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Les bases de la physique, la physique comme base

De
319 pages
L'auteur interroge sur la naissance de la Physique, sur ses applications, sur son enseignement. La physique est une base essentielle pour de nombreuses autres disciplines (chimie, biologie, etc.) et applications (technologies). Mais, au-delà de ces applications, la physique est une élément de culture et intervient, parfois incidieusement, dans divers aspects de notre société. Pour ces raisons elle doit être enseignée. Pourquoi ? Comment ? Selon quels programmes ?
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LES BASES DE LA PHYSIQUE LA PHYSIQUE COMME BASE
Quelques aspects de la physique et de son enseignement

Du même auteur:

« La mécanique présentée autrement »
aux éditions de L'Harmattan

Pierre PROVOST

LES BASES DE LA PHYSIQUE LA PHYSIQUE COMME BASE
Quelques aspects de la physique et de son enseignement

L'Harmattan 5-7, rue de l'École-Polytechnique 75005 Paris FRANCE

L 'Harmattan Hongrie Hargita u. 3 1026 Budapest HONGRŒ

L'Harmattan Italia Via Bava, 37 10214 Torino

ITAUE

@ L'Harmattan,

2003

ISBN: 2-7475-4255-6

Je dédie cet ouvrage:
A mon épouse, agrégée de physique, A mes enfants, agrégés de physique.

Je remercie tous les amis qui m'ont aidé et notamment Mr J.Boutigny

Sommaire.
Introduction
Chapitre 1 Les informations sensorielles fondent la physique.
Traitement des informations sensorielles ;sensations
et activités physiciennes... . ... ... .. . . .. .. . .. . ... ... .. .. ... ... ... ... .p .17 Présent, passé, futur... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. . ... ... ... .P .18 Reconnaissances, analogies... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.20 Corrélation, causalité ... . ... p.20 Le concept d' obj et. .. ... .. . ... .. . ... .. . ... ... ... ... ... ... .. . ... ... .p. 21 Conceptualisation du monde extérieur... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.24 Contradictoires besoins de changement et de stabilité... ... ... .p.25 Le besoin de repousser les limites sensorielles, d'explorer... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..p.27 Le besoin de clore, de limiter un système... ... ... ... ... p.28 Besoin de prévoir, lois physiques. ..p.32 Vivre l'imaginaire.. . ... ... .. . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .p .33 Se concevoir dans le monde objectif. .p.34 Paramètres caractéristiques et permanence d'un objet... ... ... p.34 Objets parcourus par des flux permanents. .p.35 Elargissement du concept d'objet, état d'un système, équation d'état. . . .. . . .. . .. ... ... ... ... .. ... ... ...p. 36 Interactions entre objets ou systèmes. ... ... ... ... ... ... ... ... p.37 Y a-t-il un réel physique?... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. p.37 Matière et esprit ... .p.38

p.IS

Chapitre

2 Modélisations

Modéliser pour créer. .p.39 Modèles et mesures. .p.40 Modèles et changement d'échelle, fractales... ... ... ... ... ... ... .p.40 Modéliser pour limiter ( ou pour ignorer) ... ... ... ... ..p.42 Modéliser à l'aide de symboles fonctionnels... ... ... ... ... ... ...p.43 Modélisations excessives... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.46 Conventions simplificatrices ou hypothèses... ... ... ... ... ... ...p.47

7

Comparaison des modèles macroscopiques,
et des modèles microscopiques... ... ... ... ... ... ... ... ... . . . . . . ..p. 48

Risque de confusion entre: modélisation macroscopique et modélisation moléculaire... ... ... ... ...p.49 La théorie: un lien entre deux modèles. .. ... ... ... ... ... ... ... ...p. 51 Interaction entre vision "macroscopique" et vision "microscopique" ... ... ...p.52 Efficacité et degré d'abstraction d'un modèle... ... ... ... ... ... ..p.53 Modèles et réalité physique. .. ... ... .. . .. . ... ... ... ... ... .... ... ...p. 54

Reflets macroscopiques d'une structure atomique ... ... p.54 Changements d'échelle et sauts d'énergie... ... ... ... ... ... ... ...p.56 Energie et pouvoir de résolution... ... ... ... ... ...p.57

Chapitre 3 Grandeurs, mesures.
Introduction... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...p.59 Définition d'une grandeur ..p.59 Relation d'ordre sur une grandeur. ..p.63 Réflexions sur un monde parfait. .p.65
Repérage d'une grandeur. .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..p. 66 Mesurer une grandeur. .. ... .. . .. . . .. ... ... . .. ... ... ... . .. . .. .. . .p. 69 Ensemble de grandeurs à structure de groupe... ... ... ... ... .p.69 Grandeurs possédant une structure d'espace vectoriel, sur le corps des réels. ..p. 73
Etalons, unités, mesure... . .. . . . . . . . .. ... . . . . .. ... . . . . . . . . . .. . . . . . . .p. 74

Identification de grandeurs, expérimentalement distinctes. Définition d'une grandeur à partir d'une loi physique; expressions diverses de cette loi. Grandeurs et unités fondamentales, équations aux dimensions. Constantes universelles... ... ... ... ... ... ... Mesures relatives, méthodes "de zéro" ... ... ... ... ... ... ... ... Mesures absolues... ... ... .. . ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... Mesures indirectes... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... Incertitudes. Petites histoires d'unités... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..

p.76 p.76 .p.79 p.8I .p.83 p. 86 p.87 p. 88 p.92

8

Chapitre
Réflexions...

