s'etiole et disparait. Lorsque, beaucoup plus tard, les jesuites envoyes par le Portugal seront rec.us a Pekin (Matteo RICCI meurt a Pekin en 1610), ils emerveilleront la cour avec des horloges europeennes. En Europe, le moteur le plus usuel est la chute d'un poids : le premier echappement, par palette oscillante et roue dentee, est du a FROISSART en 1368. Le controle par pendule, experimente des 1612, a Prague, par Jost BURGI, est developpe et generalise par HUYGENS en 1673. Des ce moment, I'horloge atteint une stabilite de 1 minute par jour. L'echappement precis a ancre et rochet date de 1680 (CLEMENT). Mais tous ces dispositifs ne sont guere transportables. Or il est necessaire, pour trouver en un point quelconque de la terre sa longitude par rapport a celle d'un lieu d'origine, de comparer 1'heure locale (passage du soleil au meridien, par exemple) a 1'heure d'origine, et par consequent de conserver une mesure precise de cette derniere. La solution est apportee par le chronometre transportable, mu par ressort spiral. L'idee est peut-etre de Leonard DE VINCI (1452 • 1519), mais la realisation est de JACOB, le tcheque, en 1525. Cependant, il a fallu attendre le xvine siecle pour avoir une bonne precision, independante de la tension du ressort, de la temperature, etc. (voir chapitre XI).
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
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53 - Echappement a palettes
54 - Controle de I'echappement par un pendule HUYGENS - 1673
La derive des horloges modernes est la suivante : * horloge a pendule (SHORTT, 1921): 10~2 seconde/jour 10~5 seconde/jour * horloge a quartz (1965): 10~9 seconde/jour « horloge Maser (1980): 10~14 seconde/3 heures 4 Maser a H2 du futur Galileo
DEFINITION DE I/UNITE DE TEMPS Avec de telles precisions, il est necessaire de chercher des references de mieux en mieux definies. * La premiere definition a ete le jour sideral: temps separant deux passages successifs d'une etoile au meridien, du fait de la rotation de la terre sur elle-meme. Cependant, la vitesse de rotation subit des irregularites (de 1'ordre de 10~8 s) lorsqu'il y a des modifications des grandes repartitions de masse (le moment cinetique Ico restant constant) et, par ailleurs, la rotation se ralentit du fait de 1'energie perdue par les frottements des marees (de 1'ordre de 1.6 x 10~3 s/an). L'etude de la croissance quotidienne des coraux du Devonien donne une annee de 397 + 7 jours, il y a 370 millions d'annees.
VI - LE CALENDRIER ET LE TEMPS
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* On a longtemps choisi 1'annee tropique : deux passages successifs de la terre au point vernal qui definit 1'equinoxe de printemps. Ce point n'est pas fixe du fait de la precession des equinoxes et on definit alors 1'annee de reference : 1'annee 1900. C'est le temps universel T.U. * Enfin, depuis 1967, la seconde est definie par la frequence de transition entre deux niveaux de 1'etat fondamental du Cs-133. Elle correspond a 9 192 631 770 vibrations. C'est la S.I., Seconde Internationale, parfaitement stable. * On decale de temps en temps S.I. pour tenir compte du ralentissement de la terre et des perturbations astronomiques, puisque la vie biologique est liee a T.U. Ainsi, la derniere minute du 31/12/1979 a comporte 61 secondes.
LE TEMPS, VARIABLE
INDEPENDANTE
L'existence d'un repere permettant de decrire 1'evolution des evenements n'a pas toujours ete explicitee simplement. Le sens meme de variation de ce repere n'est pas uniformement choisi allant du passe vers le futur : pour les Sumeriens, le futur s'appelle Warkatu, ce qui signifie derriere le dos (c'est ce qu'on ne voit pas) et le passe Pananu, face a soi (puisqu'on peut le connaitre). Dans toute la philosophie grecque, la notion de temps est intimement liee a celle du changement. Lorsque les philosophes milesiens voulurent sortir des mythes theologiques, ils chercherent a imaginer la naissance de 1'univers a partir d'une substance unique : 1'eau pour THALES (~ 585 avant J.C.), une substance indefinie, Yillimite, pour ANAXIMANDRE (~ 555 avant J.C.) ou 1'air pour ANAXIMENE (~ 535 avant J.C.). Malgre leur rusticite, ces theories constituaient un progres decisif : le rejet de la causalite surnaturelle, et un premier pas vers le probleme du changement. Ce probleme est approfondi de deux manieres opposees, au debut du ve siecle, par HERACLITE (~ 500 avant J.C.) a Ephese et PARMENIDE (480 avant J.C.) a Elee (pres de Naples). Si tous deux sont d'accord pour faire passer la raison avant le temoignage des sens, pour le premier tout change et tout s'ecoule (-rravTa pei), tandis que pour PARMENIDE tout ce qui existe est et rien ne peut naitre a partir du non-etre. Des idees supplementaires furent developpees par ZENON (445 avant J.C.), a Elee. Mais la prise en compte du temps dans 1'etude du mouvement n'est pas maitrisee, comme le montre son paradoxe de la fleche : une fleche lancee vers une cible parcourt d'abord la moitie de la distance, ensuite la moitie du reste, puis encore la moitie de sa distance au but et ainsi de suite, done elle n'atteindra jamais le bout de cette serie. Or on ne tient pas compte, dans ce raisonnement, du temps de parcours qui est divise par deux pour chaque nouvel intervalle. Ce qui compte, bien sur, c'est le rapport espace/temps qui definit la vitesse et reste constant dans 1'experience : il n'y a done aucun paradoxe dans ce mouvement.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
LE TEMPS CHEZ PLATON (-427 •- 348) On trouve, dans le Timee, la definition suivante qui a fait couler beaucoup d'encre : «le temps est 1'image mobile de Feternite». Les phenomenes physiques bien etudies par les Grecs a cette epoque etaient des etats stationnaires : le mouvement des astres et les resonances des cordes vibrantes dont les lois avaient tant inspire PYTHAGORE. Ce sont des mouvements tres particuliers, mobiles certes, mais qui reprennent eternellement les memes valeurs en decrivant des figures immuables, du fait de la separation des variables de temps et d'espace dans leurs equations. II s'agit done d'un aspect tres particulier du temps physique, tout a fait hors du cas general. Mais si, pour nous, Fecoulement irreversible du temps est bien marque par notre vie de la naissance a la mort, il n'en est justement pas non plus de meme pour les Grecs, pour lesquels la reincarnation est toujours sous-jacente. PLATON ecrit dans le Phedon : «Les vivants ne proviennent pas moins des morts que les morts des vivants. S'il n'y avait pas cette perpetuelle compensation circulaire [...] le monde s'acheminerait vers le chaos et la mort.» Au cours du voyage expiatoire dans 1'Hades, Fhomme finira, apres avoir bu 1'eau du Lethe et perdu toute memoire, par renaitre sous forme animale ou vegetale, sauf s'il a su acquitter la rangon des antiques souillures et choisir la fontaine Mnemosune qui le fera renaitre roi ou sage, avec sa memoire. Alors, plus tard, une mort definitive Femmenera vers File des Heros. L'effort de purification pourrait lui faire, grace a l'dvd|ivr|(jic, rememorer tous ses etats anterieurs et, dit PYTHAGORE, le purifier de ses mefaits puis lui permettre d'echapper au cycle des naissances. C'est ce qu'a dit EMPEDOCLE (Purifications): «vagabond exile du divin sejour, je fus autrefois deja un gargon et une fille, un buisson et un oiseau, un muet poisson dans la mer». Pour PLATON, l'dvd|ivr|aic ne porte plus sur les vies anterieures mais sur les verites rencontrees dans le monde divin. Ainsi done, selon PLATON, Fame de I'univers meut toute chose dans un ensemble ordonne dont Fessence est numerique et ce nombre, il le nomme temps. Le temps est ce qui permet au ciel de communiquer la connaissance du nombre. LE TEMPS APRES PLATON
* Pour ARISTOTE (- 384 • - 322), qui se veut pourtant rationaliste, le temps n'est pas une variable mais une structure : celle d'un avant et d'un apres qui se fabriquent autour d'un present qui s'evanouit6. En effet, il considere que le fait premier reside dans les quatre formes de changement: - selon la substance : c'est la generation et la corruption, - selon la qualite : feuilles qui jaunissent, homme qui vieillit,
6. J. BLAMONT, Le Chijfre et le Songe, Odile Jacob, 1993, p. 746.
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- selon la quantite : accroissement et decroissement, - selon la position : deplacement Les mouvements du temps ne peuvent etre lies que par une conscience et il affirme : «sans 1'ame, il est impossible que le temps existe» (la Physique). C'est ce cote subjectif de la transformation continue de la potentialite vers 1'actualite qui conduit a Dieu, hors du temps, que reprendra la scolastique du Moyen Age. * ARCHIMEDE (- 269 • - 212), quant a lui, est un maitre de la geometric qui lui permet de triompher dans les problemes de statique (poulies, leviers...), mais le facteur temps lui est etranger. Ainsi, quand il dit: «donnez moi un point d'appui et je souleverai le Monde», il n'envisage meme pas le temps necessaire : en raison du rapport enorme des bras de levier pour equilibrer par la force d'un homme le poids (?) de la terre, deplacer celle-ci ne fut-ce que de 1 pouce necessiterait, au bout de 1'autre bras, un deplacement qui, meme a la vitesse d'un boulet de canon, durerait 45 000 milliards d'annees (calcul fait, au xvme siecle, par A. FERGUSON). Et c'est pourtant le temps qui tuera ARCHIMEDE, le temps qui joue pour le general romain MARCELLUS, au siege de Syracuse (2 ans), et conduit les insouciants Syracusiens a baisser leur garde pour la fete d'ARTEMIS (voir PLUTARQUE). Nous ne serons done pas etonnes quand nous etudierons, en Grece, la mecanique, science du mouvement, d'y trouver beaucoup d'erreurs, certaines tres grossieres. Le plus etonnant est que la devotion pour ARISTOTE de THOMAS D'AQUIN (1225 • 1274) et de ses successeurs a fait perdurer ces erreurs jusqu'au xvne siecle.
L'APPARITION DU TEMPS ABSOLU Les premieres reflexions qui font appel au temps comme variable independante sont celles de GALILEE (1564 • 1642) lorsqu'il s'attaque, en 1604, a 1'etude de la chute des corps (voir le chapitre Mecanique). La theorie en vigueur admettait que la vitesse de chute v etait proportionnelle a la masse et a la hauteur de chute h (en fait, on a v2 = 2 g h). Pour ralentir le mouvement, il utilise le plan incline et cherche a evaluer la vitesse a chaque instant, done a sortir de la vieille definition de la vitesse moyenne entre deux points, et ainsi d'etudier la vitesse de variation de la vitesse (!'acceleration). DESCARTES se borne a identifier la duree avec une fagon subjective de considerer ce qui «continue d'etre», et c'est Isaac BARROW (1630 • 1677), professeur de NEWTON a Cambridge, qui, le premier, definit clairement, en 1664, le temps comme variable absolue : «De meme que 1'espace existait avant la creation du monde, de meme le temps existait avant le monde. Le temps ne denote pas une existence reelle mais simplement la possibilite d'une existence permanente.» Le temps est done une variable mathematique comme une variable d'espace et 1'invention de NEWTON des derivees7, en 1669 (en meme temps que LEIBNIZ a qui 7. Voir p. 110.
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Ton doit la notation actuelle), permet par un passage a la limite de definir une vitesse instantanee dx/dt et d'effectuer tous les calculs relatifs a 1'attraction gravitationnelle, ce qui permet de demontrer les trajectoires elliptiques des planetes de KEPLER (ou la vitesse varie continument). La definition du temps est alors donnee par NEWTON : «le temps absolu, vrai et mathematique, de soi-meme et par sa propre nature, coule egalement sans rapport a rien d'exterieur». L'espace est vide et isotrope, defini par la geometric d'EuCLiDE. Le temps est un continu mesurable qui joue le role d'une quatrieme dimension irreversible.
L'ORIGINE DE L'ERE CHRETIENNE : LE ZERO DE NOTRE REFERENCE ACTUELLE An temps de 1'Empire remain declinant, 1'habitude est de dater les evenements X anno Diodetiani, c'est-a-dire a partir de 1'accession de 1'empereur DIOCLETIEN (284) au trone. Dans une lettre adressee a son eveque (PETRONIUS), un moine d'origine scythe, Dyonisius EXIGUUS (Le Petit Denis), fait remarquer, en 247 apres DIOCLETIEN, que cette coutume est choquante car DIOCLETIEN s'est particulierement acharne sur les Chretiens et il propose de dater depuis 1'incarnation du Sauveur ADI, ce qui d'apres ses calculs donnerait 531 au moment ou il ecrit. Get abbe, maitre de CASSIODORE plus connu, avait ete charge de calculer les dates de Paques de 532 a 627, a 1'aide du cycle metonique de 19 ans, et il les donna en annees Domini nostri Jesu Christi.
II s'est manifestement legerement trompe puisque 1'Evangile selon SAINT-MATTHIEU assure que JESUS est ne sous le regne d'HERODE LE GRAND, or Ton sait que ce roi est mort en 4 avant J.C. Ce comput mit beaucoup de temps a se repandre et ne se generalisa en Europe qu'a partir du xe siecle, tandis que les coptes d'Egypte parlent toujours d'annees diocletiennes. La notation negative d'annee avant J.C. ne fut introduite qu'en 1627 par 1'astronome Denis PETAUS.
8. D.E. DUNCAN, Le Temps conte, Nil Editions, 1999, p. 101.
CHAPITRE VII LA MECANIQUE : L'EQUILIBRE ET LE MOUVEMENT
L'ETUDE DU MOUVEMENT LA MECANIQUE D'ARISTOTE EN GRECE ET AU MOYEN AGE
La mecanique concerne 1'etude des deplacements des corps dans 1'espace. Pour cela, il faut definir 1'espace et le temps. Pour ARISTOTE, dont la Mecanique a fait autorite jusqu'a la fin du Moyen Age, 1'espace est defini comme le volume occupe par un corps et il n'existe aucun volume en dehors d'un corps (voir precedemment la notion de vide). Done, en 1'absence de corps materiel, rien ne permet de definir 1'espace et celui-ci ne peut exister. En presence de matiere, 1'espace a 6 dimensions, orientees par le centre du monde vers le bas et vers le haut, devant et derriere, a gauche et a droite. Get espace est ainsi plein et anisotrope. Le bas est la direction du lieu naturel vers lequel se portent les corps lourds, et le haut celle que preferent les corps legers et le feu. Le devant est la direction dans laquelle 1'ceil projette son fluide, et la droite la direction privilegiee qui se retrouve dans la rotation de la sphere cosmique et dans 1'habilete de la main droite. Get espace est done fortement anthropomorphique. Le temps, nous 1'avons vu au chapitre precedent, est egalement tres subjectif chez tous les Grecs. Enfin, il faut definir les types de forces qui peuvent intervenir. La tradition grecque ne connait qu'un type de forces : les forces mecaniques de contact directement appliquees en un point precis. Sans force appliquee, point de mouvement. La chute des corps n'est pas due a une force, mais au desir des graves de rejoindre leur lieu naturel: le centre du monde. A partir de ces definitions, la physique d'ARISTOTE se presente comme un tout coherent (Du del, La Physique) articule autour d'un certain nombre d'idees communes, fausses, qui n'ont pas ete soumises a 1'experience, car il convient de se mefier de tout appareillage qui peut deformer la realite (par exemple, un simple miroir courbe deforme 1'image reelle).
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Void quelques-unes de ces idees : [a] Si un certain poids franchit une certaine distance en un certain temps, un poids plus grand franchira la meme distance en un temps plus court, dans le meme rapport que celui des poids (Du del). [b] La vitesse d'un mobile est directement proportionnelle a la force utilisee (livre VII de la Physique). [c] La vitesse est inversement proportionnelle a la densite du milieu dans lequel se meut le mobile (meme ouvrage). * La proposition [a] est coherente avec 1'image du monde a 1'epoque : la terre ellememe est de poids si grand que sa chute se ferait a une vitesse enorme, contraire a 1'evidence, sauf si elle n'avait deja rejoint le lieu naturel des graves, le centre du monde. * La proposition [b] resulte de la simple observation de marins halant un navire dans le port du Piree : il va d'autant plus vite que Ton tire fort et s'arrete des la cessation de 1'effort (la reaction dominante est la force de frottement). * La proposition [c] rend impossible 1'existence du vide dans lequel la vitesse serait infinie. II y a bien entendu d'autres consequences tout aussi evidentes de ces propositions, mais il reste cependant quelques difficultes ; Tune d'entre elles est le mouvement de la fleche lancee par un arc. Le depart ne pose pas de probleme : Tare pousse la fleche, mais comment poursuit-elle ensuite son mouvement ? Ce mouvement est decompose en deux phases successives : le mouvement violent sous 1'action de 1'arc, puis le mouvement naturel de la chute des corps. Au cours de la premiere phase, 1'air pousse en avant par la fleche revient en arriere pour pousser la fleche (au fond, c'est une prefiguration des tourbillons de DESCARTES) : il y a done toujours une force appliquee pendant ce temps-la. Notons que la composition des forces et des deplacements n'est pas connue des anciens : les effets sont successifs... Le triomphe de cette mecanique vient bien plus tard, lors de son adoption par 1'eglise catholique de tout le Moyen Age. Thomas D'AQUIN adopte le schema d'une philosophic deductive proposee par ARISTOTE, et toute 1'ceuvre de celui-ci est placee au premier plan de la Summa Theologica. II y a bien sur quelques menus problemes : par exemple, 1'impossibilite du vide est une limitation a la toute puissance du Seigneur; le monde infini non-cree et de duree infinie d'ARISTOTE n'est pas compatible avec les premiers mots de la Bible ; aussi 1'ceuvre de Thomas sera-t-elle condamnee en 1277, par 1'eveque TEMPIER de Paris, au motif qu'elle contient «119 propositions qualifiers d'erreurs execrables que certains etudiants de la faculte des Arts ne craignent pas de traiter et de discuter dans les ecoles». Mais, a cette epoque, I'mteresse etait mort depuis trois ans et, quelques pirouettes plus tard, il fut canonise en 1323. II y eut cependant beaucoup de discussions a 1'interieur du cadre aristotelien. Parmi les propositions les plus interessantes, il faut citer celles de Jean BURIDAN (1'homme
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de Vane), recteur de la Sorbonne de 1327 a 1340 : quand un moteur met en mouvement violent un projectile, il lui communique une force interne qu'il nomme impetus, proportionnelle a la masse et a la vitesse. Cette propriete, au contact de 1'air, se degrade comme la chaleur de pincettes sorties du feu. Cette notion sera reprise par Nicolas ORESME a Paris, puis en Italic jusqu'au xvie siecle, ou Ton note que, dans la chute libre, 1' impetus croit proportionnellement a la distance parcourue (ce qui est faux). Quelquefois des historiens ont assimile 1'impetus ( I m.v I ) de BURIDAN et le momentum ( m.v), ou quantite de mouvement de la physique moderne; c'est tres inexact puisque cette quantite, scalaire chez BURIDAN, se dissipe au lieu de se conserver et que ni I'inertie ni I'energie ne sont au rendez-vous. Cette conception du mouvement sera refusee plus tard par DESCARTES qui estime que la cause du mouvement ne peut etre que proportionnelle et que, pour cela, seul m.v peut intervenir, et que son immutabilite reflete la stabilite divine alors que, pour LEIBNIZ, la cause est la force vive m .v2 ; vaste querelle qui dura plusieurs dizaines d'annees, jusqu'a ce que la notion d'energie soit vraiment clarifiee. LA MECANIQUE DE GALILEE
Le fondateur de la mecanique rationnelle est un immense personnage que sa suffisance et son mauvais caractere ont entraine dans de multiples ennuis; les querelles d'epistemologues ont prolonge celles des devots et certains, comme P. DUHEM ou A. KOYRE, ont ete jusqu'a pretendre qu'il avait simplement invente ses experiences, allegation completement fausse d'apres une etude precise de 1'historien Stillman DRAKE l. Nous aliens ici faire confiance a GALILEE et voir en quoi il a innove en tant que physicien. Nous retrouverons GALILEE au chapitre suivant pour sa contribution a 1'optique et 1'astronomic. La chute des corps, desireux de rejoindre leur lieu naturel au centre du monde, est un des phenomenes cles de la physique d'ARiSTOTE (proposition (a)). II est clair qu'une bille de plomb et une plume d'oie ne tombent pas de la meme maniere, mais ces mouvements se font sous 1'influence de plusieurs forces. Le role du physicien est de detecter les parametres principaux et de prevoir une experience mettant 1'un d'eux seul en jeu. Dans le cas de la chute des corps, le frottement de 1'air joue le role d'une perturbation qui depend de la forme du mobile et de sa surface ; en utilisant des spheres de meme diametre mais de matieres de densite tres differentes, GALILEE elimine au premier ordre 1'effet perturbateur : c'est la demarche du physicien moderne qui doit pour cela avoir present a 1'esprit les ordres de grandeur de chaque phenomene; comme heureusement la chute des corps ne depend pas d'autres importantes perturbations, le phenomene etudie est ainsi isole (ce n'est pas, malheureusement pour eux, a la portee des economistes, dont les phenomenes dependent de centaines de parametres pour lesquels on ignore les ordres de grandeurs relatifs. Us en sont reduits a choisir au hasard leurs parametres principaux, 1. M. SERRES et al., Elements d'histoire des sciences, Bordas, 1989, p. 238.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
qui constituent les theories d'Untel ou Untel, toujours aussi fausses). GALILEE Le frottement de I'air perturbe de toute constate alors que ses boules, jetees maniere la chute des corps et y fait apparaTtre I'effet de la masse. du haut d'un edifice (la legende parle Mais on peut isoler une premiere phase de la tour de Pise) atteignent le sol en ou cet effet est negligeable, au debut de meme temps. ARISTOTE est done disla chute. En effet, la perturbation croTt qualifie, mais le mouvement est si avec la Vitesse v suivant une loi de type 2 rapide qu'il est difficile de Y analyser F = K S v , ou S est la section transversale du mobile, perpendiculaire a la chute. en detail. Aussi GALILEE invente-t-il II est bien clair que lorsque cette force une nouvelle experience permettant atteindra la valeur de I'attraction terde ralentir la chute des corps : la desrestre : M g ou IVI est la masse du corps, cente le long d'un plan incline, et ce celui-ci prendra une vitesse constante, les deux effets s'annulant. Cela se prosimple dispositif va creer la mecaduira pour une vitesse v2e = Mg/KS, nique moderne. Au cours de la chute, appelee vitesse limite. Pour realiser ('exla vitesse change, la vitesse est dite perience de GALILEE, il faut done rester tres en dessous de cette limite pour que difforme, or la seule evaluation, connue le frottement reste negligeable. dans 1'Antiquite, de la vitesse est la Or cette ve est atteinte a 1% pres pour longueur parcourue dans une duree des spheres de 9 cm de diametre apres determinee, ce qui n'a de sens que une chute de 400 m pour du bois, et de pour une vitesse uniforme. Le quoplus de 3500 m pour du plomb, alors qu'elle est atteinte au bout de 45 m pour tient de 1'espace par le temps, deux un grelon de 1 cm. L'utilisation de la tour quantites de dimensions differentes, de Pise, haute de 65 m et de spheres de est inconnu en Grece mais a ete introdiametre important, est done justifiee. duit a Oxford, par T. BRADWARDINE 2, en 1328. Le genie de GALILEE consiste alors a definir une vitesse entre deux points tres rapproches, puis la vitesse en un point; il dispose alors d'un concept approche qui lui permet d'etudier la variation de cette vitesse. Pour mesurer celle-ci en tout lieu A, il amene au contact en A avec le plan incline un plan horizontal muni d'une boule identique a celle qui tombe. Dans le choc, les vitesses se transferent et la deuxieme boule part sur le plan horizontal avec la vitesse a mesurer : son mouvement reste rectiligne et constant (prefiguration du principe d'inertie) et peut etre ainsi mesure entre deux points B et C. GALILEE constate alors que la vitesse est proportionnelle au temps de chute et non a la hauteur de chute, et que la variation de la vitesse est constante. Mais pour une mathematisation poussee de ses resultats, GALILEE est gene par 1'absence de passage a la limite qui caracterise la notion de derivee, inventee par NEWTON et LEIBNIZ un peu plus tard. C'est cependant la premiere fois que 1'on represente le mouvement par une relation mathematique et que la physique et les mathematiques se rencontrent. La chute des corps dans I'air
55 - Le plan incline de GALILEE 2. J. BLAMONT, Le Chiffre et le Songe, Odile Jacob, 1993, p. 436.
VII - LA MECANIQUE : L'EQUILIBRE ET LE MOUVEMENT
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La loi de la chute des corps et les methodes mathematiques de la mecanique sont alors bien etablies et vont permettre aux astronomes de developper une nouvelle vision de 1'univers. LA MECANIQUE DE NEWTON Evolution du concept de force
La precision des mesures de Tycho BRAHE avait permis a KEPLER de decrire le mouvement des planetes comme nous 1'avons vu. On savait comment elles tournaient autour du soleil mais on ignorait pourquoi. Cependant, 1'idee d'une force d'attraction exercee par le soleil etait dans 1'air : plusieurs astronomes le soupgonnaient tels R. HOOKE, Ch. WREN et E. HALLEY. Ce dernier pensait meme a une force en inverse du carre de la distance. Mais ce fut Isaac NEWTON qui demontra (les Prindpia), en 1687, que les mouvements elliptiques etaient la consequence d'une loi en 1 /r 2 . Cette demonstration avait ete rendue possible par sa decouverte du calcul infinitesimal qui consiste a decomposer une figure en elements infiniment petits, puis a en additionner un nombre infini compris entre deux limites finies. Cette methode a ete inventee separement par NEWTON (technique des fluxions, 1664) et par LEIBNIZ (1675) avec la notation qui subsiste : dx pour un accroissement infiniment petit de x. Mais, a cote de ce calcul, NEWTON avait du expliciter tres clairement pour la premiere fois le principe d'egalite de 1'action et de la reaction, puis clarifier la loi de 1'inertie subodoree par GALILEE, mais deja bien enoncee par DESCARTES (1664),
L'evolution des notions de masse et de force que nous connaissons s'est faite tres brutalement de DESCARTES a NEWTON. • Pour DESCARTES, fidele heritier d'ARisTOTE en la matiere, les forces a distance n'existent pas, c'est de la magie. Les interactions de la matiere s'operent par contacts directs entre ses constituants soit grace a des collisions, soit par rintermediaire d'un fluide materiel qui remplit I'univers et cree des tourbillons. L'espace ne se separe pas de la matiere que celle-ci remplit totalement. Dans son etude des chocs, DESCARTES ne distingue pas la force de la quantity de mouvement: c'est la pression qu'un corps exerce sur un autre corps, et c'est une propriete interne du corps qui lui confdre son mouvement. Cette propriete conduit a ce qu'en I'absence d'action exterieure, le corps garde sa propriete en permanence, done reste au repos ou poursuit un mouvement rectiligne. • Pour NEWTON, ce qui est interne au corps est une resistance passive au changement qu'il appelle inertie, vis insita, et qui est liee a la quantite de matiere qu'il definit ainsi: «La quantite de matiere se mesure par le produit de la densite par le volume.* (definition un peu douteuse puisqu'elle doit servir aussi a definir la densite !) Le mouvement du corps change sous I'action d'une vis impressa, une force imposee qui ne subsiste pas dans le corps quand son application cesse. NEWTON generalise cette notion £ tous les mouvements et pas seulement a ceux lies aux actions mecaniques, et il en tire une loi generate : «Le changement de mouvement est proportionnel a la force motrice appliquee et s'effectue suivant la droite par laquelle celle-ci est imposee, soit k m Av = F At »*. * Philosophise naturales principia mathematica, 1687.
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et enfin exprimer ce que nous appelons le principe fondamental de la mecanique 3. Or, pour cela, il a du generaliser la notion de force, identifier la masse et 1'inertie, dont seule la relativite expliquera qu'elles sont identiques. L'invention des differentielles Afin d'etudier une Vitesse continument variable, GALILEE a choisi d'envisager deux points tres voisins et le temps tres petit mis a parcourir I'espace tres petit les separant. Mais faute d'outil mathematique adequat, il n'a pas pratique le passage a la limite permettant la definition moderne de la Vitesse instantanee v = dx/dt, quotient de deux quantites infiniment petites ou differentielles. Newton a ete le premier a developper le calcul de ces quantites qu'il appelle les fluxions. Pour cela, il definit des quantites evanouissantes qui sont insaisissables, mais telles que le rapport de deux d'entre elles soit calculable par des precedes geometriques. Ces premisses mathematiques torment le livre I des Principia (1687)*, mais NEWTON avait deja expose le principe des fluxions en 1666. LEIBNIZ public son calcul differentiel en 1684 en notant dx la differentielle de x, notation qui s'est maintenue jusqu'a present. II ne mentionne nulle part les travaux preliminaires de NEWTON mais, en 1699, celui-ci se presente en premier inventeur dans les Epistolae. LEIBNIZ repond dans les Acta eruditorium. Puis en 1708, J. KEILL, professeur a Oxford, affirme dans les Philosophical Transactions de septembre que LEIBNIZ n'est qu'un imitateur. En mars 1711, LEIBNIZ porte plainte a la Societe royale. Celle-ci cree, en 1712, une commission d'enquete formee exclusivement d'amis de NEWTON. Cette commission public, en 1713, son rapport Commercium epistolicum D. Johannes Collins qui traite LEIBNIZ de plagiaire. Le journal litteraire de La Haye replique, et meme la mort de LEIBNIZ en 1716 ne met pas fin a la controverse. Cette querelle peut sembler folklorique mais, cependant, I'importance du calcul differentiel dans la mise en equations mathematiques des phenomenes physiques est extreme, et Con peut citer I'avis donne des 1718 par Henry DE MONTMORT sur LEIBNIZ et BERNOULLI : «Ce sont eux et eux seulement qui nous ont appris les regies de la differentiation et de I'integration, le moyen de calculer les tangentes aux courbes, leurs points d'inflexion et de rebroussement, leurs extremes, les quadratures des courbes, les centres de gravite, d'oscillation et de percussion... Ce sont eux qui les premiers ont represents les courbes mecaniques par des equations, qui nous ont appris a separer les variables dans les equations differentielles...» * Philosophiae naturales principia mathematica, lre edition, 5 juillet 1687.
Dans 1'edition de 1713 des Principia, la theorie universelle de la gravitation complete 1'ensemble de ce travail fondateur. E. HALLEY a donne une spectaculaire verification experimentale de cette theorie en calculant le retour de la comete observee en 1682, pour la date de 1758 ou il s'est effectivement produit, apres la mort des interesses. NEWTON ne s'est pas borne a ce travail et nous le retrouverons dans 1'etude de 1'optique ou sa contribution a ete egalement importante. Par contre, son tres important travail en alchimie n'a pas laisse de traces valables. Quoi qu'il en sort, il a ete enterre, en 1727, dans la cathedrale de Westminster avec 1'epitaphe : «La nature et 3. Enonce par EULER, en 1734, sous la forme m dv = F dt.
VII - LA MECANIQUE : I/EQUILIBRE ET LE MOUVEMENT
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ses lois reposaient dissimulees dans la nuit. Dieu dit: que NEWTON soit, et tout fut lumiere» (Nature and Nature's laws lay hid in night. God said «let NEWTON be» and all was light). Le xvme siecle, a la suite de NEWTON, vit 1'explosion de la mecanique mathematique avec L. EULER (1707 • 1782), P. DE LAPLACE (1749 • 1829) et J. LAGRANGE (1736 • 1813). LA MECANIQUE
UTILITAIRE
Nous avons deja, a plusieurs reprises, souligne le mepris des philosophes grecs pour les ingenieurs. II y eut cependant d'excellents ingenieurs dans la periode hellenistique, mais la plupart etaient essentiellement des constructeurs militaires. II faut citer CTESIBIOS, actif a Alexandrie vers 270 avant J.C., dont on n'a conserve aucun ecrit. Citons aussi PHILON DE BYZANCE, vers 250 avant J.C., auteur d'un livre general sur les pneumatiques, catapultes, construction d'ouvrages defensifs et, beaucoup plus tard, VITRUVE, architecte romain, auteur vers 25 avant J.C. du De Architecturae qui traite de la construction, des materiaux, de la decoration, de 1'hydraulique, de la mesure du temps et des machines civiles et militaires. Une edition latine en 1486 fut suivie d'une edition italienne en 1521, puis franchise en 1547. Enfin HERON D'ALEXANDRIE public, vers 60, un traite portant sur quatre domaines : les poulies, les machines de guerre, les machines hydrauliques et la realisation de prodiges. Cette derniere categoric, reprise dans son traite sur les pneumatiques, consiste en gadgets amusants ou etonnants sans but utilitaire (voir chapitre II). De toute fac.on, a part les militaires, les financements sont rares. MECENE (- 69 • - 8) et ses semblables encouragent essentiellement les poetes. Au cours du Moyen Age, une source importante de financement est la construction des cathedrales. Au debut du xme siecle, VILLARD DE HONNECOURT 4 a laisse un carnet de croquis qui permettent de juger de la technique a cette epoque : par exemple, grues a cage d'ecureuil tres semblables a celles des Romains, 1200 ans auparavant. Un ingenieur de genie, Leonard DE VINCI (1452 • 1519), nous a laisse d'innombrables esquisses mais, bien sur, il est surtout connu par sa peinture et il a du lutter toute sa vie centre 1'opprobre qui entourait encore a cette epoque les ingenieurs. C'est ainsi qu'en 1680, le dictionnaire frangais de RICHELET ecrit: «le mot mecanique, en parlant de certains arts, signifie ce qui est oppose a liberal et honorable : il a le sens de bas, vilain et peu digne d'une personne honnete et liberale». Nous reviendrons, dans les chapitres X et XI, sur les travaux d'ingenieurs dans les domaines de 1'energie et des transports.
4. J. GIMPEL, La Revolution industrielle du Moyen Age, Le Seuil, 1975.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
56 - Grue a cage d'ecureuil
VII - LA MECANIQUE : L'EQUILIBRE ET LE MOUVEMENT LA MECANIQUE
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CHINOISE
La mecanique, en relation avec 1'art militaire, est tres developpee dans le Mo Jing (W. I? )/ IG canon des mohistes du au mythique Mo Zi (- 480 • - 390). Comme nous 1'avons vu, cet ouvrage a ete completement occulte a la suite des persecutions du ler empereur. En ce qui concerne les etudes de forces, cet ouvrage etudie les systemes de poulies et de balances avec leur dynamique, a 1'aide de 1'ancetre de la machine d'Arwooo. II etudie la balance a bras inegaux que nous qualifions de romaine, les problemes de tension et de rupture, de centre de gravite. Mais ce qui est la contribution essentielle du Mo Jing est son etude du mouvement a partir du principe d'inertie tres clairement exprime (2000 ans avant les Europeens): «la cessation du mouvement est due a une force opposee. Lorsqu'il n'y a pas de force opposee, il ne cessera jamais. II suivra une trajectoire lineaire sans changer de direction. Cela est aussi vrai qu'un bceuf n'est pas un cheval»5. La demonstration peut sembler discutable mais apres tout, nous n'avons pas fait mieux en baptisant cet enonce de principe. De fac.cn generale, les forces a distance y compris la pesanteur et les ondes sont prises en compte sans etat d'ame, ni discussion. Cela decoule de 1'image du Yin et du Yang s'interchangeant sans repos, et cela impregne toute la pensee chinoise. Nous avons vu dans les chapitres specialises toute 1'importance de cet etat d'esprit. L'etude des marees et 1'influence preponderante de la lune, perturbee par celle du soleil, est presentee a peu pres au meme moment en Grece et en Chine : malgre la faible amplitude du phenomene en Mediterranee, 1'exploration en mer du Nord jusqu'a Thule (Islande ou Baltique) du Marseillais PYTHEAS, sur 1'Artemis vers 350 avant J.C., avait permis a POSEIDONIUS D'APAMEE de donner un calcul satisfaisant du phenomene au moment meme ou, en Chine, 1'astronome Lo XIA HONG publiait ses resultats, mais 1'Europe oublia la bonne interpretation pour preferer evoquer la respiration des eaux et de la terre au point que, lorsque KEPLER reprit le probleme, GALILEE le traita d'astrologue ! En Chine, par centre, des tables de marees dans les ports et les embouchures des fleuves furent regulierement publiees et le grand astronome SHEN GUA affina les resultats en 1086.
57 - Explication du phenomene de maree par NEWTON 5. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 4(1), Cambridge University Press, 1977, p. 56.
T La decouverte et 1'usage progressif de la poudre noire dans ses divers dosages n'entrent pas dans le cadre de ce livre car ils appartiennent plutot a 1'histoire de la chimie, mais cependant la balistique des fusees a poudre represente une etude de mecanique tres interessante. Vers 1150, un artificier chinois pense a equilibrer par un empennage et un contrepoids les petards fusants utilises pour animer les reunions familiales. Pour regulariser la combustion, le corps de poudre est fore d'un trou central soigneusement calibre puis, a partir de 1300, 1'orifice d'ejection des gaz est etrangle pour augmenter la vitesse de sortie des gaz, ce qui accroit la portee de la fusee jusqu'a 1000 metres. Nous appelons ce dispositif, present dans toutes les fusees spatiales, un Venturi du nom de son inventeur en Europe, G. VENTURI (1746 • 1822). En Europe, 1'invention du dispositif de VENTURI est une consequence logique du theoreme de BERNOULLI (1738), tandis que 1'application chinoise est purement empirique mais a 500 ans d'avance. Des fusees a deux etages, stabilisees par un empennage et deux ailes de bambous, atteignent des portees de 1650 metres a partir du xive siecle; elles rappellent furieusement les VI de la derniere guerre avec le meme defaut, guidage totalement inefficace. En ce qui concerne la mecanique appliquee, le genre inventif des Chinois donne toute sa mesure dans la mise au point de gadgets, non pas pour amuser la galerie comme en Grece, mais pour des applications largement diffusees, comme par exemple les allumettes, le parapluie, le renflouement des epaves par des navires charges de pierres que Ton deleste peu a peu (HuAi BING, xie siecle), le semoir a rangs multiples, le moulinet pour la canne a peche...
LE CAS PARTICULAR DE LA STATIQUE ARCHIMEDE Nous avons vu que les questions de mecanique etaient compliquees chez les Grecs par leur mauvaise apprehension de la variable temps. Dans les problemes de statique ou celle-ci n'existe pas et qui se traitent souvent par des diagrammes geometriques, nous devons nous attendre, et c'est le cas, a ce qu'ils excellent. Le maitre inconteste de cette discipline est ARCHIMEDE (- 287 • - 212). Fils d'un astronome nomme PHIDIAS, ami voire parent du tyran de Syracuse HIERON n, il est avant tout un mathematicien geometre qui excelle dans 1'art de couper des spheres par des cones, et nous avons vu qu'on lui doit le premier calcul mathematique de JT, grace a un passage a la limite tout a fait novateur. II se distingue en physique en detectant la fraude d'un orfevre qui a fourni au tyran une couronne d'or coupe d'argent. II precede en mesurant les densites comparatives d'or, d'argent et de la couronne par la quantite d'eau deplacee par des masses
VII - LA MECANIQUE : L'EQUILIBRE ET LE MOUVEMENT
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egales. Un prolongement de cette etude conduit au principe fondamental de 1'hydrostatique. En demultipliant les forces par une serie de moufles et de poulies, il arrive a haler seul dans le port un gros navire. Mais il se dechame sur les leviers et machines simples pour defendre Syracuse contre le siege des Romains. Ce genre d'activite n'etait pas considere comme tres noble par les Grecs ferus de theorie, aussi PLUTARQUE insiste-t-il sur le fait qu'il ne s'y est livre que pousse par 1'urgence et apres supplications de HIERON n. L'histoire des miroirs ardents a ete rajoutee a sa legende beaucoup plus tard, mais 1'histoire du Eureka symbolise pour toujours la science, facile et triomphante. LA STATIQUE EN OCCIDENT Les seuls travaux importants faits dans ce domaine a la Renaissance sont ceux du Flamand Simon STEVIN (1548 • 1620), publics a Leyde en 1586 : Principes de statique, Applications de la statique et Principes d'hydrostatique. II etudia en particulier la composition des forces sur le plan incline qu'il verifia experimentalement par la fameuse experience du collier de spheres; il etablit la methode de resolution que nous employons par le parallelogramme des forces. En hydrostatique, il etudia la pression sur le fond des recipients et montra qu'elle etait independante de la forme de ceux-ci; il developpa par ailleurs la conversion des fractions en decimales et manifesta une certaine connaissance de la vie chinoise (char a voile, gamme temperee...).
58 - La composition des forces selon Simon STEVIN -1586
59 - Un chercheur dans son laboratoire Gravure de 1547
Cette page est laissée intentionnellement en blanc.
CHAPITRE VIII LA LUMIERE ET E'OPTIQUE «Au commencement, Dieu avait cree le ciel et la terre. Or la terre n'etait que solitude et chaos ; des tenebres couvraient la face de 1'abime et le souffle de Dieu planait sur la face des eaux. Dieu dit: «que la lumiere soit» et la lumiere fut.»1 La nature et 1'origine de la lumiere, ses proprietes et son action sur la vision humaine ont fait 1'objet de toutes les hypotheses dans toutes les religions. Melees ou non a des manifestations exceptionnelles comme 1'eclair, les mirages ou l'arc-enciel, les explications rationnelles ou theologiques sont tres diverses, et la solution actuellement adoptee n'a emerge qu'apres bien des hesitations, au debut du xxe siecle, tandis que la nouvelle lumiere coherente du laser n'est apparue qu'apres 1960, mais a deja d'innombrables applications.
LA PERCEPTION
LUMINEUSE
LA LUMIERE SELON LES GRECS
Les philosophes grecs voient ce phenomene avec mefiance car il est porteur d'erreurs ou illusions de perception: les bords rectilignes et paralleles d'une route paraissent se rejoindre au loin; un baton dans un verre d'eau a moitie rempli semble casse a la surface, mais ressort intact. La vision est evidemment placee au cceur du phenomene, mais elle ne donne pas lieu a une conception de la lumiere unanime. La theorie la plus frequente suppose que 1'ceil fonctionne comme un radar moderne : 1'ceil emet quelque chose qui se propage en ligne droite, se reflechit sur 1'objet regarde et revient a 1'ceil apporter 1'information. Ce qui se propage est pour les pythagoriciens, d'apres PHEDON, un quid qui va palper 1'objet de la vision. * Pour ARCHYTAS DE TARENTE (- 430 • - 348), c'est une ligne de feu qui sort de 1'ceil. 4 Pour le medecin GALIEN (129 • 199), c'est un pneuma, une sorte de vibration pneumatique. 1. La Bible, La Genese I, 1 a 3. Texte du rabbinat frangais par Z. KAHN.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
* EUCLIDE, lui-meme, jette les bases d'une optique geometrique a partir de la theorie d'ARCHYTAS : «supposons que les lignes droites qui emanent de 1'oeil se propagent...»2. * ARISTOTE s'interesse a la nature de la lumiere : le soleil est la seule source de lumiere. Celle-ci est une alteration d'un milieu qui penetre tous les corps sans leur appartenir et qu'il appelle le diaphane. 4 Les atomistes, LUCRECE en particulier (De natura rerum, livre IV), pensent que tous les corps ont leur surface garnie de corpuscules imperceptibles, les eidola, qui peuvent se detacher et s'elancer de tous cotes, d'autant plus vite qu'il y a moins d'obstacles. II y a la une interessante tentative de disjoindre le sujet et 1'objet, mais cette theorie a ete tres longtemps ridiculisee. La refraction atmospherique modifie la position des corps celestes et les astronomes ont vite repere ce phenomene. Celui-ci est peu important sous les incidences moyennes (1 minute a 45° de 1'horizon), mais devient tres notable en incidence rasante (40 minutes). ARCHIMEDE aurait dresse des tables precises qui ne nous sont pas parvenues. Celles de CLAUDE PTOLEMEE (ne siecle) ont ete tres longtemps utilisees.
60 - Refraction par ('atmosphere tres schematiquement
Les miroirs concaves sont qualitativement connus et utilises. PLUTARQUE raconte qu'ils ont servi a Delphes, apres le sac par les Perses, pour rallumer les feux sacres sans la souillure d'un quelconque contact. LA LUMIERE SELON LES CHINOIS
Nous retrouvons ici les mohistes3 et leur fameux Mo Jing (vers 300 avant J.C.). L'etude des sources de lumiere et des miroirs courbes y est tres developpee. Les mohistes decrivent des experiences de fagon precise 4, a partir de la notion de rayon lumineux.
2. M. SERRES et al, Elements d'histoire des sciences, Bordas, 1989, p. 254. 3. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 4(1), Cambridge University Press, 1977, p. 78-100. 4. S. NAKAYAMA et N. SIVIN, Chinese Science, MIT Press, 1973, p. 105 -152.
VIII - LA LUMIERE ET L'OPTIQUE
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Us utilisent des sources de lumiere bien definies, sans doute des bougies en cire d'abeille, dont on retrouve la description dans un dictionnaire de 40 avant J.C., et dont on a retrouve les supports dans la tombe de Mawangdui, a Changsha (400 avant J.C.). Chaque experience fait 1'objet d'une description, d'une conclusion et d'une explication. Les etudes portent sur les ombres et les penombres, la chambre noire, les miroirs plans et les associations de miroirs plans, 1'indice de refraction, les miroirs concaves et convexes. Toutes les explications supposent une propagation de la lumiere en ligne droite, depuis la source jusqu'a 1'oeil. Plus tard, WANG CHONG (27 • 97), philosophe sceptique dont nous avons deja parle, explique clairement comment fabriquer une lentille de verre pour allumer du feu, mais 1'etude proprement dite des lentilles attendra le taoi'ste TAN QIAO (940). Enfin, un objet tres curieux, le miroir magique, a fait couler beaucoup d'encre. II s'agit d'un miroir qui, par reflexion, fait apparaitre les gravures de sa face posterieure. II s'agit d'une consequence des contraintes du polissage, comme 1'avait suppose SHEN GUA (Recueil des propos de I'etang des reves, 1086).
61 - Le miroir magique
LA CONTRIBUTION ARABE La premiere source de 1'optique arabe est la traduction de YOptique, 1'ouvrage d'EucLiDE. Un des premiers traducteurs, a la Maison de la Sagesse de Bagdad, est IBN LUQA qui non seulement reprend les postulats d'EucLiDE, mais cherche a les justifier. Son contemporain, AL KINDI, est un veritable experimentateur qui va s'attacher a la nature des sources. II reconnait qu'un objet eclaire emet de chaque point des rayons lumineux dans toutes les directions (livre traduit en latin sous le nom de De aspectibus). Non seulement il reprend 1'etude experimental de la propagation en ligne droite, mais aussi les lois de la reflexion et la construction des miroirs ardents (concaves). II conserve cependant 1'idee de rayons emis par 1'ceil en chaque point de sa surface 5. Plus tard, un medecin, IBN SINA (AVICENNE, 980 • 1037), refutera (en s'appuyant sur ARISTOTE) toute theorie d'emission par 1'ceil, soit de rayons lumineux (EUCLIDE), soit de pneuma modifiant 1'air (GALIEN). Enfin, IBN AL HAYTHAM (955 • 1039), ne a Bassorah mais travaillant au Caire, dans le Kitab al Mandzir, etudie experimentalement la structure de 1'ceil et montre qu'il 5. R. RACHED, Histoire des sciences arabes, tome II, Le Seuil, 1997, p. 293.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
s'agit uniquement d'un capteur. II etudie remission par des lampes a large meche et par les corps eclaires, et retourne de fac.on convaincante le sens de propagation de la lumiere selon les Grecs. Parallelement, une etude systematique des miroirs et de lentilles est publiee par IBN SAHL, vers Tan 1000, en utilisant la notion de rayon lumineux. Les Arabes ont particulierement etudie 1'astronomie, d'abord a partir de 750 sous 1'influence des Indiens (ARYABHATA), grace aux traductions d'AL FAZARI et d'AL KHWARIZMI, puis ensuite avec AL BATTANI (mort en 929) a partir de I'Almageste de PTOLEMEE et de la science grecque. IBN AL HAYTHAM et d'autres donnerent des tables de refraction atmospherique tres precises, bien qu'ils aient ete tres critiques vis-a-vis du modele de PTOLEMEE (livre des hypotheses 6), modele egalement critique plus tard en Andalousie par IBN RUSHD (AVERROES, 1126 • 1198).
LE MOYEN AGE OCCIDENTAL ET L'OPTIQUE ARABE7 Avant les traductions du xne siecle, 1'Occident ne disposait que d'ouvrages latins traitant 1'optique tres brievement (PLINE L'ANCIEN), ou d'un point de vue theologique (SAINT-AUGUSTIN, 354 • 430). A partir du xne siecle, la transformation est radicale grace a 1'apparition des traductions en latin d'ouvrages grecs ou arabes. Une des premieres traductions est celle du De oculis de Hunayn IBN ISHAQ par CONSTANTIN L'AFRICAIN qui expose la theorie de la vision de GALIEN. Puis 1'ecole de Gerard DE CREMONE traduit, a partir de 1'arabe, EUCLIDE, AL KINDI et AL HAYTHAM. Un inconnu traduit le traite le plus important de AL HAYTHAM, De aspectibus. PTOLEMEE, IBN SINA et ARISTOTE (en particulier ses Commentaires par IBN RUCHD) sont egalement disponibles a la fin du siecle. L'ecole d'Oxford avec son fondateur, le franciscain GROSSETESTE (1168 • 1253), puis Roger BACON (1219 • 1292), vont reprendre tous ces travaux, refaire les experiences et ecrire les lois des miroirs et des lentilles en distinguant trois etapes de la demarche scientifique : 1'inductif, 1'experimental et le mathematique. En parallele, deux savants dominicains, le Polonais WITELO (1230 • 1275) et Thierry DE FREIBERG (1250 • 1310), vont dresser des tables systematiques de refraction pour divers milieux et diverses couleurs, dont le second tirera la theorie de l'arc-en-ciel dans le De iride. Mais pratiquement tout s'arretera pendant 300 ans, avec seulement les applications de Leonard DE VINCI autour de 1500, puis 1'ouvrage a succes sur les lentilles de G. DELLA PORTA en 1558, suivi d'un second, De refractione, en 1593 qui n'apporte rien de plus que les Oxfordiens, mais reveille 1'interet et conduit GALILEE a sa lunette. 6. R. RACHED, Histoire des sciences arabes, tome I, Le Seuil, 1997, p. 94. 7. R. RACHED, idem, tome II, Le Seuil, 1997, p. 355.
VIII - LA LUMIERE ET L'OPTIQUE
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GALILEE Au xnie siecle, quelques ouvriers verriers decouvrent que des lentilles convexes peuvent corriger de la presbytie. Cette infirmite s'acquiert avec 1'age qui apporte a certains des moyens financiers accrus, si bien que ceux-ci sont prets a payer fort cher pour recouvrer une bonne vue. La decouverte reste done le secret de ses detenteurs pendant un certain temps. Mais il est parfois difficile d'ajuster au patient la bonne convergence de la lentille, et 1'adjonction a celle-ci de lentilles divergentes accolees est bientot notee comme un moyen de modifier la convergence. Puis quelqu'un (certains disent que c'est GALILEE lui-meme, d'autres que ce sont des Hollandais), apres la lecture du livre de DELLA PORTA, a 1'idee d'ecarter les deux lentilles et constate alors un grossissement. Quoi qu'il en soit, GALILEE, professeur de mathematiques a Parme, construit la premiere lunette8 mecaniquement stable en 1609. Son faible grossissement, 3, est ameliore peu apres jusqu'a 10. L'avantage considerable de cette structure hybride convergent-divergent est de donner des images droites (et non-renversees comme la combinaison convergent-convergent des lunettes astronomiques modernes).
62 - Schema comparatif de la lunette de GALILEE et de la lunette astronomique
En francais, on appelle lunette un systeme optique a transmission et telescope un systeme a miroir.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
La premiere reaction de GALILEE est alors de vendre le systeme a la Republique de Venise pour equiper ses galeres qui font face, dans leur trafic avec 1'Orient, a des attaques frequentes de pirates. Puis GALILEE tourne sa lunette vers le ciel et brusquement les limites du monde connu reculent. II publie en 1610 le Siderius Nuncius, ou il affirme avoir observe beaucoup plus d'etoiles que les anciens n'en avaient jamais vues, et qu'en particulier la Voie lactee se resout en myriades d'etoiles. II a vu des montagnes sur la lune et mesure leur hauteur par leur ombre, decouvert 4 lunes autour de Jupiter et des taches sur le soleil. Un peu apres, il observe les phases de Venus qui prouvent qu'elle tourne autour du soleil. Toutes ces decouvertes qui confirmaient I'heliocentrisme etaient scandaleuses et elles firent scandale. La premiere attaque vint de ceux qui, bricolant une mauvaise lunette avec de mauvaises lentilles, ne virent pas les satellites de Jupiter et crierent a la falsification. Mais il fut assez facile pour GALILEE de faire des demonstrations. La deuxieme offensive vint des zelateurs d'ARISTOTE : il ne peut y avoir de nouvelles etoiles; le soleil est parfait et ne peut etre tache. L'instrument n'est pas fidele et trahit celui qui s'y fie sottement. Mais 1'offensive la plus grave fut celle de 1'Eglise, histoire bien connue. Le cardinal BELLARMIN s'efforga d'obtenir de GALILEE qu'il reconnaisse seulement qu'il etait plus commode pour les calculs de faire comme si les planetes tournaient autour du soleil et qu'il s'agissait seulement de sauver les apparences. Mais GALILEE fut inflexible, jusqu'au proces de 1633. II aurait pu etre condamne au bucher, car il avait parle en faveur des theories atomiques. L'Eglise a ete clemente et 1'a rehabilite en 1992 (j'ai bien dit mil neuf cent quatre vingt douze !).
THEORIES DE LA LUMIERE I/EXPRESSION MATHEMATIQUE
DE LA REFRACTION
Le travail magistral de KEPLER dans ses Paralipomenes (complements) de 1604, consacres a la refraction, est complete par la formulation mathematique du phenomene : sinr/sini = cte, par Willebord SNELL en 1620. Les tableaux de resultats numeriques sont remplaces par une loi suivant les propositions generates de GROSSETESTE, enoncees 400 ans auparavant. Dans une annexe du Discours de la methode, La Dioptrique, en 1634, DESCARTES se penche sur la nature de la lumiere. II explique les divers phenomenes tantot par une sorte de quid pythagoricien, tantot par le diaphane d'ARISTOTE, tantot par des petites balles, sortes d'eidola epicuriens, sans citer de sources ni se soucier d'une coherence quelconque entre ces explications. II retrouve la loi de SNELL a partir d'une demonstration fausse postulant que la lumiere va d'autant plus vite que le milieu est condense.
VIII - LA LUMIERE ET L'OPTIQUE
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L'HYPOTHESE SUR LA NATURE DE LA LUMIERE AU XVIIE SIECLE
La loi de SNELL met sous forme mathematique les resultats experimentaux de 1'etude de la refraction, mais ne donne aucune information sur la nature de la lumiere. Le xvne siecle voit apparaitre deux hypotheses tres differentes a ce sujet: * NEWTON (1670 puis 1704) decompose par un prisme la lumiere blanche en composantes de couleurs (ce qui etait deja connu), mais recombine ces couleurs pour redonner de la lumiere blanche. II propose, pour eviter les aberrations chromatiques des lentilles, de remplacer la lunette par le telescope avec un miroir concave en guise d'objectif. II explique enfin les proprietes de la lumiere en la supposant composee de petits grains colores de masse nulle. NEWTON reprend toutes ses idees de jeunesse sur la lumiere et en fait un monument, YOpticks (1704), qui a autant de succes que les Principia. * HUYGENS (1690) explique la lumiere comme une serie d'ondes de choc propagees a travers une substance invisible, Vether, chaque point d'une onde suscitant d'autres ondes de choc secondaires et ainsi de suite. La propagation se fait tres vite mais a vitesse finie (en 1675, ROMER mesure la vitesse de la lumiere par les eclipses des satellites de Jupiter, voir plus loin). A cette epoque, la reputation de NEWTON, auteur des Principia, etait telle que son explication fut la seule retenue.
LA SOLUTION FERMAT (1601 • 1665) Pierre DE FERMAT, conseiller au Parlement de Toulouse, a ete un celebre mathematicien des nombres, adepte de VArithmetica de DIOPHANTE qui venait a cette epoque d'etre traduit en latin9. On lui doit plusieurs theoremes importants dont le dernier n'a ete demontre qu'en mai 1995. II enonce un principe tres simple, mais un peu metaphysique selon lequel «la duree du trajet d'un rayon lumineux est toujours minimum». Toutes les proprietes de 1'optique geometrique peuvent s'en deduire mathematiquement. La methode est commode pour etudier les parcours des rayons dans les systemes complexes ou continument variables (mirages par exemple). 63 - Schema d'un mirage L'observateur voit le ciel comme reflechi par I'eau.
9. S. SINGH, Le Dernier Theoreme de Fermat, J.C. Lattes, 1998.
124 L'OPTIQUE ONDULATOIRE AU XIXE
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
SIECLE
Un medecin physicien britannique, Thomas YOUNG (1773 • 1829), travaillant sur 1'accomodation de 1'ceil, realise en 1801 une experience fondamentale et d'une grande simplicite. En recueillant sur un ecran 1'eclairement produit par une source ponctuelle masquee par un ecran perce de deux trous, on obtient une zone lumineuse parcourue de franges noires regulierement espacees. Si la theorie de NEWTON pouvait d'une certaine maniere expliquer un changement de direction de la lumiere par des chocs (diffraction), elle ne pouvait pas rendre compte de la disparition de 1'eclairement en certains endroits, et FRESNEL (1788 • 1827), ressuscitant HUYGENS, fait la theorie de 1'experience a partir d'ondes qui peuvent etre en certains points en phase et dans d'autres en opposition de phase, c'est-a-dire s'annuler. A partir de cette hypothese et sans pouvoir preciser la nature des ondes en question, FRESNEL, avec Th. YOUNG et F. ARAGO, a partir de 1813, va completement expliquer tous les phenomenes d'interferences, de diffraction et d'optique cristalline. A partir d'une hypothese tres generale sur la propagation de 1'ebranlement lumineux et sa longueur d'onde, on peut done rendre compte qualitativement et quantitativement de tous les phenomenes de ce type, sans pour autant faire une hypothese quelconque sur la nature de ce qui vibre. Ce n'est que beaucoup plus tard que J.C. MAXWELL (1831 • 1879) fait une synthese des phenomenes vibratoires electriques et magnetiques en developpant la notion de champ de vecteurs, et qu'il etudie leur propagation a travers un ether hypothetique. II montre alors 1'identite totale entre la lumiere et un tel systeme electromagnetique (1864), permettant ainsi non seulement le calcul des phenomenes, mais la comprehension de leur nature. LA CRISE DU CORPS NOIR
La deuxieme partie du xixe siecle voit un essor spectaculaire de la spectroscopie : la lumiere emise par les divers elements de la matiere excites par une decharge electrique est composee de series discontinues de longueur d'onde caracteristiques de 1'emetteur. Ce procede permit de decouvrir de nombreux elements chimiques inconnus. Mais, en outre, n'importe quel corps chauffe emet une lumiere de repartition continue en longueur d'onde, avec un maximum qui passe du rouge au jaune puis au blanc en augmentant de brillance lorsque la temperature croft. C'est le cas des sources d'eclairage usuelles, soleil, flammes ou ampoules electriques, et ce rayonnement est caracteristique du corps noir (nom donne a 1'emetteur de reference). Pour expliquer ce phenomene quantitativement, Max PLANCK supposa en 1899 que tout corps chauffe emet de la lumiere par granules de lumiere independants, d'energie proportionnelle a leur frequence v : W = hv, ou h est une constante universelle. Ainsi NEWTON etait ressuscite ! Chacun de ces granules a regu le nom de photon.
VIII - LA LUMIERE ET L'OPTIQUE
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Cette theorie n'explique pas settlement le corps noir, mais tous les phenomenes d'echange entre matiere et rayonnement. Ainsi, le fait qu'une lumiere doive avoir une frequence minimum (done une energie W minimum) pour arracher Le laser un electron a un metal (effet photoLes mecanismes decrits ici pour I'emission electrique) conduit a un seuil minide la lumiere ne sont pas les seuls possibles pour 1'emission d'une onde electromum de frequence pour le phenomagnetique. Lorsqu'un courant electrique mene et vaut a EINSTEIN son prix alternatif de haute frequence parcourt un fil Nobel. conducteur de dimension convenable (une antenne), il y a emission d'une onde radioSi 1'onde lumineuse peut se manielectrique continue qui dure sans interrupfester comme une particule, la protion, aussi longtemps que le generateur est position inverse est egalement vraie en marche. II n'est plus question alors de trains d'ondes independents et de photons. et une particule peut se manifester On a pu obtenir des sources de lumiere de comme une onde. A chaque particuce type a partir de 1960. Un systeme extele est associee une longueur d'onde rieur d'excitation, appele pompage, force dite de de Broglie, dependant de sa tous les trains d'ondes individuels a prendre la meme phase (on dit a etre cohemasse et de sa vitesse (X = h/mv). rents), et ainsi a ne former qu'une onde DAVISSON et GERMER 1'ont montre en unique indefinie ; une telle source de lumie1927, en obtenant des figures de difre, nommee laser, est maintenant tres largement utilisee soit en telecommunications fraction avec un jet d'electrons.
LES APPLICATIONS LES INSTRUMENTS
D'OPTIQUE
(pour alimenter des fibres optiques, par exemple), soit pour obtenir des energies enormes tres concentrees (soudures physiologiques ou metallurgiques...). En travaillant par impulsions, on peut realiser, pendant des temps tres courts, des puissances extremement elevees, dans les terawatts.
Lunettes et telescopes La lunette de GALILEE, en dehors des defauts de fabrication des lentilles, presente des aberrations chromatiques inherentes au phenomene de dispersion de la lumiere blanche. C'est pourquoi NEWTON fabrique, sur une idee d'un mathematicien ecossais J. GREGORY, un dispositif a miroir concave en 1672. Le telescope de NEWTON
64 - Telescopes de GREGORY -1660 - a gauche de NEWTON -1670 - a droite
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
renvoie a 90° 1'image du miroir sur 1'oculaire, tandis que le telescope de CASSEGRAIN (inspire de celui de GREGORY), concu peu apres, renvoie 1'image dans 1'axe grace a un trou dans le reflecteur. La course au grossissement par augmentation de la distance focale de 1'objectif aboutit au gigantesque appareil (ouverture de 1,2 m et distance focale de 12 m) de W. HERSCHEL (1738 • 1822) qui, pendant plus de 30 ans, cartographic le ciel et decouvre Uranus.
65 - Le telescope de HERSCHEL -1780
Apres la mort de GALILEE, de nombreuses lunettes sont construites et des observatoires officiels sont crees : 1'observatoire de Paris, en 1671 et celui de Greenwich en 1676. La censure de I'Eglise perd rapidement de sa puissance et B. DE FONTENELLE peut ecrire un traite sur la pluralite des mondes, a la fin du xviie siecle, et cependant mourir dans son lit, centenaire, en 1757. Les telescopes modernes L'augmentation du diametre d'ouverture de I'objectif a le double role d'augmenter I'energie recue, et de diminuer la diffraction par les bords qui limite le pouvoir de resolution. Avec une lunette, il est difficile de depasser 1 m (observatoire de Yerkes) car la masse de verre devient enorme. Avec un reflecteur, seule la qualite de la surface compte, aussi peut-on accroTtre les dimensions, surtout si I'epaisseur est assez faible pour que la surface puisse etre corrigee en permanence (poids, vent, temperature), en la deformant par des verins pilotes par ordinateurs. On atteint alors une nouvelle limite, due a la turbulence de ('atmosphere. Celle-ci peut etre corrigee en temps reel (inferieur au 1/100 s), par des redresseurs de surface d'onde (optique adaptative). Enfin, des groupements de plusieurs telescopes en phase permettent d'accroTtre le diametre d'ouverture a la distance entre recepteurs. Ainsi le V.L.T. (very large telescope) du desert d'Atacama (Chili) possede 4 recepteurs de 8 m chacun.
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VIII - LA LUMIERE ET L'OPTIQUE
Microscopes L'ancetre du microscope est la simple loupe utilisee des le xme siecle. Elle a ete tres perfectionnee par le naturaliste hollandais LEEUWENHOEK (1632 • 1723), sous forme d'une petite bille maintenue entre deux platines metalliques: il obtenait un grossissement de 250. Le microscope proprement dit, compose d'un objectif et d'un oculaire, est decrit en 1665 par R. HOOKE dans Micrographia, mais il fallut attendre le debut du xixe siecle pour que les graves aberrations chromatiques soient corrigees, grace a des lentilles composees de plusieurs verres differents. Les microscopes modernes Le pouvoir de resolution reste limite par la longueur d'onde de la lumiere utilisee, malgre quelques artifices comme rimmersion de I'echantillon dans un liquide d'indice de refraction eleve. Le grand saut technologique a consiste a remplacer la lumiere visible par les ondes des electrons, de longueur d'onde beaucoup plus petite. C'est le microscope electronique, developpe vers 1940, et qui permet de separer des details de I'ordre de quelques dixiemes de nanometre. Vingt ans apres, le microscope electronique a balayage, grace a un grossissement continument ajustable, apporte une grande souplesse d'emploi.
66 - Microscope compose du debut du xvme siecle Alexis MAGNY
LA VITESSE DE LA LUMIERE
Pour la plupart des Grecs et pour les Chinois, la lumiere est un phenomene instantane, et EMPEDOCLE (1'homme des 4 elements) est un des rares a avoir envisage une vitesse finie mais sans plus de precision. GALILEE, le premier, essaie, mais sans succes, de mesurer cette vitesse et c'est un astronome, O. ROMER, qui obtint en 1675 la premiere valeur : c = 173 000 km. II remarque que 1'occultation d'un satellite de Jupiter a la precision d'une horloge et que le phenomene n'est pergu sur la terre qu'avec le retard du au trajet de la
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE lumiere. Ce trajet differe du diametre de 1'orbite terrestre suivant que la terre est au plus pres ou au plus loin de Jupiter.
67 - Mesure de c, vitesse de la lumiere, par ROMER
En voulant affiner cette mesure, BRADLEY decouvre en 1728 1'aberration des etoiles : 1'onde plane venant d'une etoile, quasiment a 1'infini, est transformee en onde convergeant au foyer de 1'objectif par celui-ci. Mais ensuite, pendant le temps mis pour arriver au foyer, la lunette a ete entrainee par le mouvement de la terre sur son orbite, de vitesse U, et la convergence se fait en arriere du foyer. Ce point decrit en 1 an une minuscule ellipse correspondant a une erreur angulaire, I a I = U / c, qui est de 1'ordre de a = 20"45. Ce resultat donne 1'impression que la lumiere se propage dans un milieu fixe a travers lequel la terre se meut. C'est 1'hypothese de 1''aether, chere a ARISTOTE. Une autre experience s'expliquant par Tether (FRESNEL) est la vitesse de la lumiere dans un milieu en mouvement. II semble y avoir entramement partiel. Les mesures classiques de c, au xixe siecle, sont celles de FIZEAU et de FOUCAULT. 4 FIZEAU, en 1849, decoupe mecaniquement des impulsions de lumiere grace a une roue dentee, sur laquelle il regoit le retour de la lumiere apres une reflexion sur un miroir situe a plusieurs kilometres (jusqu'a 23 km): la detection en A s'eteint lorsque la duree du trajet aller et retour correspond au temps de remplacement d'un creux de la roue dentee par un plein.
68 - Mesure de c - experience de FIZEAU
4 FOUCAULT, en 1862, fabrique ses impulsions avec un miroir tournant, envoy ant des eclairs sur un reflecteur situe a grande distance. La derniere mesure par ce precede a ete faite par MICHELSON, avec une distance de 35 km et a donne, en 1926, c = 299 795 ± 4 km/s (valeur ramenee a la propagation dans le vide). Depuis, les mesures electroniques ont remplace les systemes mecaniques et la precision a fait un bond a 10~9, ce qui a permis de changer la definition du metre, comme nous 1'avons vu.
VIII - LA LUMIERE ET L/OPTIQUE
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Le xixe siecle s'est acheve sur une impasse : c'est 1'experience de MICHELSON et MORLEY en 1881. Si la lumiere se propage dans un milieu fixe, Tether, sa vitesse mesuree sur terre dans le sens du deplacement U de notre planete doit etre (composition des vitesses selon GALILEE) c - U, et en sens oppose c + U. Or il n'en est rien, la mesure interferometrique ne detecte aucune difference. La lumiere a la meme vitesse c par rapport a toutes les references en translation relative uniforme. Seule la theorie de la relativite restreinte (EINSTEIN, 1905) explique toutes ces contradictions en renongant a la notion de temps absolu et d'ether. LA
SPECTROSCOPIE
NEWTON ayant montre que la lumiere solaire blanche etait decomposee, par le prisme, en une serie continue de lumieres de toutes les couleurs visibles, et reciproquement que celles-ci reconstituaient par superposition la lumiere blanche, W. WOLLASTON eut 1'idee, en 1802, d'affiner 1'experience en limitant la lumiere incidente arrivant sur le prisme par une fente tres etroite. II esperait que 1'appareil ainsi constitue, le spectroscope, lui permettrait de separer les couleurs. II n'en fut rien mais il observa un grand nombre de raies noires dans le spectre continu du soleil. Usage de la spectrometrie Ce phenomena permit la decouverte de nombreux nouveaux elements chimiques pendant la deuxieme partie du xixe siecle. Par exemple, ('helium fut d'abord decouvert dans le spectre solaire. De fagon generate, I'importance de la spectroscopie en astronomie a ete considerable. Les raies d'emission d'un meme element ont pu etre regroupees, de maniere purement experimental, en series obeissant a des lois mathematiques simples (serie de BALMER, LYMAN...), mais ce ne sont que la theorie atomique et I'atome de BOHR qui ont explique ces relations. La spectroscopie constitue une puissante methode d'analyse : le prisme est souvent remplace par un reseau optique et les appareils modernes a base d'interfSrometre a trajet continument variable conduisent a enregistrer la transformee de FOURIER du spectre (depuis 1980).
69 - Raies du spectre de I'hydrogene - serie de BALMER
L'experience fut ensuite reprise par J. VON FRAUENHOFER qui mesura la longueur d'onde de 576 fines raies noires dans le spectre solaire. Puis W.H. Fox TALBOT montra, en 1826, que si la lumiere solaire traversait une flamme chargee de certaines substances, d'autres raies noires s'ajoutaient aux precedentes. L'idee que les raies de FRAUENHOFER etaient dues a 1'absorption dans 1'atmosphere solaire fut confirmee
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
lorsque J. FOUCAULT y decouvrit le doublet jaune du sodium. Enfin KIRCHHOFF et R. BUNSEN comprirent, en I860, qu'en dehors du spectre continu emis par un corps chauffe, les divers elements chimiques presentaient des spectres de raies d'absorption ou d'emission (apres excitation).
CHAPITRE IX LES ACTIONS A DISTANCE Ce chapitre va trailer successivement du magnetisme, decouverte specifiquement chinoise puis des vibrations, phenomenes tres etudies en Chine mais egalement en Grece, tout au moins en ce qui concerne la musique, et enfin des ondes electromagnetiques, decouverte totalement europeenne dans laquelle tous les grands pays europeens ont conjugue leurs efforts, mais seulement a partir du xixe siecle.
LE
MAGNETISME
LE MAGNETISME
TERRESTRE ET LA CHINE
La seule substance naturelle ferromagnetique est un oxyde de fer Fe3O4, la magnetite1. Bien avant notre ere, les Chinois ont observe que des echantillons de ce produit s'orientaient dans le champ terrestre. Les taoi'stes ont alors utilise ce phenomene dans les processus de choix des orientations privilegiees d'une installation (temple, cimetiere, maisons), c'est la geomancie (feng - shui) (vent - eau).
70 - Operation de geomancie dec rite dans le Shu Jing
1. En anglais : lodestone ou loadstone.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Au cours de leurs demeles avec les Barbares du Nord, les Xiongnus, les troupes chinoises se perdaient frequemment dans le desert de Gobi, de meme que les chercheurs de jade, aussi, des le ive siecle avant J.C., le livre du maitre de la vallee du diable preconise 1'emploi d'indicateur austral (les boussoles chinoises indiquent de preference le sud). Puis une mention plus detaillee apparaft dans le livre de maitre HAN FEI, un alchimiste taoiste (- 300 • - 233). A 1'epoque HAN, la boussole est constitute d'une cuillere en magnetite, equilibree sur son arrondi et dont la queue indique le sud. Elle est posee sur une plaque de bronze poli.
71 - Boussole HAN (- 200 • + 200) Cuillere en magnetite, plaque en bronze poli
A partir du ve siecle, d'apres NEEDHAM, les geomanciens utilisent des aiguilles d'acier, aimantees par frottement sur un bloc de magnetite, operation qu'il faut repeter assez souvent. L'usage en navigation ne se repand que beaucoup plus tard ; 1'astronome SHEN GUA (1030 • 1094), dans le Recueil des propos de I'etang des reves ecrit en 1088, pretend que 1'usage de boussoles, faites d'aiguilles aimantees munies d'un flotteur en forme de poisson sur un bol d'eau, est connu depuis longtemps. Le dispositif est singulierement astucieux car il evite les frottements solides qui induisent des erreurs de direction, maintient horizontale la boussole malgre les mouvements du navire et compense automatiquement la composante verticale du champ terrestre. Cependant, il n'y a encore aucune allusion a une quelconque boussole dans les nombreuses descriptions des voyages maritimes de moines bouddhistes du vme siecle en direction de Nara, la capitale japonaise de 1'epoque.
72 - Boussole flottante - 1086
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IX - LES ACTIONS A DISTANCE
A partir de 1150, la pointe effilee d'un bambou logee dans une coupelle en bois dur d'un sujet animalier, porteur d'une aiguille aimantee, remplace parfois le systeme a flotteur. A cette epoque, les ingenieurs militaires fabriquent en serie des aimants en chauffant 1'acier au-dessus du point de Curie, et en laissant 1'aiguille refroidir en direction du champ terrestre (ZENG GONG LIANG dans L'Art militaire, en 1040).
73 - Boussole sur pivot -1150
Apartir de cette date, de nombreuses references parlent de «l'aiguille flottante pointant vers le sud», telle 1'ordonnance gouvernementale de ZHU Fu gouverneur de Canton en 1100 2, ou 1'ouvrage de MENG YUAN LAO, a la gloire de 1'ancienne capitale des SONG en 1148, qui donne a 1'officier en charge du compas le nom generique de Huo Zhang qu'il conserve jusqu'au xvme siecle. En Chine, 1'aiguille flottante reste le montage predominant jusqu'au milieu du xvie siecle, tandis que 1'Ouest prefere le pivot a sec. Cette derniere formule, adoptee par les Hollandais, utilise une pointe d'acier supportant un bol de cuivre renverse, et tel que le centre de gravite du systeme mobile soit tres au-dessous du point de contact, afin que son poids contrebalance la tendance a piquer du nez sous 1'influence de la composante verticale. A partir du xvne siecle, les pirates japonais adoptent le systeme hollandais et le communiquent peu a peu aux Chinois. 2. NEEDHAM fait allusion a un livre de navigation tamoul du IV6 siecle, parlant d'une maccha-yantra (machine-poisson), mais cela reste a verifier.
134 LE MAGNETISMS
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE EN EUROPE
La premiere mention de la boussole se trouve dans le De Naturis Rerum d'Alexander NECKHAM en 1190, puis elle est citee par Guyot DE PROVINS en 1205 et Jacques DE VITRY en 1218. Une idee logique serait de supposer une transmission de la boussole par les Arabes presents a Canton depuis le ixe siecle. Cependant, aucune reference arabe n'a ete decouverte avant celle du Jami Al Hikayat, ecrit en 1232 par Muhammed AL AWFI, ni aucune d'origine indienne de cette epoque ou d'auparavant3. Un certain nombre d'allegations concernant 1'usage de la boussole par les Vikings ou 1'alignement des eglises medievales sur la direction du champ magnetique se sont revelees fantaisistes. Mais la premiere etude scientifique serieuse du phenomene est certainement celle d'un ingenieur militaire, P. DE MARICOURT, dans une breve Epistola de magnete en 1269. Ce travail attire 1'attention de R. BACON, a Oxford, qui le considerait comme le modele des etudes scientifiques experimentales. Par contre, 1'usage pratique de la boussole en Mediterranee ne se developpa que tres lentement, la meconnaissance du phenomene de declinaison (voir ci-dessous) la rendant peu utilisable. L'aiguille flottante a cependant ete utilisee dans Test de la Mediterranee par des navigateurs arabes et turcs. On trouve au musee de Damas un bol de ceramique destine a recevoir une aiguille flottante ottomane. II est date de 1520, date de la mort du sultan SELIM. A 1'exterieur de ce bol sont indiquees les valeurs de la qibla pour les principales villes du MoyenOrient. La qibla est Tangle que fait avec le meridien du lieu la direction de la Kaaba de La Mecque, vers laquelle il faut se prosterner au cours de chacune des cinq prieres de la journee.
74 - Le bol de Damas
LA DECLINAISON
La direction du champ magnetique terrestre n'est pas le nord-sud geographique. Elle fait avec celui-ci un angle 0, appele declinaison, qui varie d'un lieu a 1'autre : le pole magnetique Nord est actuellement situe en terre d'Ellesmere au nord du 3. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 4(1), Cambridge University Press, 1977, p. 279.
IX - LES ACTIONS A DISTANCE
135
Canada, mais il se deplace a 1'echelle du siecle (il y a meme eu, hors periodes historiques, des retournements complets de la polarite magnetique qui servent a dater certaines roches eruptives). Les taoi'stes se sont rendus compte du phenomene et le premier a 1'etudier est Yi XING qui mentionnerait (cela n'est pas tres certain), en 720, une declinaison Est de 2° 95' a Chang'an, la capitale de 1'epoque. Vers 880, un grand geomancien mesure une declinaison de 7,5° a 1'Est, et les roses des vents de 1'epoque portent un cercle decale de cette valeur par rapport au Nord geographique, dans le sens Quest: c'est ce qu'on appelle le systeme Feng Zhen de maitre YANG. Mais, au xne siecle, un autre geomancien mesure une declinaison de 7,5° dans 1'autre sens et introduit un autre systeme : le Zhong Zhen de maitre LAI. Les systemes de ces maitres entrent en violente concurrence sans que 1'on se rende compte que chacun a eu raison a son epoque et que la declinaison a change.