4 Espace-temps
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.97

Temps, horloges.
Dates durées... ... ... ... ... ... ... .. . ... ... ... ... ... ... ... ... . .. p. 98 Horloges, temps d'une horloge... ... .. . .. . .. . .. . .. . ... ... .. p.IOO La flèche du temps... ... . .. .. . . .. . .. .. . . .. ... . .. ... ... ... .... p.l 02 Les horloges et l'irréversibilité des phénomènes macroscopiques. .. p.103 Temps propre d'une particule. .. . ... .p.l 04

Espace, référentiels, repères.
Réflexions. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...p.105 Représentation mathématique de l'espace. p.106 Solides, référentiels, repères. p.l 07 Translation, rotation... ... .. . ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... p.l 09

Espace-temps, relativités.
Relativités. . .. ... P .111 Le temps et les référentiels... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. . ... ... p.112 Relativité restreinte. .. ... ... .. . ... ... ... ... ... ... ... ... . .. .. . ... ... .P.113

Relativité restreinte Galiléenne. .p.114 Relativité restreinte Einsteinienne. ..p.115 Aberration des étoiles ...p.120 De la relativité d'Einstein à celle de Galilée. .p.120 Quadri vecteurs d'espace-temps. ..p.121 Groupe de transformation de Lorentz... ... ... ... ... ... ... ... ....p.122 Existe-t -il un référentiel absolu? ... .. . ... .. . ... .. . .. . .. . .. . .. .....P.124 Chapitre 5 Physique et Mathématiques. ... ... p.125

Rigueur en physique. Grandeurs et fonctions. Grandeurs, expression des lois. 9

P.125

Grandeurs et fonctions. Notations concernant les quantités dites: "infinitésimales". Vecteurs, torseurs et tenseurs. Les vecteurs du physicien. Grandeurs orientées. Représentation d'une grandeur dans l'espace,
vecteurs polaires, vecteurs axiaux.

P.126 ..p.I28

.p.I29 ..p.130

.. . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P .131

Champs de vecteurs. P.135 Un outil commode: le torseur. p.I36 Vecteurs de dimension quatre et tenseurs. ..P.139 Grandeurs et mécanique quantique... .. . .. . ... ... .. . ... . ... ... .P.141 Autres outils. p. 143 Equations différentielles et prévision. .p.I44

Chapitre 6 Interactions entre deux systèmes. Grandeurs extensives et grandeurs intensives. Energie.
Exemples de grandeurs extensives
Sixième exemple:
Généralisation.

l'entropie...

... ... ... ...p.145 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..p.150

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . .. . . . . .P .151

Parois "Xi imperméables" p.I51 Tensions (variables intensives), travail, énergie... ... ... ... ... .p.I52 Septième exemple: température et entropie... ... ... .p.I59 Généralisation: la fonction d'état énergie... ... ... ... ... ... ... ..p.I60 Travail et énergie ... p.160
Chaleur et énergie. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... P .161

Différentes formes de travail, unicité de l'énergie... ... ... ... .p .162 L'énergie est fonction d'état... ... ... ...p.165 Energie macroscopique et énergie interne... ... ... ... ... ... ... ..p.166
Energie interne et degrés de liberté... . .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .P .168

Plusieurs façons d'exprimer l'énergie d'une particule ... .p.170 Niveaux de structure, niveaux d'énergie... ... ... ... ... ... ... ... .p.170 Chaleur fournie à un système. .. ... ... ... ... ... ... ... .. . . .. . .. ... ..p.l 71 Systèmes parcourant un, ou plusieurs cycle(s) ; machines thermiques. .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. . ... ... ... ...p. 173 Extensions de la thermodynamique... ... ... ... ... ... ... .p. 177 Interactions en physique quantique... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.177

10

Chapitre

7 Lois, équilibres, évolutions.
P.179
P.181

Lois de la physique, variété des lois physiques.
Equilibres. .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. . .. ..

Equilibres internes ... ... ... .p.182 Réalisation d'une paroi X-imperméable... ... ... ... ... ... ... ... .p.182 Déplacement d'équilibre, temps de relaxation... ... .p.183 Etude expérimentale d'un équilibre. ... ... ... ... ... ... ... ... p.185 Flux de grandeurs extensives, gradients de grandeurs intensives. ..p.185 Distinction entre équilibres et régimes permanents. .p. 186 Equilibres ' 'dynamiques" .p.188 Equilibres et cuvettes de potentiel. p.I88 Minimisations compétitives. p.190 Critères d'évolution. Potentiels généralisés, sens d'une évolution... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. p.191 Evolutions guidées par un gradient... ... ... ... ... ... ... .. .p.195

Chapitre 8 Grandeurs grandeur.
Grandeurs mal définies..

mal définies,

avatars

d'une

. .. . . . . .. . . .. . .. ... .. . .. . . . . ... .. . . .. . .. ... P .199

Rayon d'une particule.. .. ... .. . ... ... ... p.199 Avatars des concepts: résistance et impédance. p.20 1 Avatars du concept température... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.208 Diverses grandeurs désignées par le mot masse... ... ... ... p 215 Divers concepts désignés par le mot force... ... ... ... ... ... p.217 Conclusion... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..p.218 Chapitre 9 Interroger la lumière.