75 - Alidades entourant une aiguille flottante Le Sud est en haut et le 2e cercle est decale de 7,5° vers I'Est suivant la declinaison du systeme Feng Zhen.
Par contre, 1'astronome SHEN GUA, dont nous avons deja parle, a compris la variabilite de 0 et en retrace les valeurs au cours du temps, notant qu'en 1086 Tangle s'est pratiquement annule a Kai Feng (capitale des SONG du Nord). A Paris, la declinaison en 1556 etait a I'Est et valait 10°. Elle est a 1'Ouest depuis 1660 et elle est passee par un maximum de 22° 14' en 1814. Elle subit des fluctuations journalieres. L'inclinaison sur 1'horizontale est de 66° a Dunkerque. On a egalement retrouve, dans certaines cites chinoises, plusieurs alignements des murs et des remparts differents selon la date de construction, correspondant a des mesures de geomancie faites a des epoques differentes 4. En Europe, le phenomene est longtemps inconnu. La premiere boussole qui en tienne compte est allemande et date de 1450. Certains ont meme pretendu que cet effet avait ete decouvert par Christophe COLOMB !
4. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 4(1), Cambridge University Press, 1977, p. 312.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Nettement plus tard, un medecin anglais, William GILBERT (1544 • 1603), public en 1600 un ouvrage intitule De magnete, qui est un melange d'etudes experimentales soignees et de magie naturelle moyenageuse. II apporte cependant deux resultats fondamentaux : * le champ magnetique terrestre est du au fait que la terre est un gigantesque aimant spherique, * le magnetisme est un effet radicalement different de 1'electrostatique, bien que ces deux phenomenes manifestent tous deux des pouvoirs d'attraction. Le xviii6 siecle n'apportera rien de nouveau dans le domaine des aimants, mais developpera largement 1'approche de I'electricite, en attendant la glorieuse synthese du xixe siecle (voir ci-dessous).
LES VIBRATIONS
MECANIQUES
GENERALITES SUR LA MUSIQUE La musique est une creation de YHomo sapiens extremement repandue dans toutes les civilisations. Elle manifeste, au meme titre que la peinture et la sculpture, 1'apparition de preoccupations esthetiques qui caracterisent l'homme. Sans doute y avait-il deja, a 1'epoque des fresques parietales de la grotte Chauvet, une musique dont aucune trace n'est restee 5. Pour pouvoir suivre le developpement de la physique qui sous-tend cet art, nous aliens d'abord rappeler quelques definitions. Une note sonore est un ebranlement sinusoidal d'ondes de pression longitudinale, qui se propagent dans un corps materiel (souvent 1'atmosphere). Cet ebranlement est caracterise par sa frequence (ou hauteur), sa composition en harmoniques eventuels6 (son timbre) et son energie (proportionnelle au carre de 1'amplitude de pression). Dans 1'intervalle des sons audibles (generalement de 20 a 10 000 hertz), on divise les frequences en echelles successives limitees par un son et son octave (frequence double). Chacun de ces intervalles ou gamme est lui-meme divise en un certain nombre de frequences ou notes dont 1'oreille est susceptible de reconnaitre la difference. En raison de 1'importance du role des harmoniques, les intervalles i entre les notes sont caracterises par des rapports simples, et si Ton veut les comparer, il est commode de prendre le logarithme decimal de leur rapport de frequences. Ainsi le savart, unite d'intervalle, est s = 1000 log i. 5. On vient de decouvrir, il y a quelques semaines, dans un site neanderthaleen, un os creux perce lateralement de plusieurs trous. Cela pourrait etre une flute et 1'art musical ferait un bond dans le passe. 6. La vibration de 1'emetteur, entretenu ou simplement lache hors d'equilibre (corde ecartee par 1'ongle, frappee par un marteau...), est generalement un mouvement complexe qui peut s'analyser par la methode des series de FOURIER qui fournit 1'amplitude des harmoniques. M. SOUTIF, Vibrations - Propagation - Diffusion, Dunod, 1970, p. 55.
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IX - LES ACTIONS A DISTANCE
Les gammes et leur division en notes dependent des civilisations et de la maniere dont elles jugent la consonance plus ou moins acceptable des accords de deux notes : lorsque 1'oeil recoit deux longueurs d'ondes visibles, il en fait une synthese qui donne une couleur, mais lorsque 1'oreille recoit deux notes, elle les distingue separement, elles et leurs harmoniques (qui peuvent etre creees par la mecanique non-lineaire de l'oreille).Lorsque les deux notes de 1'accord ont en commun des harmoniques, 1'accord est excellent. Si, au contraire, leurs harmoniques different et produisent des battements, ceux-ci sont desagreables. HELMHOLTZ dit: «l'essence de la dissonance repose sur 1'existence de battements rapides. Ceux-ci produisent sur les nerfs de 1'auditeur une impression dure et desagreable.» Les accords de quinte (3/2) et de quarte (4/3), sans compter bien sur 1'octave (2/1), sont tres agreables. LA MUSIQUE GRECQUE ET
MESOPOTAMIENNE
Elle decoule de 1'usage de la corde vibrante dans plusieurs instruments, dont 1'instrument roi, celui d'ORPHEE, la lyre. La frequence est tres simplement fonction de la longueur de la corde et 1'on obtient 1'octave en divisant par 2 la longueur. Une corde vibrante est une tres mauvaise antenne et rayonne tres peu par elle-meme. En effet, le mouvement avant est court-circuite par le mouvement arriere dephase de 71 et tres peu distant, car 1'epaisseur de la corde est petite par rapport a la longueur d'onde sonore. C'est done le support de la corde, excite par celle-ci, qui rayonne avec des harmoniques. Ceux-ci d'ailleurs resultent du mouvement de la corde elle-meme lorsqu'elle est excitee par un plectre ou un doigt7.
76 - Joueur de harpe
L'octave est divisee en 1 ton et 2 tetracordes (eux-memes divises en 2 tons et 1 demiton), soit au total 12 demi-tons comme la gamme europeenne moderne. Ces notes sont definies par des fractions simples de la longueur de corde du son initial. L'origine de cette musique est probablement mesopotamienne, et elle a du diffuser vers 1'Ouest grace au voyage en Orient de PYTHAGORE, qui a ensuite bati toute sa cosmologie sur 1'existence d'harmonies celestes que 1'habitude nous empeche d'entendre. La musique du Moyen Age est tout a fait similaire jusqu'a la Renaissance, ou ZARLIN invente la gamme moderne de 7 notes principales augmentees de dieses conduisant a 12 demi-tons. 7. M. SOUTIF, Vibrations - Propagation - Diffusion, Dunod, 1970, p. 64.
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
138
La gamme de ZARLIN Cette gamme se presente ainsi : Nom de la note Ut Re Mi Fa Sol La Si Ut Frequence relative 1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2 9/8 10/9 16/15 9/8 10/9 9/8 16/15 Intervalle Intervalle en savart 51 46 28 51 46 51 28 II y a done 3 types d'intervalle : • le ton majeur 9/8 • le ton mineur 10/9 • le 1/2 ton majeur 16/15 On a ainsi une sorte de regie graduee par des traits inegalement espaces : lorsque I'on change la frequence initiale, par exemple pour utiliser un instrument pre-accorde, la nouvelle regie decalee ne coincide pas avec I'ancienne et peut provoquer de nombreux battements inacceptables.
LA MUSIQUE
CHINOISE
La legende veut que LING LUN, ministre du fameux empereur jaune, soit alle vers 2000 avant J.C. en Occident rechercher les precieux bambous. En effet, tous les systemes de mesure chinois derivent de mesures acoustiques pratiquees sur des tuyaux sonores, et le terme lu [ ^"f. ] designe a la fois le tuyau sonore et la loi juridique. L'acoustique est une science fondamentale, car les sons reglent 1'harmonie du monde, et le meme caractere [$$-] sert pour ecrire la musique (yue) et la joie (le). La gamme est a la fois tres similaire et tres differente de celle des Grecs. A partir du tuyau sonore initial, on constitue une batterie de 12 tuyaux par le precede dit spirale des quintes : on multiplie la longueur de 1'etalon par 2/3, puis celle-ci par 4/3, puis 2/3, ensuite 4/3... Au bout de 12 operations done 12 notes, on est extremement pres de 1/2 : (262/531) et Ton a ainsi 1'octave a environ 1 coma pres. Ici comme en Grece, les intervalles ne sont pas egaux. Cette maniere de proceder a ete decrite par 1'historien Si MA QIAN (- 145 • - 90), mais des batteries de 12 cloches de reference existaient deja sous les ZHOU. On n'en utilisait que 5 ou 7 suivant le ton choisi.
77 - Les 12 tuyaux sonores de la gamme chinoise A partir du 7e tuyau, il y a decalage d'une octave pour ne pas finir par des frequences trop aigue's.
139
IX - LES ACTIONS A DISTANCE
Les instruments de musique chinois Us different profondement des notres et montrent une connaissance approfondie des etats de resonance. * Les derives des tuyaux sonores sont essentiellement la flute (Xiao) et 1'orgue a bouche a 13 tuyaux (Sheng). * Les cloches peuvent constituer des orchestres complets. La plupart du temps, elles ne comportent pas de battant mais sont frappees de 1'exterieur. Certaines ont la forme creuse dite en cloche, mais on en trouve egalement des plates, en bronze ou en pierre, dont la forme est soigneusement ajustee pour eliminer des partiels dissonants.
78 - Batterie de cloches de la tombe du Marquis Yi Royaumes Combattants
79 - Cloche plate du temple de Foshan Guang Dong
Les tambours et les gongs sont tres developpes et tres etudies pour eviter egalement les partiels dissonants. En effet, les etats stationnaires d'une membrane circulaire sont donnes par les zeros de la fonction de BESSEL J0, et non par les nceuds d'une sinusoi'de 8. Les zeros de J0 ne sont pas egalement espaces, si bien que le son comprend normalement des partiels non-harmoniques (cas d'une casserole trappee sur le fond). En renforcant experimentalement 1'epaisseur de la paroi sur les bords, ou par un bossoir central, on peut deplacer les partiels pour les amener a la bonne valeur. C'est ce qu'actuellement font les steel-band jamai'cains sur les hits de petrole. 8. M. SOUTIF, Vibrations - Propagation - Diffusion, Dunod, 1970, p. 193.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Une autre decouverte experimentale chinoise est qu'aux fortes excitations, les mouvements ne sont plus lineaires et que les solutions, done le ton, changent. Ce phenomene est mis a profit dans le xiao luo et le da luo de 1'Opera de Pekin, pour obtenir un son qui glisse vers le bas ou vers le haut au cours de l'amortissement, pour finalement se stabiliser. Enfin des instruments a cordes existent egalement: * le violon a 2 cordes, er-hu, ou 1'archet est engage sous les cordes, * la guitare a 4 cordes, pipa, excitees par le gras du doigt, * divers luths dont le plus interessant est le grand luth a 7 cordes, le gu qin ($ *?*•), instrument de prestige des lettres. Dans ce dernier cas, le jeu, tres subtil, consiste a changer le timbre des cordes en modifiant le type d'attaque par les doigts.
80 - Lettre jouant du gu qin
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IX - LES ACTIONS A DISTANCE
LE
TEMPERAMENT
L'echelle que constituent les notes de la gamme n'a pas ses intervalles regulierement espaces. Si Ton decale le ton initial, par exemple en utilisant, dans un orchestre, un instrument a accord fixe, les notes de cette nouvelle echelle ne coincident pas avec les precedentes pour la plupart, et on observe des dissonances qui amenent a restreindre le nombre de notes employees. Ce phenomene a ete souligne au ne siecle, dans le Huai Nan Zi. Un prince musicologue, ZHU ZAI Gu, propose, en 1584, de modifier legerement chaque frequence de maniere a egaliser les intervalles dans la limite de tolerance de 1'oreille. II obtient ainsi une gamme aisement transposable qu'il presente dans la Nouvelle relation de la science des instruments a bouche.
81 - Orchestre de chambre
Get ouvrage, public a Canton, arrive a la connaissance du pere Marin MERSENNE (1588 • 1648), ami de DESCARTES, auteur en 1636 d'une mesure de la vitesse du son. II traduit ce texte en 1636 et propose de normaliser a 50 savarts et 25 savarts les tons et demi-tons de la gamme de ZARLIN, ce qui correspond a un deplacement
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
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maximum de 4 savarts, alors qu'une oreille exercee distingue difficilement un espacement de 5 savarts. Cette nouvelle gamme, appelee gamme temperee, sera utilisee pour la premiere fois par J.S. BACH, dans le Clavecin bien tempere, en 1722. LA PROPAGATION DES ONDES
La propagation du son et les phenomenes de resonance sont tres tot etudies en Chine. En particulier, les travaux sur les tambours conduisent a considerer le son comme une modification d'un milieu, le souffle-esprit, le qi (»^), et le tympan comme une membrane vibrante recevant cette vibration (TAN QIAO, 940). Beaucoup de phenomenes de resonance sont decrits : cloche dans une salle, ondes stationnaires a la surface d'un bol (bol cracheur), ... Mais le travail le plus remarquable concerne la detection des ondes sismiques. La Chine est traversee de failles de cisaillement causees par la percussion de la plaque tectonique indienne sur I'Asie centrale, et sujette a de graves tremblements de terre que le pouvoir central voulait connaitre tres rapidement. L'astronome ZHANG HENG, en 132, inventa un systeme de detection base sur 1'instabilite Le pendule inverse d'un pendule inverse. Lorsque Si le moment du couple de rappel de I'encascelui-ci est excite, il provoque la trement est suffisamment fort, sous I'action d'une perturbation, il surpassera le moment chute de billes metalliques dans du poids de la masse m et la position d'equila gueule de grenouilles, suivant libre verticale est stable. des azimuts censes representer la Dans le cas contraire, cette position est direction concernee. Le systeme instable et le pendule s'ecarte d'un cote ou de I'autre jusqu'a une position d'equilibre de pendule inverse a ete utilise en caracterisee par un angle notable. Occident pour la premiere fois A la limite entre ces deux cas, le pendule est par 1'abbe DE HAUTEFEUILLE, en «presque» instable et il vibre tres largement a 1708, et est reste tres longtemps la la moindre perturbation. base des sismographes modernes.
82 - Schema du sismographe de ZHANG HENG
IX - LES ACTIONS A DISTANCE
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L'ELECTROMAGNETISME II s'agit la d'un tres important chapitre de la science europeenne du xixe siecle.
LES LOIS DE L'ELECTRICITE Les phenomenes electrostatiques sont connus depuis 1'Antiquite, tant en Grece qu'en Chine. Le nom d'electrum est attribue a 1'ambre par HERODOTE, au ve siecle avant J.C., et PLATON rapporte dans le Timee le pouvoir attractif de 1'ambre sur des petits fragments, mais c'est seulement PLUTARQUE et PLINE qui precisent que 1'ambre doit etre frotte auparavant. Les Chinois disposent d'une resine de conifere voisine de 1'ambre, en provenance de Haute-Birmanie, et jouissant de proprietes analogues. Apres la periode HAN, toutes les pharmacopees mentionnent Hu Bo, 1'ambre jaune, et WANG CHONG cite le phenomene d'attraction pour identifier 1'ambre vis-avis des imitations. Cependant, a 1'Quest comme a 1'Est, rien ne se produit plus avant la machine electrostatique de Otto VON GUERICKE en 1640, a Magdeburg, qui declencha les experiences de Stephen GRAY en 1720. Celui-ci decouvrit que la vertu electrique pouvait se transmettre le long d'un fil de soie et qu'il y avait deux sortes d'electricite qui s'attiraient ou se repoussaient. A 1'aide de machines electrostatiques de plus en plus puissantes et de la bouteille de LEYDE, simple condensateur a dielectrique de verre, les experiences se multiplierent. . i i. -n j T ,-,. , Avec une bouteille de LEYDE amehoree, 1'abbe NOLLET rangea en file, a Versailles, une congregation de peres Chartreux longue de 3 kilometres, chaque pere etant & ' H r relie au precedent par un fil de fer, et au moment de la decharge tous sauterent en 1'air de facon tres spectaculaire. B. FRANKLIN r en 1750, en chargeant une bouteille de LEYDE avec un cerf-volant pris dans un orage, demontra 1'origine electrique de la foudre.
*- oraSe Dans les conditions d'orage, il existe sous les cumulus de violents courants d'air ascendants qui , pa rfrottement, chargent positivement les gouttes de pluie qui tombent, aux depens de I'air qui mont( et char f , f negativement le cumulus, lequel s ionise de fagon intense. La decharge a lieu entre le nuage et le sol. Pour cela, si le nua e est ^ * 50° m^res d'altitude, il faut environ 150 millions de vo,ts de di ff er ence de potentiel.
Entre 1760 et 1770, J. PRIESTLEY et H. CAVENDISH font I'analogie entre I'electricite et la gravitation et proposent la loi en 1/r2, mais c'est Ch. COULOMB qui prouve experimentalement cette loi, en 1785, avec sa fameuse balance de torsion. Cette experience, comme celle de LAVOISIER a la meme epoque, est 1'une des premieres manifestations d'un appareillage precis et sensible. COULOMB est un ingenieur du Genie sorti de I'ecole de Mezieres. A cote des chantiers dont il a la charge, il s'interesse a divers problemes de mecanique. Apres sa nomination en 1781 a 1'Academie, il quitte sa charge pour se consacrer a la physique. II etudie la torsion des fils
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
metalliques ou de sole en 1784, et construit deux boussoles de precision pour le directeur de 1'Observatoire de Paris, Jean-Dominique CASSINI (4e astronome de la dynastie des CASSINI). Ces boussoles, suspendues a un fil de soie, doivent etre suffisamment sensibles pour enregistrer les variations diurnes de la declinaison magnetique, et pour cela sont placees dans les caves de 1'Observatoire. C'est dans ces caves que COULOMB etudie un hygrometre avec lequel il cherche a comprendre les pertes de charge de conducteurs electriques. C'est alors qu'il construit la balance de torsion permettant 1'etude de la force d'attraction entre deux spheres chargees, et verifie la loi en 1/r2 en 1785. Cette experience sera contestee par plusieurs physiciens dont DE Luc, un Suisse, sous pretexte qu'elle n'est pas facilement reproductible.
83 - Balance de torsion de Charles COULOMB Memoire sur I'electricite et le magnetisme 1785 -1789
L'etape suivante clot le xvme siecle: c'est la construction par Alessandro VOLTA, a Bologne, de la premiere source de courant continu, en 1799. II s'agit d'une pile de disques de cuivre et de zinc alternes, separes par du carton humide. Grace a cette source, toutes les lois du courant electrique sont etablies de 1820 a 1837 : *Georg OHM, un maitre d'ecole allemand, etudie la resistance des fils metalliques et suppose que le courant est lie a une sorte de tension electrique analogue a la temperature dans 1'ecoulement de la chaleur (comme dans la loi de FOURIER, deja etablie a cette epoque). + Hans Christian OERSTED, un Danois, observe la deviation d'une boussole au voisinage d'un fil electrique rectiligne. II etablit ainsi un premier rapport entre I'electricite et le magnetisme, deux 84 - Piles d'A. VOLTA -1799 domaines sans rapport jusque-la. Mais il est tres
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IX - LES ACTIONS A DISTANCE
deconcerte par la deviation qu'il observe et qui echappe a son interpretation. Le fait qu'il public cependant ses observations marque bien la rupture complete, a cette epoque, avec la pensee scolastique et la preeminence de la theorie sur 1'experience. 4 Andre Marie AMPERE, un Franc.ais, explique le resultat precedent et en donne la loi, de 1821 a 1825. 4 Michel FARADAY, un Anglais assistant de H. DAVY (dont nous avons vu le travail en electrochimie) etudie V action inverse du magnetisme sur une boucle conductrice fermee et montre qu'un champ magnetique variable cree un courant. II precise les concepts de champ, de lignes de forces et de flux qui vont permettre, d'une part, a MAXWELL, un Ecossais, de developper une des theories physiques les plus puissantes et, d'autre part, aux ingenieurs tel Z. GRAMME, un Beige, de creer les techniques de courants forts qui vont revolutionner la vie moderne. Toute 1'Europe s'est donnee rendez-vous pour ce festival de resultats. Le concept de ligne de force et de champ a distance rompt definitivement, apres NEWTON et la gravitation, avec le dogme grec de la force de contact. C'est une etape decisive dans la comprehension des lois de la physique, et elle va ouvrir la voie a 1'etude par MAXWELL de la propagation a distance de ces forces, et a la decouverte de la nature de la lumiere. LES ONDES
ELECTROMAGNETIQUES
II restait a faire une synthese de 1'electricite et du magnetisme, ce qui fut fait par James Clerck MAXWELL (1831 • 1879), professeur a Cambridge. De 1855 a 1864, celui-ci elabora une theorie mathematique minutieuse 9, montrant que toute variation du champ electrique enframe un champ magnetique variable et reciproquement. II etablit alors les relations mathematiques traduisant les resultats d'AMPERE et de FARADAY, en utilisant la notion de champ, derivee des notions de force, bien fixees par FARADAY. L'ensemble des champs electrique et magnetique, indissolublement lies, se comporte comme une onde se propageant a la vitesse de la lumiere c. Par suite, la lumiere est une onde de ce type et inversement; un tres grand eventail d'ondes nonlumineuses doit exister avec les memes lois de propagation que la lumiere.
Application industrielle des lois de MAXWELL Le premier telegraphe avec fil, utilisant le courant continu et le systeme de communication Morse, est installe en 1844 entre Baltimore et Washington. Puis la premiere liaison sousmarine intercontinentale entre Angleterre et Etats-Unis est ouverte en 1866, avec I'aide de physiciens comme Lord KELVIN, et le telephone est realise par l'Americain Graham BELL en 1876. Enfin, les ondes radioelectriques sans fil se developpent apres la decouverte, en 1890 du premier detecteur, le cohereur de E. BRANLY. L'ltalien G. MARCONI realise une premiere liaison France-Angleterre en 1896, puis transatlantique en 1901. L'appel au secours du Titanic, en 1912, popularise la TSF.
9. M. SOUTIF, Vibrations - Propagation - Diffusion, Dunod, 1970, chap. VI.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
La premiere demonstration de 1'existence de telles ondes a ete donnee par H. HERTZ, en 1888, en fabriquant les premieres ondes radio. Les equations de MAXWELL sont etablies dans un milieu bien precis pour lequel la vitesse est c. II en resulte que dans un autre milieu, en translation par rapport au precedent, la vitesse n'est plus c. Ce milieu de reference a ete, pour MAXWELL, Tether, un milieu qui baigne 1'espace et tous les corps transparents, et qui n'offre aucune resistance au mouvement malgre 1'effroyable rigidite qui semble necessaire a une vitesse aussi elevee que c (nous avons vu dans le chapitre precedent la remise en cause de Tether).
CHAPITRE X LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
INTRODUCTION L'energie dont nous disposons a 1'heure actuelle sur la planete provient presque exclusivement du soleil. Seule 1'energie nucleaire trouve son origine dans la nucleosynthese qui suit les gigantesques explosions de supernovae. Parmi 1'energie venant du soleil, une grande partie a ete stockee sous forme fossile (charbon, petrole et gaz), pendant des centaines de millions d'annees, et seule une petite quantite se renouvelle journellement sous forme de rayonnement direct (IKW/m 2 sous incidence normale), ou induite par celui-ci, force des vents, ruissellement de 1'eau ou synthese chlorophylienne. Ces dernieres energies, dites renouvelables, representent un appoint interessant et souvent localise, mais leur ordre de grandeur est sans rapport avec les besoins energetiques des pays developpes. Nous aliens examiner successivement 1'histoire de la maitrise par 1'homme de ces energies : * 1'energie biologique (I'homme et les animaux), 1'energie du vent et de 1'eau, * 1'energie du petrole, si omnipresente au xxe siecle, n'a pas eu beaucoup d'impact pendant les periodes qui nous interessent, * enfin, la vapeur (par le charbon) et 1'electricite meriteront un developpement important en raison des connaissances physiques qu'elles mobilisent. Les besoins de 1'utilisateur exigent souvent que des mecanismes varies soient mis en ceuvre pour lui fournir 1'energie sous la forme la plus appropriee, et nous terminerons ce chapitre en evoquant certains de ces modes de transmission.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
L'ANIMAL, LE VENT, L'EAU ET LE GAZ L'ENERGIE ANIMALE ET L'HOMME
La domestication de quelques gros mammiferes a ete un des facteurs les plus puissants de 1'evolution humaine a partir du neoliihique. Les uns, dont nous ne parlerons pas ici, ont ete une source de nourriture ou de vetements mais quelques-uns ont, des le debut, fourni de 1'energie : Fane probablement en premier, puis le bceuf et le chameau (ou le dromadaire). Les conditions de reussite d'une domestication sont complexes, mais force est d'admettre que presque aucun cas n'a ete reussi apres le neolithiquel. Le cheval (Equus caballus) est un cas particulier important. L'ordre des ongules perissodactyles etait tres represente en Amerique des 1'Eocene (Phenacodus, puis Hipparion), ensuite il a completement disparu, et seule une espece emigree en Asie centrale a survecu. II en restait encore quelques exemplaires en 1870, lors des explorations de 1'officier russe PRJEVALSKI. Get animal a ete domestique par les tribus indo-iraniennes qui ont envahi 1'Inde et 1'Europe a partir de 2000 avant J.C., grace a la puissance militaire apportee par le char attele au cheval et les armes en bronze (voir chapitre I). Cependant cet avantage ne repose pas sur la puissance de l'animal mais sur sa vitesse.
85 - Evolution de I'attelage du cheval (a) Sangle de gorge - (b) Bricole de poitrail - (c) Collier
L'usage du cheval en tant que fournisseur de travail exige qu'il soit attele convenablement, afin de fournir 1'effort a partir de sa poitrine et de ses epaules. Or, au debut, 1'attelage par le cou etranglait 1'animal des qu'une traction devait etre exercee. Les Chinois, a la periode HAN, inventerent 1'attelage par la bricole de poitrail, sangle placee beaucoup plus bas que le cou et, des cette epoque, 1'usage civil du cheval vint conforter 1'usage civil du fer (voir chapitre I) pour defricher le pays. A partir du vme siecle, le collier que nous connaissons, portant sur les epaules, est represente a Dun Huang sur la route de la soie. Ce precede n'atteint 1'Europe qu'au xne siecle. 1. Par exemple, les equides sont des ongules perissodactyles. Tres nombreux au debut du quaternaire, il n'en reste que tres peu de genres. L'un d'eux est le rhinoceros. Pourquoi cet animal puissant n'a-t-il pas ete domestique ?
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
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L'oasis de Dun Huang et le site de Mogao Les grottes de Mogao constituent la plus vaste fondation bouddhique de Chine. Sur la route de la sole, dans le desert de Gobi, elles sont situees pres de I'endroit ou la route se divise en deux branches, nord et sud, pour eviter le desert de Taklamakan a I'extremite ouest de la grande muraille.
86 - La route de la sole Le premier sanctuaire fut consacre en 366 et I'ensemble fut abandonne sous les Mongols (dynastie YUAN, 1268 • 1368). A son apogee, sous les TANG, le site comprenait un millier de grottes decorees. Completement abandonne au xnie siecle, le site est reste admirablement conserve grace a la secheresse du desert et a son isolement. II fut redecouvert en 1905 par Aurel STEIN qui reussit a trouver Templacement de la bibliotheque mur^e et s'empara de 7 000 manuscrits et 500 peintures pour le British Museum. Paul PELLIOT acquit egalement, en 1908, 6 000 manuscrits et des centaines de peintures pour le musee Guimet. Us furent suivis par des Japonais, des Russes (OLDENBURG, en 1914) et des Americains avant que le gouvernement chinois n'y mette le hola. L'ensemble de ces documents et leur continuite, de 366 a environ 1300, forment un tresor inestimable portant sur I'histoire du bouddhisme chinois, de I'art religieux et plus generalement de la civilisation chinoise pendant un millenaire.
87 - Une grotte ZHOU du Nord
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
88 - Attelage par la bricole de poitrail Bas-relief HAN du ier siecle avant J.C.
De meme, la protection des sabots par des fers cloutes est attestee dans les tombes des nomades siberiens du lenissei' et n'atteint Byzance et 1'Occident qu'au xie siecle. Tableau des puissances animales disponibles Cheval de trait Boeuf Ane Homme (pompant) Homme (manivelle)
Puissance (watts)
Rapport au cheval
580 400 150 45 60
1 0,66 0,25 0,076 0,104
L'homme lui-meme est, bien entendu, mis a contribution et d'autant plus que 1'esclavage le permet. Nous verrons un exemple particulierement frappant au chapitre suivant sur la propulsion des navires, mais on trouve de tres nombreux exemples de travail humain dans le pompage de 1'eau d'un fleuve ou d'un canal vers les rigoles d'irrigation d'un champ : le chadouf, puits a contrepoids, ou la pompe a palette en usage en Chine depuis le ive siecle (voir plus loin).
89 - Un chadouf Gravure de 1637
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
151
Dans la construction des cathedrales, les grues sont mues par des hommes places dans des cages d'ecureuil, exactement de la maniere dont les Remains construisaient leurs fortifications (voir chapitre Mecanique).
90 - La pompe a palettes, normalisee des la periode TANG
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
LE VENT
Le premier systeme mu par le vent est un gadget construit par HERON D'ALEXANDRIE et decrit dans Sur les pneumatiques. II commandait une pompe qui actionnait des instruments de musique. II n'y eut aucune suite. Les mentions suivantes sont arabes : les freres BANU MUSA (environ 850), celebres inventeurs, decrivent des moulins a vent dans le desert de Sistan, en Iran pres de la frontiere afghane, endroit ou souffle un vent tres regulier. Le plan du moulin est horizontal et des murs de magonnerie canalisent le vent vers une attaque laterale, comme dans une turbine. L'axe de rotation, vertical, entraine directement la meule du moulin. En Occident, les premiers dessins se trouvent dans le Psautier du moulin a vent, ecrit a Cantorbery vers 1270. Le plan de la roue est devenu vertical et son axe peut etre oriente face au vent, grace a une rotation de tout le moulin ou seulement du toit. Les ailes, rigides ou non, ont une inclinaison d'environ 17° sur le plan de la roue. Mais pour actionner une meule horizontale, il est necessaire d'avoir un renvoi a 90°, engrenage en general en bois, qui represente une importante perte d'energie. Des le debut du xrae siecle, ces moulins a farine se repandent largement, rencontrant une tres forte hostilite paysanne. Ce machinisme medieval s'accompagne en effet d'un monopole au profit du seigneur qui en rend 1'usage obligatoire et onereux2. Dans plusieurs endroits, 1'autorite (seigneurs ou abbes) fait detruire manu militari les moulins a bras de ses administres pour les obliger a porter leur farine au moulin, comme le font des 1207 les moines de Jumieges. L'abbe de Saint-Albans, en Angleterre, fait paver son parloir de meules confisquees aux pay sans. Par la suite, les moulins furent egalement utilises pour actionner des pompes a eau, soit pour 1'alimentation en eau potable, soit pour 1'assechement des polders gagnes sur la mer, comme en Hollande. C'est en remarquant les limites de la hauteur de pompage que TORRICELLI a eu 1'idee de son experience avec un tube a mercure (voir chapitre VI). Le moulin a vent chinois est tout different: le plan de la roue reste horizontal mais les palettes deviennent des voiles de jonques qui deventent automatiquement, comme au lof 3, quand apres le demi-tour moteur elles reviennent vers le vent. Cette solution, fruit de la competence des marins, conduit a une localisation dans Test et le long du Grand Canal.
2. J. LE GOFF, La Civilisation de VOccident medieval, Arthaud, 1984, p. 342. 3. Voir encadre - Glossaire maritime, chapitre XI.
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
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L'EAU Ou a etc inventee la roue a aubes mue par un courant d'eau ? La question reste entiere car ce dispositif apparait pour la premiere fois, dans les references dont nous disposons, a peu pres au meme moment a 1'Ouest et a 1'Est. A 1'Quest, le moulin a grains decrit par VITRUVE (27 avant J.C.) ou STRABON (24 avant J.C.) est attribue a MITHRIDATE. II comprend une roue verticale qui actionne la meule a 1'aide d'un engrenage a angle droit. Ce type de moulin se repand lentement en France, en Allemagne et en Angleterre. Une version differente avec une turbine horizontale, montee sur le meme axe que la meule, diffuse a partir de la Syrie vers la Grece et 1'Europe du nord.
91 - Moulin a roue verticale de VITRUVE
Les roues se perfectionnent par un choix judicieux de Tangle de la palette a Tinterieur de la roue, ou par T acquisition d'une forme creuse, en cuillere. En Extreme-Orient, la premiere description connue (Hou HAN SHU, en 31) concerne un dispositif beaucoup plus complexe, destine a actionner des soufflets metallurgiques dans la region de Nanyang. On obtient un mouvement alternatif a partir d'une roue a aubes horizontale et d'une manivelle. II est possible que cette application ait ete inspiree par des moulins a grains beaucoup plus simples, dont la trace n'apparait cependant que plus tard (Du Yu, 224 • 284). L'ingenieur GAO (494 • 554) developpa de nombreuses applications de Tenergie hydraulique a la metallurgie. C'est vers cette epoque qu'apparaissent les marteaux a forger, souleves par des culbuteurs places sur un axe rotatif. II est certain que la preeminence de longue duree, acquise par la Chine pour le travail de la fonte et de 1'acier, doit beaucoup au remplacement de 1'energie humaine par Tenergie mecanique. De meme 1'invention du soufflet a double effet a eu une reelle importance economique au ne siecle avant J.C., en Chine4. Son usage permet un progres significatif dans 1'obtention de hautes temperatures dans les fours a ceramiques et les installations metallurgiques. Ce progres sera encore accru lorsque le mouvement alternatif de la commande pourra etre actionne par une roue a aubes et une manivelle, eliminant ainsi 1'usage d'une main-d'ceuvre plus couteuse et permettant des unites plus puissantes. 4. Le joint souple entre piston et cylindre (segments dans les systemes actuels) est constitue de plumes et de papier.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Soufflet a double effet - Chine, ive siecle avant J.C. 92 - Soufflerie metallurgique actionnee par un moulin a eau
En dehors de Chine, les soufflets sont essentiellement en cuir et pour obtenir une ventilation continue, il faut doubler leur nombre. C'est ainsi qu'au Japon, les installations de metallurgie fine utilisent le iaiara, systeme de deux poches de cuir compressees alternativement par le poids de deux equipes de trois hommes.
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
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93 - Une tatara, soufflet a double effet de la metallurgie japonaise
En Europe, ce sont encore des dispositifs en cuir qui sont decrits, en 1540, par BIRINGUCCIO et il faut attendre les brevets de J. WILKINSON, en 1757, pour trouver des systemes a double effet essentiellement identiques a ceux presentes par le Nong Shu, en 1313.
94 - Soufflerie a double effet de John WILKINSON - 1757
On signale egalement un premier marteau de forge a Issoudun, en 1116. Au xme siecle, les dispositifs restent le culbuteur et le soufflet en cuir. Ce n'est qu'en 1588, dans Diversi et artifidose machine de A. RAMELLI, que sont repris les systemes a manivelles et tringleries en usage en Chine des les SONG 5.
5. J. NEEDHAM, Science and Civilisation in China, vol. 4(11), Cambridge University Press, 1977, p. 379.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
95 - Soufflerie metallurgique de RAMELLI - 158S
Les roues a aubes peuvent etre montees sur une embarcation comme moyen de propulsion (voir chapitre XI) mais si la barque est solidement arrimee, elles peuvent entrainer une meule et servir de moulin au fil de I'eau, dispositif tres frequent en
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
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Europe comme en Chine ; une gravure de 1550 montre plusieurs systemes amarres a Lyon, pres du pont de la Guillotiere.
96 - Trois bateaux moulins a Lyon, pres du pont de la Guillotiere -1550
En general, pour obtenir une energie suffisante, I'utilisateur eleve localement le niveau de I'eau par un barrage dont la chute alimente la turbine. Mais, ce faisant, il diminue le niveau de chute pour un barrage plus en amont et conduit a de graves
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
conflits d'interet, comrne ce fut le cas pour le barrage de Bazacle sur la Garonne, long de 400 m et construit en 11776. Enfin, un dispositif d'elevation de 1'eau tres frequent est base sur un principe analogue : une grande roue verticale plonge dans le courant qui la fait tourner grace a des palettes. Elle est garnie sur sa circonference de recipients qui se remplissent dans le courant et se vident en haut dans un petit aqueduc. C'est la noria. L'appareil a sans doute ete invente en Inde, au ier siecle avant J.C. II atteint peu de temps apres le bassin mediterraneen. Une mosai'que du ier siecle le represente a Apamee, en Syrie. On releve a cette epoque de tres nombreuses installations sur 1'Oronte et dans la vallee du Khabour, affluent de 1'Euphrate. En Chine, la noria apparait un peu plus tard. La premiere allusion date de 186, mais ensuite on construit en bambous de tres grandes roues, telles celles des bains publics de Luoyang en 914. Dans la sphere arabe, on utilise egalement une chame de recipients : la saqiya.
97 - Une saqiya arabe AL JAZARI -1206 La source d'energie peut etre I'eau ou un animal.
LE PETROLE, LE GAZ ET L'EAU SALEE
Le forage de puits de tres grande profondeur est une technique specifiquement chinoise. Bien que parfois destines a obtenir de I'eau (puits artesien), ces puits sont surtout utilises pour la production de saumure (dont on extrait le sel) ou de gaz naturel: puits a feu. Le petrole liquide lui-meme n'est guere utilise, sinon dans des resurgences de naphte, utilisees pour graisser les essieux des chariots. II existe dans les provinces du Gansu et du Si Chuan de nombreuses poches souterraines d'eau salee et de gaz, dont 1'exploitation commence des le ier siecle avant J.C. Celles-ci ont fourni, et continuent a fournir, le sel dans ces provinces eloignees de la mer. 6. J. GIMPEL, La Revolution industrielle du Moyen Age, Le Seuil, 1975, p. 24.
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
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La methode de forage est celle que les Americains appelleront, 2000 ans apres, kicking her down. Un outil de fonte suspendu a un cable de bambou est souleve d'environ 60 cm par un levier, sur lequel sautent deux hommes, et retombe quand ceuxci redescendent. On enfonce ainsi dans un sol alluvionnaire des trains de tige de bambou atteignant chacune 40 m, a partir d'une construction legere (un derrick) atteignant 75 m de haut. Bon nombre de ces puits atteignent 900 m de profondeur et le plus profond 1450 m.
98 - Derricks au Si Chuan
La plupart de ces forages ne produisent que du gaz. Celui-ci est conduit par des tubulures (toujours en bambou) dans de grandes chambres de bois, ou il est melange a de 1'air et envoye ensuite a des bruleurs qui font bouillir la saumure pour en extraire le sel. II peut encore servir a eclairer des agglomerations. En 347, un voyageur chinois traversant la region decrit la lueur des puits a feu qui se reflete la nuit dans le ciel tout entier. Cette technique a ete decrite par un arabe, AL BIRUNI, en 1010 et utilisee en Europe en 1126, a Lillers, pour creuser un puits artesien. Mais le precede n'est connu en detail qu'en 1828, grace a des lettres ecrites par un missionnaire franc,ais du nom d'IMBERT. En 1859, le colonel Edwin L. DRAKE, avec 1'aide de travailleurs chinois, fore a Oil Creek en Pennsylvanie le premier puits de petrole des Etats-Unis.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Pendant la deuxieme moitie du xixe siecle, 1'usage essentiel du petrole a ete 1'eclairage, bien que Beau DE ROCHAS ait fait breveter le cycle du moteur a essence a quatre-temps, en 1862 et R. DIESEL le moteur qui porte son nom, en 1893. Mais la premiere construction en serie de voitures a essence est due a H. FORD en 1907 qui, a cette occasion, inventa le travail a la chafne, tandis que RENAULT sortait les taxis parisiens AG-1 (taxis de la Marne) a 1'unite, a partir de 1905, avec le remplacement du bandage de roue plein par des pneumatiques.
LA CHALEUR ET LE TRAVAIL LA NOTION DE TEMPERATURE ET SA MESURE
L'idee de temperature est-elle purement subjective ? Lorsque nous touchons un objet chaud, nous ressentons une impression, de meme une aiguille nous fait sentir une piqure. La piqure n'est pas une propriete de 1'aiguille, la sensation de chaleur n'est pas une caracteristique du corps touche ! Ce raisonnement a prevalu jusqu'au xvie siecle, et le premier a affecter une propriete de temperature a un corps et a la caracteriser a sans doute ete G. DELLA PORTA, que nous avons vu en Optique, et qui decrit une sorte de thermoscope en 1606 dans Pneumaticorum : c'est une boule de verre remplie d'air, prolongee vers le bas par un tube fin. Ce tube plonge dans une solution coloree. On chauffe 1'ampoule qui expulse un peu d'air et, en se refroidissant, fait monter le liquide dans le tube. Le niveau de celui-ci, refere sur une planchette, change avec la temperature de la boule. Le medecin SANTORIO (SANCTORIUS DE PADOUE) utilise, en 1612, le systeme pour mesurer revolution de la fievre chez ses patients qui prennent la boule dans la bouche. Un dispositif different est a la base des thermometres de Florence, en usage des 1641 : la boule est, cette fois-ci, surmontee du tube et remplie d'eau ou d'esprit de vin. Le niveau du liquide est repere par des echelles souvent a 50 divisions, mais en tout cas sans point de comparaison entre elles. Guillaume AMONTONS ameliore, en 1702, le systeme de SANTORIO en plac.ant la boule a la base et en la surmontant d'un tube a mercure. II travaille ainsi avec de 1'air comprime a volume constant (les diametres de 1'ampoule et du tube etant dans le rapport 58/1), mais surtout fixe un repere pour la graduation avec la temperature de 1'eau bouillante. II reste bien entendu sensible aux variations de la pression atmospherique. 99 - Thermometre d'AMONTONS -1702 Le tube est rempli de mercure jusqu'en A alors que la boule E, remplie d'air, est plongee dans I'eau bouillante. II mesure ensuite les temperatures T < 100°C.
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X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
A partir de 1701, Ole ROMER (1'astronome) construit des thermometres a alcool en utilisant une echelle a deux points fixes : le melange d'eau et de glace, note 7° 1/2 et la chaleur du sang, note 22° 1/2. FAHRENHEIT remplace en 1720 1'alcool par du mercure, mais conserve la merveilleuse logique de la graduation en fixant a 212° 1'ebullition de 1'eau sous 28 pouces de pression. En 1741, le Suedois A. CELSIUS retient les deux points fixes de la glace fondante et de 1'eau bouillante proposes par REAUMUR en 1730, et leur attribue les valeurs 0°C et 100°C qui seront reprises en 1794 par la Convention sous le nom de degres centesimaux, transformers en degres Celsius par la conference Internationale de 1948 7.
QU'EST-CE QUE LA CHALEUR ? Des le debut, deux conceptions s'affrontent: la chaleur c'est du mouvement, des vibrations ou bien c'est un fluide, le calorique, qui penetre partout. Les experiences de calorimetrie, qui montrent que la chaleur se conserve, plaident plutot pour le fluide, mais celui-ci n'affecte pas de la meme maniere les corps qu'il occupe et Joseph BLACK (1728 • 1799), medecin ecossais, dans une serie d'etudes de 1761 a 1765, definit les chaleurs specifiques et les chaleurs latentes de changement d'etats. Pour IRVINE, eleve de BLACK, il est possible de determiner la quantite absolue de calorique dans un corps et par suite le zero absolu, temperature ou il ne reste aucun calorique dans le corps. LAVOISIER et LAPLACE determinent les chaleurs specifiques des solides en les pla^ant dans une sphere creuse de glace, et en mesurant la quantite d'eau qui fond avant 1'equilibre de 1'ensemble a 0°C. Us supposent que le fluide calorique dans un corps est partiellement libre et partiellement combine, comme 1'eau de cristallisation et 1'eau de dissolution dans un sel. Par contre, B. DE RUMFORD, en alesant des canons pour 1'Electeur de Baviere, montre que le frottement degage de la chaleur, ce qui s'explique aisement par la theorie de vibrations.
<«IKMISTHV
100 - Calorimetre de LAVOISIER et LAPLACE publie a Londres en mars 1802 7. R. LOCQUENEUX, Prehistoire et Histoire de la thermodynamique classique, Cahiers d'histoire et de philosophic des sciences 45, SFHST, 1996.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
LA DILATATION DES GAZ
Les premieres experiences sur les gaz sont celles de BOYLE, entre 1660 et 1669, qui lui donnerent 1'idee que le produit PxV etait constant (voir figure 41). Pour cela, il utilisa une pompe a vide de O. VON GUERICKE et travailla a la temperature constante de la glace fondante. Ces travaux seront repris de fagon plus rigoureuse par E. MARIOTTE (1620 • 1684), avec 1'aide de 1'Academic des sciences. Mais ce n'est qu'en 1802 que GAY-LUSSAC montra que tous les gaz permanents se dilatent de la meme maniere, en fonction de la temperature. Par exemple, a pression constante, il trouve qu'entre 0 et 100°C tous les gaz augmentent de 0,375 fois le volume initial, valeur ramenee plus tard par REGNAULT a 0,3663 (100/273). Peu apres, en 1823, FARADAY reussit a liquefier par pression un certain nombre de gaz, ce qui conduit aux fameux isothermes P = f (V) d'ANDREWS, en 1876, qui firent les delices de tous les taupins. II reste a etudier les chaleurs specifiques. DELAROCHE et BERARD s'y employerent en 1812, dans des experiences reprises entre 1853 et 1862 par REGNAULT : tous les gaz parfaits ont la meme chaleur specifique a pression constante dans les memes conditions (temperature et pression). L'etude de la vitesse du son conduit a la mesure de y, rapport des chaleurs specifiques a pression et a volume constants. Elle a ete faite par LAPLACE, puis par POISSON en 1823, et donne pour I'air y = 1,3492. Une question a fait couler beaucoup d'encre au cours de ces etudes : celle de la mesure de la chaleur specifique et du calorique du vide. CLEMENT et DESORMES presentent en 1812 des resultats fondes sur trois suppositions 8 : 4 la chaleur est 1'effet d'un fluide elastique, le calorique, * il n'y a que de la chaleur libre et non-combinee dans le corps, * le vide contient de la chaleur a la maniere des corps. Au cours de leurs manipulations, ils introduisent de 1'air exterieur dans un ballon contenant de I'air en depression et mesurent la pression sur le moment, puis apres retour a la temperature ambiante. Cela permet d'atteindre le rapport ybien que cela ne fut pas le but de 1'operation, mais 1'histoire n'a retenu que cette experience involontaire. LA LOI DE DULONG ET PETIT (1819)
C'est un exemple interessant d'adhesion rapide aux theses atomistes de DALTON : on obtient une loi simple en substituant aux chaleurs specifiques des corps simples celles de leurs atomes qui ont tous la meme capacite pour la chaleur. A 1'epoque, la determination des poids atomiques n'etait pas encore tres sure et la loi ainsi enoncee a permis de choisir entre plusieurs hypotheses : ainsi, les valeurs correspondant au fer, au nickel ou au zinc ont-elles ete divisees par 2. 8. R. LOCQUENEUX, idem, p. 104.
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION LA DIFFUSION DE LA CHALEUR SELON J. FOURIER9 (1768
163
•
1830)
Apres avoir etabli la loi de conduction de la chaleur en regime permanent dans un barreau calorifuge (loi analogue a la loi d'OHM, mais etablie avant celle-ci), FOURIER, nomme prefet de Grenoble par NAPOLEON de 1802 a 1815, s'attaque au probleme le plus general de revolution, au cours du temps, d'une distribution de temperature quelconque dans un solide quelconque, sous 1'effet de la conduction. A partir de 1'equation generale d'evolution, equation de diffusion de la chaleur qui sera plus tard utilisee pour bien d'autres phenomenes, J. FOURIER est amene a mettre au point tout un arsenal mathematique qui transcende largement ce probleme precis et trouve des applications en optique ou en electronique moderne10. Les transformations de FOURIER sont maintenant des algorithmes informatiques tres utilises en mesures physiques.
LE CHARBON ET LA VAPEUR LE CHARBON ET L'lNDUSTRIE
Nous avons vu que partout le combustible de choix, permettant d'atteindre les hautes temperatures necessaires en ceramique et metallurgie, est le charbon de bois. En Chine, cependant, la houille commence a remplacer ce produit a partir de 300 et participe a 1'expansion du pays dans la production de fer et de fonte. En Europe, a la fin du xvie siecle, 1'Angleterre vient cependant a manquer de bois et les artisans doivent se convertir au charbon de terre qui affleure dans le Pays de Galles et le Northumberland. L'organisation industrielle grossit, de 1'atelier artisanal a la manufacture et la production de houille a Newcastle, par exemple, passe de 30 000 tonnes en 1563 a 500 000 tonnes en 1658. Mais a ce rythme la production de surface est vite epuisee et il faut creuser, parfois jusqu'a 100 m, et 1'eau inonde les mines. Le probleme industriel majeur de 1'Angleterre aux xvne et xvme siecles devient celui du pompage. Les plus grands noms de la physique s'interessent alors au probleme : HUYGENS vers 1675, BOYLE a la meme date, LEIBNIZ en 1705. En 1690, un Frangais immigre en Angleterre, Denis PAPIN (1647 • 1712), imagine divers dispositifs dont un moteur a poudre et un autre systeme a piston, mais sa contribution la plus durable est 1'invention de la cocotte-minute avec soupape de securite. Thomas SAVERY (1650 • 1715) a quelque succes avec un systeme a double effet: de la vapeur chasse vers le haut 1'eau d'un ballon, puis sa condensation cree un vide
9. M. SOUTIF, Vibrations - Propagation - Diffusion, Dunod, 1970, p. 245. 10. M. SOUTIF, idem, p. 71.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
dans ce ballon qui aspire alors de 1'eau sous quelques metres de hauteur. La progression de la technique est genee par la difficulte d'usiner des cylindres et pistons etanches, et la necessite de ne pas depasser les pressions de vapeur que peuvent supporter les soudures (nombreux accidents mortels). Cette machine pouvait remplacer un cheval, d'ou le terme de horse-power (HP) du a SAVERY. Enfin, en 1702, Thomas NEWCOMEN (1663 • 1729), unbricoleur genial, sorte de garagiste abonne aux Philosophical Transactions de la Royal Society, invente la premiere pompe a feu reellement utilisable : de la vapeur etait injectee dans un cylindre sous une pression de 1'ordre de la pression atmospherique, puis condensee par un jet d'eau froide creant un vide qui aspirait le piston. Celui-ci etait lie mecaniquement au piston de la pompe, mais celle-ci etait separee. Ainsi, il fallait refroidir 1'ensemble du piston de 1'engin, mais pas la pompe elle-meme, comme c'etait le cas chez SAVERY. Le cylindre en laiton etait poli a la main et un anneau de cuir etanchait le piston. A partir de 1720, toutes les mines s'equipent et on rouvre celles qui etaient noyees. Pendant 50 ans, cette pompe va transformer 1'industrie anglaise. La houille, de moins en moins chere, est transformee en coke : ce produit du chauffage en vase clos de la houille est debarrasse de toutes les impuretes non-susceptibles de bruler ; c'est un squelette carbone a 1'etat pur, permettant de plus hautes temperatures que le charbon de bois et plus resistant mecaniquement. Son invention avait eu lieu a la fin des annees 1640, par les brasseurs de Derby qui 1'employaient pour secher le malt, non pour obtenir une temperature elevee mais un sechage sans odeur. En 1769, il existait en Angleterre 99 machines de NEWCOMEN dont la plus grande avait un cylindre de 190 cm, car la metallurgie avait su profiter de la fonte au coke. A cette epoque cependant, le systeme est uniquement une pompe a vapeur, qui pompe une remontee d'eau jusqu'a un chateau d'eau, et c'est la chute d'eau, actionnant un moulin a eau, qui distribue 1'energie dont la manufacture a besoin.
WATT ET LA MACHINE A VAPEUR WATT (1736 • 1819) apporte deux modifications fondamentales a la machine precedente. Au lieu de refroidir a chaque temps le cylindre principal, il se borne a le mettre en relation par un robinet avec un condenseur, recipient maintenu a basse temperature et qui impose son vide : a elle seule, cette modification apporte 75% d'economie de combustible. Puis il injecte la vapeur non plus a la pression atmospherique, mais sous forte pression pour pousser le piston. Enfin, il introduit alternativement la vapeur sur les deux faces du piston. II suffit alors de transformer le mouvement alternatif en rotation continue, grace a un systeme bielle-manivelle, pour que toute la partie hydraulique devienne inutile. En 1785, la filature ROBINSON s'equipe et, en 1802, plus de 65 grosses machines sont en service, remplagant les manufactures par les usines et entrainant la revolution industrielle. A cette epoque, il n'y a que 5 machines a vapeur en France qui n'a encore rien compris, NAPOLEON en tete («!'Angleterre est une nation de boutiquiers»), et
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
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Le regulateur a boule Une invention de WATT qui, ci premiere vue, peut passer pour secondaire, est celle du regulateur a boule. La figure 101-a montre le principe de I'appareil monte sur un axe Oz qui tourne avec la machine. A partir d'une certaine vitesse angulaire co0, les boules decollent sous I'action de la force centrifuge, soulevant la masse M qui peut commander un des parametres de la machine ralentissant sa rotation. La figure 101-b montre que la regulation est efficace entre co0 et 2to0. L'importance de ce dispositif reside dans son caractere auto-regulateur tout a fait innovant a I'epoque. II est I'ancetre d'une formidable generation de dispositifs de regulation intervenant a tous les niveaux de la physique & la biologic.
101 - Principe du regulateur a boules
pourtant il y eut autant de savants celebres en France qu'en Angleterre au xvme siecle, mais 1'economie attendait ses directives d'en haut et le haut n'avait d'autre souci que le maintien de ses privileges.
102 - Pompes a vapeur de NEWCOMEN (a gauche) et de WATT (a droite)
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Les systemes de wagonnets sur rail etaient tres utilises dans les mines anglaises, aussi G. STEPHENSON (1781 • 1848) eut 1'idee d'utiliser une machine a vapeur pour tirer des voitures sur une voie ferree. D'ou la locomotive Rocket en 1829 et le chemin de fer de Liverpool a Manchester en 1830. LE CHARBON ET LA VAPEUR EN FRANCE
Au xvme siecle, la situation en France etait tres differente de celle de 1'Angleterre. II y avait peu de gisements de houille exploites et peu de besoins, le bois etant en quantite considerable. Un essai de cokefier la houille du Creusot, en 1785, fut un echec et les tenants de la siderurgie au charbon de bois triompherent. La premiere ligne de chemin de fer, reservee au transport de la houille, fut inauguree en 1826 entre Lyon et Saint-Etienne ou un excellent charbon etait extrait. Le premier essai de transport de voyageurs eut lieu entre Paris et Saint-Germain (15 km), en 1837, malgre une tres forte opposition politique qui arguait de la mise en danger de la sante par les grandes vitesses (40 km/h). Puis 1'Assemblee nationale vota en 1840 une loi interdisant aux locomotives de faire de la fumee. Cette idee, d'inspiration ecologiste, crea un grave probleme economique car seul le coke repondait a la question et il n'y en avait pas en France. D'ou la necessite d'installer les premieres lignes importantes dans le nord, a partir de Lille, pour se fournir en coke beige, puis de prospecter le bassin du Nord-Pas-deCalais et d'ouvrir les mines franchises de cette region. Un peu plus tard, le raccordement de Grenoble au reseau PLM, en 1858, fut en grande partie favorise par 1'existence d'une mine a La Mure, d'un excellent anthracite n'exigeant pas d'etre cokefie. Ce ne fut d'ailleurs pas avant cette date que la siderurgie franchise abandonna le bois. Le ravage de la foret franchise fut cependant poursuivi par la fourniture de traverses pour les voies ferrees. A cette epoque, les locomotives s'essoufflaient tres vite dans les cotes, d'ou la necessite d'un profil de voies ferrees tres doux qui se re vela tres efficace lorsque, a partir de 1950, les grandes lignes furent electrifiees, remplagant les locomotives de 1500 C.V. par des motrices de 5000 KW permettant les vitesses de 140 km/h de la periode pre-TGV.
LA
THERMODYNAMIQUE
L'existence de dispositifs importants transformant la chaleur en travail pose de nouveaux problemes theoriques sur ce qu'est le calorique. II faut egalement calculer les performances maxima que Ton peut esperer dans les cas les plus favorables, ou les imperfections mecaniques sont negligeables.
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
167
« Sadi CARNOT analyse une machine thermique en trois constituants : une source de chaleur, un fluide transmetteur, un recepteur de chaleur. II decompose le travail elementaire suivant un cycle limite par deux isothermes (les sources) et deux adiabatiques (trajets sans echange de chaleur), et conclut que dans une machine sans frottements le calorique ne s'echappe pas et que le travail ne provient que de la chute de temperature. La chaleur n'est autre que du mouvement qui modifie sa 1
forme. Ces resultats sont publics en 1824 et CARNOT meurt du cholera en 1832.
T
adiabatique
. . .
adiabatique isotherme
103 - Le cycle de CARNOT Les echanges de chaleur se font le long des isothermes et Ton passe de I'une a I'autre sans echange de chaleur.
isotherme
v
4 James JOULE determine en 1847 la quantite de travail necessaire pour produire une quantite donnee de chaleur : c'est 1'equivalent mecanique de la chaleur J. Est-ce la meme chaleur que le calorique de CARNOT ? * Rudolf CLAUSIUS (1822 • 1898) realise que CARNOT s'est mal exprime et que le calorique s'est transforme en travail mecanique dans la machine, le montant total d'energie (et non de calorique) restant constant: c'est la premiere loi de la thermodynamique. * HELMHOLTZ (1821 • 1894) generalise les notions de chaleur et de travail en montrant qu'il s'agit de formes differentes d'une meme realite, 1'energie, dont la quantite totale reste invariable. II generalise ainsi, des 1847, le principe d'equivalence. Mais la chaleur ne peut passer d'elle-meme, sans cause externe, d'une source froide a une source chaude : pour cela le flux de chaleur seul est irreversible, ce que Ton traduit par une fonction, 1'entropie, qui croft avec la degradation de 1'energie dans les transformations irreversibles. C'est la deuxieme loi de la thermodynamique. * William THOMSON, qui deviendra Lord KELVIN (1824 • 1907), definit alors une echelle de temperature a partir du rendement d'une machine thermique reversible (sans pertes). Puisque ce rendement ne depend que des temperatures des deux sources, il permet de definir une echelle de temperature independante de tout fluide et de sortir des systemes de repere arbitraires utilises jusqu'alors. Cette echelle est ainsi definie a une constante multiplicative pres et KELVIN fixe celle-ci de maniere qu'il y ait 100° de difference entre la glace fondante et 1'eau bouillante. L'echelle de KELVIN coincide alors avec 1'echelle CELSIUS a une translation pres de 273,1°C.
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
REMARQUES SUR LA PUISSANCE MOTRICE DU FEU II y a autour de la naissance de ce chapitre fondamental de la physique, la thermodynamicjue, un melange indissociable de preoccupations theoriques et pratiques : * la puissance industrielle de 1'Europe est nee de la machine a vapeur, * le principe de la conservation de 1'energie et celui de rirreversibilite de certaines transformations ont envahi tous les autres chapitres de la physique. Si dans bien des cas des decouvertes scientifiques ont eu des prolongements techniques, c'est ici les necessites techniques qui ont pique au vif les savants. Lorsque CARNOT cherche a assimiler une machine thermique a une chute d'eau, il dit: «la puissance motrice d'une chute d'eau depend de sa hauteur et de la quantite du liquide; la puissance motrice de la chaleur depend aussi de la quantite de calorique employee et de ce qu'on pourrait nommer, de ce que nous appellerons en effet la hauteur de sa chute, c'est-a-dire la difference de temperature des corps entre lesquels se fait 1'echange de calorique». II met ainsi 1'accent sur 1'importance de la source froide, tant au point de vue theorique que dans la pratique industrielle.
NAISSANCE DE L'ENERGIE ELECTRIQUE Toutes les lois de I'electricite decouvertes dans la premiere moitie du xixe siecle sont obtenues avec des sources de faible puissance, derivees de la pile de VOLTA. Or les lois de FARADAY permettent de creer un courant electrique a 1'aide d'un champ magnetique variable, par exemple rotatif, et c'est ainsi que Zenobe GRAMME (1826 • 1901), inventeur beige travaillant a Paris, met au point en 1871 la machine qui porte son nom. Cette fois-ci, les ordres de grandeur changent; la dynamo GRAMME fournit un courant electrique continu sous une tension d'une centaine de volts et peut produire plusieurs kilowatts. Mais son interet reside dans sa reversibilite, demontree par Hippolyte FONTAINE, en 1873, a 1'exposition de Vienne. Une dynamo entramee par un moteur fournit de I'electricite et celle-ci appliquee a une autre dynamo la fait tourner. On a ainsi transporte de 1'energie par des fils electriques et Marcel DEPREZ realise a 1'exposition de Paris, en 1881, un transport d'energie sur 1800 m.
104 - Dynamo GRAMME
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
169
L'essor de Pelectricite [.'experience de M. DEPREZ est repetee en 1882 a I'exposition de Munich, sur 54 km et en 1883 entre Vizille et Grenoble, sur 14 km : dans ce dernier cas la puissance regue est de 5 kW et le rendement de la transmission 62%. L'industrie papetiere, installee aux pieds de la chaTne de Belledonne (a cote de Grenoble), utilise pour le defibrage du bois une turbine hydraulique, au pied d'une conduite forcee de 200 m de denivelee (Aristide BERGES, 1869). Elle electrifie cette source d'energie pour pouvoir deplacer I'usine et, en 1880, Marcel DEPREZ et Aimable MATUSSIERE installent 2000 CV a Domene (banlieue de Grenoble). En 1888, P. HEROULT equipe une chute a cote de la precedente, a Froges, pour la nouvelle technique de fabrication de ('aluminium par electrolyse. Le courant continu a basse tension, produit par les dynamos, est particulierement bien adapte a cette technique et, en 1889, il fabrique 2,95 tonnes d'aluminium a un prix d'ailleurs prohibitif mais, en 1900, il en fabriquera 1500 tonnes avec un prix divise par 30. Dependant, tous ces utilisateurs sont au voisinage immediat de la source electrique et le rendement deplorable de la liaison Vizille-Grenoble fait douter de la rentabilite d'un transport a distance. • Le debat fait rage jusqu'aux experiences de I'Americain N. TESLA, en 1892, qui profile de I'etude des transformateurs par FERRARIS, en 1886, pour montrer que la solution reside dans le transport sous haute tension alternative (done faible courant et peu de pertes par chauffage JOULE). En outre, TESLA realise un alternateur asynchrone et montre que les moteurs alternatifs sont plus faciles a realiser que les dynamos, puisqu'ils n'ont pas de bague de commutation. • Cette fois-ci, le mouvement est lance ; la course a la haute tension et a I'equipement de chutes d'eau commence et le congres international de Grenoble, anime par A. BOUCHAYER en 1902, prend le nom de Congres de la houille blanche. A cote de la fourniture de puissance motrice, la mise au point de la lampe a incandescence aux Etats-Unis, par Th. EDISON en 1878, offre dans I'eclairage un debouche considerable aux producteurs de courant et Aristide BERGES, dds 1897, eclaire depuis Lancey Test de Grenoble par une ligne a 12 000 volts. Pendant la construction, les poteaux de cette ligne sont systematiquement sabotes par des defenseurs de I'environnement qui estiment que Pelectricite est nuisible a la sante.
DlSPOSITIFS DIVERS DE
TRANSMISSION
Alors que 1'Occident utilise essentiellement 1'energie pour moudre le grain ou pomper 1'eau jusqu'a 1'avenement de Tere industrielle, les Chinois ont diversifie cette utilisation vers la metallurgie, la ceramique, le tissage voire une culture plus intensive, et ils ont du pour cela imaginer des liaisons mecaniques souples et adaptees que nous avons utilisees souvent beaucoup plus tard.
ENGRENAGES Des mecanismes comportant des roues dentees sont deja decrits en Grece par CTESIBIOS (vers 250 avant J.C.), et sont employes dans une grande variete de dispositifs. En Chine, on trouve quantite d'engrenages en bronze ou en fer dans des tombes, depuis la periode QIN, vers 230 avant J.C. On trouve egalement a partir de
170
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
100 avant J.C. des cliquets avec rochets utilises dans des cabestans ou des arbaletes, alors que ces systemes ne sont connus en Occident que d'apres le travail d'ORiBASius, en 350. On a egalement decouvert dans une tombe HAN (50) un engrenage cylindrique de bronze avec des dents helicoi'dales en chevrons. Cependant, la plupart des engrenages de cette epoque sont des roues a dents triangulaires (approximativement equilaterales) et les dents arrondies n'apparaissent qu'en 1027 en Chine, et au xive siecle en Europe.
PALIERS ET ROULEMENTS Dans des tombes du Shanxi du ne siecle avant J.C. ont ete trouves des objets de bronze annulaires en forme de gouttieres, cloisonnees a 1'interieur, dans lesquelles des restes de rouleaux ou de billes en fer semblent prouver leur usage comme roulements a bille ou a rouleaux. L'usage de tels roulements dans des chariots celtes, decouverts au Danemark et dates du ier siecle avant J.C., reste controverse mais leur decouverte dans les cabestans des navires romains, retrouves dans le lac Nemi au sud de Rome et dates d'environ 50, semble incontestee. On les retrouve dans des vehicules imperiaux chinois des vne et xie siecles et ils deviennent communs en Europe a partir du xvne siecle.
TRANSMISSION PAR COURROIES ET CHAINES La transmission par courroie apparait au ier siecle avant J.C., en Chine, dans des machines a bobiner la soie decrites en 15 avant J.C. La grande roue etait constitute de deux flasques en bambous, reliees par un reseau de fibres qui formaient la jante et constituaient une sorte de poulie a gorge. De telles machines apparaissent en Europe, representees pour la premiere fois sur un vitrail de la cathedrale de Chartres (1240). II en decoule la premiere reference a un rouet faite en Allemagne autour de 1280. II semble que la transmission Est-Ouest ait ete faite par des voyageurs italiens dans la Chine des Mongols. Mais les courroies de transmission, hormis le rouet, sont restees tres rares en Europe jusqu'au xvme siecle. Les pompes a godets carres (voir plus loin) utilisent, des le ier siecle, une transmission par chaine et pignon en bois qui se generalise et devient metallique sous les TANG. En 976, ZHANG Si XUN adapte le systeme au moteur de son horloge et Su SONG utilise une chaine de transmission de 6 m de long dans sa fameuse horloge (voir chapitre VI). Ensuite, de nombreux metiers a tisser utilisent cette transmission. En Occident, il faut attendre 1770 pour que J. DE VAUCANSON introduise ce systeme dans un metier a soie, puis 1869 pour 1'application a la bicyclette par J.F. TRETZ. Sous cette derniere forme, 1'invention retourne en Chine ou son usage est intensif.
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
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EXCENTRIQUE, MANIVELLE ET BIELLE
Pour faire tourner une roue a la main, le plus simple est d'enfoncer un taquet de bois dans le flan de la roue en position tres excentree. Les Chinois ont utilise cette methode des le ne siecle avant J.C., et un modele en poterie de cour de ferine HAN montre un ventilateur a vanner muni d'une telle manivelle. Celle-ci se trouve largement repandue dans des treuils, des moulins a bras, des machines a tisser. Et cependant la premiere manivelle europeenne n'apparart qu'en 830, decrite dans le Psautier d'Utrecht, pour entrainer une meule a aiguiser. En utilisant le systeme a 1'envers et en munissant la manivelle d'un bras de levier, on peut transformer un mouvement rotatif en mouvement longitudinal alternatif, ce qui permet tres rapidement aux Chinois d'actionner des souffleries a partir de roues a aubes. Le perfectionnement apporte par une bielle guidee est decrit dans le traite de WANG ZHEN, consacre en 1313 aux machines metallurgiques. Un dessin de Leonard DE VINCI propose vers 1490 le meme systeme. LA POMPE A PALETTES
Cette pompe, inventee au ive siecle avant J.C., est destinee a elever 1'eau pour alimenter a partir d'un canal les tranchees d'irrigation des champs. Elle consiste en une gouttiere de bois en U dans laquelle des palettes plates de bois grossierement ajustees sont entrainees vers le haut par une chaine sans fin, initialement en bois. Le mouvement de la chaine est obtenu par des pedaliers actionnes par les paysans. Pour un angle avec 1'horizontale de 1'ordre de 25 degres, la hauteur de pompage atteint 4,5 m (voir figure 87). Ces pompes furent standardises sous 1'administration TANG (en 828) et construites en tres grande serie avec stock de pieces detachees. L'introduction au Moyen Age de ces pompes en Coree et en Annam revolutionne I'agriculture de ces pays. A la fin du xvne siecle, la marine anglaise adopte ces pompes comme pompes de cale. L'HODOMETRE
II s'agit d'un vehicule qui enregistre la distance parcourue. Cet appareil apparait a peu pres au meme moment a 1'Est et a 1'Ouest. En Chine, une charrette comportant une figurine de bois frappant un tambour pour chaque li parcourue, et une autre figurine jouant sur un gong pour chaque dix li, est mentionnee dans des processions en 110 et 80 avant J.C. En Europe, HERON D'ALEXANDRIE decrit un chariot deja bien connu en 60, avec lequel la distance est enregistree par 1'accumulation de balles dans un receptacle. L'essentiel du systeme est constitue d'engrenages reducteurs, entraines par une roue du vehicule et il est interessant de suivre en Chine, ou 1'appareil est utilise de
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fagon continue, 1'evolution du profil des dents de 1'engrenage. En Europe, 1'appareil tombe dans 1'oubli jusqu'a Leonard DE VINCI, en 1490. Jerome CARDAN discutera la forme mathematique a donner aux dents en 1557, et P. DE LA HIRE leur appliquera en 1694 sa theorie des epicyclofdes. Nous avons deja signale la tres haute qualite de la cartographic chinoise des la dynastie TANG. L'hodometre a certainement contribue notablement a la precision des releves. LA SUSPENSION A LA CARDAN II s'agit d'un type de suspension articulee permettant de maintenir horizontal un appareil quels que soient les mouvements du support. On peut egalement appliquer ce systeme a la transmission d'un couple, a partir d'un axe de direction fixe vers un axe de direction variable (cardans des voitures a traction avant). J. CARDAN donne de cette suspension une description detaillee dans De subtilitate, en 1550. Mais il n'en revendique nullement la paternite. De fait, le dispositif est connu en Europe depuis longtemps : il a ete dessine en 1237 par VILLARD DE HONNECOURT et on en trouve des traces au ixe siecle dans des textes arabes ou latins. Cependant son origine est incontestablement chinoise, pays ou la mise au point de cet appareil est attribute a un denomme TING HUAN, en 180. Des traces encore plus anciennes de la pratique de cette suspension apparaissent dans la litterature. C'est ainsi que dans le Mei Ren Fu (Ode aux jolies femmes), vers 140 avant J.C., Si MA XIANG Ru decrit une scene d'amour agitee au cours de laquelle le brule-parfum, fixe au lit par une suspension a plusieurs cercles metalliques, reste parfaitement immobile. II est possible que cette technique soit venue en Europe a travers le Tibet ou de nombreux brule-parfums processionnaires sont montes ainsi, puis transmise par des marchands juifs du royaume KHAZAR au ixe siecle. LE
DIFFERENTIEL
Au ine siecle, un engin tres curieux est mis au point par 1'ingenieur MA JUN. II s'agit du chariot montrant le sud. Ce chariot porte une statue montee sur un axe vertical et montrant du bras une direction. Lorsque le chariot tourne, la statue pivote d'un angle egal et oppose si bien que la direction initiale, par exemple le sud, reste toujours indiquee et permet a une armee de se reperer dans le desert.
105 - Le chariot montrant le sud
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
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Le royaume KHAZAR Au milieu du vne siecle, un peuple turc nomade, les Khazars, s'installe a I'ouest de la mer Caspienne et occupe la steppe entre Volga et Don jusqu'au Caucase. II controle la route de la soie passant par le nord de la Caspienne et une des deux grandes routes entre la Scandinavie et le Moyen-Orient, par le lac Ladoga et la Volga, utilisee par les nordiques appeles Rus'. L'autre route, par Novgorod (le lac llmen) et le Dniepr, est directement utilisee par les Vikings qui, sous le nom de Varegues, domment les slaves et fondent Kiev. La capitale khazar, Itil, se developpe sur la cote nord-ouest de la Mer Caspienne et, en 740, tout le peuple khazar se convertit au judaTsme. Malgre des difficultes de voisinage, avec les Arabes Omeyyades sur le Caucase, I'empire byzantin en Crimee et les Varegues sur le Donetz, les Khazars et les Rus' se livrent a un intense trafic commercial avec la Chine et la Scandinavie*. On leur attribue I'introduction en Europe de la porcelaine, des puits artesiens, du collier du cheval, de I'arbalete, de la suspension a cardan. A partir de 900, le transit se decale au nord de la Caspienne et la richesse khazar diminue. En 969, le royaume est ecrase par SVIATOSLAV, grand due de Kiev et pere de VLADIMIR IER LE SAINT qui se convertit au christianisme byzantin en 988.
106 - Le royaume KHAZAR * T.S. NOONAN, Dossiers d'Archeologie 256, 2000, p. 82
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En 1'absence de dessins precis, plusieurs hypotheses ont ete proposees pour expliquer ce fonctionnement. L'une d'elles, a base de ficelles commandees par les mouvements du timon et provoquant 1'embrayage d'un grand pignon sur le mouvement d'une roue ou de 1'autre, n'est pas tres plausible. Celles a base de magnetisme sont carrement absurdes. La reconstitution la plus probable a ete proposee par G. LANCHESTER : lorsque tourne le vehicule, les deux roues ne decrivent pas la meme courbe et leur rotation n'a pas la meme vitesse. Elles actionnent un differentiel qui tourne de la difference entre les deux rotations, et apres demultiplication convenable commande 1'axe de la statue. C'est exactement le fonctionnement inverse du differentiel d'une voiture moderne : 1'arbre moteur, a la place de la statue, entraine le systeme qui permet aux deux roues motrices une difference de vitesse de rotation dans les courbes. Cependant, pour etre a 1'abri de decalages systematiques, la precision sur 1'egalite des diametres des deux roues et celle concernant les engrenages devraient atteindre des valeurs qui laissent perplexes. Les Chinois ne sont pas les inventeurs du differentiel: D. PRICE, dans Gears from the greeks, cite parmi une quantite de configurations d'engrenages, dont les Grecs avaient le genie, un differentiel construit en 80 avant J.C. II semble bien que 1'idee cette fois soit passee d'Ouest en Est.
CONCLUSION Nous retrouvons dans ce chapitre la superiorite technique des Chinois et la maitrise theorique des Europeens. Lorsque des idees innovantes apparaissent a peu pres en meme temps a 1'Est et a 1'Ouest, comme le moulin a eau ou les engrenages, la diversite des applications et leur usage intensif donnent tres vite une avance technique considerable a la Chine qui remplace la force de 1'homme par des machines plus puissantes et moins couteuses. Notons cependant le mouvement de va-et-vient d'une idee chinoise, la chaine de transmission metallique, qui ne penetre que tres tardivement en Europe mais retourne alors en Chine, sous la forme d'une invention occidentale qui va y remporter un enorme succes : la bicyclette. A la longue cependant, 1'approche theorique va conduire 1'Europe a maitriser une puissance energetique considerable avec la machine a vapeur puis 1'electricite et, tardivement, 1'economie occidentale fera un formidable bond en avant, et 1'avantage passera a 1'Ouest.
CHAPITRE XI LES TRANSPORTS
INTRODUCTION L'essentiel de notre civilisation s'est etabli grace a la communication : communication des idees philosophiques, scientifiques, religieuses et de leurs consequences techniques. C'est la technique qui a favorise ces echanges en permettant aux personnes de se deplacer et de faire ainsi circuler leurs connaissances, bien plus par leur presence que par des ecrits souvent rares ou fragmentaires. Les moyens de transport ont done ete un des moteurs du progres scientifique, tout en etant la consequence de celui-ci. Nous allons passer en revue ces moyens de transport en soulignant tous les problemes de physique qu'ils ont souleves : la roue et son articulation, les frottements solide centre solide, 1'action du vent sur une voile et le regime meteorologique qui le gouverne, la resistance des materiaux et leur usure, les moyens de se reperer sur mer grace a la cartographic et aux pointes des astres, enfin le role essentiel de la mesure du temps dans le calcul de la longitude. Les premiers deplacements, et les transports de marchandises correspondants, se sont faits a pied et a dos d'homme, comme cela se pratique encore en terrain tres accidente (Himalaya) ou dans les regions tres pauvres.
LA ROUE ET L'ATTELAGE LES DEBUTS
Pour utiliser des vehicules, il faut disposer de routes, sauf sur les voies d'eau ou des radeaux sont utilises tres precocement. Mais, sur terre, les premiers moyens de transport sont des traineaux qui glissent sur 1'herbe, sur 1'argile et sur les terrains un peu marecageux et c'est vers cette epoque que Ton observe 1'apparition de chemins. Des pictogrammes d'Ur montrent
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108 - Ambulance dans I'Himalaya
107 - Hotte avec bandeau frontal Femme demenageant pres de Gorepani - Nepal
109 - Porteuse d'eau au Huang Shan - Chine
110 - Roue et essieu en bois Mato Grosso
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au me millenaire avant J.C. des trameaux tires par des hommes. KHEOPS, en 2700 avant J.C., construit sa pyramide avec des blocs de pierre extraits a Tura, sur la rive est du Nil, qui descendent le fleuve sur des radeaux, et sont ensuite transportes du Nil jusqu'a Gizeh par des trameaux glissant sur une avenue de plus de 1 kilometre de long, faite de pierres polies revetues d'argile humidifiee. Des routes pavees datant de 2000 avant J.C. ont egalement ete decouvertes en Crete, a Cnossos. En Chine, des la dynastie ZHOU (vers 1000 avant J.C.), les routes sont systematiquement entretenues, les dimensions des vehicules sont normalisees et un code de bonne conduite promulgue. Les routes sont classees en cinq categories depuis le sentier pietonnier jusqu'a la route a trois voies.