Modélisations de la lumière... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... p.219 Interférences. .. ... ... ... ... ... ... .. . .. . .. . ... .. . .. . ... ... .. . .. . ... .. .p.223 Mesures interférentielles... ... ... .. . ... ... ... .. . .. . .. . .. . ... .. . ... P .226 Analyse chimique par spectrométrie... ... ... ... ... ... ... ... ... ..p.229 Réseaux cristallins, mesures de dimensions atomiques... ... ... ... ... ... ... . .. ... ... ..p.230 Effet Doppler longitudinal... .. . .. . .. . ... ... ... ... ... ... .. . ... ... .p.231

Il

Mesures de distances par radars. .. . .. .. . ... .. . .. . .. . ... ... ... p. 233 Effet Doppler transversal, aberration des étoiles... ... ... ... ...p. 234 Mesure de la distance des étoiles... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... p. 235 Mirages gravitationnels. ..p. 236 Spectrométrie et connaissance des atomes, des molécules, des noyaux. .. ... ... ... .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . ... p. 237

Effet Zeeman, mesure de champs magnétiques;
résonances. .. ... ... ... .. . ... .. . ... ... ... ... ... . .. ... ... ... ... .. . ... ...p. 240 Informations fournies par la polarisation de la lumière... ... ..p. 242 Objets de phase. .p.244 Hologrammes. .. ... .. . ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. . ... ... ... ... .. . .p.244 Rayonnement synchrotron. p.245 Rayonnement du corps noir, thermométrie... ... ... ... ... ... .. . .p .246 Approximation de l'Optique géométrique... ... ... ... ... ... .p.249
Optique cristalline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p.250

Lunettes, télescopes. p 250 Interroger les flux d'autres particules... ... ... ... ... ... ... ..p252 Modulation d'ondes porteuses... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.253

Chapitre 10 Physique et société.
Physique et autres sciences... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.257 Physique et technologie. p.257 Physique, arts et architecture. p.258 Géophysique, physique et géographie... ... ... ... ... ... ... ... ...p.260 Physique et archéologie... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ..p.260
Histoire de la technologie... . .. ... ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. p .261

Physique et médecine .p.262 Physique, philosophie et "jargon" p.263 Physique, histoire et politique. .p.264 Expressions et concepts faussement quantitatifs. .. ... ... ... P .266 Physique et écologie. . . . .. ... .. . . .. ... ... ... .. . .. . ... ... ... ... ... ...P .269 Patrimoine de la physique... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..p.272 Le dédain des sciences... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. p.273 Physique et religions. .p.274

12

Chapitre Il Enseigner la physique. Pourquoi?
Pourquoi enseigner la physique?... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... p.279 Au-delà des apparences, la physique au quotidien... ... ... ... .p.280 Il n'est de science que quantitative. ...p.286 La physique sécurisante ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.286 Certitudes assurées par le doute. p287 Science et croyance. ... p.288 Physique fondamentale et physique appliquée. .p.291 Enseigner quoi? Acquis préscolaires; technologies cachées. .p. 292 Contenu des programmes. ...p. 294 Quelle place pour la métrologie? ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...p. 298 Recherche et enseignement... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.299 Enseigner comment? Quel but? Résoudre un problème ou le poser?
Méthodes.

... ... ... .p.300 ...p.306 ..p.311

.. ... ... . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . ... .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ... . . . p. 301

Expériences et matériel didactique.
Mathématiques
Internet

et physique.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 3 10

Physique et informatique. ..
et la physique.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ... . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . p. 312

Complément.
Histoire de la commission Lagarrigue... ... ... ... ... ... ... ... ... .p.313 Archives André Lagarrigue... ... ...p.316 Notice sur André Lagarrigue... ... ... .. . ... ... ... ... ... ... ... ..p.317

13

Introduction.
La physique se construit sur des bases: mais, réciproquement elle sert de base à d'autres constructions. Bases de la physique. Cet ouvrage est d'abord une réflexion, un essai, sur les bases les plus élémentaires de la physique, laquelle apparaît comme une mise en ordre, une structuration, des informations sensorielles (confortées par un consensus social; chapitre 1). Cette structuration consiste à définir des objets, des systèmes, et à les modéliser (chapitre 2) La définition et la mesure des grandeurs est aussi une activité basique fondamentale, permettant de découvrir des lois physiques (chapitre 3). Ces lois s'expriment dans un cadre appelé espace temps (chapitre 4). Cette expression des lois utilise (et parfois inspire) les mathématiques (chapitre 5). L'étude des interactions entre systèmes fait intervenir des échanges de grandeurs extensives gouvernées par des grandeurs intensives (chapitre 6 ). Cette étude permet de prévoir les évolutions ou les équilibres d'un système (chapitre 7). Le chapitre 8 met en garde contre un manque de rigueur fréquent en physique. Les connaissances sur l'univers s'obtiennent essentiellement en interrogeant la lumière (chapitre 9). La physique comme base. La physique intervient dans beaucoup d'autres sciences et activités humaines; d'où le chapitre 10 : "physique et société" . Enseigner la physique (chapitre Il), Cet enseignement se fonde sur les acquis de la recherche; mais il contribue au développement de la culture scientifique et intervient, comme base, dans la formation des chercheurs. 15

Ce chapitre contient quelques réflexions sur les méthodes et les moyens de cet enseignement.. Avertissement. Tous les chapitres sont relativement indépendants les uns des autres et peuvent être lus dans un ordre quelconque. C'est par considération pour nos lecteurs, que nous avons évité de trop vulgariser, que nous avons utilisé, dans certains chapitres, des mathématiques dont le niveau n'est pas trop élevé (il ne dépasse pas le niveau du baccalauréat). Certains résultats devront cependant être admis sans démonstrations. Par contre, les chapitres 1;2;8; 10 ;Il peuvent se lire facilement.
L'auteur vous souhaite bonne lecture.