LA ROUE La mise au point de la roue pose deux problemes : la realisation de la roue proprement dite, solide et pas trop lourde, et celle du mecanisme d'articulation de la roue mobile a la caisse fixe. Les premieres roues sont de petites dimensions et constitutes de 2 ou 3 planches accolees (diametre de 1'ordre de 60 cm). Elles apparaissent a Sumer vers 3500 avant J.C. et semblent diffuser a partir de la basse Mesopotamie. On les trouve ensuite en Elam et Assyrie vers 3000 avant J.C., dans la vallee de 1'Indus vers 2500 avant J.C., en Crete et Russie meridionale en 2000 avant J.C., en Anatolic en 1800 avant J.C., en Egypte en 1600 avant J.C., en Grece en 1500 avant J.C. et en Chine du Nord en 1400 avant J.C. Elles equipent des charrettes a 2 roues ou des chariots a 4 roues. L'essieu est fixe par rapport aux roues, ce qui gene les virages serres. II roule sous le chassis en glissant, tenu en place de chaque cote par 2 ergots, ce qui conduit a un frottement bois sur bois considerable et tres bruyant. De telles structures ont cependant 1'a vantage d'etre immediatement demontables en soulevant la caisse si la route vient a manquer : les uns portent le chassis, les autres le systeme essieu-roues; un bas-relief de 1'epoque neo-assyrienne de SENNACHERIB (700 avant J.C.) montre des soldats traversant ainsi une riviere avec des chariots demontes. Et meme a 1'heure actuelle, on trouve encore ce type de chariots, necessitant une enorme force de traction, dans certains pays du tiers-monde (la photo 110 a ete prise en 1961, au Bresil, a la limite du Mato Grosso). Une constante de tous ces vehicules est 1'existence d'un timon central permettant d'atteler les animaux par paire. Les premiers animaux utilises ont ete les boeufs et ensuite les onagres. Les Sumeriens ont ete les premiers a utiliser des chariots de guerre montes par plusieurs hommes et, malgre leur lourdeur et leur lenteur, ils representerent en plaine un avantage decisif. Progressivement, les roues sont renforcees par des clous en cuivre sur le chemin de roulement (a Ur et Kish a partir de 3000 avant J.C.), ou meme par une bande continue de cuivre (a Suse vers 2000 avant J.C.).
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La grande revolution s'est faite avec 1'apparition de la roue a rayons, infiniment plus legere, et de moyeux en bronze dans lesquels tourne un element d'essieu en bronze egalement. Le frottement metal sur metal est bien plus faible qu'avec le bois, et Ton a pu alors construire des chars de guerre legers et les atteler a des animaux plus rapides : les chevaux. Get animal est originaire d'Asie centrale ou PRJEVALSKI l, en 1870, a reconnu quelques specimens de la souche sauvage d'origine. II est d'abord utilise comme animal de selle par les Indo-Europeens, puis les chars rapides de ceux-ci apparaissent vers 1900 avant J.C., au nord de 1'Inde et au nord de 1'Asie Mineure (sceaux-cylindres de Perse et de Cappadoce les representant a cette epoque). Le succes de cette arme est partout immediat: il explique en particulier la defaite egyptienne du Moyen-Empire devant les Hyksos, qui occuperont 1'Egypte de 1750 avant J.C. a la restauration d'Ahmosis (Nouvel-Empire) en 1590. Mais 1'usage de ces chars sera tres vite assimile par les Egyptiens et Ton connait les innombrables representations de RAMSES n sur son char, a la bataille de Qadesh (1290 avant J.C. environ) contre les Hittites. Les chars de ce type apparaissent en Chine vers 1300 avant J.C., ou ils sont 1'apanage des nobles qui en decorent leur tombe (fosses cruciformes a chars d'An Yang). La roue a rayons reste cependant fragile tant qu'elle est construite dans un plan. Elle devient beaucoup plus solide avec 1'invention en Chine, en 400 avant J.C., de Vecuanteur : les rayons sont alternativement inclines dans un sens et dans 1'autre par rapport au plan de la jante (voir la roue de bicyclette actuelle). L'ATTELAGE Les premiers animaux atteles ont ete les bceufs et, d'emblee, le systeme utilise a ete le joug, fixe pour une paire de betes sur le timon central convenablement releve pour atteindre le niveau voulu. Lorsque le bceuf a ete remplace par 1'onagre, on s'est borne a relier le cou de 1'animal, par une sangle, au joug inutilisable. Lorsque le cheval fait son apparition, le meme systeme de harnachement par un joug puis par une sangle de gorge est naturellement utilise, ce qui a pour effet d'etrangler le cheval des que la charge devient importante. C'est pourquoi le cheval est longtemps considere comme un animal de faible puissance, utilisable uniquement pour la cavalerie, ou pour des chars2 tres legers auxquels il apporte sa plus grande qualite : sa vitesse. Mais les Chinois remplacent, a 1'epoque des Royaumes Combattants, cet attelage par un harnais de poitrail qui ameliore considerablement les performances de 1'ensemble. Cette solution n'atteindra 1'Europe que vers le vme siecle.
1. PRJEVALSKI est un off icier du tsar charge d'atteindre Lhassa a partir de la Siberie. II mena plusieurs expeditions dont 1'une echoua a quelques kilometres du but. 2. Homere dans L'lliade : «Automedon et Alkimoos lierent les chevaux au joug avec de belles courroies ; ils leur mirent les freins dans la bouche et ils raidirent les renes vers le siege du char.», Dossiers d'Archeologie 246, septembre 1999, p. 34.
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Enfin, c'est egalement en Chine que le collier est invente et sa premiere manifestation connue est reproduite sur une peinture de Dun Huang, datee de 851. Ce type moderne d'attelage, qui permet au cheval de donner toute sa puissance, ne se generalisera en Europe qu'a partir du xne siecle.
LA NAVIGATION L'USAGE DBS FLEUVES
Les premieres civilisations urbaines du Moyen-Orient se sont developpees pres de grands fleuves et grace a ces grands fleuves. Ceux-ci (Indus, Tigre et Euphrate d'une part, Nil de 1'autre) ont eu un double role : * permettre 1'irrigation de terres insuffisamment arrosees, * servir de grandes voies d'acces pour la circulation des marchandises. Nous nous interesserons ici a ce deuxieme aspect.
En Mesopotamie Les cites sumeriennes sont installees dans une zone ou regnent 1'argile, les palmiers et les roseaux. Elles manquent de produits essentiels comme le bois, la pierre, les metaux qui se trouvent sur le rebord anatolien ou les deux fleuves ont leur origine. Le bois est particulierement facile a transporter puisqu'il suffit d'en faire des radeaux, par assemblage elementaire ou montes sur des outres. Pour les deplacements locaux, il suffit d'outres (pecheurs a califourchon sur une outre, representes dans le palais de SENNACHERIB 3) ou d'embarcations rondes en armature de bambous recouverte de peaux. Des 3000 avant J.C., Ur et Mari se livrent a un intense trafic de cuivre et d'etain, en provenance d'Anatolie.
Ill - Navigation avec barque en peau et outre - Palais de SENNACHERIB 3. J.C. MARGUERON, Les Mesopotamiens, tome I, Armand Colin, 1991, p. 149.
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Des barques de roseaux (comme il en existe aujourd'hui sur le lac Titicaca) d'assez grande dimension existent des le debut, puis des embarcations en bois de 20 GUR, soit 6 tonnes de jauge sont couramment utilisees des la periode historique (allant exceptionnellement jusqu'a 300 GUR).
112 - Barque de roseaux - Lac Titicaca - 1968
En Egypte Le Nil est la seule communication normale entre les deux terres, le nord et le sud. Le courant permet de le descendre, le vent du nord (tres frequent) de le remonter, aussi c'est sans doute la que 1'usage de la voile est apparu pour la premiere fois. Ainsi, a cote des barques en papyrus ou de radeaux, sont apparus precocement de vrais navires en bois, grees d'un mat et d'une voile carree. La grande embarcation royale enterree pres de la pyramide de KHEOPS (vers 2500 avant J.C.) a 43,63 m de longueur. La construction precede de la technique du borde d'abord qui sera utilisee jusqu'au Moyen Age.
113 - Schema de la coque cousue du navire de KHEOPS
XI - LES TRANSPORTS
Les virures du borde sont cousues et les couples de la membrure rapportes ensuite. II n'y a pas de quille mais les planches sont ajustees a franc-bord. La propulsion de base est la rame et ce sont des rames laterales qui servent de gouvernail (voir glossaire pour les termes techniques). Ce sont des embarcations de ce type qui seront, 1000 ans plus tard, utilisees sur la Mer Rouge dans 1'expedition au Punt de la pharaonne HATSHEPSOUT. LA CONQUETE DE LA MER
Les premiers temps
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Glossaire maritime Balancine : cordage partant de la tete du mat et soutenant une vergue. Bordage : planche constitutive du borde. Borde : ensemble de planches formant Penveloppe exterieure du navire. Borde premier: construction antique qui consiste a assembler le bord6 avant de mettre en place la membrure. Carene : partie immergee de la coque en charge. Cargue : manoeuvre servant a replier une voile sur elle-meme pour reduire sa surface ; cordage servant a cette manoeuvre. Clin a : les bordages se recouvrent partiellement sur toute leur longueur. Couple : pieces courbes de la charpente transversale, fixees sur la quille et remontant jusqu'au plat-bord (haut du borde). Etambot: piece de charpente transversale formant I'arriere du navire. Franc-bord : les bordages sont jointifs tout le long de leur longueur. Lof - aller au lof: se rapprocher de la direction d'ou vient le vent. Membrure : ensemble des pieces courbes transversales de la charpente formant I'ossature du navire et recouvertes du borde. Preceinte : suite de planches du borde formant une virure plus epaisse et destinee a renforcer la coque ou a fixer un rostre. Quille : piece maTtresse longitudinale sur laquelle vient se fixer la membrure. Tolet: tige plantee dans le plat-bord et articulant I'aviron pendant la nage. Varangue : piece de membrure implantee symetriquement a cheval sur la quille et constituant la partie centrale du couple. Vergue : espar supportant une voile. Virure : file de bordages successifs s'etendant sur toute la longueur de la coque. Voile latine : voile triangulaire articulee sur le mat et portee par une vergue inclinee (I'antenne).
La Mediterranee est un vase clos particulierement propice a une experience maritime, malgre le danger non-negligeable qu'elle represente. Elle a d'abord ete exploree au niveau de sous-bassins plus ou moins independants. La decouverte dans des sites neolithiques grecs d'outils en obsidienne, matiere qui n'existe que dans les lies volcaniques, montre que des traversees avaient eu lieu des cette epoque, sans doute sur des barques de roseaux. A partir du me millenaire s'installerent des rapports reguliers entre 1'Egypte et Byblos puis, a partir de 2000 avant J.C, la Crete devint une puissance maritime qui ceda ulterieurement la place a la flotte acheenne de 1'Iliade. Au xie siecle avant J.C., les Pheniciens sont les maitres de la Mediterranee et fondent Carthage en 825 avant J.C. Les Grecs installent ensuite des colonies en Grande-Grece (Italic du Sud) a partir de 750 avant J.C.
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Au cours de la periode suivante les incursions hors de la Mediterranee sont rares : * les Pheniciens au xe siecle avant J.C. vont jusqu'en Cornouailles, * ils font le tour de 1'Afrique pour le pharaon NECHAO n, vers 600 avant J.C., * au ve siecle avant J.C., le Carthaginois HANNON aurait atteint le Senegal avec 30 000 hommes, * enfin, le Marseillais PYTHEAS, vers 350 avant J.C., explore le Nord jusqu'a Thule (Irlande ou mer Baltique), etudie la position de 1'etoile Polaire et I'influence de la lune sur les marees. II s'emerveille de la duree variable du jour suivant la latitude.
Les navires en Mediterranee Les premiers navires qui sillonnent la Mediterranee sont des barques non-pontees, de profil symetrique en croissant, propulsees a la rame. La navigation est cotiere et le fond plat permet de tirer 1'embarcation sur la plage le soir, ou au terme du voyage (pas de port). D'apres THUCYDIDE (1.4), la premiere marine nationale est celle du roi MINOS. Une fresque de Santorin, datee de 1600 avant J.C., represente une procession navale. La coque est deja dissymetrique et le navire possede une voile de type egyptien : plus large que haute, tendue entre deux vergues horizontales equilibrees par de nombreuses balancines; le systeme ne sert que vent arriere. La direction est obtenue par le jeu des rames et par deux rames laterales verticales a la poupe (ce systeme est constant depuis les navires de 1'Indus, 2500 avant J.C., jusqu'au Moyen Age). La force motrice est celle des rameurs. Ainsi ULYSSE dit dans L'Odyssee (chant IX, vers 560 et suivants, traduction Ph. JACCOTTET) : «Lorsque parut, naissant dans le matin, 1'aube aux doigts de rose, d'un ton pressant, j'enjoignis a mes gens d'embarquer a leur tour et de larguer 1'amarre. Embarques promptement, ils prirent place a leur tolet en bon ordre et frapperent de leur rame la mer grise.» Les navires de combat A partir du vme siecle avant J.C., on voit apparaitre de puissants navires, elances, munis d'un eperon en forme de tete de sanglier et propulses par 25 rameurs sur chaque bord : ce sont les pentecontores. Vers 550 avant J.C. apparait un deuxieme mat incline a 1'avant et muni d'une petite voile carree. Enfin entre en scene le navire de combat par excellence : la triere. La triere athenienne C'est le navire, vainqueur a Salamine (480 avant J.C.) sur les Perses et les Pheniciens, construit d'apres le decret de THEMISTOCLE. Le batiment est fin : 37 a 38 m de long pour une largeur maximum de 5,5 m. II est propulse par 3 rangs de rameurs superposes : en tout 170 hommes. II n'est pas ponte, simplement equipe de 2 gaillards, plates-formes a 1'avant et a 1'arriere, avec un equipage de 16 marins et
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XI - LES TRANSPORTS
14 combattants (10 hoplites, 4 archers); son armement principal est un rostre trilame en bronze fixe a la proue. Contrairement a certains cliches, tous les rameurs sont des citoyens libres et cela persistera a 1'epoque romaine dans la marine de guerre, ou I'ensemble de 1'equipage aura un statut analogue a celui du legionnaire pedestre. Le navire est gouverne par 2 rames arriere et muni de 1 ou 2 mats equipes d'une voile sensiblement carree, fixee a une vergue par le haut. La construction est soignee : le borde en bois est ajuste a franc-bord par des tenons et des mortaises bloquees par des chevilles. L'eperon est fixe sur des preceintes qui ceinturent la carene. Ce travail delicat offre peu de resistance a 1'avancement. Le modele identique construit par les Anglais en 1987, Olympias, a pu atteindre une allure moyenne de 7,5 nceuds pendant 24 heures, mais chaque rameur doit boire au moins 1 litre d'eau a 1'heure et disposer d'un coussin.
Construction de la coque - Systeme borde premiere
Schema des banes de nage 114 - Une triere athenienne
Pendant la mauvaise saison et pour le radoubage, le navire est tire par 1'arriere au sec, sur une rampe de pierres et de traverses de bois inclinee d'environ 10% et protegee par un toit. On trouve des restes de ces installations au Piree (port de Zea), a Kition (Chypre) et surtout dans le gigantesque port de Carthage4 (220 cales seches), detruit par SCIPION EMILIEN lors de la 3e guerre punique, en 146 avant J.C. 4. Dossiers archeo-marine antique 183, juin 1993, p. 42.
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En periode hellenistique, 1'accent est mis sur de plus grosses unites : toujours 3 rangs de rameurs mais plus d'un homme par rame (hexeres, hepteres...). Ces gros vaisseaux sont utiles a POMPEE (67 avant J.C.), dans sa lutte centre les pirates qui infestent la Mediterranee apres la chute de Carthage, lorsque Rome a conquis la mare nostrum et cesse son effort maritime. Ces mastodontes ne sont cependant guere utilisables dans les batailles rangees : ainsi a la fameuse bataille d'Actium (2 septembre 31 avant J.C.), les navires de MARC ANTOINE et CLEOPATRE (500 unites) accules dans une baie ne purent jamais prendre assez d'elan pour ecraser les bateaux plus petits et plus mobiles de la flotte d'OciAVE qui les incendierent.
Les navires de commerce Ces bateaux plus larges et plus profonds que les precedents sont parfois propulses uniquement a la voile. Us exigent done une quille et des derives bien nettes, ainsi qu'un greement plus sophistique. Us ne peuvent plus etre tires au sec sur les plages et exigent des ports amenages. Les voiles sont decomposees en petits carres commandes chacun par une cargue. Des balancines peuvent permettre d'incliner la vergue. Un petit caboteur grec du ive siecle avant J.C., naufrage par 30 m de fond au nord-ouest de Chypre, le KYRENIA, a ete fouille et reconstitue en Grece en 1985 (KYRENIA n). Ce navire fait 20 tonnes de port en lourd et il y avait a 1'epoque 3 classes de bateaux : < 80 t, de 80 a 130 t, > 130 t.
115 - Le KYRENIA u -1986
L'epave de la Madrague de Giens 5 fouillee a partir de 1972, coulee vers 60 avant J.C., a 40 m de long et 9 m de large, ce qui donne 400 tonnes de port en lourd (soit 10 000 amphores de vin). La carene se caracterise par un double borde et des fonds pinces. Elle est revetue de feuilles de plomb (etancheite, protection mecanique et poison biologique pour les coquillages parasites). 5. P. POMEY, La Navigation dans I'Antiquite, Edisud, 1997, p. 98.
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XI - LES TRANSPORTS
a - Voile de portant avec vergue brasses en pointe Toile maximum
b - Voilure de transition portant-pres Toile reduite de moitie
116 - Reduction de la voilure par le systeme de cargues
Les ports * En Mediterranee orientale, le plus grand port est celui d'Alexandrie fonde par ALEXANDRE en 331 avant J.C., dans un cirque protege par une longue lie est-ouest, situee a 1'ouest du delta du Nil. Sur cette ile, Pharos, PTOLEMEE PHILADELPHE fait construire, de 297 a 280 avant J.C., une grande tour qui eclaire a plus de 50 km.
117 - Le port d'Alexandrie - Bassin principal et phare - Le sud est en haut.
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Des ports moins importants se developpent a Ephese et Antioche, mais surtout a Delos qui est erige en port franc en 166 avant J.C., et serf de plaque tournante a tout le trafic grec. A Rhodes, le colosse qui marque 1'entree du port est detruit par un tremblement de terre en 227 avant J.C., et Rhodes est mine par Delos. 4 En Occident, le plus grand port est celui de Carthage jusqu'a sa destruction. Ensuite le developpement de Rome pose de redoutables problemes de ravitaillement parce que la production de 1'arriere-pays ne suffit plus. Les deux ports d'importation sont alors Pouzzoles et Ostie. C'est ainsi que lorsque ZENOBIE, reine de Palmyre, veut porter un coup decisif a Rome, elle s'empare d'Alexandrie en 269 pour reduire la ville a la famine. Notons aussi que Coumes a ete fonde au vme siecle avant J.C. par les Eubeens, un peu apres Pithecoussai' (Ischia), et Massilia au vie siecle avant J.C. par les Phoceens.
Les difficultes du voyage Les tempetes sont violentes et brutales. La navigation est fermee pendant les 4 mois d'hiver (mare clausum). CICERON, qui cherche a rejoindre Pompee apres que CESAR ait franchi le Rubicon (12 Janvier 49 avant J.C.), ne peut le faire et manifeste dans ses lettres sa peur de la mer (il s'embarqua le 16 avril). SAINT-PAUL, arrete en Palestine et conduit a Rome pour etre juge, derive pendant 14 jours a partir de la Crete et fait naufrage a Malte (en octobre 60) (Actes des Apotres, SAINT-LUC). Les pirates sont nombreux et les captifs se vendent bien comme esclaves.
Les navires a I'assaut de Vocean La marine celte A 1'epoque de La Tene, les Celtes utiliserent comme vecteurs de leur expansion les fleuves de 1'Europe (hors Italic) et, au contact de la civilisation des megalithes du Morbihan, adapterent leurs peniches a la mer. Ce sont les Venetes, qui furent ecrases par CESAR dans la grande bataille du Morbihan (sur la commune d'Arzon), en 56 avant J.C. Les bateaux venetes etaient a fond plat, sans quille, mais construits sur membrures et le borde cloue sur celles-ci avec des clous de fer. Le borde etait tres haut, permettant aux archers de se dissimuler et la construction resistait aux eperons de triremes que CESAR avait fait construire sur la Loire (bateau de BLACKFRIARS I, fouille en 1993). Le borde etait a franc-bord ou a clin. II existe un programme pour essayer de retrouver Tun des 200 navires coules par CESAR 6.
La navigation dans 1'Europe du Nord L'Europe du Nord utilise des batiments a un seul mat, avec des coques frustes et solides faites de planches de bois se recouvrant les unes les autres, clouees en deboite : c'est le bordage a clins. Cette methode n'exige pas d'ajustage fin, elle est facile a calfater, mais demande plus de bois et off re plus de resistance a 1'avancement; le modele initial est celui des drakkars. Les dimensions de ces navires qui sillonnent 6. D. AUFFRAY, Archeologia 347, juillet 1998, p. 28.
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1'espace baltique, la mer du Nord et la Manche, sont tres variables. La membrure est peu liee au borde, ce qui donne de la souplesse et perrnet pour de petites unites de mieux resister aux mers fortes.
L'evolution des flottes du xme au xvie siecle Cette evolution s'effectue en deux temps. Le premier correspond a 1'etablissement des liaisons Mediterranee-Europe du Nord. Les premiers voyages marchands entre Genes, ou Venise, et Bruges datent de 1295 environ. Ce sont de gros navires pansus qui mettent 3 mois, escales comprises, pour relier Venise a Bruges7, alors que la liaison terrestre se fait en 15 jours. Aussi ce sont essentiellement des matieres pondereuses qui sont transporters. Mais il s'opere une symbiose entre les deux aires geographiques : les voiles latines passent en mer du Nord, le bordage a clins en Mediterranee, tandis que se generalise le gouvernail d'etambot (1316) dont nous reparlerons. Les Basques jouent, semble-t-il, un role essentiel par leurs transports de ble et de sel. 118 - Une voile latine sur le Nil
La deuxieme evolution, au xve siecle, est le passage systematique de la galere a rames aux nefs a voiles pour le transport de marchandises. La raison de ce changement est controversee, mais il semble bien que la grande peste (1346 • 1450) y soit pour beaucoup, les equipages devenant rares et couteux et la nef permettant de diviser par 2 ou 3 le nombre d'hommes necessaires. En 1450, la nave genoise atteint 1000 tonnes metriques. A 3 mats et tres haut bord, elle represente une veritable citadelle avec ses 2 chateaux (poupe et proue) et une puissante artillerie. Elle transporte des produits lourds : vin, ble de la mer du Nord, pastel, sel, huile, savon, bois, goudrons et alun turc (pour le mordangage8 des tissus). Venise utilise des nefs plus petites, 300 tonnes, et aussi des galeres de commerce pour les produits precieux et peu volumineux (epices, en particulier, dont la Serenissime a pratiquement le monopole). 7. M. VERGE-FRANCESCHI, Henri le Navigateur, Editions du Felin, 1994, p. 192. 8. Le mordangage consiste en une modification superficielle des fibres textiles qui les rend aptes a fixer solidement les colorants.
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La caravelle portugaise Elle nait vers 1435 au Portugal, au lendemain de la conquete du cap Bojador. Pour 1'exploration des cotes d'Afrique, il faut un batiment facile a manceuvrer : voiles carree a 1'avant et latine en artimon, carene 7 a 8 fois plus longue que large, borde a franc-bord (a carvel] plutot qu'a clins mais, avant tout, petit navire pas trop cher pour expeditions pas tres rentables. Sa construction exigeait peu de bois (il fallait souvent faire venir le bois depuis le Dauphine). Un faible equipage (15 a 30 personnes) permettait une duree d'action, sans ravitaillement, de 2 a 3 mois. Grace au financement public et a 1'immense fortune de 1'ordre du Christ dont Dom HENRIQUE est le grand maitre, toute la decouverte de 1'Afrique va etre la chasse gardee du Portugal et devenir rentable par le trafic des esclaves. La traversee de Christophe COLOMB Le projet de C. COLOMB etait fonde sur un calcul doublement faux. II prenait pour diametre de la terre une valeur calculee par les Arabes, tres inferieure a la realite (dont pourtant ERATOSTHENE, vers 200 avant J.C., avait donne une bonne estimation), et une evaluation de I'etendue ouest-est de I'Eurasie tres surestimee par les explorateurs du type Marco POLO, si bien qu'il trouvait 4400 km pour la distance entre les Canaries et le Japon que la mappemonde de Martin BENHAIM plagait a la meme latitude. Cette valeur etait tres compatible avec le rayon d'action d'une caravelle de I'ordre de 6000 km. En realite, la valeur exacte est 22200 km et, sans PAmerique, C. COLOMB n'avait aucune chance de s'en tirer. Le calcul de C. COLOMB etait loin d'etre admis par tous et son projet, soumis successivement par le Portugal puis par I'Espagne a des commissions de specialistes tres correctement constitutes (ce qui prefigure la methode moderne), avait ete rejete. Son seul detenseur a finalement ete un banquier, SANTANGEL, parfaitement incompetent mais assoiffe de profits. Les deux caravelles de Palos, confisquees pour piraterie et la nef, greee en caravelle, lourde et peu manoeuvrante, qui constituent son escadre, sont en mauvais etat (reparation necessaire aux Canaries) et I'equipage pas tres recommandable. Partie de Palos le 3 aout 1492, puis des Canaries le 6 septembre, I'expedition atteint les Bahamas le 12 octobre 1492. Au cours du voyage, le seul repere serieux est I'etoile Polaire qui permet de maintenir la latitude, d'environ 28° N. L'usage de la boussole est presque impossible, compte tenu d'une declinaison inconnue et eminemment variable d'un point a I'autre. Pour estimer la longitude, on se fie surtout a un calcul de la vitesse d'apres le sillage et, eventuellement, a un calcul temps grace a des ampoulettes, sabliers que Ton retourne a la suite. Seuls C. COLOMB et les pilotes connaissent ces calculs et le journal de bord sous-estime fortement la distance (par exemple, 20 miles ramenes a 15 miles), afin de ne pas exciter I'impatience de I'equipage (qui pourtant sera plusieurs fois au bord de la mutinerie). 119 - Caravelles de C. COLOMB
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La marine chinoise En Chine, la situation est profondement differente car 1'esclavage est peu repandu et limite aux activites domestiques. Aussi le recours a la force du vent y est beaucoup plus precoce. Cela exige des progres significatifs permettant de naviguer avec vent de travers et de remonter au mieux au vent. Cela entrame des coques plus profondes, munies de derives, des voiles articulees et surtout le gouvernail axial dit d'etambot. Ce dernier dispositif, en evidence sur une poterie de Canton datee du ier siecle, ne fera son apparition en Europe qu'en 1180.
a - Amulette de I'lndus 2500 avant J.C.
b - Procession de la barque sacree Karnak 1300 avant J.C.
c - Bateau Bugi Ujung Pandang (Sulawesi) -1981 120 - Exemples de gouvernail par deux rames
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NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE L'augmentation des dimensions des jonques conduit, par securite, a 1'invention des cloisons etanches transversales, evitant le naufrage en cas de voie d'eau. Au debut du xve siecle, sous 1'empereur MING YONG LE, 1'amiral ZHENG HE conduit de vastes expeditions dans 1'ocean Indien, avec une escadre de jonques de 100 m de long, munies de 5 a 6 mats et transportant chacune de 1'ordre de 1000 passagers. Au cours de la quatrieme expedition, la flotte part de Sumatra et atteint Mogadiscio sans escale soit, en 1413, une traversee de 6 000 km.
121 - Jonque dans le port de Shanghai
1979 Le navire amiral de ZHENG HE
La Santa Maria de C. COLOMB
122 - Le navire amiral de ZHENG HE a cote, a la meme echelle, la caravelle de Christophe COLOMB (100 ans plus tard)
En parallele, la Chine utilise tres largement les transports fluviaux, soit sur les fleuves dont la direction generale est ouest-est, soit sur des canaux nord-sud tels que le Grand Canal, commence vers 610 et muni d'ecluses a sas a partir de 984 (invention de QIAO WEI YUE) 9. Sur ces voies d'eau naviguent des embarcations de conceptions tres variees, mais on doit noter 1'apparition de navires a aubes a partir de 418. Sous les SONG, a partir de 1126, le Chang Jiang forme la frontiere vis-a-vis des envahisseurs JIN, et il est patrouille par une armada de navires de guerre a aubes offrant toute la maniabilite de ce type de propulsion. 9. La premiere ecluse a sas europeenne a ete construite aux Pays-Bas, a Vreeswijk, en 1373.
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Notons pour memoire la grande competence maritime des Coreens, mise a contribution par les Mongols dans leurs deux tentatives d'invasion du Japon (1274 et 1281).
123 - Navire a aubes Dynastie SONG - 1161
Les Mongols et la mer Avant meme d'avoir donne le coup de grace a la dynastie chinoise des SONG du Sud, par la prise de Hangzhou en 1278, KUBILAI KHAN veut mettre la main sur le Japon, a partir de la Coree deja conquise. Mais les redoutables cavaliers mongols ne sont pas des marins et la construction des navires de debarquement est imposee aux Coreens. Le debarquement dans I'Tle du sud de I'archipel japonais, Kyushu, est tente en 1274 et echoue a cause de mauvaises conditions atmospheriques. En 1281, les Mongols recidivent: une flotte de 3 500 navires, avec plus de 100 000 hommes, part de Chine et fait sa jonction avec 900 navires et 40 000 hommes venus de Coree. La ligne de defense construite a la hate par les Japonais, instruits par la premiere tentative, resiste peniblement pendant 3 semaines, et survient alors un epouvantable typhon qui disperse la flotte de debarquement et noie plus d'un tiers des assaillants. C'est ce que les Japonais appellent le vent (Kaze) des dieux (Kami) : le Kamikaze, qui devint le symbole de I'action miraculeuse commanditee par le ciel.
LES TECHNIQUES DE NAVIGATION
La navigation a I'estime et aux etoiles Les premieres navigations en Mediterranee sont evidemment du cabotage le long des cotes mais les traversees directes, n'excedant pas quelques jours par beau temps, se generalisent rapidement, grace a 1'experience de capitaines qui se dirigent a partir de reperes conventionnels et de quelques etoiles. La sphere armillaire, modele reduit de la terre et des trajectoires autour d'elle des planetes et de quelques etoiles, est connue au moins depuis HIPPARCOS (ne siecle avant J.C.). Mais meme un modele plus simple, 1'astrolabe, n'est probablement pas employe sur mer a cause de la difficulte des pointes a bord.
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Ce n'est que beaucoup plus tard que les Arabes utilisent cet instrument, ou un quadrant simplifie tel celui represente sur une carte du musee du Vatican et datee de 1529.
Les cartes A Alexandrie, ERATOSTHENE 10 (- 284 • - 192), auteur d'une bonne mesure du rayon de la terre, releve tres soigneusement les latitudes des principales villes de la Mediterranee, grace a la hauteur des etoiles et du soleil au meridien. II y inclut les observations de PYTHEAS jusqu'a la mer Baltique et decrit ainsi Ycecoumene (monde connu), depuis Thule au Nord (63°) jusque vers 16° au Sud.
124 - Carte CTERATOSTHENE du monde connu au ine siecle avant J.C.
Les longitudes sont beaucoup moins connues et les distances est-ouest surestimees. Malgre tout, le monde connu, entoure d'eau, n'occupe qu'un petit quart de la surface du globe... Les cartes de CLAUDE PTOLEMEE (100 • 170) presentent le meme defaut, bien que beaucoup plus precises. Elles utilisent un reseau de coordonnees orthogonales, graduees en degres et correspondent a une projection conique de la terre sur un cone tangent, le long de la latitude de Rhodes. Ces cartes resteront ignorees au Moyen Age jusqu'a la traduction latine de M. CHRYSOLORAS et J. ANGIOLO, imprimee a Bologne en 1477. Pendant cette periode, les seuls documents serieux sont les portulans, presentant les abords d'un port et les directions de depart pour telle ou telle destination, avec une estimation de la distance. 10. J. BLAMONT, Le Chiffre et le Songe, Odile Jacob, 1993, p. 104.
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La premiere carte serieuse est deployee par 1'amiral genois Pietro DORIA sous les yeux de SAINT-LOUIS, appareillant d'Aigues-Mortes pour la croisade a bord du Paradis, en 1270. En 1313, un autre Genois Pietro VESCONTE publie un atlas general. Puis les Majorquins vont bientot s'imposer en face des Genois. En effet, Majorque est liberee des Arabes par JACQUES IER, en 1235 et le reste des Baleares par ALPHONSE D'ARAGON en 1291. Les juifs majorquins sont rejoints par ceux qui ont du quitter Avignon, le Roussillon et la Catalogne, a la suite de pogroms. Certains vont alors se specialiser en cartographie et, profitant de la culture arabe, vont realiser des chefsd'oeuvre. En 1339 apparait le planisphere d'Angelino DULCERT puis, en 1375,1'Atlas Catalan d'Abraham CRESQUES et sa mappemonde. Ce dernier devient maitre des boussoles du roi d'Aragon. Son fils Jaffruda lui succede mais doit quitter 1'Espagne, siege de pogroms de plus en plus violents; il s'embauche vers 1420 aupres d'HENRi LE NAVIGATEUR, au Portugal, sous le nom de Jaime RIBES.
La distance et le citron Le rayon (faction des caravelles n'etait pas limits par les quantites d'eau et de vivres embarquees, mais par les carences en vitamines que ne suffisaient pas a combattre les citrouilles et les oignons du bord. Le scorbut se declarait au bout de 65 a 70 jours et certains succombaient au bout de 80 jours (h^morragies). En tout cas, tout ('equipage etait mort au-dela de 110 jours. La decouverte de I'efficacite du jus de citron pour lutter centre le scorbut, carence en vitamine C, est le fait d'un medecin de marine anglais, le docteur James LIND, en 1753. Conserve longtemps secret, ce traitement participa a la suprematie de la marine anglaise de fagon nonn^gligeable. Certains affirment meme que lors de la rencontre, ie 21 octobre 1805, des marines frangaise et anglaise au large du cap Trafalgar, les marins anglais, grace 3 leurs citrons, etaient en parfaite sante, au contraire des Frangais, tres affectes par un long sejour en mer. C'est la encore un exemple flagrant de ('importance de la science dans le deroulement de I'histoire.
Gerhard KREMER (1512 • 1594), qui se fait appeler Gerardus MERCATOR, publie en 1568 la premiere carte a projection cylindrique; le principe est le meme que celui de PTOLEMEE, mais le sommet du cone est rejete a 1'infini et le contact est le long de 1'equateur. La deformation n'est pas trop grande pour les zones temperees qui seules interessent a cette epoque. Une carte sur ce meme principe a ete publiee en Chine en 940 pour decrire le ciel, et se trouve a la British Library.
La trigonometric Le calcul des angles par les cordes d'un cercle est familier aux Grecs, mais 1'inventeur des lignes trigonometriques est le mathematicien indien ARYABHATA (476 • 550), dans les Surya-siddhanta traduit par Mohammed AL FAZARI de 1'Ecole de Bagdad, puis elles ont ete generalisees a la trigonometric spherique par 1'astronome AL BATTANI. Les premieres tables marines apparaissent, sans qu'on connaisse leur histoire, dans un document genois de 1390.
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125 - Carte en projection cylindrique de MERCATOR -1595
Le regime des vents * Les vents en Mediterranee sont d'une extreme complexite et differents d'un bassin a 1'autre. L'Odyssee en donne une bonne description. Pendant les quatre mois d'hiver, toute navigation cesse dans 1'Antiquite, mais les tempetes d'ete ne sont pas moins redoutables. Le mistral qui sort de la vallee du Rhone ou le meltem, vent du nord deferlant sur la mer Egee, sevissent sou vent en ete. * Les vents de 1'ocean Atlantique sont plus reguliers. Portugais et Espagnols ont reconnu, des leur occupation des Canaries et des Azores, 1'anticyclone a 1'origine de la volta de I'Atlantique nord, qui tourne d'est en ouest le long de 1'equateur et
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revient dans 1'autre sens plus au nord : c'est le trajet qu'utilise Christophe COLOMB. Le genie de Bartolomeo DIAS est d'avoir compris que dans 1'hemisphere sud la rotation se fait en sens inverse : il ne faut pas chercher a descendre le long de 1'Afrique au-dela du golfe de Guinee, mais piquer vers 1'ouest pour revenir au niveau du Cap. C'est d'ailleurs en suivant ce chemin et meme en 1'exagerant que Pedro Alvares CABRAL decouvre le Bresil, le 22 avril 1500. * Les alizes de Y ocean Indien sont, d'apres la legende, decouverts par le Grec HIPPALE vers 100 avant J.C. Us apportent la mousson en Inde de juin a octobre et soufflent en sens inverse ensuite. Us permettent des 1'ile de Dioscoride11 de piquer droit vers Test et non de suivre la cote arabe et iranienne qui est tres hostile. C'est ce regime qu'utilise plus tard, en 1498, VASCO DE GAMA pour decouvrir la voie de 1'Inde, depuis Malindi jusqu'a Calicut.
La localisation sur mer: le point La position est definie par deux coordonnees angulaires : la latitude et la longitude. * La latitude12 s'obtient en mesurant la hauteur sur 1'horizon de diverses etoiles ou du soleil a midi, et en consultant des tables qui, bien sur, n'avaient ete etablies que pour 1'hemisphere nord. Cette mesure, faite depuis 1'Antiquite sur des sites a terre, reste tres delicate sur un navire et la precision s'en ressent. Dans 1'Antiquite, cette hauteur se mesurait avec le doigt ou avec une lance. Puis les Arabes dans 1'ocean Indien utilisent le Kamal: planchette avec une ficelle attachee en son centre ; en etendant plus ou moins le bras, on fait coincider un bord de la planchette avec 1'horizon et 1'autre avec 1'etoile, on tend alors la ficelle jusqu'a la bouche dans laquelle on prend un des nceuds que comporte celle-ci. Chaque nceud correspond a la latitude d'un port usuel. Les Portugais utiliserent une version amelioree de ce systeme : le baton de Jacob ou arbalestrille, du a 1'astronome Levi IBN GERSON (1288 • 1344). Get instrument est constitue d'une planchette de 150 cm de long sur 10 cm de large, sur laquelle coulissent une ou plusieurs branches perpendiculaires, dont on fait coincider les extremites avec 1'horizon et 1'etoile. La distance est lue sur la planchette qui est graduee tres finement par des traits longitudinaux recoupant des diagonales en zigzag. Cette sorte de vernier permet de definir la position de la branche laterale a une minute d'angle, du moins theoriquement. Ce systeme est reste utilise jusqu'au xviii6 siecle ou les sextants munis d'optique en verre se generalisent. 126 - Arbalestrille ou baton de JACOB
La plupart possedait 2 ou 3 bras lateraux de longueur differente.
11. Cette grande tie, au sud de la peninsule arabique, s'appelle maintenant Socotra. 12. J. BLAMONT, Le Chiffre et le Songe, Odile Jacob, 1993, p. 239.