16

Chapitre 1 Les informations fondent la Physique.
...

sensorielles

à ne pas lire si l'on déteste les questions sans réponse, les
sans preuves et vaguement

hypothèses hasardeuses, philosophiques!

Traitement des informations Sensations et activité physicienne.

sensorielles.

Il est trivial de dire que la physique se fonde sur les infonnations fournies par nos sens, souvent prolongés et rendus plus perfonnants par des instruments (télescope, microscope etc.) Mais comment construit-on la physique à partir de ces données sensorielles? Quand et comment commence l'activité physicienne? Comment et quand naissent les premiers concepts d'espace, de temps, de grandeurs etc. Comment le monde physique et les concepts d'objet, de système, se dégagent-ils de l'ensemble des signaux que nous fournissent nos sens; quelles sont les parts de l'inné et de l'acquis, de la structure de notre cerveau et de l'influence sociale (culture)? Difficiles questions que nous posons plus que nous n'y répondons! Des échanges d'infonnation, avec d'autres cerveaux, paraissent indispensables pour que se créent certaines notions, telles que la croyance à un "monde objectif", dont l'étude sera le but du physicien. Le consensus social résulte d'interactions entre les cerveaux, notamment par le langage et l'écriture. La physique, et plus généralement la culture, résultent de ce couplage. Mais une certaine activité physicienne peut s'observer dès le plus jeune âge, conduisant à une sorte de «protophysique». Pour le tout jeune enfant, comme pour le chercheur, on peut dire que:

17

L'activité physicienne consiste à rechercher, traiter, interpréter, les informations fournies par nos sens, souvent relayés par des instruments, à établir les lois qui les relient afin d'en prévoir d'autres, à vérifier l'exactitude de cette prévision et agir en conséquence :perfectionner les instruments, proposer des applications utiles. Le cerveau établit des distinctions et des relations (relations d'ordre, corrélations. ..) entre les infonnations sensorielles. Cette faculté est à l'origine des concepts d'espace, de temps, de grandeurs et de lois physiques. Par exemple, le cerveau distingue les sensations "statiques" et les sensations "musculaires" ou "motrices". On observe que celles-ci modifient celles-là :d'où naîtra sans doute le concept d'espace. Les sensations statiques sont perçues comme visuelles, auditives, tactiles... Les sensations musculaires sont également diverses (relatives aux mains, aux bras, aux jambes etc. ...), les unes contribuent à la distinction des autres et réciproquement car les sensations interfèrent.

Présent, passé, futur.
Une distinction fondamentale est celle que le cerveau établit entre les sensations "présentes" et les sensations "passées" ou 'futures". Comment se fait cette distinction? Dire que nous avons une mémoire est une constatation, non une explication. Peut-être les sensations passées sont-elles moins intenses, moins corrélées, moins précises, plus défonnables par l'activité cérébrale, que les sensations "présentes"? L'expérience suivante semble le prouver. On observe, par IRM, les régions du cerveau qui sont mobilisées par une activité ,bien précisée, des doigts d'un patient; puis on demande à ce patient d'imaginer, sans l'accomplir, le même geste: on constate que ce sont bien les mêmes régions du cerveau qui sont actives, mais plus faiblement. 18

Il est probable que penser à l'avance, par une sorte de concentration préalable, la séquence de gestes que doit accomplir le bricoleur ou le sportif, prépare le cerveau à ses tâches futures. L'échange d'informations avec d'autres cerveaux conforte la mémoire :« te souviens-tu?» demande-t-on. Mais surtout, semble-t-il, l'activité musculaire est sans action sur les sensations passées, (lesquelles peuvent d'ailleurs être musculaires), contrairement à ce qui se passe pour les sensations "présentes" qui peuvent être modifiables par motricité (quand on marche, la vision du paysage se modifie). Curieuse et fondamentale est aussi cette faculté, que nous avons, d'établir une relation d'ordre sur les sensations passées, de savoir dire: "c'était avant", "c'était après"; là encore, la société, association de cerveaux, vient conforter ces distinctions (consensus social) . Importante est aussi la faculté d'imagination qui emprunte à la mémoire des sensations disjointes pour les associer avec fantaisie (comme font les peintres "surréalistes"). L'imagination crée l'avenir, qui paraît crédible dans la mesure où la mémoire a, parfois, enregistré des événements qui ont été vus, par imagination, dans un avenir, devenu passé. Néanmoins le futur est différent du passé car, en plus de la mémoire qui en fournit les éléments, il nécessite l'imagination qui assemble ces éléments .Le consensus, concernant l'avenir, n'est que partiel, mais ce consensus doit être idéalement total quand il s'agit d'un avenir prévu par la physique! Etablir une relation d'ordre sur l'ensemble des événements futurs relève de la pure imagination et n'obtient de consensus social que dans le cadre plus évolué d'une théorie prédictive. Les concepts de dates, de calendrier, de temps vont s'élaborer sur ces bases (voir le chapitre consacré à l' espacetemps). L'imagination interfère souvent avec la mémoire; elle est alors à l'origine des "faux souvenirs" qui posent problème aux juges et aux historiens. Les concepts d'antériorité, de postériorité, sont nécessaires pour que naissent les concepts de corrélation, de causalité indispensables au développement des sciences. 19

Reconnaissances, analogies.
La faculté de reconnaître (connaître à nouveau) des sensations, d'identifier une sensation présente à une sensation passée, est importante, car elle permet, au physicien, de découvrir l'existence de nombreuses périodicités, de les étudier et de s'en servir pour définir une échelle de temps et pour réaliser des horloges. La reconnaissance des formes permet de reconnaître un visage...II est fréquent que la reconnaissance soit partielle: un visage peut ressembler à un autre sans s'identifier à lui, on découvre ainsi une "analogie". Le concept d'analogie joue un rôle très important en sciences: on explique et on prévoit souvent,en utilisant des raisonnements analogiques L'analogie, ou reconnaissance partielle, est, peut-être, à l'origine de l'abstraction qui consiste à rejeter ce qui diffère et à ne retenir que ce qui est commun, identifiable; par exemple: rejeter les couleurs, les dimensions, les formes des feuilles, et ne retenir que l'arborescence des arbres. Les êtres géométriques naissent de cette abstraction: d'une sensation visuelle, dans laquelle on distingue deux régions très contrastées, on ne retiendra que la zone de séparation que l'imagination amincira, et que l'on appellera "ligne". De même, les concepts: cercle, triangle, cube etc. naissent par abstraction.

Corrélation,

causalité.

Deux "sensations" ou deux ensembles de sensations, que nous nommerons A et B , et qui sont toujours perçues l'une après l'autre, avec un intervalle de temps plus ou moins grand, sont dites corrélées ; on peut dire: si A, alors B. On ne peut véritablement parler de corrélation que s'il y a répétition observée (si éclair: alors tonnerre), ou provoquée (action sur un interrupteur: alors lumière). On peut constater le besoin instinctif et fondamental que l'on a de s'assurer de la reproductibilité du phénomène. Par exemple, les bébés ne se lassent pas de jeter, à nouveau, le petit jouet que l'adulte se lasse de ramasser! Il s'agit là d'une activité physicienne, car:

20

la reproductibilité d'une expérience, dans l'espace et dans le temps, est la première condition exigée par la communauté scientifique pour établir une loi.

Combien de fois faut-il observer ou provoquer la corrélation? Si l'on observe des éclairs sans tonnerre, doit-on nier l'existence d'une corrélation entre éclair et tonnerre? Si, par suite de panne électrique, l'action sur l'interrupteur ne produit pas de lumière, doit-on renoncer à l'usage de l'interrupteur? La "loi", qui exprime une corrélation, peut être mise en défaut par d'autres phénomènes, d'autres corrélations. C'est l'ensemble des lois physiques qui doit être cohérent et conduire à des prévisions vérifiées. La notion de corrélation sera affinée mathématiquement plus tard :on définit, en physique, par exemple, une" fonction de

corrélation ".
Si As' observe avant B et si la corrélation entre A et Best indépendante d'autres corrélations, A pourra s'appeler "cause" de B, lequel s'appellera "effet". Mais, corrélation et causalité doivent être distinguées: une cause A peut produire deux effets B et C qui sont ainsi corrélés avec une même cause; mais, si en l'absence de A, B ne produit pas C (ou l'inverse), il n'y a pas de relation causale entre B et C.

Le concept d'objet.
Essayons de comprendre comment se construit le concept d'objet: Bébé voit une masse blanche qui grandit, il reçoit ainsi des informations visuelles; Bébé tète et reçoit des informations gustatives; Bébé tient son biberon et reçoit des informations tactiles et musculaires; ceci se répète et Bébé reçoit toujours les mêmes informations corrélées. Alors, on verra bientôt Bébé sourire et s'agiter à la vue de la tache blanche car, peut être, ressent-il, par avance (imagination, prévision), les sensations à venir (tactiles, gustatives etc.)? Ces sensations, corrélées, forment un tout qui s'appelle "l'objet biberon " 21

Maman en prononce le nom; ces informations auditives corrélées avec les autres seront capables, elles aussi, de provoquer l'agitation de Bébé. Bébé a grandi, il entre dans l'action, il veut saisir le biberon, il expérimente. Par une suite d'échecs et de succès, il corrèle les sensations tactiles et les sensations musculaires; il construit (ou découvre?) l'espace; maman et bébé mettent en commun le mot biberon: c'est l'ébauche du consensus social exigé du physicien. L'objet, qui n'était qu'un ensemble de sensations corrélées, est projeté dans l'espace par activité musculaire et consensus social. Peut être serait-il plus juste de dire que l'espace se constitue par accrétion de tous les objets conçus et socialisés :c'est l'espace physique (L'imagination a, par la suite, fait de l'espace-temps un objet mathématique abstrait, un cadre spatio-temporel, mais la physique moderne nie ce vide et revient au concept d'espace physique). Le cerveau effectue des synthèses, comme semble l'indiquer l'expérience suivante: on peut observer, par "résonance magnétique nucléaire" (RMN), les régions du cerveau qui sont impliquées dans une certaine activité cérébrale. On constate qu'une image visuelle, perçue globalement, fait intervenir plusieurs régions distinctes du cerveau, spécialisées dans le traitement des signaux concernant les formes, les couleurs etc. Comment se fait l'unification de ces divers aspects de l'image? Peut-être, répondent les neurologues, par une décharge simultanée et rythmée des neurones des régions concernées? La conscience d'être, la création du "moi" seraient -elles, aussi, le résultat d'une synthèse semblable? Considérons maintenant l'objet appelé" étoile". Ce que l'astronome voit et photographie n'est pas autre chose qu'une "figure de diffraction" ; utilisant un spectromètre l'astronome photographie aussi de nombreuses "raies spectrales" dont il note la disposition et les intensités; ces informations multiples et distinctes sont reproductibles; toutes ces informations sont corrélées ; elles définissent l'objet "étoile". L'astronome construit, mentalement, par association de plusieurs informations, l'objet "étoile" comme Bébé construit mentalement l'objet "biberon"; comme Bébé, il fait de la physique. L'astronome communique ses découvertes à ses 22