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* La longitude pose des problemes beaucoup plus difficiles, au point que la methode de navigation arabe, dans 1'ocean Indien, consiste a descendre droit au sud jusqu'a 1'obtention de la latitude du port indien souhaite, puis a faire cap a Test jusqu'a I'arrivee, vaille que vaille, en evaluant le trajet effectue par la forme du sillage ou le nombre de nceuds sur une corde immergee. La methode standard consiste a reperer le midi de 1'endroit ou on se trouve, grace au soleil, et a comparer a 1'heure qu'il est en un lieu de reference, pris pour longitude 0. Pour cela, il faut emmener une mesure de cette heure de reference, done posseder un chronometre extremement stable. Or les horloges a pendule sont inutilisables en mer et les chronometres a ressort sont sensibles a la pression, a la temperature, a la tension du ressort. C'est pourquoi 1'Angleterre et la France, pretendants a la suprematie maritime, engagent toutes deux des efforts nationaux en vue de la realisation d'un chronometre de marine13, des le xvne siecle. Le parlement de Londres off re un grand prix en 1713, qui est decerne en 1765 a John HARRISON, dont 1'horloge H4 avait estime la difference d'heure entre Portsmouth et la Barbade avec une erreur de 39 secondes (soit une erreur de 9,75 minutes de longitude). En France, 1'Academic des sciences couronne Pierre LE ROY en 1769. Louis BERTHOUD, a partir de 1780, produit de 1'ordre de 150 excellents appareils.
127 Le premier chronometre de marine HI (1735) de HARRISON et les suivants H4 (1761) est au centre.
13. D.S. LANDES, L'Heure qu'il est, Gallimard, 1987, p. 223.
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Les moyens modernes de emplacement et leurs consequences Ceux-ci, voitures a essence, TGV, avions n'ont ete popularises qu'au xxe siecle ou ils ont profondement change les relations entre peuples. Dependant, la plupart des prototypes de ces vehicules ont ete mis au point des la fin du xixe sidcle. La premiere voiture a essence, une Daimler, a fonctionne d6s 1886 en utilisant le moteur a quatre-temps qui est toujours en usage. Un des premiers trains & traction electrique a ete le metro de Paris, dont la premiere ligne a ete inauguree des 1900, en courant continu a 500 volts. Le premier avion (avis, oiseau), pilote par Clement ADER, a decolle de quelques metres, en 1890, prouvant qu'un vehicule plus lourd que I'air pouvait voler. En 1904, W. WRIGHT effectua le premier vol en circuit ferme, et la premiere traversee de la Manche date de 1909 (BL£RIOT). La plupart de ces moyens de transport ne deviendront populaires (metro excepte) que dans la deuxieme partie du siecle, ce qui caracterise le temps de passage d'une innovation dans la pratique courante d'une societe. Des lors se posera un nouveau probleme d'equilibre mondial qui est loin d'etre rdsolu. Au xixe siecle, la terre etait peuplee de communautes de niveau tres divers en developpement et richesse, tres peu couplees entre elles sauf par des rapports Statiques rares et bien controles. La diffusion des communications par la radio et la television, la mise en contact physique par un immense volume de transports disponibles a bas prix changent completement les mentalites et mettent en rapport etroit des pays de potentiels tres diff^rents. Or nous avons appris de la thermodynamique que le flux de chaleur entre deux sources va obligatoirement dans un seul sens, jusqu'a I'equilibre des temperatures. II est impossible d'empecher ce mouvement et toutes les barrieres sont illusoires. II en est tout a fait de meme pour les migrations de population. La seule solution pour freiner ces flux est d'augmenter le potentiel des plus pauvres. Ce n'est pas une question de charite, c'est une question de thermodynamique.
On salt que maintenant les systemes GPS14, a 1'aide des satellites et d'horloges lasers, permettent de positionner un mobile n'importe ou avec une erreur inferieure a 20 m dans les applications standards et beaucoup mieux en utilisant un reseau de points de reference. Christophe COLOMB, quant a lui, conservait 1'heure en retournant des ampoulettes, sabliers derisoires qui lui permettaient de falsifier ses resultats.
14. Ground Positionning System.
Cette page est laissée intentionnellement en blanc.
CHAPITRE XII LA PHYSIQUE ET LE POUVOIR Nous avons souligne, des 1'avant-propos, que la physique n'avait jamais etc une aventure purement intellectuelle de type idealiste mais avait joue, des son origine, par le biais des applications, un role economique et politique fondamental. Cette influence n'est pas a sens unique et, reciproquement, le pouvoir politique a joue un role crucial dans le developpement de cette science, soit pour des raisons economiques et militaires, soit simplement pour manifester le prestige de 1'Etat. Nous allons suivre ici, sur quelques exemples, ces interferences qui ont pu parfois meme etre negatives, comme lorsque le premier grand empereur de Chine, QIN SHI HUANG Di, adepte forcene de la philosophic legiste, fit bruler tous les ecrits de Mo Zi (et ses adeptes avec), ou lorsque la Revolution franchise guillotina LAVOISIER.
LA SCIENCE GRECQUE, LA CITE ET SON EQUIVALENT
CHINOIS
La physique grecque n'est pas nee en Grece continentale. Elle s'est developpee sur le rivage oriental de la mer Egee (lonie) ou en Grande-Grece (Sicile ou Italic du Sud). THALES (- 625 • - 547) et son ecole (ANAXIMANDRE, ANAXIMENE) vivaient en lonie, a Milet. PYTHAGORE (- 570 • - 480), ne dans Tile de Samos, dut quitter celle-ci a la suite d'un differend avec le tyran local. II partit s'installer a Crotone, au sud de 1'Italic, dans le golfe de Tarente. Au depart, ces ecoles philosophiques ont ete fortement influencees par 1'empire neo-assyrien, qui s'etendait dans tout le Moyen-Orient et avait conquis 1'Egypte en 667 avant J.C. et 1'Elam en 646 avant J.C. L'astronomie y avait ete institutionnalisee par 1'Etat des 730 avant J.C., sous le regne de TIGLATH PHALASAR m (- 744 • - 727). EMPEDOCLE (- 460 • - 400), dont nous avons vu la theorie des 4 elements, a vecu a Agrigente en Sicile, et le mecanicien ARCHYTAS DE TARENTE etait le gouverneur de sa ville, tandis que PARMENIDE et ZENON (- 490 • - 430) vivaient en Italic du Sud, a Elee. La philosophic grecque ne brille a Athenes qu'apres les guerres mediques, et lorsque la ville exerce sa suprematie sur presque toute la Grece grace a la ligue de Delos (478 avant J.C.).
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A part ARISTOTE qui enseigne au Lycee d'Athenes et vit des liberalites de son eleve, ALEXANDRE LE GRAND, les autres «physiciens» sont des gens aises dont les moyens personnels suffisent a assurer la subsistance et les eleves a ameliorer 1'ordinaire. A la meme epoque, en Chine, le morcellement du pouvoir (la periode dite des Printemps et des Automnes) de 722 a 481 avant J.C. ne favorise pas la reflexion scientifique, mais celle-ci va se developper lorsque la periode des Royaumes Combattants (-481 • -221) concentre le pouvoir en 7 grands etats suffisamment stables et centralises : c'est Mo Zi (- 480 • - 390) et Zou VAN (- 305 • - 240) avec les grandes theories mecaniques et optiques, ainsi que les classifications naturelles dans le Yi Jing (Livre des mutations').
LA SCIENCE HELLENISTIQUE ET AlEXANDRE Des la mort d'ALEXANDRE en 323 avant J.C., un de ses meilleurs generaux, le Macedonien PTOLEMEE, surnomme S6TER, fils de LAGOS, s'empare de 1'Egypte, un des plus riches pays du monde sur le plan agricole, mais sans rayonnement international depuis sa conquete par les Perses. II en fait une puissance maritime et un phare intellectuel grace a un organisme d'Etat. Le musee et sa bibliotheque sont construits dans son propre palais, sur le plan du Ramesseion. DEMETRIOS DE PHALERE (- 350 • - 283), le premier responsable de 1'institution, fait rechercher dans tout le monde connu tous les ouvrages existants et en reunit, durant sa vie, au moins 54 000. Cette politique est continuee par les successeurs de SOTER, PHILADELPHE (- 285 • - 246) qui fit construire le phare, EVERGETE (- 247 • - 222) et PHILOPATOR (- 221 • - 203).
128 Maquette du phare d'Alexandrie
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Meme apres le declin de la puissance maritime des Lagides, puis la conquete romaine (mort de CLEOPATRE vn en 30 avant J.C.), le musee concentre toute la recherche scientifique et technique du monde mediterranean depuis EUCLIDE (~ 300 avant J.C.) jusqu'a CLAUDE PTOLEMEE (I'Almageste) (100 • 178) et meme DIOPHANTE, arithmeticien du ine siecle. Tous les chercheurs de ces periodes le frequentent peu ou prou. ARCHIMEDE y fait de nombreux sejours. ERATOSTHENE, PHILON DE BYZANCE et HIPPARQUE y travaillent. Bien que les Lagides aient profite d'inventions utiles aux militaires, comme celles de CTESIBIOS (- 283 • - 247) ou de PHILON DE BYZANCE (~ 225 avant J.C.), le but essentiel qu'ils ont recherche etait de faire d'Alexandrie une capitale intellectuelle et les Romains, qui n'avaient aucune prevention de ce type, laisserent 1'entreprise continuer sur son erre apres 1'annexion de 1'Egypte. L'arret definitif est signe par les emeutes chretiennes de 415 provoquees par 1'eveque CYRILLE, 1'incendie de la bibliotheque et 1'assassinat de la mathematicienne HYPATIE.
LA CHINE UNIFIEE DES DYNASTIES QIN ET HAN (- 221 A 190) Le developpement industriel va de pair avec 1'organisation du territoire. La metallurgie fait des progres considerables et 1'armee s'equipe d'arbaletes qui sont construites dans des arsenaux, veritables complexes militaro-industriels. L'historien Si MA QIAN (- 145 • - 90) rapporte, nous 1'avons vu, qu'en 157 avant J.C. la dynastie HAN possedait des stocks de plusieurs centaines de milliers d'arbaletes, dont les pieces etaient usinees de maniere a etre interchangeables. En 117 avant J.C., 1'industrie du fer est nationalised, de meme que celle du sel produit dans les installations petrolieres du Si Chuan. L'usage de la brouette a une roue (charge utile de 150 kilogrammes) se generalise. Les recherches mathematiques se multiplient autour de la cour. II s'agit dans la plupart des cas de recherches appliquees et rien d'equivalent a 1'action des Lagides a Alexandrie ne peut etre signalee.
LA MAISON DE LA SAGESSE A BAGDAD Lorsque le calife AL MAMUN (813 • 833) fonde la Bayt al hikma, il precise, nous 1'avons dit, qu'il souhaite «accroitre le prestige et le rayonnement de 1'Islam et apporter a travers la science de nouvelles confirmations de la grandeur de Dieu». Le travail se deroule autour d'une grande bibliotheque ou de nombreux ouvrages venant de tous les horizons sont traduits en arabe1. Les uns proviennent des traductions nestoriennes dont nous avons deja parle, d'autres sont achetes a Byzance 1. L'arabe est devenu la langue officielle de 1'Etat sous le regne du calife ABD AL MALIK (685 • 705), de la dynastie de Omeyyades.
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129 - Les industries du fer et du sel dans la Chine des HAN de I'Ouest
ou proviennent des bibliotheques sassanides, ou encore viennent de 1'Inde. Ainsi Hunayn IBN ISHAQ, chretien nestorien, traduit PLATON, ARISTOTE, HIPPOCRATE, PTOLEMEE, GALIEN. Mohammed AL FAZARI traduit ARYABHATA (les Surya-siddhanta) et BRAHMAGUPTA du pelhvi et du Sanscrit et ainsi, pour la premiere fois, se trouvent confrontes les travaux de 1'Orient et de 1'Occident. Ces ouvrages beneficient d'un support solide et bon marche, le papier dont le secret a ete arrache aux Chinois a la bataille de Talas (751), et qui fait 1'objet d'une fabrication officielle.
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Mais a cote de cette activite essentielle de compilation et de conservation, de tres grands savants developpent de nouvelles recherches : * AL KHWARIZMI (780 • 850) ouvre une nouvelle discipline de calcul avec inconnues, fondee sur la numeration decimale et les chiffres indiens. Le raisonnement est systematise et les differents types d'equations sont regroupes en equations canoniques. Son ouvrage le plus connu est le Kitab Al Jabr wa-l muqdbala, qui a donne son nom a 1'algebre. Al Jabr signifie restauration (du signe +) et muqabala reduction (regroupement des termes de meme puissance). Parmi ses nombreux successeurs, signalons Omar KHAYYAM (1048 • 1122) poete et astronome d'origine iranienne, commentateur d'EuCLiDE. * Thabit IBN QURRA (836 •901), astronome, commente et traduit ARCHIMEDE et EUCLIDE, ameliore le systeme de PTOLEMEE (!'Almageste) en completant ses observations. « AL BATTANI (858 • 929) generalise la trigonometrie plane de ARYABHATA a la sphere et laisse un grand traite, Le Zidj. Les successeurs de ces astronomes profitent plus tard de I'engouement des Mongols pour 1'astronomic et construisent en Asie centrale les premiers grands observatoires mondiaux. Ainsi celui de Maragha ou Nasir AL Tusi realise, au xme siecle, les meilleures tables astronomiques avant celle de Tycho BRAHE, 3 siecles plus tard. De meme, a 1'observatoire de Samarcande, AL KASHI popularise en 1436 la methode de transformation chinoise des fractions en decimales.
130 - La grande place de Samarcande
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Jabir IBN HAYYAN (GEBER en Occident) (autour de 800) est un alchimiste qui tire d'ARiSTOTE sa conception de la matiere, et cherche a reduire tout phenomene naturel a des lois de quantites et de mesures dans Les Livres des balances. IBN SINA (AviCENNE en Occident) (980 • 1037), medecin, interprete d'ARiSTOTE et de GALIEN, est tres influent en Europe au xvne siecle. IBN AL HAYTHAM (ALHAZIN en Occident) (965 • 1039) est le physicien de 1'ceil et de la lumiere dont nous avons deja parle (voir chapitre V). La tendance rationaliste et scientifique de 1'Ecole de Bagdad est violemment combattue par les tenants d'une perception intuitive de la pensee islamique. La prise du pouvoir politique a Bagdad, en 1058, par TUGHRIL-BEY, chef des Turcs seldjoukides et sunnite virulent, marque la fin de cette prodigieuse epopee.
LA CHINE DES TANG ET DES SONG On a souvent compare 1'epoque de la dynastie TANG (618 • 906) au Moyen Age europeen et celle des SONG (960 • 1278) a la Renaissance. En ce qui concerne notre propos, ces assimilations n'ont aucun sens. Dans les deux cas, le pouvoir central a ete le moteur de toute recherche, a travers des academies centralisees auxquelles on accedait par nominations ou concours (purement litteraires). On n'echappe done pas, dans certains domaines, a I'ingerence d'une doctrine officielle, par exemple en histoire. Mais meme dans ce domaine et des 1'empereur XUAN ZONG (712 • 756), on trouve des esprits independants tel Liu ZHIJI dont le Shitong (generalites sur 1'histoire), en 710, marque une reflexion sur 1'histoire et sa philosophie que 1'on retrouvera bien plus tard chez HEGEL.
131 - Les etrangers en visite en Chine sous les TANG
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Le debut de la periode TANG correspond a une expansion considerable de la Chine, non seulement en Asie du Sud-Est et en Coree, mais a 1'ouest jusqu'au Pamir. Elle s'accompagne d'une grande curiosite pour tout ce qui est etranger. Cela conduit a un grand brassage de connaissances depuis le Moyen-Orient jusqu'a 1'Est extreme, a travers 1'Asie centrale. De tres nombreux commergants vehiculent les idees et les decouvertes avec leurs marchandises. La fin de la periode TANG est marquee par 1'explosion de 1'imprimerie sous forme xylographique. Au debut, il s'agit d'ouvrages religieux ou philosophiques : c'est Xylographie et typographic La xylographie consiste a graver chaque page du texte sur une tablette de bois qui, enduite d'encre, permet I'impression sur un support papier. Le premier ouvrage connu ainsi reproduit est un Sutra du Diamant trouve a Dun Huang, sur la route de la soie, et imprime en 868. C'est un rouleau de 27 cm de haut et 530 cm de long. La matrice est gravee sur un bois de grande durete (buis ou robinier) si Ton desire effectuer un important tirage (certains traites bouddhiques au xe siecle ont ete edites a plus de 400 000 exemplaires), ou sur un bois a grain tres fin (poirier ou jujubier) si on vise une Edition d'art avec illustrations. De toute manidre, le format rouleau se prete mal a cette impression et la transition est tres rapide vers les feuillets independents aux dimensions de la tablette et cousus ensemble. Le succes considerable de cette methode vient de son faible cout, de sa rapidite d'execution et de son adaptation a I'ecriture chinoise. Elle permet d'introduire des figures compliqu6es ou non dans le texte, et favorise ainsi la diffusion de publications scientifiques. La typographic consiste dans I'usage des caracteres independents et amovibles que Ton recupere apres I'impression. D'apres SHEN GUA deja cite, ('invention de cette solution est due a Bi SHENG, entre 1040 et 1048 : les caracteres etaient alors en argile cuite et la composition se faisait en les collant sur une plaque de fer avec de la resine. Ce proc^de n'eut au debut que peu de succes en Chine, ou le nombre eieve de caracteres usuels rend la composition difficile, mais il commence a se developper sous la dynastie mongole YUAN (1278 • 1368), dont la langue s'ecrit avec un alphabet derive de I'arameen, et surtout en Coree apres le lancement, en 1449, de I'alphabet Han'Gul par le roi Li SE JONG. C'est dans ce contexte que GUTENBERG realisa son premier essai avec sa Bible a 42 lignes, publiee a Mainz en 1455. II avait mis au point la fabrication des caractdres avec des joailliers de Strasbourg. Le succes fut foudroyant puisque des 1491, il y avait en Europe occidentale 236 vtlles possedant une imprimerie. Le succes, comme quelques siecles auparavant en Chine, eut pour consequence une tres grande diffusion de la connaissance qui s'echappait ainsi des bibliotheques de monasteres pour se mettre a la portee de la bourgeoisie commergante, dans la langue vernaculaire et non plus dans une langue, le latin, reservee a une elite tres restreinte. Mais la contrepartie de cette ouverture vers le savoir a ete la surveillance accrue de I'orthodoxie. PAUL in, le pape organisateur du concile de Trente (le concile de la ContreReforme), crea en 1543 I'/ndex general des livres interdits. PAUL iv etablit en 1557 la Congregation de I'lndex, qui promulgua une tongue liste de livres a bruler. Toutes les oeuvres, meme non-religieuses, d'ecrivains suspects sont interdites. En 1558, I'interdit remonte aux editeurs et 61 imprimeurs voient toute leur production prohibee. A Venise, le jour des Rameaux, 10 000 livres sont brules. Certains protestants sont encore plus radicaux que I'Eglise romaine : au xvine siecle, une loi de Caroline du Sud (en vigueur jusqu'au milieu de xixe siecle) interdit d'apprendre a lire a tous les Noirs, qu'ils soient esclaves ou libres.
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ainsi que le ler ministre FENG DAO consacre 22 ans a la publication des 9 classiques, de 930 a 952. Puis sous les SONG, une multitude d'academies locales privees apparaissent, qui publient a faible tirage, mais souvent a composition tres soignee, les ouvrages de leurs adherents. La xylographie permet sans probleme des illustrations dans le texte et se prete ainsi tres bien a des textes scientifiques, mathematiques, biologiques ou geographiques. Ce passage de la sphere officielle a la sphere privee est un mouvement plutot inverse de celui qu'on observe en Europe, a la Renaissance, sous 1'influence de l'imprimerie (600 ans plus tard) mais il n'empeche pas la constitution de grandes bibliotheques d'Etat. Celle du palais imperial, a Kai Feng, fondee en 978, comportait, au recensement de 1034, plus de 80 000 volumes.
132 - Un imprimeur itinerant dans ('Himalaya
La mise au point d'armes a feu, avec une ame de section constante servant a propulser un projectile, se developpe de fac,on acceleree a partir de 1132. Elle ne modifie en rien la structure sociale chinoise marquee par le recours a des armees de mercenaires centralisees 2, tandis qu'elle accelerera, 300 ans plus tard, la disparition en Europe des seigneurs feodaux, incapables de se payer une artillerie privee.
L'ACADEMIE DE SAGRES Apres la bataille d'Aljubarrota (1385), gagnee par les Anglo-Portugais sur les Espagnols, le roi JOAO I ER o'Aviz, marie a une LANCASTRE, va regner sur le Portugal 2. Mais dont les revokes peuvent etre tres graves, comme celle de AN Lu SHAN, en 755.
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jusqu'en 1433. Son troisieme fils, DOM HENRIQUE (1394 • 1460), anime du double objectif de rivaliser dans 1'Atlantique avec la Castille qui a occupe les Canaries des 1404, et d'ouvrir un chemin maritime le long des cotes d'Afrique pour aller chercher Tor du Mali, s'installe a Sagres, port de 1'extreme sud du Portugal. DOM HENRIQUE, HENRI LE NAVIGATEUR, organise un pole culturel et scientifique axe sur la connaissance de 1'Ocean et y attire une foule de specialistes, creant un observatoire, accueillant des astronomes, des cartographes comme Jaffruda CRESQUES, faisant mettre au point la caravelle (voir chapitre XI). Ses moyens financiers sont considerables car, a cote de 1'aide gouvernementale, HENRIQUE est promu par bulle papale gouverneur de 1'ordre du Christ, richissime heritier des Templiers. II participe a la mise en valeur de Madere (a partir de 1419) puis des Agores (1427), et envoie vers le sud plusieurs expeditions infructueuses jusqu'a ce que 1'ecuyer Gil EANES reussisse a doubler le cap Bojador, en 1434. La science et I'argent noir Les decouvertes scientifiques n'ont pas toujours ete financees par d'honnetes impots payes par les contribuables. La decouverte du monde par les Portugais avait pour motivation morale le desir de prendre a revers les Arabes afin de reconquerir les lieux saints, et I'objectif implicite etait de rejoindre les sources de I'or africaines. Aucun de ces buts ne fut atteint, mais des les premieres expeditions, vers 1450, la rentabilite fut assuree par des cargaisons de Noirs, achetes pour la plupart a leurs congeneres. En effet, le Portugal manquait de population agricole et ces esclaves etaient tres apprecies a Lisbonne. Cet exemple fut, plus tard, suivi par I'Espagne quand elle dut faire face, en Amerique centrale, a un grave deficit de maind'ceuvre, 75 millions d'Amerindiens ayant ete extermines La maison des esclaves a Goree - Senega} et remplaces seulement par 240 000 Espagnols. Apres le contournement de I'Afrique, les Portugais tirerent le plus gros de leurs revenus du commerce des epices d'Inde et d'Indonesie. En raison du blocus mediterraneen exerce par les Turcs apres la chute de Byzance (1453), le poivre revenait a Venise 40 fois plus cher que celui amene directement de Calicut (Inde du Sud) a Bruges par les flottes portugaises.
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Des Italiens en mal de finances - un Genois, USODIMARE, un Venitien, CA DA MOSTO - depassent le Cap-Vert (Senegal) et atteignent la Guinee, grace a des caravelles de 100 a 120 tonneaux. Le gouvernement portugais, apres la mort d'Henri, pour suit son ceuvre et etablit en 1482 une forteresse au Ghana, Sao Jorge da Mina, pour interdire le tour de 1'Afrique a tous les etrangers. Enfin Bartolomeo DIAS, comprenant que 1'anticyclone sud tourne a 1'oppose de celui des Azores et qu'il faut d'abord piquer a 1'ouest puis revenir vers le sud de 1'Afrique, double le cap de Bonne-Esperance le 16 aout 1488. C'est done une action gouvernementale deliberee, poursuivie pendant presque un siecle, qui ouvre le monde aux Europeens.
LE DETONATEUR DE LA REVOLUTION SCIENTIFIQUE
: URANIBORG
Sur une lie d'environ 1000 hectares, I'ile de Hveen, situee au milieu du Sund, le roi du Danemark3 FREDERIC n (1559 • 1588) fait construire le premier grand observatoire europeen dont la premiere pierre est posee le 8 aout 1576. II octroie au directeur de cette institution, Tycho BRAHE (1546 • 1601), un nombre important de fiefs dont les revenus assurent les frais de fonctionnement, et participe directement a 1'equipement de 1'observatoire ou Tycho BRAKE, enrage de mecanique, construit une vingtaine d'instruments. En 20 ans, jusqu'en 1597, la couronne du Danemark (FREDERIC n puis son successeur CHRISTIAN iv) depense pour Uraniborg, chaque annee, 0,75% des revenus du royaume, ce qui peut etre compare aux 0,9% des revenus des USA consacres, pendant 16 ans, au programme Apollo de conquete de la lune. C'est la un effort colossal et le resultat est a la hauteur de 1'investissement.
134 - Plan de Uraniborg
3. Le roi portait aussi la couronne de Norvege, possedait le sud de la Suede et les duches de Schleswig et de Holstein. Sa douane de Elseneur imposait un peage au passage dans la Baltique (5 200 bailments dans 1'annee 1600).
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Le programme initial de Tycho BRAHE comporte 3 parties : * etablir un systeme de references a partir de 9 etoiles fixes, * determiner a partir de ce systeme la position d'environ 1000 etoiles, c'est-a-dire reprendre le catalogue d'HiPPARCOS-PiOLEMEE, avec la precision de 1 minute d'angle au lieu de 10 minutes, * mesurer continuellement les positions du soleil, de la lune et des 5 planetes connues a cette epoque.
Les resultats * Grace a une prise en compte tres etudiee de la refraction atmospherique, la precision recherchee est atteinte et elle infirme le systeme de PTOLEMEE universellement accepte a cette epoque. Mais elle ne verifie nullement le systeme heliocentrique de COPERNIC (1543), dont les planetes decrivaient des cercles autour du soleil. KEPLER (1571 • 1630), adoptant 1'hypothese heliocentrique et cherchant inlassablement a exprimer par une loi mathematique les observations de la planete Mars par Tycho BRAKE, finit par trouver 1'ellipse et enonce ses deux premieres lois. On sait des lors comment les planetes tournent autour du soleil, mais il faudra attendre NEWTON pour savoir le pourquoi de ce mouvement. * Une consequence fondamentale de 1'observation reguliere et attentive du ciel se manifeste dans deux decouvertes fortuites : - La supernova de 1572, du fait de 1'absence de parallaxe4 mesurable, est certainement situee tres au-dela de la lune et contredit completement le dogme aristotelien de rimmuabilite des cieux. - La comete de 1577, puis ensuite celles de 1580, 1582, 1585, sans parallaxe non plus, infirment toutes les theories d'ARiSTOTE sur la matiere puisque celles-ci sont fondees sur la distinction entre le monde sub-lunaire, susceptible de changement et dont les cometes sont issues, et le monde supra-lunaire immuable, tout passage entre les deux etant impossible. Tycho BRAHE ecrit a ce sujet: «Si seulement les emules des academiciens pouvaient, grace a cette etoile, ouvrir les yeux, et tirer du livre meme de la nature la conscience du nombre et de la grossierete des erreurs dont depuis tant de siecles les fascine la magie d'Aristote, ils comprendraient que bien des choses qu'ils proclament quotidiennement comme vraies et indubitables sont en realite tout a fait differentes»5. Et cependant, 100 ans apres, en 1671, la Sorbonne exigeait que seul 1'enseignement d'ARiSTOTE soit professe et, en 1680, le jesuite VALOIS demandait a 1'assemblee des eveques de condamner DESCARTES. II est vrai que Ton n'etait pas loin de la revocation de 1'edit de Nantes (1585).
4. C'est-a-dire trop loin pour qu'on puisse apprecier la distance. 5. Astronomiae instauratae progymnasmata, 1588.
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LA NAISSANCE DES ACADEMIES
OFFICIELLES
Le cardinal DE RICHELIEU avait cree en 1635 1'Academie franchise destinee a tenir en laisse les ecrivains. COLBERT, qui dirige la France de Louis xiv de 1663 a 1683, met en place plusieurs academies, dont 1'Academic royale des sciences en 1666, destinees a «promouvoir la gloire du roi» et a eclairer certains sujets interessant le gouvernement. L'Academie des sciences comprend au debut 7 mathematiciens ou physiciens, dont Christiaan HUYGENS et 1'abbe PICARD, et 7 naturalistes ou medecins. D'autre part, Jean-Dominique CASSINI vient en 1669 diriger le nouvel observatoire de Paris. Aucun de ces savants n'a de fortune personnelle et ils regoivent une pension du gouvernement. Les preoccupations de COLBERT portent en particulier sur la creation d'une flotte franchise. Aussi, des le debut, une partie des travaux est consacree a la localisation en mer, avec ceux de HUYGENS sur les horloges et de tres nombreuses mesures astronomiques ou terrestres, comme celle du meridien par 1'abbe PICARD. L'Academie n'hesite pas a envoyer des expeditions sous 1'equateur, a Cayenne, pour faire des observations au zenith sans probleme de refraction, et pour mesurer la longueur du pendule battant la seconde 6. En 1665, COLBERT cree, sous la direction de 1'abbe GALLOIS, le Journal des Sgavans, premier journal scientifique imite 2 mois apres par les Anglais avec les Philosophical Transactions. Bientot d'autres journaux apparaissent en Hollande, en Italic, en Suisse, inaugurant une liberte de la presse qui n'avait pas cours dans d'autres domaines. En Italie, le prince LEOPOLD DE TOSCANE, eleve de GALILEE, structure, en 1657, une activite de recherches purement experimentale, sous forme d'une academic : I'Academia del Cimento. Subventionnee par le prince qui participe directement au travail, cette association se consacre a la creation d'instruments, a I'etablissement de standards de mesure, a la thermometrie, a 1'hygrometrie, au pendule. Elle montre que dans le vide la fumee ne monte pas, contrairement au mouvement des elements legers prevu par ARISTOTE. Elle repete les experiences de GALILEE et verifie sa cinematique. Son esprit est tout a fait celui de la physique experimentale moderne. Le pape la fait supprimer en 1667. En Angleterre, la demarche est toute autre et precede d'une initiative privee. John WILKINS (1614 • 1672), adepte des idees de Francis BACON sur les applications de la science, fonde a Oxford, vers 1650, un club regroupant des amis des sciences deja celebres dont Robert BOYLE, John WALLIS, Jonathan GODDARD, Christopher WREN. WILKINS dispose d'une certaine influence en tant que mari de la sceur de CROMWELL mais, peu apres, la restauration de CHARLES n en 1660, disperse 6. C'est avec cette mesure de la pesanteur, jointe a celle de la longueur du meridien terrestre, que NEWTON obtient en 1685 la preuve de la gravite universelle : la force d'attraction de la terre sur la lune est de meme nature que sur un caillou qui tombe.
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provisoirement le groupe. Puis celui-ci se reforme rapidement en incorporant quelques amis du nouveau roi. Le 28 novembre 1660, 11 d'entre eux creent une societe pour la promotion de la philosophic experimentale, rapidement approuvee par le roi. En 1667, le groupe atteint 191 personnes et chaque membre paye une cotisation de 1 shilling par semaine, mais les finances de I'entreprise restent toujours chancelantes. Le roi octroie cependant une charte a la societe, en 1663, et elle prend le nom de Royal Society of London for promoting natural knowledge7. Le conseil de la societe nomme des specialistes de toutes tendances politiques et libres de tout prejuge religieux, ce qui n'etait pas facile a cette epoque. VOLTAIRE ecrit a ce sujet: «quand on considere que Newton, Locke, Clark, Leibniz auraient ete persecutes en France, emprisonnes a Rome, brules a Lisbonne, que faut-il penser de la raison humaine ? Elle est nee dans ce siecle en Angleterre».
Francis BACON (1561 • 1626) Francis BACON est le fils d'un des proches de la reine ELIZABETH IRE, qui a ete son Lord gardien du sceau et son conseiller en matiere religieuse (on connatt les demeles de I'Angleterre et de la Papaute a cette epoque). II a lui-meme une brillante activite politique jusqu'en 1621, date a laquelle une accusation de corruption I'oblige a quitter ses fonctions. II passe le reste de sa vie a publier des reflexions philosophiques sur la science. Bannissant la methode, classique a cette epoque, qui part des theories les plus generates pour descendre aux cas particuliers, il prone I'etude initiale des phenomenes pour monter progressivement jusqu'aux constructions les plus generates, dans une reflexion inductive qui, par amplification, depasse I'acquis pour entrevoir I'avenir. La science devient ainsi conquerante et active, et elle permet de dominer la nature. Et finalement, revenant a une reflexion politique, il dit: «le savoir est pouvoir». Ses principaux ouvrages sont Novum organum (1620) et Instauratio magna (1623).
Les academies anglaise et frangaise ont depuis le xviii6 siecle joue un role considerable dans le developpement scientifique fondamental, malgre quelques eclipses temporaires. Curieusement, une des periodes de lethargic de la societe anglaise coincide avec la presidence de NEWTON, elu en 1703. Ce personnage genial et atrabilaire ne se preoccupait que de problemes administratifs et personnels. La Revolution franchise, pendant la Convention, dissout YAcademic le 8 aout 1793, mais elle est promptement retablie et BONAPARTE est elu, dans la section des mathematiques, a son retour d'ltalie, en 1797. L'etat d'esprit qui presida a la fondation de ces deux academies est fort different: nee spontanement de la base en Angleterre et, alors seulement, reconnue par I'Etat, 1'Academic, en France, est une pure construction du pouvoir absolu qui en assure le fonctionnement. Depuis, I'Etat a toujours conserve 1'initiative en France a travers des agences d'objectifs ou de grands commissariats. C'est sans doute a cette particularite que nous devons d'etre le pays industrialise le moins pollueur en CO2.
7. Societe royale de Londres pour promouvoir la connaissance de la nature.
Cette page est laissée intentionnellement en blanc.
SYNTHESE ET CONCLUSION
UNICITE DU PROBEEME Dans les chapitres precedents, la physique et ses applications ont ete decoupees en tranches exposees de facon independante. II s'agit la d'une option simplificatrice qui ne doit pas masquer la profonde unite de la discipline. Chacun aura remarque que la plupart des acteurs, des les premiers d'entre eux, interviennent dans plusieurs chapitres et que des ecoles de pensee, aussi bien celle d'ARiSTOTE que celle de Mo Zi, ont la prevention de couvrir toute la discipline, sans compter le Dao qui deborde largement le domaine. La maniere d'apprehender la nature n'est pas la meme en Occident et en Orient. Entre la conception purement theorique de ce que doit etre le monde et son observation purement phenomenologique, la difference est enorme et pourtant bien des applications qui en sont deduites des deux cotes sont tres voisines, voire identiques.
LA DIVERGENCE EST-OUEST Mais est-ce cependant la difference entre ces deux visions de la physique et leurs consequences qui ont ete la cause de la divergence tres sensible des niveaux de developpement, observables entre la Chine et 1'Europe au debut du xxe siecle ? Rien n'est moins sur. Prenons comme point de depart de notre comparaison la fin du xvnie siecle. Des references precises au niveau de vie en 1780 montrent, nous 1'avons dit, que le paysan frangais est moins bien nourri et moins bien eduque que le paysan chinois. Mais il est vrai aussi que rien d'equivalent a I'Encyclopedic n'existe en Chine. A partir de cette epoque, une divergence de plus en plus accentuee va se faire jour sous I'influence de deux grands facteurs. * Le premier concerne la politique interieure de la dynastie QING (dynastie etran gere mandchoue). Celle-ci privilegie systematiquement I'agriculture et le petit artisanat par mefiance envers les capitaux purement chinois necessaires a une Industrie lourde. En Europe, au contraire, la maitrise de la puissance motrice dufeu
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conduit a la thermodynamique et toutes ses consequences. Grace a cela, I'emergence du capitalisme industriel est favorisee et s'envole a partir du tissage et des filatures. Les Etats, au tout premier rang desquels 1'Angleterre, s'impliquent dans la recherche scientifique des le debut des guerres napoleoniennes et confirment le role essentiel de la politique dans le developpement scientifique et technique. * Le second facteur concerne 1'ingerence militaire et economique de 1'Europe dans les affaires chinoises. Apres avoir contraint les Chinois a fumer 1'opium par la guerre de 1'opium suivie du traite de Nankin (1842), les Anglais recidivent, avec cette fois la complicite des Frangais. Le traite de Pekin (1860), parmi de nombreuses conditions couteuses et humiliantes, renferme un article particulierement pernicieux : il confie aux Anglais la gestion de la douane chinoise. Ceux-ci s'empressent de supprimer les droits sur les importations des tissus anglais et, en outre, introduisent des taxes sur les tissus chinois. L'industrie chinoise naissante s'effondre et avec elle toute motivation a la recherche appliquee. La situation est encore aggravee par de grandes revokes populaires et xenophobes attisees par les exactions des etrangers1 : revolte des Taiping (1847 • 1864), revolte des Boxeurs (1900). Enfin, les agressions japonaises qui commencent en 1894 (traite de Shiminoseki) couronnent le tout et se poursuivront jusqu'en 1945. Ces rappels ne semblent pas en relation directe avec la physique. Us montrent cependant que 1'histoire des sciences n'est qu'un element de 1'histoire universelle et ne peut etre deconnectee de cette derniere et reciproquement. Depuis la bibliotheque d'Alexandrie, la Maison de la Sagesse de Bagdad, Uraniborg au Danemark ou le mecenat des Mfioicis, jusqu'aux grandes academies anglaise et franchise, le role de 1'Etat a ete determinant dans le developpement scientifique et technique. La physique joue alors un role cle en se developpant grace a 1'action du pouvoir et, en retour, en favorisant, par le biais des techniques induites, le developpement economique de toute la nation.
EVOLUTION DE LA FORMULATION DES RESULTATS Les idees grecques sur la proportionnalite des causes et des effets ont permis a 1'Occident de developper les regies mathematiques simples qui ont conduit aux equations differentielles lineaires, permettant de mathematiser les phenomenes dans lesquels les linearites sont significatives, au moins au premier ordre. Par centre, 1'Ouest n'a guere ete distance dans les cas plus complexes comme les phenomenes meteorologiques.
1. Le Japon, partant lui aussi de tres has, reagit differemment. Chassant ses responsables, les Shoguns Tokugawa, par la revolution Meiji (1868), il decide de copier au plus pres 1'Occident et, dans un prodigieux retablissement, le rattrape et 1'ecrase (combat naval de Tsushima, en 1905, ou la flotte russe est aneantie).
SYNTHESE ET CONCLUSION
215
Les phenomenes mecaniques ont, les premiers, permis des developpements analytiques importants et le calcul de NEWTON, demontrant les lois de KEPLER a partir de 1'attraction gravitationnelle en 1/r2, grace a 1'invention des differentielles, est le debut d'une pleiade de travaux fondamentaux dans lesquels vont s'illustrer en particulier LAPLACE et LAGRANGE. Ensuite, la prise en compte par J. FOURIER dans 1'equation de diffusion de la chaleur de quantites differentes marque un nouveau tournant qui conduira a 1'analyse dimensionnelle. Enfin, il me semble que la mise en place definitive de la physique occidentale, avec sa formulation moderne, est due a J.C. MAXWELL. A partir de 1'examen des proprietes locales des champs magnetique et electrique, il a realise la premiere grande unification de la physique moderne, entre lumiere et electromagnetisme. Apres lui, les physiciens n'auront de cesse d'unifier les divers types de forces dans un ensemble unique ou la gravitation rechigne a entrer. Sans doute y arriveront-ils, mais comprendrons-nous pour autant la nature ? Tout depend de ce qu'on nomme comprendre. S'il s'agit de percer a jour des regularites, rapports entre phenomenes, permettant de nouvelles applications au benefice de 1'homme, alors certainement notre comprehension continuera-t-elle a progresser.
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ANNEXES
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ANNEXE I CHRONOLOGIC DE LA PHILOSOPHIE SCIENTIFIQUE GRECQUE
REPERES HISTORIQUES
AUTEURS
HESIODE
THALES DE MILET
- 750
- 555
ANAXIMENE DE MILET
-535
PYTHAGORE (Samos et Crotone)
-525
PARMENIDE D'ELEE
-850 -825 -800
Colonies eubeennes Al Mina (embouchure Oronte) Pithecoussai puis Coumes (Naples)
- 750
- 625 • - 547 Archontat de SOLON a Athenes
ANAXIMANDRE DE MILET
HERACLITE D'EPHESE
Cites eubeennes : Lefkandi Eretrie Chalcis
- 750 - 594
;
CLISTHENE a Athenes
- 507
Destruction de Milet par les Perses
- 494
Bataille de Marathon (DARIUS)
- 490
Bataille de Salamine (XERXES)
- 480
Ligue de Delos (suprematie athenienne)
- 478
-500
-480
ZENON D'ELEE EMPEDOCLE D'AGRIGENTE ANAXAGORE DE CLAZOMENE
-445 -445 -445
LEUCIPPE DE MILET
-435
PERICLES
-451*-429
220
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
KEPERES HISTORIQUES
AUTEURS ; HlPPOCRATE DE COS
DEMOCRITE D'ABDERE
Mort de SOCRATE | ARCHYTAS DE TARENTE PLATON EUDOXE DE CNIDE (cosmologie)
ARISTOTE THEOPHRASTE D'ERESE EPICURE
-425 -410
- 404
De"cret d'ARCHiNOS (normalisation de 1' alphabet)
-403
Bataille de Cheronee (suprematie macedonienne)
-338
-399 -385 -42S--347
-365
~384»-322 Mort d'ALEXANDRE
-320
PTOLEMEE S6TER en Egypte
-341* -270 PTOLEMEE n PHILADELPHE
ARISTARQUE DE SAMOS
-275
CTESIBIOS D'ALEXANDRIE
-270
ARCHIMEDE
Fin de la guerre du Peloponnese (suprematie de Sparte)
-287-- 212 Prise de Syracuse par les Remains
ERATOSTHENE DE CYRENE
-225
PHILON DE BYZANCE
-200
EUCLIDE (geometric)
-250
HlPPARQUE DE NlCEE
-135
LUCRECE
-60
VlTRUVE
-25
STRABON
10
HERON D'ALEXANDRIE
50
-323
!
-305
!
-285
-212
Destruction de Carthage par les Remains
-146
CESAR franchit le Rubicon
-49
Bataille d'Actium
-31
Mort de CLEOPATRE vn
-30
Destruction du temple de Jerusalem par TITUS
70
\
221
ANNEXE I - CHRONOLOGIE DE LA PHILOSOPHIE SCIENTIFIQUE GRECQUE
REPERES HISTORIQUES
1 AUTEURS
PTOLEMEE D'ALEXANDRIE ! GALIEN DE PERGAME
150 180 CONSTANTIN empereur
DIOPHANTE (arithmetique) PAPPUS (geometric)
325 • 410 ive siecle
Incendie de la bibliotheque d'Alexandrie
415
BOECE
500
306 • 337
Edit de Milan (liberte de culte)
313
Separation des Empires d'Orient et d'Occident
395
THEODORIC LE GRAND (Ostrogoths a Ravenne)
493
JUSTINIEN (empereur d'Orient)
527 • 565
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ANNEXE II CHRONOLOGIE DES AVANCEES SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES CHINOISES
REVERES HISTORIQUES
DiCOUVERTES
Civilisation neolithique de Yang Shao
-6000
Culture du riz
- 4500
Ceramique en atmosphere controlee (oxydoreduction)
- 3000
Civilisation neolithique de Long Shan
-3000
Tuyaux sonores (?)
- 2000
EMPEREUR JAUNE (?) dynastie XIA
-2000
Systeme decimal
-1500
Debut de la dynastie SHANG Capitale a An Yang Bataille de Mu Ye
-1530 -1350 -1027
Debut de la dynastie ZHOU Printemps et Automnes Royaumes Combattants
-1027 -722 -481
Culture du ver a soie Coulee de la fonte (T > 1245°C) Arbalete Boussole Principe d'inertie (Mo Zi)
- 490
Pont suspendu (Li BING) Harnais de cheval: bricole de poitrail Livre de calcul en 9 chapitres Nombres negatifs Circulation sanguine
- 250
Le grand Empereur QIN SHI HUANG Di
Semoir a rangs multiples Sphere armillaire (GENG SHOU CHANG) Transmission par courroie Fractions decimales
- 85 - 52
Debut de la dynastie HAN (HAN de 1'Ouest)
- 221 • - 210
-200-9
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
224
KEPERES HISTORIQUES
DECOUVERTES
i Pied a coulisse Gouvernail d'etambot Puits de petrole au Si Chuan Fabrication du papier (CAi LUN) Sismographe de ZHANG HENG Etrier Navires a aubes Porcelaine Le grand canal
er
i siecle ier siecle ier siecle 107 132
HAN de 1'Est
nie siecle
3 Royaumes 16 Royaumes et 5 barbares
23 • 190
220 • 534
ne siecle a partir de 600 Dynastie Sui
581 • 617 618 • 906
Pont a arc surbaisse (Li CHUN) Declinaison magnetique (Yi XING) Mesure d'un arc de meridien Harnais de cheval a collier Xylographie (Sutra du Diamant)
675 720 720 800 868
Debut de la dynastie TANG Bataille de Tolas (centre les Arabes)
lre arme a poudre representee (Thanka de Dun Huang) Transmission par chame : (ZHANG Si XUN) 1 Ecluse a sas (QIAO WEI YUE) Billet de banque garanti par depot Typographic (Bi SHENG) Horloge du Su SONG Fusee a poudre
950
Dynastie SONG SONG du Nor^d SONG du Sud
960 • 1278 960 • 1126 1126 • 1278
Dynastie YUAN (mongole)
1278 • 1368
1368 • 1644
976
751
988 1020 1048 1080 1150
Observatoire de la Montagne Pourpre Premier canon Fusee a deux etages Grands navires de ZHENG HE
1405
Dynastie MING
Inoculation de la variole (melanges medicaux) Mesure de la Li en f onction du meridien
1643
Dynastie QING (mandchoue) 1644 • 1911 Ingerence des Europeens, a partir de 1839
1705
La Republique La Republique populaire de Chine
1/1/1912 1/10/1949
Mort de MAO
9/9/1976
ANNEXE III I/EXPLOSION SCIENTIFIQUE ARABE
REPERES HISTORIQUES
AUTEURS
AL KHWARIZMI Jabir IBN HAYYAN (GEBER) AL KINDI
Les traducteurs : IBN LUQA Hunayn IBN ISHAQ Mohammed AL FAZARI
780 • 850 800
Fuite de MAHOMET a Medine : Hegire
622
Mort du Prophete
630
800 • 870 Bataille de Karbala (mort de HUSAYN, petit-fils du Prophete) - Chiisme ~ 850
680
Prise de Tolede aux Wisigoths
716
Les ABASSIDES (califes a Bagdad)
750
Thabit IBN QURRA le petit-fils
836 • 901 908 • 916
AL BATTANI (public le Zidj)
858 • 929 AL MAMOUN calife
IBN AL HAYTHAM
965 -1035 Les FATIMIDES au Caire (Chiites) I 909 • 1171
IBN SINA (AVICENNE)
980 -1037 TUGHRIL BEY (sultan turc a Bagdad)
AL BIRUNI Observatoire de Malikshah Omar KHAYYAM
;
!
973 "1048 Bataille de Manzikert (Byzance chasse d'Anatolie)
1074 La reconquete : prise de 1048 • 1122 - Palerme par les Normands - Tolede par ALPHONSE vi
813
1055 1071 ; ;
1072 1085
Medecins de Cordoue Prise de Jerusalem Abu IBN RUSHD (AVERROES) 1126 • 1198 par les Croises Musa IBN HEYMUN (MALMONIDE) 1138 • 1204
1099
Nasir AL Tusi
1187
1200 • 1224 Reprise de Jerusalem :
SALAH AL DIN
226
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Observatoire de Maragha Jamal AL DIN
1263 1267
Bataille de Ain Jalut (arret des Mongols)
IBN BATTUTA (voyageur)
1304 • 1377
Observatoire de Samarcande AL KASHI ULUGH BEG
Les derniers Europeens 1400 quittent Saint-Jean-d'Acre ~ 1430 1394 • 1449 Prise de Grenade
1258
1291
1492
ANNEXE IV L'EVEIL DE LA SCIENCE EN EUROPE OCCIDENTALE AVANT GALILEE
FRICURSEURS SAINT-AUGUSTIN
354 • 439
Les dangers de la curiosite scientifique
BEDE LE VENERABLE
673 • 736
Moine anglais De temporum ratione sciences de la nature
Gerbert D'AURILLAC (Pape SYLVESTRE n)
940 • 1003
De multiplicatione et divisione
CONSTANTIN L'AFRICAIN
Collecte de nornbreux textes
1065 a 1085
moine a Monte Cassino ADELARD DE BATH
1090 • 1142 Traduit a Tolede : AL KHWARIZMI - EUCLIDE
Gerard DE CREMONE
1114 • 1187 Traduit a Tolede YAlmageste et plus de 80 textes
Guillaume DE MOERBECK
1215 • 1286 Traduit du grec en latin
Leonardo FIBONACCI
1175 • 1240 Public le Liber abbaci
Guillaume BUDE
1467 • 1540 Lecteur royal de FRANCOIS IER, promotion de 1'etude du grec
Bartolomeo ZAMBERTI Giordano BRUNO
Premier texte imprime en grec Les Elements d'EucLiDE 1548 • 1600 Hermetiste Condamne au bucher
1202
1535 1600
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
228
UNIVERSITAIRES A PARTIR DE 1200 Robert GROSSETESTE
1175 • 1253 Franciscain, chancelier de 1'universite d'Oxford
Roger BACON
1220 • 1298 Franciscain, Opus majus
ALBERT LE GRAND
1193 • 1280 Dominicain, chaire de theologie a Paris
BONAVENTURE (G. Di FiDANZA) 1221 • 1274 Franciscain, chaire de theologie a Paris THOMAS D'AQUIN
1225 • 1274 Dominicain, professeur a Paris, pere du thomisme
Jean BURIDAN
1300 • 1358 Recteur de la Sorbonne
EXPLORATEURS (ASIE DBS MONGOLS)
Giovanni DI PIAN CARPINO Guillaume DE RUBRUCK
1182 • 1252 Franciscain, emissaire de INNOCENT iv a Kamkorum 1220 • 1293 Franciscain, emissaire de SAINT-LOUIS a Kamkorum
Giovanni DE MONTE CORVTNO Odork DE PORDENONE
? • 1330
Franciscain, eveque de Pekin
1265 • 1331 Franciscain, en Asie centrale, le premier a parler de Lhassa Descriptio terrarum
1327 a 1340
mm 1245 a 1247
1253 a 1255 1311 a 1330 1318 a 1330
ASTRONOMES
ALPHONSE x
1221 • 1284 Roi de Castille : Tables alphonsines
Georg PEUERBACH
1421 • 1461 Astronome et mathematicien
Johann REGIOMONTANUS
1436 • 1476 Calculs fins dans le systeme de PTOLEMEE
Reiner GEMMA FRISIUS
1508 • 1555 Triangulation, emploi de chronometres en navigation
Gerardus MERCATOR (Gerhard KREMER)
1512 • 1594 Cartographic
Nicolas COPERNIC Tycho BRAHE Johannes KEPLER
1
1473 • 1543 De revolutionibus orbium celestium
1546 • 1601 Maitre d'Uraniborg \ 1571 • 1630; Orbites elliptiques
1543
229
ANNEXE IV - L'EVEIL DE LA SCIENCE EN EUROPE OCCIDENTALE AVANT GALILEE
MATHEMATICIENS Nicolas CHUQUET Jehan CERTAIN Luca PACIOLI Rudolf CHRISTOFF
1 1445 • 1500 Triparty en la science des nombres xve siecle
Le Kadran aux marchans
'
1484 1485
1445 • 1510 Summa de arithmetica, a Venise
1494
Exempel Buchlin
1530
Jerdme CARDAN
1501 • 1576 i Theorie des equations, nombres negatifs et imaginaires
TARTAGLIA
1500 • 1577 Equations d'ordres eleves
Simon STEVIN
1548 • 1620 Fractions decimales, nombres irrationnels
PHYSICIENS ET INGENIEURS Pierre DE MARICOURT
\ xm6 siecle i Epistola de magnete
WITELO
1220 • 1275 Dominicain polonais Traducteur de IBN AL HAYTHAM
VlLLARD DE HONNECOURT
; Xffle siecle I Batisseur de cathedrales
GUTENBERG
1400 • 1468 Bible a 42 lignes
Vannoccio BIRINGUCCIO
i Pirotechnia
1269
1455 1540
Leonard DE VINCI
1452 • 1519 Garnets de dessins
AGRICOLA (Georg BAUER)
1490 • 15551 De re metallica
Giambattista DELLA PORTA
1535 • 1615 i De refractione Spiritale
1593 1606
Agostino RAMELLI
1531 • 1600: Diversi et artificiose machine Ingenieur militaire de HENRI in Machineries diverses
1588
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UNE BREVE BIBLIOGRAPHIE
HlSTOIRE GENERALE ET HISTOIRE DES IDEES A.L. BASHAM La Civilisation de I'lnde ancienne - Arthaud 1976 R. BENEWICK et S. DONALD Atlas de la Chine contemporaine - Autrement 1999 L. CANFORA Line profession dangereuse : les penseurs grecs dans la cite - Desjonqueres 2000 Fr. CHENG L'Ecriture poetique chinoise - Le Seuil 1977 Vide et Plein, le langage pictural chinois - Le Seuil 1979 Souffle Esprit - Le Seuil 1989 Shitao, 1642-1707. La Saveur du monde - Phebus 1998 KM. CORNFORD Principium sapientiae - Cambridge University Press 1952 Y. COPPENS Le Genou de Lucy - Odile Jacob 1999 J. DIAMOND De I'inegalite parmi les societes - Gallimard 2000 J.L. DOMENACH et P. RICHER La Chine 1945-1985 - Imprimerie Nationale 1987 G. DUMEZIL Heur et Malheur du guerrier - Flammarion 1985 Mythe et Epopee (3 tomes) - Gallimard 1995 D. et V. ELISSEEFF La Civilisation japonaise - Arthaud 1974 La Civilisation de la Chine classic/ue - Arthaud 1979 J. GERNET Le Monde chinois - Armand Colin 1972 M. GRANET La Pensee chinoise - Albin Michel 1934 La Religion des Chinois - Imago 1989
232
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
M. GRAULICH Montezuma - Fayard 1994 J. GRAVEREAU Le Japon au xxe siecle - Le Seuil 1993 L. HAMBIS et al. L'Asie centrale - Imprimerie Nationale 1977 Y. INDUE Confucius - Stock 1989 C. JACQUES Chronologic du Pays Khmer - Dossiers d'Archeologie 221,1997 Ch. JAFFRELOT L'Inde contemporaine - Fayard 1996 F. JULLIEN De I'essence ou du nu - Le Seuil 2000 S. KATO Histoire de la litterature japonaise (3 tomes) - Fayard 1985 J. LE GOFF La Civilisation de I'Occident medieval - Arthaud 1984 D. LELIEVRE Le Dragon de lumiere - France Empire 1996 G.E.R. LLOYD Pour enfinir avec les mentalites - La Decouverte 1993 E. LE ROY LADURIE L'Historien, le chiffre et le texte - Fayard 1997 LE THANK KH6i Histoire du Vietnam - Sudestasie 1987 S. KATO Histoire de la litterature japonaise (3 tomes} - Fayard 1986 S.N. KRAMER L'Histoire commence a Sumer - Arthaud 1986 J.C. MARGUERON Les Mesopotamiens (2 tomes) - Armand Colin 1991 O. MURRAY La Grece a I'epoque archaicjue - Presses Universitaires du Mirail 1995 J. NEEDHAM Dialogue des civilisations, Chine-Occident - La Decouverte 1986 M. OTTE Les Paleolithiques inferieur et moyen en Europe - Armand Colin 1996
LINE BREVE BIBLIOGRAPHIE
233
J.M. PESEZ La Sicile arabe et normande - Dossiers d'Archeologie 225, 1997 J. PlMPANEAU
Chine. Culture et traditions - Philippe Picquier 1988 Histoire de la litterature chinoise - Philippe Picquier 1989 P. RAWSON et L. LEGEZA Le Tao - Le Seuil 1973 H.O. ROTERMUND et al Asie orientale et meridionale aux xixe et xxe siecles - Nouvelle Clio - PUF 1999 J.P. Roux L'Asie centrale - Fayard 1997 J.R. ROY L'Astronomie et son histoire - Masson 1982 R.A. STEIN La Civilisation tibetaine - L'Asiatheque 1962 S. SUBRAHMANYAM
L'Empire portugais d'Asie 1500-1700 - Maisonneuve 1999 M. VERGE-FRANCESCHI Henri le Navigateur - Editions du Felin 1994 J.P. VERNANT My the et Pensee chez les Grecs - La Decouverte 1996 L'Univers, les dieux, les hommes - Le Seuil 1999 P. VIDAL NAQUET Les Grecs, les historiens, la democratic - La Decouverte 2000 M. WEBER Economic et Societe dans I'Anticjuite - La Decouverte 1998
R.X. ZHU et al. Nature 413, 2001
HISTOIRE DE LA PHYSIQUE ET DES TECHNIQUES D. AUFFRAY
Archeologia 347, juillet 1998 J.D. BARROW Pourquoi le monde est-il mathematicjue ? - Odile Jacob 1996 J. BLAMONT Le Chiffre et le Songe - Odile Jacob 1993
234
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
J.L. CALVET Histoire de I'ecriture - Plon 1996 A. DjEBBAR
Une histoire de la science arabe - Le Seuil 2001 D.E. DUNCAN Le Temps conte - Nil Editions 1999 R.P. FEYNMAN Legons sur la physique - Odile Jacob 2000 J.C. FEVRIER Histoire de I'ecriture - Payot 1984 A. FORTI et al. La Mort de Newton - Maisonneuve et Larose 1996 J. GlMPEL
La Revolution industrielle du Moyen Age - Le Seuil 1975 P. GUAYDIER Histoire de la physique - PUF 1964 D. GUEDJ La Mesure du monde - Laffont 1997 A.Y. AL HASSAN et D.R. HILL Islamic Technology - Unesco 1991 G. IFRAH Histoire universelle des chiffres (2 tomes) - Bouquins, Robert Laffont 1994 A. KOYRE Newtonian Studies - Harvard University Press 1965 Du monde clos a I'univers infini - Gallimard 1973 Fr. JULLIEN Traite de I'efficacite - Grasset 1996 J. LAMIRAND et H. PARISELLE Cours de chimie, 2e partie : Metaux - Masson & Cie 1939 D.S. LANDES L'Heure qu'il est - NRF, Gallimard 1987 B. LELONG Personne n'a decouvert I'electron - La Recherche 303,1997 Ch. LICOPPE La Formation de la pratique scientifique - La Decouverte 1996 G.E.R. LLOYD Les Debuts de la science grecque - La Decouverte 1990 La Science grecque apres Aristote - La Decouverte 1990
UNE BREVE BIBLIOGRAPHIE
235
R. LOCQUENEUX
Prehistoire et Histoire de la thermodynamique classique - Cahiers d'histoire et de philosophic des sciences 45, SFHST, 1996 S. NAKAYANA et N. SIVIN Chinese Science - MIT Press 1973 J. NEEDHAM La Science chinoise et I'Occident - Le Seuil 1973 Science and Civilisation in China (10 tomes) - Cambridge University Press 1960-1965 O. NEUGEBAUER Les Sciences exactes dans I'Antiquite - Actes Sud 1989 J. PERRIN Comment naissent les techniques - Publisud 1988 P. POMEY et al La Navigation dans I'Antiquite - Edisud 1997 C. ROMAN Histoire mondiale des sciences - Le Seuil 1988 R. RACKED Histoire des sciences arabes (3 tomes) - Le Seuil 1997 P. Rossi La Naissance de la science moderne en Europe - Le Seuil 1999 M. SERRES et al. Elements d'histoire des sciences - Bordas 1989 S. SHAPIN La Revolution scientifique - Flammarion 1998 C. SINGER et al. A History of Technology - Oxford University Press 1979 S. SINGH Le Dernier Theoreme de Fermat - J.C. Lattes 1998 N. SIVIN Science and Technology in East Asia - SH Publications New York 1977 M. SOUTIF Vibrations - Propagation - Diffusion - Dunod 1970 L'Asie, source de sciences et de techniques - PUG 1995 R. TATON La Science antique et medievale - PUF 1966 R.K.G. TEMPLE Le Genie de la Chine - Philippe Picquier 2000
236
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
D. TERRfi
Les Derives de I'argumentation scientifique - PUF 1998 D. TOURNES et al. L'Ocean Indien au carrefour des mathematiques - IUFM de la Reunion 1998
R.F. TYLECOTE The early History of Metallurgy in Europe - Langman 1987
TABLE DES ILLUSTRATIONS Les illustrations pour lesquelles aucune reference n'est indiquee sont extraites de la phototheque personnelle de 1'auteur. Les cliches correspondants ont ete realises avec 1'aimable autorisation des responsables des musees ou des sites concernes. I - LES PREMIERS ESSAIS D'INTERVENTION LES OUTILS ET LES ARMES
1
SUR LA NATURE :
a - Crane de I'Homo erectus de Zhou Kou Dian b - Galet amenage biface massif D'apres J. GARANGER et al. - La Prehistoire dans le monde Nouvelle Clio, Presses Universitaires de France, Paris, 1992 - Droits reserves.
2
Schemas de debitage Levallois D'apres J. GARANGER et al. - La Prehistoire dans le monde Nouvelle Clio, Presses Universitaires de France, Paris, 1992 - Droits reserves.
3
Principaux types de pointes solutreennes -19000 a 16000 avant J.C. D'apres J. GARANGER et al. - La Prehistoire dans le monde Nouvelle Clio, Presses Universitaires de France, Paris, 1992 - Droits reserves.
4
Transport d'un lingots de cuivre - Releve d'une tombe thebaine
5 6
Principales sources d'etain en Europe Diagramme de fusibilite des alliages cuivre-etain D'apres J. LAMIRAND et H. PARISELLE - Cours de chimie, 2s partie : Metaux Masson & Cie, Paris, 1939.
7
Haches en bronze : a - b : Chinoises - xe siecle avant J.C. c - d : Est de 1'Oural, Karakevichevo.
8
Bronze SHANG -1400 avant J.C. Musee de Shanghai.
9
Moule demontable pour vase de bronze - Dynastie SHANG Diagram by H. MARYON. In C. SINGER et al. - A History of Technology- Vol. I Oxford University Press, 1979 - Droits reserves.
10 11
Schema d'un bas fourneau Cornue BESSEMER D'apres J. LAMIRAND ET H. PARISELLE - Cours de chimie, 2s partie : Metaux Masson & Cie, Paris, 1939.
12
Objets en fonte affinee pour un travail civil en Chine - 513 avant J.C. A partir de documents fournis par le Centre de documentation et de recherche sur la litterature chinoise. D'apres J. GERNET - Le Monde chinois - Armand Colin, Paris, 1972 - Droits reserves.
238
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
13
Vue du canal de Li BING au ler plan devant la Du Jiang a Guan Xian, Si Chuan
14
Tombe n°43 a Varna - Bulgarie - 4500 avant J.C. - au total, plus de 1,5 kg d'or D'apres Le Premier Or de I'humanite en Bulgarie. 5e millenaire Musee des antiquites nationales - Saint-Germain-en-Laye Editions de la Reunion des musees nationaux, Paris, 1989 Avec la permission du musee historique de Varna, Bulgarie.
15 16
Les routes de 1'or au Moyen Age Figurine de Hasanoglou - Anatolie - 2200 avant J.C. - argent et bandeaux d'or Musee d'Ankara.
II - LA RAISON ET I/EXPERIENCE
17
La boule tourne par reaction - HERON D'ALEXANDRIE D'apres G.E.R. LLOYD - La Science grecque apres Aristote - La Decouverte, Paris, 1990.
18
Quand on allume 1'autel, les portes s'ouvrent - HERON D'ALEXANDRIE D'apres G.E.R. LLOYD - La Science grecque apres Aristote- La Decouverte, Paris, 1990.
19
Calcul d'ARISTARQUE DE SAMOS D'apres P. THUILLIER - La Recherche 217.
20 21
Experience de CLAUDE PTOLEMEE Os oraculaire Plastron divinatoire trouve a An Yang dans la fosse YH127. T'aipei, Academia Sinica, fragments n° 13.0.6827 et 13.0.15254. In D. et V. ELISSEEFF - La Civilisation de la Chine classique Arthaud, Paris, 1979 - Drolls reserves.
22
LAO Zi sur son buffle D'apres J. PIMPANEAU - Chine. Culture et traditions Philippe Picquier, Aries, 1988 - Droits reserves.
III - LA NUMERATION ET LE CALCUL 23
Fragment de bulle-enveloppe avec les calculi materialisant les nombres Dossiers Histoire et Archeologie 138 - mai 1989 - Photo DAFI - Droits reserves.
24
Compte de chevres et de moutons - Lagash - 2350 avant J.C. Argile cuite Tello - Periode sumerienne - Regne d'Urukagina Musee du Louvre - Antiquites orientales - © Photo RMN - Ch. Larrieu.
25
Tablette mathematique de Babylone - 1800 avant J.C. D'apres G. IFRAH - Histoire universelle des chiffres Bouquins, Robert Laffont, Paris, 1994.
26
Discussion d'un probleme difficile entre maitre et eleves Frontispice du Traite d'arithmetique de CHENG DA WEI -1593 D'apres R. TEMPLE - Le Genie de la Chine Philippe Picquier, Aries, 2000 - Droits reserves.
27 28
Multiplication de 81 x 81 - D'apres le Jiu Zhang Suan Shu Le royaume KOUSHAN
TABLE DES ILLUSTRATIONS
239
IV - LA MESURE ET LA PRECISION
29
GUDEA et la regie etalon Musee du Louvre, Paris - After photograph by Vizzavona. D.E. WOOGALL. In C. SINGER et al. - A History of Technology- Vol. I Oxford University Press, 1979 - Droits reserves.
30
Regies etalons du musee historique de Beijing depuis la dynastie ZHOU (en haut) jusqu'a la dynastie MING (en bas) A collection of standard length measures, wooden copies of bronze or ivory originals, made in Peking at the National Historical Museum for the late Professor W.P. YETTS. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(1) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
31
Pied a coulisse chinois - An 9 Comparative Tables of Scientific Technological and Scholarly Achievements in China and Europe. KHS, 1925, 10, 1 & J.C. FERGUSON - The Chinese Foot Measure. MS, 1941, 6, 357. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China- Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
32
Calcul de 71 par Liu Hui - 264 D'apres R. TEMPLE - Le Genie de la Chine Philippe Picquier, Aries, 2000 - Droits reserves.
33
Balance et poids zoomorphes - El Amarna - Egypte -1530 avant J.C. Science Museum, London - By courtesy of the Director. D.E. WOOGALL. D'apres C. SINGER et al. - A History of Technology- Vol. I - Oxford University Press, 1979.
34
Balance dite romaine - Tian Ping - vers 1050 D'apres J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(1) Cambridge University Press, 1977.
35
La pile de CHARLEMAGNE Photo CNAM-MINT/PoMMiER. In le Bulletin du bureau national de metrologie - Vol. 20 (76-77) - avril-juillet 1989.
36
Deuxieme loi de KEPLER - Les deux zones grisees sont egales et decrites dans des temps egaux.
37
Le Quadran mural de Tycho BRAHE avec la graduation transverse d'HoMiuus Gravure de Astronomiae instauratae mechanica -1598. In J. BLAMONT - Le Chiffre et le Songe - Odile Jacob, Paris, 1993 - Droits reserves.
V- LA MATIERE ET LE VIDE 38
Gazometre de LAVOISIER utilise pour 1'etude de la composition de 1'air D'apres J.B. DUMAS et E. GRIMAUX - CEuvres de Lavoisier- Imprimerie Nat., Paris, 1862-1893, t. 1 ; Bibl. nat., Paris. Cliche Bibliotheque nationale de France, Paris.
39
Synthese de 1'eau devant 1'Academic des sciences par LAVOISIER et LAPLACE en juin 1783 Gravure du xixe siecle. Ph. © Coll. C. Bailleux - Droits reserves. In M. SERRES et al. - Elements d'histoire des sciences - Bordas, Paris, 1989.
40
Le cylindre a vide equilibre par des poids - Otto VON GUERICKE In J. BLAMONT - Le Chiffre et le Songe - Odile Jacob, Paris, 1993 - Droits reserves.
240
41
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
La pompe pneumatique - R. BOYLE et R. HOOKE -1660 Extrait ties New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air (1660) de BOYLE. In C. RONAN - Histoire mondiale des sciences Le Seuil, 1988 - Droits reserves.
42
SHI TAG - Au gre du fleuve Section d'un rouleau (hauteur : 29 cm ; longueur totale : 350 cm. Musee de Shanghai. In F. CHENG - Shitao, 1642-1707 - La Saveur du monde Phebus, Paris, 1998 - Droits reserves.
43
SHI TAO - Barques a la Porte celeste 16,4 x 23 cm. Pekin, musee du Palai. In F. CHENG - Shitao, 1642-1707 - La Saveur du monde - Phebus, Paris, 1998 - Droits reserves.
VI - LE CALENDRIER ET LE TEMPS 44 45 46 47 48 49
Precession des equinoxes - mouvement conique de 1'axe terrestre Le systeme solaire de CLAUDE PTOLEMEE Observatoire de Jaipur Observatoire de Pekin Observatoire de Chichen Itza vu de la Nonnerie Civilisation Tolteco-Maya - xme siecle. Cadran solaire egyptien ier siecle - Deutsches Museum, Munich. Ph. © du musee/Photeb.
50
Clepsydre a ecoulement d'eau D'apres G.E.R. LLOYD - La Science grecque apres Aristote - La Decouverte, Paris, 1990.
51
Horloge de Su SONG -1092 Orig. drawing by John CHRISTIANSEN. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China Vol. 4(11) - Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
52
Echappement de 1'horloge de Su SONG D'apres J.H. COMBRIDGE - The Celestial Balance; a Practical Reconstruction. HORY, 1962, 104, 82. Repr. Antiq. Horol. Soc., London, 1962. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) - Cambridge University Press, 1977.
53
Echappement a palettes Dessin de DROUARD in F. BERTHOUD - Histoire de la mesure du temps - Paris 1802. In D.S. LANDES - L'Heure qu'il est- NRF, Gallimard, Paris 1987 - Droits reserves.
54
Controle de 1'echappement par un pendule - HUYGENS -1673 Dessin de F. BERTHOUD in F. BERTHOUD - Histoire de la mesure du temps - Paris 1802. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
VII - LA MECANIQUE I L'EQUILIBRE ET LE MOUVEMENT 55 56
Le plan incline de GALILEE Grue a cage d'ecureuil Miniature d'apres Histoire Universelle. Ms. 562, F°9, r°. Bibliotheque municipale de Dijon, France. In Les Batisseurs du Moyen Age - Dossiers d'Archeologie 219. Droits reserves.
TABLE DES ILLUSTRATIONS 57 58
241
Explication du phenomene de maree par NEWTON La composition des forces selon SIMON STEVIN -1586 Frontispice in S. STEVIN - De Weeghdaet beschreven duer Simon Stevin Van Brugghe, 1586 - Bibl. nat., Paris. Cliche Bibliotheque rationale de France, Paris.
59
Un chercheur dans son laboratoire - Gravure de 1547 Gravure in W.H. RYFF - ...der Arkitektur, 1547. Bibl. nat., Paris. Cliche Bibliotheque nationale de France, Paris.
VIII - LA LUMIERE ET L'OPTIQUE
60 61 62 63 64 65
Refraction par 1'atmosphere - tres schematiquement Le miroir magique Schema comparatif de la lunette de GALILEE et de la lunette astronomique Schema d'un mirage - L'observateur voit le ciel comme reflechi par 1'eau. Telescopes : de GREGORY -1660 - a gauche ; de NEWTON -1670 - a droite Le telescope de HERSCHEL -1780 Ouverture : 1,2 m ; distance focale : 12 m. In C. RONAN - Histoire mondiale des sciences - Le Seuil, Paris, 1988 - Droits reserves.
66
Microscope compose du debut du xviii6 siecle - Alexis MAGNY Kunsthistorisches Museum, Vienne. In H. DEMORIANE - /.'art de reconnaftre les instruments scientifiques du temps passe- Hachette, Paris, 1974 - Droits reserves.
67 68 69
Mesure de c, vitesse de la lumiere, par ROMER Mesure de c - experience de FIZEAU Raies du spectre de 1'hydrogene - serie de BALMER
IX - LES ACTIONS A DISTANCE
70
Operation de geomancie decrite dans le Shu Jing Detail d'une illustration montrant la fagon de choisir le site de la construction d'une cite nouvelle. Extrait d'une edition imperiale illustree du Shujing. In R. TEMPLE Le Genie de la Chine - Philippe Picquier, Aries, 2000 - Droits reserves.
71 72
Boussole HAN (- 200 • + 200) - Cuillere en magnetite, plaque en bronze poli Boussole flottante - 1086 D'apres Wang CHEN-TO - Discovery and Application of Magnetic Phenomena in China, II. AS/CJA, 1950, 4, 185. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(1) Cambridge University Press, 1977.
73
Boussole sur pivot -1150 D'apres Wang CHEN-TO - Discovery and Application of Magnetic Phenomena in China, II. AS/CJA, 1950, 4, 185. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(1) Cambridge University Press, 1977.
74
Le bol de Damas Syrie. Vers 1516-1520. Ceramique, decor peint sous glacure. H : 3 cm ; D : 19 cm. Musee de Damas, inv. T. 123/A.1727 (8026). In Syrie - Memoire et civilisation - Flammarion, Paris, 1993 - Droits reserves.
242 75
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE Alidades entourant une aiguille flottante Le Sud est en haul et le 2e cercle est decale de 7,5° vers I'Est suivant la declinaison du systeme Feng Zhen. D'apres THU SHU CHI CHHENG - Imperial Encyclopedia. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(1) - Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
76
Joueur de harpe D'apres A. PAROT - Sumer- NRF, Paris, 1960. In J.C. MARGUERON - Les Mesopotamiens - Tome 2 : Le cadre de vie et la pensee Armand Colin, Paris, 1991 - Droits reserves.
77
Les 12 tuyaux sonores de la gamine chinoise A partir du 7e tuyau, il y a decalage d'une octave pour ne pas finir par des frequences trop aigues. D'apres J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(1) Cambridge University Press, 1977.
78 79 80
Batterie de cloches de la tombe du Marquis Yi - Royaumes Combattants Musee de Wu Han. Cloche plate du temple de Foshan - Guang Dong Lettre jouant du gu qin D'apres J. PIMPANEAU - Histoire de la litterature chinoise Philippe Picquier, Aries, 1989 - Droits reserves.
81
Orchestre de chambre Selon une encyclopedic du xixe siecle. D'apres J. PIMPANEAU - Chine. Culture et traditions Philippe Picquier, Aries, 1988 - Droits reserves.
82
Schema du sismographe de ZHANG HENG
83
Balance de torsion de Charles COULOMB Memoire sur I'electricite et le magnetisme -1785-1789
132 apres J.C. D'apres R. TEMPLE - Le Genie de la Chine - Philippe Picquier, Aries, 2000.
In C. RONAN - Histoire mondiale des sciences - Le Seuil, Paris, 1988 - Droits reserves.
84
Piles d'A. VOLTA -1799 Museo nationale della scienza e della technica, Milan. In C. RONAN - Histoire mondiale des sciences - Le Seuil, Paris, 1988 - Droits reserves.
X- LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION 85
Evolution de 1'attelage du cheval: (a) Sangle de gorge - (b) Bricole de poitrail - (c) Collier D'apres J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977.
86 87
La route de la soie Une grotte ZHOU du Nord
88
Attelage par la bricole de poitrail - Bas-relief HAN du ier siecle avant J.C. D'apres R. TEMPLE - Le Genie de la Chine Philippe Picquier, Aries, 2000 - Droits reserves.
TABLE DES ILLUSTRATIONS 89
243
Un chadouf - Gravure de 1637 D'apres THIEN KUNG KHAI Wu - The Exploitation of the Works of Nature. Ming, 1637. Sung Ying-Hsing. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
90
La pompe a palettes, normalised des la periode TANG D'apres THIEN KUNG KHAI Wu - The Exploitation of the Works of Nature. Ming, 1637. Sung Ying-Hsing. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
91
Moulin a roue verticale de VITRUVE D'apres J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China- Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977.
92
Soufflerie metallurgique actionnee par un moulin a eau Soufflet a double effet - Chine, ive siecle avant J.C. D'apres J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977.
93
Une tatara, soufflet a double effet de la metallurgie japonaise D'apres A. LEDEBUR - Uber den japanischen Eisenhuttenbetheb. SE, 1901, In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
94
Soufflerie a double effet de John WILKINSON -1757 D'apres H.W. DICKINSON - John Wilkinson [engineer]. BGTI, 1911, In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
95
21, 842.
3, 215.
Soufflerie metallurgique de RAMELLI -1588 D'apres A. RAMELLI - Le Diversi e Artifiose Machine del Capitano. A.R., Paris, 1588. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
96
Trois bateaux moulins a Lyon, pres du pont de la Guillotiere -1550 D'apres A. MARIUS - Les Vieux Moulins du Rhone. Lyon, 1919. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
97
Une saqiya arabe - AL JAZARI -1206 La source d'energie peut etre 1'eau ou un animal. D'apres E. WIEDERMANN & F. MAUSER - Uber Vorhchtungen zum Heben von Wasser in der Islamischen Welt. BGTI, 1918, 8, 121. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China Vol. 4(11) - Cambridge University Press, 1977.
98
Derricks au Si Chuan D'apres C. BEATON - Chinese Album (photographs). Batsford, London, 1945. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 4(11) Cambridge University Press, 1977 - Droits reserves.
99
Thermometre d'AMONTONS -1702 Le tube est rempli de mercure jusqu'en A alors que la boule E, remplie d'air, est plongee dans 1'eau bouillante. II mesure ensuite les temperatures T < 100°C. 100 Calorimetre de LAVOISIER et LAPLACE - public a Londres en mars 1802 in C. RONAN - Histoire mondiale des sciences - Le Seuil, Paris, 1988 - Droits reserves.