confrères qui vont pouvoir reproduire ses observations et ce sera l'indispensable consensus social. L'étoile, qui est l'ensemble des observations corrélées, va être spatialisée (comme le biberon), puis modélisée. L'astronome ne saisit pas l'étoile, mais ill' imagine comme une sphère lumineuse dont il a divers moyens pour calculer la distance; il vérifie, bien entendu, la compatibilité de ces mesures, qui sont faites et refaites par beaucoup d'astronomes. La comparaison des spectres d'étoiles et des spectres de sources lumineuses terrestres, constituées de molécules connues, permet d'affirmer que l'étoile contient de l'hydrogène, de l'hélium (lequel a été découvert dans le Soleil avant d'être observé sur Terre) et de nombreuses autres espèces chimiques. Il importe de bien distinguer les diverses manifestations physiques de l'étoile (figure de diffraction, spectres...) qui définissent l'objet "étoile réelle" et constituent sa fiche d'identité; de son modèle sphérique que l'on imagine et qu'il ne faut pas confondre avec la tache de diffraction fournie par le télescope. Toutefois le Soleil apparaît bien comme un objet sphérique photographié par les sondes qui l'ont approché. Les étoiles, dont les spectres sont semblables à celui du Soleil, sont conçues comme autant de soleils .Il est raisonnable de penser que modèle et réalité peuvent être confondus. Voyons un autre exemple. L'objet "électron" est aussi la cause commune de nombreuses observations corrélées et prédictibles ; il existe plusieurs méthodes distinctes et compatibles pour mesurer sa masse m, sa charge e, son spin s etc. ; ces valeurs nous sont imposées et elles figurent sur la "carte d'identité" de l'électron. Mais, à cet électron concret, on associe un "modèle" abstrait: on le présente comme une particule ponctuelle, dont on ne peut pas définir le rayon, qui n'est pas toujours localisable et à laquelle il faut associer une "fonction d'onde". L'objet "électron" est donc moins facilement "spatialisable" que l'objet "étoile" (ou sa spatialisation est plus abstraite). Le "modèle" introduit, dans une théorie, pour gérer l'ensemble des manifestations physiques de l'objet' 'particule" , n'est pas toujours un point d'espace réel; ce peut être un point, ou une portion de ligne ("corde"), ou une portion de surface ("membrane") dans un espace à plus de trois dimensions; il 23

s'agit alors de modèles théoriques à propos desquels on peut s'interroger sur le sens de l'expression:« réalité physique». Certains objets ne se manifestent que de façon indirecte (trou noir) ou très discrète (neutrino) ou encore de façon très fugitive ("résonances") mais s'imposent comme étant indispensables à la cohérence d'une théorie physique (prévision par Dirac du positon découvert ultérieurement).

Conceptualisation

du monde extérieur.

Notre champ visuel est borné, mais tourner la tête fait disparaître des images et en fait apparaître d'autres; puis, par un mouvement inverse, les images disparues réapparaissent. Les sensations musculaires nous donnent conscience d'un déplacement qui modifie nos sensations, nous font découvrir de nouveaux objets, de nouveaux arbres, de nouvelles maisons que nous quittons, mais que nous supposons" exister" en notre absence car nous les retrouvons par le retour. Nous prenons ainsi conscience de l'existence possible d'objets "extérieurs" à nos champs sensoriels et nous croyons possible d'agir pour que ce monde extérieur produise en nous des sensations permettant d'identifier ces objets et de les reconnaître. Nous prenons conscience de l'existence "des autres" avec qui le langage permet l'échange d'informations. Aux autres nous demandons des confirmations :« vois-tu ce que je vois? ». Il est fréquent que les autres nous décrivent une partie du monde extérieur, dont l'action, sur nos sens, nous parait possible. Que seraient notre personnalité, nos pensées, nos concepts, et en particulier notre conception du monde physique, si les cerveaux humains n'étaient pas interconnectés par le langage et autres moyens d'échange d'informations? L'individu est redevable à la société de ses connaissances, de sa culture, de son existence; sans elle que serait sa conscience? Mais il ne se fond pas totalement en elle car il lui appartient, c'est son libre arbitre, de vérifier la cohérence des informations qu'il reçoit; il lui faut distinguer le vrai du faux selon certains critères, qui peuvent être fournis par d'autres cerveaux. La physique, et plus généralement les sciences, fournissent de tels

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critères. Confiance et crédulité font trop souvent croire à des mondes imaginaires et irréels. Le scientifique est, a priori, sceptique, il exige la reproductibilité et ilia vérifie. Toutefois notre appartenance à la société nous fait admettre la validité des observations d'un confrère dont on sait qu'il admet les mêmes critères pour distinguer le vrai du faux. Nous faisons donc un pas de plus en admettant la "relativité" des observations, en renonçant au statut d'observateur privilégié et en nous incorporant à la totalité du monde réel appelé "Univers". Cependant, l'individu, qui se croit au centre du monde, a tendance à s'opposer aux notions relativistes, qu'elles soient galiléenne ou einsteinienne !