244
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
101 Principe du regulateur a boules 102 Pompes a vapeur de NEWCOMEN (a gauche) et de WATT (a droite) 103 Le cycle de CARNOT - Les echanges de chaleur se font le long des isothermes et Ton passe de Tune a 1'autre sans echange de chaleur. 104 Dynamo GRAMME 105 Le chariot montmnt le sud D'apres G. LANCHESTER - The Yellow Emperor's South-Pointing Chariot (with a note by A.C. Moule). China Society, London, 1947. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China Vol. 4(11) - Cambridge University Press, 1977.
106 Le royaume KHAZAR Principales routes fluviales en Europe orientale aux ixe et xe siecles.
XI - LES TRANSPORTS 107 Hotte avec bandeau frontal - Femme demenageant pres de Gorepani - Nepal 108 Ambulance dans 1'Himalaya 109 Porteuse d'eau au Huang Shan - Chine 110 Roue et essieu en bois - Mato Grosso 111 Navigation avec barque en peau et outre - Palais de SENNACHERIB D'apres J.C. MARGUERON - Les Mesopotamiens - Tome 1 : Le temps et I'espace Armand Colin, Paris, 1991 - Droits reserves. 112 Barque de roseaux - Lac Titicaca - 1968 113 Schema de la coque cousue du navire de KHEOPS D'apres P. SCHMID. In P. POMEY et a/. - La Navigation dans I'Antiquite - Edisud, 1997.
114 Une triere athenienne Construction de la coque - Systeme borde premiere Schema des banes de nage D'apres les Dossiers d'Archeologie 183.
115 Le KYRENIA ii -1986 In P. POMEY et a/. - La Navigation dans I'Antiquite - Edisud, 1997 - Droits reserves.
116 Reduction de la voilure par le systeme de cargues a - Voile de portant avec vergue brassee en pointe - Toile maximum b - Voilure de transition portant-pres - Toile reduite de moitie D'apres R. ROMAN, CCJ-CNRS. In P. POMEY et a/. - La Navigation dans I'Antiquite - Edisud, 1997. 117 Le port d'Alexandrie - Bassin principal et phare - Le sud est en haut. Aquarelle de J.CI. GOLVIN. In Le Phare d'Alexandrie - Dossiers d'Archeologie 259 - Droits reserves.
118 Une voile latine sur le Nil 119 Caravelles de C. COLOMB Carte postale commemorative en 1992. Sociedad quinto centario - Droits reserves.
TABLE DES ILLUSTRATIONS
245
120 Exemples de gouvernail par deux rames : a - Amulette de 1'Indus - 2500 avant J.C. D'apres Les Cites oubliees de I'Indus. Archeologie du Pakistan Musee national Guimet, 1988 - Droits reserves.
b - Procession de la barque sacree - Karnak - 1300 avant J.C. c - Bateau Bugi - Ujung Pandang (Sulawesi) -1981 121 Jonque dans le port de Shanghai -1979 122 Le navire amiral de ZHENG HE - a cote, a la meme echelle, la caravelle de Christophe Colomb (100 ans plus tard) 123 Navire a aubes - Dynastie SONG -1161 D'apres YD CHHANG-HUI - Essentials of Coast Defence. 1822. In J. NEEDHAM - Science and Civilisation in China - Vol. 3 - Cambridge University Press, 1979 - Droits reserves. 124 Carte d'ERATOSTHENE du monde connu au me siecle avant J.C. D'apres P.f.J. GOSSELIN. In P. POMEY et al. - La Navigation dans I'Antiquite Edisud, 1997 - Droits reserves.
125 Carte en projection cylindrique de MERCATOR -1595 D'apres Gerard MERCATOR - Atlas sive cosmographicae mediationes de fabrica mundi et fabricati figura. Duisburgi, [Mercator], 1595. VH 14.348 C LP. In Le Cartographe Gerard Mercator Credit Communal de Bruxelles, 1994 - Droits reserves.
126 Arbalestrille ou baton de JACOB La plupart possedait 2 ou 3 bras lateraux de longueur differente. 127 Le premier chronometre de marine HI (1735) de HARRISON et les suivants H4 (1761) est au centre. Photo du National Maritime Museum, Greenwich, Londres. In D.S. LANDES - L'heure qu'il est- NRF, Gallimard, 1987 - Droits reserves.
XII - LA PHYSIQUE ET LE POUVOIR 128 Maquette du phare d'Alexandrie D'apres la reconstitution de H. TIERSCH. Alexandrie. Musee maritime. © Sarapis/Alexandrie. In Dossiers d'Archeologie 201 - Droits reserves.
129 Les industries du fer et du sel dans la Chine des HAN de 1'Ouest 200 avant J.C. a 9 apres J.C. D'apres J. GERNET - Le Monde chinois - Armand Colin, 1972. 130 La grande place de Samarcande Reconstruite a I'identique par les Sovietiques.
131 Les etrangers en visite en Chine sous les TANG 132 Un imprimeur itinerant dans 1'Himalaya 133 La maison des esclaves a Goree - Senegal 134 Plan de Uraniborg Joannes BLAEU - Atlas major sive cosmografia, Blaviana, 1662, Institut de France. In J. BLAMONT - Le Chiffre et le Songe - Odile Jacob, Paris, 1993 - Droits reserves.
Cette page est laissée intentionnellement en blanc.
INDEX DBS ATOMS DE PERSONNES
Paolo DEL ABACCO 53 ABD AL MALIK 201 AgoKA 48 ADELARD DE BATH 33, 53 Clement ADER 197 AHMOSIS 55 Muhammed AL AWFI 134 AL BATTANI 58,120,193, 203 AL BIRUNI 159 Mohammed AL FAZARI .. 52,193,120, 202 AL KASHI 52, 58, 65, 203 AL KHWARIZMI 52-53, 58,120, 203 AL KINDI 119-120 AL MAMUN 33, 52, 57, 201 Nasir AL Tusi 52, 203 ALEXANDRE LE GRAND 30,185, 200 ALHAZIN (IBN AL HAYTHAM) . 52-53,119-120, 204 ALPHONSE D'ARAGON 193 ALPHONSE vi 33, 53 ALLAN KHAN 34 Guillaume AMONTONS 160 Andre-Marie AMPERE 145 ANAXAGORE (DE CLAZOMENE) 74 ANAXIMANDRE (DE MILET) . 29, 73,101, 199 ANAXIMENE (DE MILET) 73,101,199 Thomas ANDREWS 162 Jacopo ANGIOLO 192 Adrien ANTHONISZOON 65 Frangois ARAGO 124 ARCHIMEDE 44, 56, 65, 68,103, 114, 118, 201, 203 ARCHYTAS DE TARENTE 30,117-118,199 ARISTARQUE DE SAMOS 31-32, 93 ARISTOTE . . . 30-33, 39, 69, 74-76, 82-83, 85, 102-103, 105-109, 118-120, 122, 128, 200, 202, 204, 209-210, 213
ARJUNA ARTEMIS ARYABHATA
48 103 32, 49, 52, 57, 94, 120, 193, 202-203 AVERROES (IBN RUSHD) 32, 120 AVICENNE (IBN SINA) 119, 204 Amedeo Di QUAREGNA E CERETTO, comte D'AVOGADRO 79 Jean Sebastien BACH 142 Francis BACON 210-211 Roger BACON 33,120,134 Johann Jacob BALMER 129 BANU MUSA 152 Eveque BAR SAUMA 33 BARDI 54 Isaac BARROW 103 Matsuo BASHO 86 Alphonse Eugene BEAU DE ROCHAS . . . 160 Graham BELL 145 Cardinal BELLARMIN 122 Martin BENHAI'M 188 Jacques Etienne BERARD 162 Aristide BERGES 169 Jacques BERNOULLI 110,114 Fere BERTHIER 70 Louis BERTHOUD 196 Jons Jacob BERZELIUS 79 Friedrich BESSEL 139 Henry BESSEMER 20-21 BHASKARA 57 Bi SHENG 205 Vannoccio BiRiNGUCCio 78, 155 Joseph BLACK 161 Louis BLERIOT 197 BOECE 32 Niels BOHR 80,129 Raffaele BOMBELLI 58
248
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Napoleon BONAPARTE 163-164, 211 Auguste BOUCHAYER 169 BOUDDHA 37, 49, 87 Robert BOYLE 85,162-163, 210 James BRADLEY 128 Thomas BRADWARDINE 108 Tycho BRAHE. . 70-72, 96,109, 203, 208-209 BRAHMAGUPTA 49, 52, 57, 202 Edouard BRANLY 145 Fernand BRAUDEL 20 Robert Wilhelm BUNSEN 130 Jost BURGI 99 Jean BURIDAN 106-107 Alvise CA DA MOSTO 208 Pedro ALVARES CABRAL 195 CAI LUN 42 Jerome CARDAN 58,172-173 Sadi CARNOT 167-168 Isaac CASAUBON 76 Nicolas CASSEGRAIN 126 Jean Dominique CASSINI 144 CASSIODORE 104 Henry CAVENDISH 72, 78,143 Anders CELSIUS 161,167 Jehan CERTAIN 54 JULES CESAR 97,186 CHARLEMAGNE 68 CHARLES n 210 CHARLES QUINT 26 CHENG DA WEI 47 Dynastie CHOLAS 51 CHRISTIAN iv 208 Manuel CHRYSOLORAS 192 Nicolas CHUQUET 54, 58 CICERON 186 Rudolf CLAUSIUS 167 Nicolas CLEMENT 99,162 CLEOPATRE vn 33,184, 201 Jean-Baptiste COLBERT 210 Christophe COLOMB 135,188, 190, 195, 197 Abbe DE CONDILLAC 85 Marie Jean Antoine DE CARITAT, marquis DE CONDORCET 63 CONFUCIUS (KONG Fu Zi - KONG Zi) 36, 87 CONSTANTIN L'AFRICAIN
120
Nicolas COPERNIC 70, 76, 84, 209 Charles DE COULOMB 143-144 Gerard DE CREMONE 33, 53,120 Abraham CRESQUES 193 Jaffruda CRESQUES 207 Oliver CROMWELL 210 CTESIBIOS (D'ALEXANDRIE) . . . . Ill, 169, 201 Marie et Pierre CURIE 80 Eveque CYRILLE 33, 201 John DALTON 79, 162 DANTE (Durante ALIGHIERI) 76 Clinton DAVISSON 125 Humphrey DAVY 79,145 Jean-Baptiste DELAMBRE 63 F. DELAROCHE 162 Piero DELLA FRANCESCA 58 Giambattista DELLA PORTA . . . 120-121,160 DEMETRIOS DE PHALERE 200 DEMOCRITE (D'ABDERE) 56, 75-76, 83 Marcel DEPREZ 168-169 Rene DESCARTES 34, 77, 83-84,103, 106-107, 109, 122, 141, 209 Charles DESORMES 162 Bartolomeo DIAS 195, 208 Rudolf DIESEL 160 DIOCLETIEN 104 DIOPHANTE 57-58, 123, 201 Pietro DORIA 193 Edwin Laurentine DRAKE 159 Stillman DRAKE 107 Pierre DUHEM 107 Angelino DULCERT 193 Pierre Louis DULONG 162 Du Yu 153 Gil EANES 207 Thomas EDISON 169 Albert EINSTEIN 125,129 ELIZABETH i 211 EMPEDOCLE (D'AGRIGENTE) 73,102,127, 199 ENKI 29 ENLIL 29 EPICURE 75, 83 ERATOSTHENE (DE CYRENE) 93,188,192, 201 EUCLIDE 56, 58,104,118-120, 201, 203 Leonhard EULER 110-111 EXIGUUS 104 FA XIAN 50
249
INDEX DES MOMS DE PERSONNES Giovanni FABBRONI 68 Daniel Gabriel FAHRENHEIT 161 Michel FARADAY 145,162,168 FENG DAO 206 James FERGUSON 103 Pierre DE FERMAT 59,123 Galileo FERRARIS 169 Leonardo FIBONACCI 53 Marsilio FICIN 76 Hippolyte FIZEAU 128 Hippolyte FONTAINE 168 Bernard LE BOIVIER DE FONTENELLE 126 Henry FORD 160 FORTIN 68 Leon FOUCAULT 128-130 Joseph FOURIER . . . . 129,136, 144,163, 215 William Henry Fox TALBOT 129 Benjamin FRANKLIN 143 Joseph VON FRAUENHOFER 129 FREDERIC n 208 Thierry DE FREIBERG 120 Nicolas FRESNEL 124, 128 Jean FROISSART 99 FUGGER 54 GAIA 73 GALIEN (DE PERGAME)117,119-120, 202, 204 GALILEE (Galileo GALILEI) 33-34, 68-69, 77, 84, 103, 107-110, 113, 120-122, 125-127, 129, 210 Abbe GALLOIS 210 VASCO DE GAMA 195 GAO 19,153 Louis Joseph GAY-LUSSAC 79, 162 GEBER (!BN HAYYAN) 204 Reiner GEMMA FRISIUS 58 GERBERT D'AURILLAC (SYLVESTRE n) 53 Lester Halbert GERMER 125 William GILBERT 136 Jonathan GODDARD 210 Zenobe GRAMME 145,168 Stephen GRAY 143 GREGOIRE xm 97 James GREGORY 125-126 Robert GROSSETESTE 32,120,122 GUDEA 61 Otto VON GUERICKE 84,143, 162 GUTENBERG (Johannes GENFLEISCH) . . . 205
GUYOT DE PROVINS Louis GUYTON DE MORVEAU
134 78
HADES 73 Edmund HALLEY 109-110 Dynastie HAN . . . 23, 37, 51, 62, 67, 82, 86, . . . 98, 132, 143, 148, 153, 170, 201, 205 HAN FEI 132 HANNON 182 John HARRISON 196 HATSHEPSOUT 181 Abbe DE HAUTEFEUILLE 142 Tancrede DE HAUTEVILLE 53 Rene Just HAUY 68 Georg HEGEL 204 Hermann VON HELMHOLTZ 137,167 HENRI LE NAVIGATEUR (DOM HENRIQUE) . . . . 187-188,193, 207 HERACLITE (D'EPHESE) 101 HERMES 76, 78 HERODE LE GRAND 104 HERODOTE 143 HERON D'ALEXANDRIE 31, 111, 152,171 William HERSCHEL 126 Heinrich HERTZ 146 HESIODE 29 HIERON ii 68,114-115 HIPPALE 195 HIPPARQUE (DE NICEE). . . . 93,191, 201, 209 HIPPOCRATE (DE Cos) 202 HOMILIUS 70-71 HONG 12 Robert HOOKE 85,109,127 William HORNER 57 Hou HAN SHU 153 HUAI BING 114 HUAI NAN Zi 19, 87 HuAiZi 69 HUANG Di 35 JanHus 76 Christiaan HUYGENS 99-100, 123-124, 163, 210 HYPATIE 201 IBN AL HAYTHAM (ALHAZIN) 52-53, 119-120, 204 Jabir IBN HAYYAN (GEBER) 204 Hunayn IBN ISHAQ 120, 202 IBN LUQA 119
250
Thabit IBM QURRA Abu IBN RUSHD (AVERROES) IBN SAHL IBN SINA (AVICENNE) IMBERT INANNA William IRVINE Philippe JACCOTTET JESUS JlAXlAN
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE 57, 203 32,120 120 119-120, 204 159 29 161 182 104 57
JIN 190 JOAO I o'Aviz 206 James JOULE 167,169 JUSTINIEN 33 KANISCHKA 49 KANKAN MOUSSA 25 John KEILL 110 Lord KELVIN (William THOMSON) . 145,167 Johannes KEPLER 70, 72, 85,104, 109, 113, 122, 209, 215 Omar KHAYYAM 58, 203 KHAZAR 172-173 KHEOPS 94,177,180 Gustav Robert KIRCHHOFF 129 KONG Fu Zi (KONG Zi - CONFUCIUS) 36, 39, 87 Kou QIAN ZHI 37 KOUSHAN 48-50 Alexandre KOYRE 77, 84, 107 Gerhard KREMER 193 KRISHNA 48 KUBILAI KHAN 191 KUMARAJIVA 50 Philippe DE LA HIRE 172 LAC 51 LAGOS 200 Joseph Louis LAGRANGE Ill, 215 Maitre LAI 135 LANCASTRE 206 G. LANCHESTER 174 LANGDARMA 34 LAOZI 37,87 Pierre Simon DE LAPLACE 79, 111, 161-162, 215 Antoine Laurent DE LAVOISIER .. 68, 72, 75, 78-79, 143, 161, 199 Pierre LE ROY 196
Antoine VAN LEEUWENHOEK Louis LEFEVRE-GINEAU Gottfried Wilhelm LEIBNIZ
127 68 103, 107-110,163 LEOPOLD DE TOSCANE 210 Andre LEROI-GOURHAN 7 LEUCIPPE (DE MILET) 74 LEVI IBN GERSON 195 Jean DE LEYDE 143 Li BAI 86 Li BING 22 Li SE JONG 205 Li SHI CHEN 82 LIBAVIUS 78 James LIND 193 LING LUN 138 Liu Hui 57 Liu Quo 64 Liu ZHIJI 204 Lo XIA HONG 113 Louis xiv 210 Jean Andre DE Luc 144 LUCRECE 75, 83,118 Martin LUTHER 76 Theodore LYMAN 129 MAJUN 172 Pierre Joseph MACQUER 78 Alexis MAGNY 127 MAHAVIRA 49 MARC ANTOINE 33,184 MARCELLUS 103 Guglielmo MARCONI 145 MARDUK 29 Pierre DE MARICOURT 33-34,134 Abbe Edme MARIOTTE 162 MARPA 34-35 Pierre MARTIN 20 Dynastie MAURYA 48 James Clerck MAXWELL. . 124,145-146, 215 MECENE Ill Pierre MECHAIN 63 MEDICIS 214 COSME DE MEDICIS 52, 54, 76 Dimitri Ivanovitch MENDELEIEV 80 MENG YUAN LAO 133 MENG Zi 39 MENON 56
251
INDEX DES MOMS DE PERSONNES GERARDUS MERCATOR (Gerhard KREMER) Marin MERSENNE METON Mi Fu Albert MICHELSON MILAREPA Dynastie MING MING Di MING YONG LE MINOS MlTHRIDATE
59,193-194 141 93, 95 82 128 34-35 62 37 190 182 153
Mo Zi 38, 113, 199-200, 213 MOISE 76 Henry DE MONTMORT 110 Henry MORE 84 Edward Williams MORLEY 128 NAPOLEON i 163-164, 211 NECHAO n 182 Alexander NECKHAM 134 Joseph NEEDHAM 132-135 NERON 83 NESTORIUS 33 Thomas NEWCOMEN 164-165 Isaac NEWTON . 34, 59, 77, 85,103,108-111, . . . . 113, 123-125,129,145,209-211, 215 Abbe NOLLET 143 Guillaume D'OCKHAM 76 OCTAVE 184 Hans Christian OERSTED 144 Georg OHM 144,163 Sergei OLDENBURG 149 OMAR i (AMIR AL MUMININ) 33 Nicolas ORESME 107 ORIBASIUS 170 ORPHEE 137 Luca PACIOLI 54 Denis PAPIN 163 PARACELSE (Theophrast BOMBAST VON HOHENHEIM) 76 PARMENIDE (D'ELEE) 101,199 Blaise PASCAL 34, 84 PAUL in 205 PAUL iv 205 Paul PELLIOT 149 PERRUZI 54 Alexis PETIT 162
PETRONIUS 104 Georg PEUERBACH 59 PHEDON 117 PHIDIAS 114 PHILIPPE LE BEL 23 PHILON DE BYZANCE Ill, 201 Jean PHILOPON 74 Abbe PICARD 210 Max PLANCK 124 PLATON 30, 56,102,143, 202 PLINE L'ANCIEN 120, 143 PLUTARQUE 103,115,118,143 Denis POISSON 162 Marco POLO 188 POMPEE 184,186 POSEIDON 73 POSEIDONIUS D'APAMEE 113 Derek John de Solla PRICE 174 Joseph PRIESTLEY 72, 78,143 Nicolai Mikhailovitch PRJEVALSKI. 148,178 CLAUDE PTOLEMEE. 32, 52, 59, 70, 72, 93-94, . .. 118, 120, 185,192-193, 201-203, 209 PTOLEMEE EVERGETE 200 PTOLEMEE PHILADELPHE 185, 200 PTOLEMEE PHILOPATOR 200 PTOLEMEE S6TER 200 PYTHAGORE . . . 30, 56, 93,102,137,199-200 PYTHEAS 113,182,192 QIAO WEI YUE 190 Dynastie QIN 23, 46-47, 169 QIN Jiu SHAO 57 QIN SHI HUANG Di 38,199 Dynastie QING 213 QING KANG Xi 64 Eveque RAIMOND 33, 53 Agostino RAMELLI 155-156 RAMSES 11 94,178 Rene Antoine FERCHAULT DE REAUMUR 161 REGIOMONTANUS (Johann MULLER) .. 59, 97 Henri Victor REGNAULT 162 Louis RENAULT 160 Jaime RIBES 193 Matteo Ricci 99 Cesar Pierre RICHELET Ill Armand Jean DUPLESSIS, cardinal DE RICHELIEU 210 RIKYU 87
252
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
Robert ROBINSON 164 Ole ROMER 123, 127-128, 161 Christoff RUDOLFF 58 Benjamin THOMSON, comte DE RUMFORD 161 Ernest RUTHERFORD 80 SAINT-AUGUSTIN 75,120 SAINT-BENOIT 20 SAINT-LOUIS 25,193 SAINT-LUC 186 SAINT-MATTHIEU 104 SAINT-PAUL 186 SALOMON 12 Louis DE SANTANGEL 188 SANTORIO (SANCTORIUS DE PADOUE) 160 Thomas SAVERY 163-164 SCIPION EMILIEN 24,183 SELIM 134 SENEQUE 83 SENNACHERIB 177,179 Ere SHAKA 49-51 Dynastie SHANG 16-17, 35, 46, 82 SHEN GUA 113,119,132,135, 205 SHI TAO 88-89 William Hamilton SHORTT 100 Si MA QIAN 23,138, 201 Si MA XIANG Ru 172 SIEGFRIED 20 Wilhem VON SIEMENS 20 Willebord SNELL 122-123 SOCRATE
56
Dynastie SONG
12, 23, 39, 62, 82, 133, 135,170, 190-191, 204, 206 SOSIGENE 97 SRONGTSEN GAMBO 34 Georg Ernst STAHL 78 Aurel STEIN 149 George STEPHENSON 166 Simon STEVIN 59, 115 STRABON 153 Su SONG 98-99, 170 Dynastie Sui 51 Maitre SUN 47 SVIATOSLAV I
173
SYLVESTRE n (GERBERT D'AURILLAC) 53 TAN QIAO 119,142
Dynastie TANG
23, 34, 51, 62, 86,149, 151,170-172, 204-205 TARTAGLIA (Niccolo FONTANA) 58 Eveque TEMPIER 106 Nikola TESLA 169 THALES (DE MILET) 29-30,101,199 THEOPHRASTE (D'ERESE) 74 Antoine THOMAS 64 THOMAS D'AQUIN 32, 38, 76,103,106 Christiaan THOMSEN 7 THOT 76 THOUTMOSIS in 97 THUCYDIDE 182 THYSONG DETSEN 34 TIAMAT 29 TIGLATH PHALASAR in 199 TIMOTHEE i 33 TING HUAN 172 Evangelista TORRICELLI 84,152 John Sealy Edward TOWNSEND 80 TRAJAN 24 J.R TRETZ 170 Trac et Nhi TRUNG 51 TSONGKHAPA 34 TUGHRIL-BEY 204 TUKULTI-NlNURTA
18
TYPHON ULYSSE Antoniotto USODIMARE VALOIS Jacques DE VAUCANSON Giovani Battista VENTURI Ferdinand VERBIEST Pierre VERNIER Pietro VESCONTE Francois VIETE Ere VIKRAMA
73 182 208 209 170 114 69 62 193 58 51
VlLLARD DE HONNECOURT
Ill, 172
Leonard DE VINCI. . . . 99, 111, 120,171-172 VISHNU 51 VITRUVE Ill, 153 Jacques DE VITRY 134 VLADIMIR i LE SAINT 173 ALESSANDRO VOLTA 144,168 VOLTAIRE (Frangois Marie AROUET) . . . 77, 85, 211
INDEX DBS NOMS DE PERSONNES Douglas WALLACE 10 John WALLIS 210 WANG CHONG 81-82,119,143 WANG ZHEN 171 James WATT 164-165 Dynastie WEI 37, 47, 50, 87 WEN CHENG 34 Andrew WILES 59 JOHN WILKINS 210 JOHN WILKINSON 155 Allan WILSON 10 WITELO 120 William Hyde WOLLASTON 129 Christopher WREN 109, 210 Wilbur WRIGHT 197 John WYCLIFFE 76 XUAN ZONG 204 XUN Zi 81, 87 Maitre YANG 135 YAO 35 Marquis Yi 139 Yi Hi 95 Yi XING 64, 98,135
253 Thomas YOUNG 124 Yu LE GRAND 35 Dynastie YUAN 95,149, 205 ZARLIN (Gioseffo ZARLINO). .. 137-138,141 Jacob ZECH 99 ZENG GONG LIANG 133 ZENOBIE 33,186 ZENON (D'ELEE) 101,199 ZENON (DE KITION) 83 ZEUS 73 ZHANG HENG 86, 142 ZHANG Si XUN 98,170 ZHENG HE 190 Dynastie ZHOU 35, 37, 46, 62, 98,138,149,177 ZHU Fu 133 ZHU Xi 39 ZHU ZAI Gu 141 ZHUANG ZHOU 37 ZIGONG 36 ZILU 36 Zou YAN 38, 81-82, 200 Zu CHONG ZHI 65
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INDEX GEOGRAPHIQUE
Abdere Mont Abu Agores Actium Agrigente Aigues-Mortes Albelda Alexandrie
74 49 207 184 199 193 53 33, 94, 111, 185-186, 192, 200-201, 214 Aljubarrota 206 Allevard 19 An Yang 12, 17, 35, 46,178 Anatolie 11, 13 Antioche 186 Apamee 158 Arzon 186 Assouan 93 Desert d'Atacama 126 Athenes 25-26, 30, 33, 93, 199 Augsbourg 26, 54 Avignon 193 Babylone 29-30, 56, 93 Bagdad 33, 42, 52, 119, 204, 214 Bahamas 188 Baleares 193 Bali 51 Baltimore 145 Barcelone 63 Bassorah 119 Barrage de Bazacle 158 Boheme 25, 76 Cap Bojador 188, 207 Bologne 144, 192 Cap de Bonne-Esperance 208 Bordeaux 62 Boutan 34 Brassempouy 10
Bruges Byblos Byzance Calicut Cambodge Cambridge Canaries Canton Cantorbery Caroline du Sud Carpathes Carthage Mer Caspienne Catal Hoyiik Catalogne Caucase Cayenne Ceuta Champa Chang Jiang Chang'an Changsha Chartres Grottes Chauvet Chichen Itza Chypre Cluny Cnossos Cornouailles Coumes Crotone Dacie Damas Delos Delphes Derby Dioscoride
187, 207 181 23, 33, 150, 201, 207 195, 207 51 103, 145 188 133-134,141, 189 152 205 23-24 24,181, 183-184,186 173 11 193 8, 18, 173 210 25 51 190 135 119 76, 170 10, 136 96 12, 183 20 177 182 186 30,199 24 134 186, 199 118 164 195
256 Djerba Dmanisi Dniepr Domene Donetz Drepung Dun Huang Dunkerque Edesse Elam Elee Ellesmere Elseneur Ephese Eurasie Florence Foshan Franche-Comte Froges Fu Nan Gafzeh Gansu Genes Ghana Gibraltar Giens Gizeh Desert de Gobi Gorepani Grande-Grece Greenwich Grenade Grenoble Greenland Gwalior Hallstatt Hangzhou Hasanoglou Himalaya Hohmichele Holstein Hotan Huang Shan Hue Hveen lenissei' Lacllmen
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE 53 8 173 169 173 34 148-149, 179, 205 63, 135 33, 52 199 101, 199 134 208 33,101, 186 5, 7 53-54 139 62 169 51 10 158 23, 53, 187 208 9 184 177 132,149 176 30, 199 126 25 163, 166, 169 12 51 19 191 26 176 20 208 34, 50 176 64 208 150 173
Indus lonie Issoudun Java Jumieges Kadasiya KaiFeng Kanesh Karnak Kham ColdeKhyber Kish Kition Monts Kun Lun Kuqa Kyushu La Barbade La Caille La Haye La Mecque La Mure La Tene Ladakh Lagash Lam Ap Lancey Le Caire Le Cap Le Creusot Le Laurion Le Piree LePunt Le Vallonet Levallois-Perret Leyde Lhassa Lille Lillers Lisbonne Liverpool Luoyang Lyon Madere Magdeburg Maghreb Maine Mainz
189 199 155 8 152 51 135,206 16 189 34 49 13, 177 183 37 50 191 196 11 110 25,134 166 20, 186 34 61 51 169 25, 119 195 166 26 183 181 8 9 115 34 166 159 207 166 158 54, 68, 157, 166 207 143 52 62 205
INDEX GEOGRAPHIQUE Majorque 193 Malindi 195 Malte 186 Manchester 166 Maragha 203 Mari 18, 179 Marseille 54, 62 Massilia 186 Mato Grosso 177 Mauer 9 Mawangdui 119 Mesopotamia 11, 13, 54 Milet 73,199 Mogadiscio 190 Mogao 149 Morbihan 186 Nam Viet 51 Nankin 214 Nantes 209 Nanyang 153 Nara 132 Lac Nemi 170 Newcastle 163 Niani 25 Nihavend 51 Nisibe 33, 52 Norai 62 Northumberland 163 Novgorod 173 Oil Creek 159 Ostie 186 Oxford 32, 108, 110, 120, 134, 210 Padoue 32 Lac de Paladru 20 Palembang 51 Palerme 53 Palmyre 186 Palos 188 Paris 32-33, 106-107, 126, 135, 166, 168, 197, 210 Parme 121 Pays de Galles 163 Pekin 96, 99, 140, 214 Perche 62 Pergame 33 Pharos 185 Pise 53, 108
257
Pithecoussai' 186 Portsmouth 196 Potosi 27 Pouzzoles 186 Prague 99 Puy-de-D6me 84 Qadesh 178 Ranakpur 49 Ratisbonne 84 Ravenne 32 Rhodes 186,192 Rome 24, 30, 83,184, 186 Roussillon 193 Sagres 207 Saint-Albans 152 Saint-Etienne 166 Saint-Germain 166 Saint-Petersbourg 80 Saint-Romain de Jalionas 20 Salamine 182 Samarcande 51, 65, 203 Samos 30, 199 Samye 34 Santorin 182 Sao Jorge da Mina 208 Schleswig 208 Sera 34 Sfax 53 Shanghai 16, 190 Shanxi 170 Shiminoseki 214 Si Chuan 22, 158, 201 Sicile 53, 199 Sinai' 12 Sindh 51 Desert de Sistan 152 Socotra 195 Sousse 53 Sparte 26 Spiti 34 Strasbourg 205 Sumatra 51 Sumer 11 Suse 13, 177 Syracuse 68, 103, 114-115 Desert de Taklamakan 149 Talas 42, 51, 202
258 Tarente Tautavel Terra Amata Desert de Thar Thule Lac Titicaca Tolede Toulouse Trapeang Prei Trente Tsushima Tura Ujung Pandang Ur 13, 45, 175, 177, 179 Uraniborg Uruk
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE 199 9 9 51 113, 182, 192 180 33, 53 62, 123 50 76, 205 214 177 189 70, 214 12
Varna 23 Vendee 58 Venise 53-54, 122, 187, 205, 207 Vienne 168 Vix20 Vizille 169 Vreeswijk 190 Washington 145 Weizhou 64 Westminster 110 Xiao Chang Liang 8 Yerkes 126 Zacatecas 27 Zhen La 51 Zhou Kou Dian 8
TABLE DBS MATIERES AVANT-PROPOS I - LES PREMIERS ESSAIS D'lNTERVENTION SUR LA NATURE : LES OUTILS ET LES ARMES
5
7
Les debuts de 1'outillage lithique en Eurasie Les debuts de 1'outillage metallique Le cuivre Les minerals de cuivre et leur traitement Usages du cuivre Le bronze Usages du bronze Influence de 1'usage du bronze sur la societe Le bronze en Chine Apparition du fer Le minerai et son traitement Le fer en Occident Le fer en Chine Influence de 1'usage du fer sur la societe en Chine Les metaux precieux L'or U argent Metallurgie de V argent
7 10 12 12 13 13 13 15 16 17 18 19 21 22 23 23 25 26
II - LA RAISON ET L'EXPERIENCE
29
La tradition grecque Le prolongement en Occident La pratique chinoise Les origines La voie de la sagesse Le canon des mohistes L'Ecole des logiciens (Ming Jia) Evolution et diffusion Conclusion
29 32 34 34 36 38 38 38 39
260
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
III - LA NUMERATION ET LE CALCUL Introduction La numeration - les deux precedes Le precede de superposition La notation egyptienne La notation grecque La notation latine La notation mesopotamienne La notation decimale de position Les chiffres en Chine Les chiffres en Inde L'apparition du zero Diffusion des connaissances indiennes vers les Arabes Introduction des chiffres ghubars en Europe Les maitres de calcul au debut de la Renaissance La naissance du calcul En Egypte En Mesopotamie Les mathematiques grecques et hellenistiques Les mathematiques chinoises Les mathematiques indiennes Les mathematiques de 1'Islam L'essor des mathematiques europeennes apres 1500
41 41 42 43 43 43 44 44 46 46 48 50 51 52 53 54 55 55 56 57 57 57 58
IV - LA MESURE ET LA PRECISION Mesures de longueur Histoire La recherche d'un etalon universel Mesures de surface et de volume Le modele egyptien Le modele mesopotamien Le modele des Vedas indiens Le modele des textes Jain (- ne siecle • ne siecle) Le calcul d'Archimede (- 269 • - 212) Le calcul de Liu Hui (me siecle) Les calculs ulterieurs Mesures de masse La balance La recherche d'un etalon de masse Mesures de temps Autres mesures La precision des mesures et la notion d'erreur
61 61 61 63 64 64 65 65 65 65 65 65 66 66 68 69 69 69
TABLE DBS MATIERES
261
V - LA MATIERE ET LE VIDE
73
La matiere
73
La physique grecque La suite en Europe La physique de la matiere en Chine Le vide et le plein En Occident En Chine Conclusion
73 75 81 83 83 86 88
VI - LE CALENDRIER ET LE TEMPS
91
La notion primitive
91
Le calendrier
Le calendrier mesopotamien Le systeme grec Le calendrier egyptien Le calendrier indien Le calendrier chinois Le calendrier azteque Le temps dans le monde occidental La mesure du temps Definition de 1'unite de temps Le temps, variable independante Le temps chez Platon (- 427 • - 348) Le temps apres Platon L'apparition du temps absolu L'origine de 1'ere chretienne : le zero de notre reference actuelle VII - LA MECANIQUE I I/EQUILIBRE ET LE MOUVEMENT L'etude du mouvement
La mecanique d'Aristote en Grece et au Moyen Age La mecanique de Galilee La mecanique de Newton La mecanique utilitaire La mecanique chinoise Le cas particulier de la statique
Archimede La statique en Occident
92
92 93 93 94 95 96 97 97 100 101 102 102 103 104 105 105
105 107 109 111 113 114
114 115
262
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE
VIII - LA LUMIERE ET I/OPTIQUE La perception lumineuse La lumiere selon les Grecs La lumiere selon les Chinois La contribution arabe Le Moyen Age occidental et 1'optique arabe Galilee Les theories de la lumiere L'expression mathematique de la refraction L'hypothese sur la nature de la lumiere au xvne siecle La solution Fermat (1601 • 1665) L'optique ondulatoire au xixe siecle La crise du corps noir Les applications Les instruments d'optique Lunettes et telescopes Microscopes La vitesse de la lumiere La spectroscopie
117 117 117 118 119 120 121 122 122 123 123 124 124 125 125 125 127 127 129
IX - LES ACTIONS A DISTANCE Le magnetisme Le magnetisme terrestre et la Chine Le magnetisme en Europe La declinaison Les vibrations mecaniques Generalites sur la musique La musique grecque et mesopotamienne La musique chinoise Le temperament La propagation des ondes L'electromagnetisme Les lois de 1'electricite Les ondes electromagnetiques
131 131 131 134 134 136 136 137 138 141 142 143 143 145
X - LA PRODUCTION D'ENERGIE ET SA TRANSMISSION
147
Introduction L'animal, le vent, 1'eau et le gaz L'energie animale et rhomme Le vent L'eau Le petrole, le gaz et 1'eau salee
147 148 148 152 153 158
TABLE DES MATIERES
263
La chaleur et le travail La notion de temperature et sa mesure Qu'est-ce que la chaleur ? La dilatation des gaz La loi de Dulong et Petit (1819) La diffusion de la chaleur selon J. Fourier (1768 • 1830) Le charbon et la vapeur Le charbon et 1'Industrie Watt et la machine a vapeur Le charbon et la vapeur en France La thermodynamique Remarques sur la puissance motrice du feu Naissance de 1'energie electrique Dispositifs divers de transmission Engrenages Paliers et roulements Transmission par courroies et chaines Excentrique, manivelle et bielle La pompe a palettes L'hodometre La suspension a la Cardan Le differentiel Conclusion
160 160 161 162 162 163 163 163 164 166 166 168 168 169 169 170 170 171 171 171 172 172 174
XI - LES TRANSPORTS Introduction La roue et 1'attelage Les debuts La roue L'attelage La navigation L'usage des fleuves En Mesopotamie En Egypte La conquete de la mer Les premiers temps Les navires en Mediterranee Les navires de combat La triere athenienne Les navires de commerce Les ports Les difficultes du voyage
175 175 175 175 177 178 179 179 179 180 181 181 182 182 182 184 185 186
264
NAISSANCE DE LA PHYSIQUE - DE LA SICILE A LA CHINE Les navires a 1'assaut de 1'ocean La marine celte La navigation dans 1'Europe du Nord L'evolution des flottes du xrae au xvie siecle La caravelle portugaise La marine chinoise Les techniques de navigation La navigation a 1'estime et aux etoiles Les cartes La trigonometric Le regime des vents La localisation sur mer : le point
186 186 186 187 188 189 191 191 192 193 194 195
XII - LA PHYSIQUE ET LE POUVOIR
199
La science grecque, la cite et son equivalent chinois La science hellenistique et Alexandre La Chine unifiee des dynasties Qin et Han (- 221 a 190) La Maison de la sagesse a Bagdad La Chine des Tang et des Song L'academie de Sagres Le detonateur de la revolution scientifique : Uraniborg La naissance des academies officielles
199 200 201 201 204 206 208 210
SYNTHESE ET CONCLUSION
213
Unicite du probleme La divergence Est-Ouest Evolution de la formulation des resultats
213 213 214
ANNEXES
217
Annexe Annexe Annexe Annexe
219 223 225 227
I - Chronologie de la philosophic scientifique grecque II - Chronologie des avancees scientifiques et techniques chinoises III - L'explosion scientifique arabe IV - L'eveil de la science en Europe occidentale avant Galilee
UNE BREVE BIBLIOGRAPHIE
231
TABLE DES ILLUSTRATIONS
237
INDEX DES NOMS DE PERSONNES
247
INDEX GEOGRAPHIQUE
255
TABLE DES MATIERES
259
Imprime en France. - JOUVE, 11, bd de Sevastopol, 75001 Paris - France N° 316903U - Depot legal: Novembre 2002