Contradictoires stabilité.

besoins de changement

et de

Besoin de changement: C'est le mouvement d'un oiseau, dans un arbre, qui attire l'attention du chat. Ce sont des changements, dans l'espace et le temps, qui
morcellent distinguer: le continuum des sensations objets et systèmes. et permettent d

y

Sans changements, peut-être n'y aurait-il pas de sensations, et sûrement pas d'activité physicienne; sans changements on ne saurait parler de temps! Besoin de stabilité. Les organes sensoriels et les appareils de mesures ne peuvent pas "suivre" des changements trop rapides. Par exemple: l'image photographique d'un véhicule trop rapide est floue. AU cinéma, l'oeil du spectateur voit, en superposition, en continuité, des images qui sont en réalité disjointes et successivement projetées sur l'écran ... Organes sensoriels et appareils de mesure sont caractérisés par des "temps de 25

réponse" en deça desquels deux stimuli distincts produisent une sensation unique. Ce sont donc des équilibres stables qui ont été étudiés en premier et dont l'étude a fourni les branches de la physique nommées: mécanique statique, statique des fluides, électrostatique, magnétostatique etc. Avant de découvrir l'expansion de l'univers, celui-ci était considéré comme stable. Le besoin de stabilité et le besoin de mouvement sont contradictoires, mais le physicien résous cette contradiction en étudiant les évolutions qui sont proches d'une suite continue d'états d'équilibre et qui sont appelées "mouvements virtuels" en mécanique statique et "transformations quasi-statiques" en thermodynamique classique (qui ne deviendra réellement "thermodynamique" que lorsqu'elle saura bien traiter les phénomènes irréversibles). Autre contradiction: paradoxalement, il faut réintroduire le mouvement au voisinage d'une position d'équilibre pour bien étudier cet équilibre! Besoin de ralentir: Pour ralentir la chute des corps, Galilée (1564-1642) fait rouler des billes sur un plan incliné. Mais il faut attendre le 18ème siècle et les machines d'Atwood (1745-1807) et du Général Morin (1735-1880) pour obtenir des mesures plus précises. Les méthodes "stroboscopiques", les caméras ultra rapides permettent des "ralentis" saisissants de phénomènes rapides. Dans l'infiniment petit des durées, la nano-seconde -9 -15 (10 s) et même la femto-seconde (10 s), sont accessibles! Les "lasers femto-seconde" permettent en effet l'étude de la cinétique des réactions chimiques. Evolution et besoin de conservation. S'il doit admettre le changement, le physicien se console en constatant que, dans certaines conditions, des grandeurs se conservent (quantité de mouvement et moment cinétique, matière et énergie etc.). Les certitudes que le physicien croit

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avoir acquises sont souvent remises en question: la stabilité des atomes est remise en cause par la découverte de la radioactivité, la stabilité des mouvements planétaires est remise en cause par le chaos déterministe, la parité ne se conserve pas toujours etc. Mais le physicien retrouve des lois de conservation élargies (équivalence entre matière et énergie), des structures nouvelles (attracteurs "étranges") etc. Ainsi va la vie... du physicien! Cependant, obligé d'admettre l'inéluctable évolution du monde physique, le physicien se console en constatant l'indépendance, par rapport au temps, des lois qui gouvernent cette évolution. On frémit à la pensée que des lois pourraient changer au cours du temps! Imaginer que l'on puisse alors trouver des" super-lois", qui régiraient l'évolution des lois, relève de la science-fiction! Au surplus, ces lois font intervenir des" constantes universelles' '. Autre aspect du besoin de stabilité: le physicien aime les lois invariantes par changement de repère.

Le besoin de repousser d'explorer.
Outils et appareils.

les limites sensorielles,

Les possibilités d'action sur le monde physique sont accrues et diversifiées grâce aux outils. La conception, la réalisation, et l'usage d'un outil font intervenir l'imagination qui "prévoit" une succession d'actes, lesquels, réalisés, conduiront au succès ou à l'échec. L'usage des outils s'étend à tous les membres d'une société grâce à la faculté d'imitation. Certains animaux inventent des outils rudimentaires. La reproductibilité du succès fixera la méthode de création et d'utilisation de l'outil. Grâce aux outils, nos champs sensoriels s'étendent, les ultraviolets, les infrarouges, les ultrasons, les infrasons etc, nous deviennent accessibles. Depuis Galilée, et sa lunette, et grâce aux télescopes, nous repoussons les limites de l'univers et nous remontons de plus en plus loin dans le temps. Nous agissons à de grandes distances très supérieures à nos propres dimensions: I'homme peut commander des véhicules sur la Lune et sur 27

Mars; la spectroscopie lui permet de connaître la composition chimique des étoiles... I'homme a marché sur la Lune et envisage de se transporter sur Mars! Grâce au microscope et à ses avatars modernes, I'homme plonge dans "l'infiniment petit", il photographie les atomes, il sait disséquer une cellule, modifier son génome, il déplace une molécule sphérique sur un lit d'atomes à l'aide d'un microscope à pointe....

Une dimension de l'ordre de l'angstrôm (10

-10

m) lui est

désormais accessible! Le domaine temporel qu'il explore est également étendu: il remonte le temps à des milliards d'années en astronomie et, -9 avec les horloges "atomiques", la nano-seconde (10 s) devient
une durée mesurable !

Le besoin de clore, de limiter un système.
Le besoin de clore semble en opposition avec le besoin de repousser les limites de l'univers connu, mais ces besoins sont complémentaires. On limite pour contrôler et on repousse les limites pour connaître.
Ce sont des actions qui permettent à I'homme de s'adapter son environnement. à

Clôture imposée: L'ensemble des appareils et des outils qui pennettent à l'homme d'accroître l'étendue du monde physique qu'il explore, n'est pas simultanément utilisable. Si l'exploration va plus loin, elle ne peut toujours se faire que par morceaux: le peintre peut se déplacer avec son chevalet, il ne pourra jamais faire tenir tout l'univers sur sa toile! Armé d'un microscope, le biologiste accède à des détails, d'un demi micromètre, mais il ne voit pas ce qui est extérieur au champ du microscope, soit au delà d'un cercle de quelques micromètres de diamètre 28

(un micromètre vaut lO-6m). Plus on accroît la finesse d'une observation restreint le champ d'observation. et plus on

La quantité d'informations, qu'un cerveau humain peut traiter, n'est pas infinie ; il faut en avoir conscience.
En physique cela va se traduire par une limitation volontaire, et arbitraire, du système que l'on veut étudier et on décide de ne s'intéresser qu'à ce qui est intérieur à une surface fermée bien définie (objet ou système).

Le peintre, comme le physicien, met en place ses personnages dans un espace limité, dans le coin d'une pièce, près d'une fenêtre, par exemple. Toutefois le milieu extérieur est présent par l'action qu'il exerce sur le système: dans le tableau le soleil entre par la fenêtre. De même, en physique le milieu extérieur sera traduit par des paramètres définis aux frontières du système (différence de potentiel aux bornes d'un appareil électrique, par exemple). Clore pour contrôler les échanges avec le milieu extérieur. Les êtres vivants sont, pour la plus part, formés de cellules dont les parois jouent un rôle fondamental dans le fonctionnement de la cellule en contrôlant les échanges (dans les deux sens) avec le milieu extérieur (passage sélectif: dans un sens déterminé, de certaines protéines ou de certains ions, présence sur la paroi cellulaire de sites reconnus par des molécules informatrices). Cette organisation cellulaire est efficace puisqu'elle a triomphé de la sélection darwinienne. De même, le physicien limite arbitrairement le système qu'il veut étudier, à l'aide d'une surface fermée qui laisse passer (ou qui arrête) des grandeurs dites extensives Xi telles que: longueur, surface, volume, quantité de mouvement, moment cinétique, quantité d'électricité, moles d'espèces chimiques, 29

énergie, entropie etc.. A chaque grandeur extensive Xi on fait correspondre une grandeur intensive Yi qui intervient pour contrôler l'échange de X.1 (un chapitre sera consacré à ces notions ). Le physicien imagine (et réalise approximativement) des parois imperméables à telle ou telle grandeur extensive. Exemples: une paroi rigide n'autorise pas l'accroissement de volume, il existe des parois qui ne laissent pas passer l'électricité; une fourrure, la paroi d'un calorimètre sont, au moins partiellement, imperméables à l'énergie thermique .Un emballage arrête la poussière et les salissures, s'oppose à la compression (perte de volume), aux chocs (introduction de quantité de mouvement) etc... Clore pour simplifier. Pour comprendre le fonctionnement de nos appareils électriques, il n'est pas nécessaire de connaître en détail le réseau "EdF", de connaître toutes les centrales interconnectées, les transformateurs (stations, sous-stations...) les lignes à hautes et basses tensions etc. Tout cela peut être ignoré et remplacé par un paramètre intensif, défini au niveau d'une coupure fictive des fils "EdF" à l'entrée de notre appartement; ce paramètre intensif s'appelle: "différence de potentiel électrique aux bornes du compteur". (Il vaut souvent: 220 volts, par exemple.). C'est ainsi que le monde extérieur peut être remplacé par quelques paramètres intensifs . "Boîtes noires". Le monde EdF, extérieur à notre appartement, peut donc être réduit à une boîte, dite "noire", munie de deux bornes, et contenant toutes les centrales, les transformateurs, les lignes etc: c'est le "dipôle Edf ". Mais on peut aussi vouloir ignorer le contenu, la complexité d'un appareil que l'on réduit, lui aussi,à

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une "boîte noire": l'univers EdF est alors réduit à "un dipôle générateur" débitant dans un "dipôle récepteur".
Il faut, hélas!, regretter que presque tous les appareils que nous utilisons, électriques, mécaniques, ou autres, soient non démontables, opaques et transformés réellement en "boîtes noires" (à la couleur près!) et cela pour des raisons qui ne sont pas seulement d'esthétique. Les enfants ne peuvent plus, comme autrefois, démonter leurs jouets pour voir "ce qu'ils ont dans le ventre"; la technologie ne peut plus s'apprendre par simple observation et de menues interventions; la technologie n'est plus "ambiante". L 'homme ne comprend plus les appareils dont il se sert et dont il ne connaît que les "entrées" et les "sorties"'. Cellesci sont d'ailleurs si nombreuses, que l'usager sy perd. Sera-ce la fin du "bricolage" et d'une certaine forme d'intelligence pratique?

Limites en mathématiques. Pour résoudre des équations différentielles' (en mécanique par exemple), il faut connaître les "conditions aux limites" pour l'espace et les "conditions initiales" pour le temps. Ces conditions nous rappellent les conditions aux limites que sont, en physique, les paramètres intensifs. Les mathématiques ont aussi leurs "boîtes noires". L'inconnue x de l'algèbre, qui représente un nombre quelconque, peut-être manipulée sans qu'on connaisse son "contenu" :c'est une sorte de boîte noire. Il a été dit que l'algèbre est l'art de faire des opérations connues sur des quantités inconnues et que la théorie des ensembles est l'art de faire des opérations inconnues sur des quantités, elles aussi, inconnues. Il est, d'autre part, commode de rassembler le maximum d'idées dans le minimum d'espace. Les mathématiques, dont il a été dit qu'elles sont "une sténographie de la pensée", y excellent. Vecteurs et tenseurs condensent en peu d'espace ce qui occupait autrefois des pages entières. Ce sont des boîtes noires peu volumineuses et d'un riche contenu.

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