Naissance et diffusion de la physique

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L’objectif de cet ouvrage est de faire comprendre à un large public que la physique, science de modélisation du réel, s’est construite au fil des siècles par la confrontation entre l’expérience et l’élaboration des raisonnements. On découvre ainsi les tâtonnements entre réalisations techniques, expériences, réflexions abstraites et considérations philosophiques.
Chaque chapitre est consacré à un thème particulier (la matière et le vide, les actions à distance…) et le lecteur est transporté de façon attrayante des origines au milieu du XIXe siècle avec un contrepoint permanent entre l’Extrême-Orient et l’Europe.
Le livre peut être utilisé avec plusieurs grilles de lecture pour qui veut prendre un véritable recul sur l’éveil d’une science et/ou sur sa propre compréhension de notre monde et de notre démarche scientifique.
La première édition de cet ouvrage reçut le prix Villemot de l’Académie des Sciences.
Le livre s’adresse à un public qui désire se cultiver sur l’évolution des sciences, des civilisations et sur la diffusion des idées. La présentation en petits dossiers le rend très accessible à un large public. Evidemment, les enseignants de la discipline, la physique, seront les premiers concernés. Les lecteurs étudiants seront scientifiques, historiens ou philosophes.
Michel Soutif est un célèbre physicien, auteur de plusieurs ouvrages de référence dans sa discipline, professeur et fondateur du Laboratoire de Physique de l’Université de Grenoble 1, qu’il présida. Il fut également président de la Société Française de Physique et de la Société Française d’Energie Nucléaire. Par ailleurs érudit de l’Asie, ses enseignements sur l’évolution des idées scientifiques, de celles des sociétés et civilisations font autorité auprès des scientifiques, historiens, philosophes… Il est professeur associé à l’université Jiao Tong de Shanghai.
Publié le : mercredi 3 décembre 2014
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EAN13 : 9782759816903
Nombre de pages : 276
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C G S O L L E C T I O N R E N O B L E C I E N C E S DIRIGÉE PAR JEAN BORNAREL
NAISSANCE ET DIFFUSION DE LA PHYSIQUE
MichelSOUTIF
Naissance et diffusion de la physique
Grenoble Sciences Grenoble Sciences est un centre de conseil, expertise et labellisation de l’enseignement supé rieur français. Il expertise les projets scientifiques des auteurs dans une démarche à plusieurs niveaux (référés anonymes, comité de lecture interactif) qui permet la labellisation des meil leurs projets après leur optimisation. Les ouvrages labellisés dans une collection de Grenoble Sciences ou portant la mentionSélectionné par Grenoble Sciences(Selected by Grenoble Sciences) correspondent à : des projets clairement définis sans contrainte de mode ou de programme, U des qualités scientifiques et pédagogiques certifiées par le mode de sélection (référés ano U nymes puis comité de lecture interactif dont les membres sont cités au début de l’ouvrage), une qualité de réalisation assurée par le centre technique de Grenoble Sciences. U
Directeur scientifique de Grenoble Sciences Jean BORNAREL, Professeur émérite à l’Université Joseph Fourier, Grenoble 1 Pour mieux connaître Grenoble Sciences : https://grenoblesciences.ujfgrenoble.fr Pour contacter Grenoble Sciences : Tél (33) 4 76 51 46 95, email : grenoble.sciences@ujfgrenoble.fr
Livres et papebooks Grenoble Sciences labellise des livres papier (en langue française et en langue anglaise) mais également des ouvrages utilisant d’autres supports. Dans ce contexte, situons le concept de papebook. Celuici se compose de deux éléments : U un livre papier qui demeure l’objet central et autonome avec toutes les qualités que l’on connaît au livre papier U un site web compagnon qui propose : w des éléments permettant de combler les lacunes du lecteur qui ne possèderait pas les prérequis nécessaires à une utilisation optimale de l’ouvrage, w des exercices pour s’entraîner, w des compléments pour approfondir un thème, trouver des liens sur internet, etc. Le livre du papebook est autosuffisant et certains lecteurs n’utiliseront pas le site web compa gnon. D’autres l’utiliseront et ce, chacun à sa manière. Un livre qui fait partie d’un papebook porte en première de couverture un logo caractéristique et le lecteur trouvera la liste de nos sites compagnons à l’adresse internet suivante : https://grenoblesciences.ujfgrenoble.fr/papebooksinfos
Grenoble Sciences bénéficie du soutien duMinistère de l’Éducation nationale, de l'Enseignement supérieur et de la Recherche et de laRégion RhôneAlpes Grenoble Sciences est rattaché à l’Université Joseph Fourier de Grenoble
ISBN 978 2 7598 1190 8 ©EDP Sciences, 2014
Naissance et diffusion de la physique
MichelSOUTIF
17, avenue du Hoggar Parc d’Activité de Courtabœuf  BP 112 91944 Les Ulis Cedex A  France
Naissance et diffusion de la physique Cet ouvrage, labellisé par Grenoble Sciences, est un des titres du secteur Evolution des idées scientifiques de la Collection Grenoble Sciences d’EDP Sciences, qui regroupe des projets originaux et de qualité. Cette collection est dirigée parJeanBORNAREL, Professeur émérite à l’Université Joseph Fourier, Grenoble 1.
Comité de lecture de la première édition : S. JOHSUA, professeur à l’Université de Provence U U J. LAMBERT, professeur à l’Université PierreMendes France, Grenoble 2 U P. NOZIÈRES, professeur au collège de France J.B. ROBERT, professeur à l’Université Joseph Fourier, Grenoble 1 U U E. SALTIEL, maître de conférence à l’Université Paris 7, INRP Cet ouvrage a été suivi pour la partie scientifique parJeanBORNARELetLauraCAPOLOet pour sa réalisation pratique parSylvieBORDAGEdu centre technique Grenoble Sciences, avec, pour la mise en forme, la collaboration d’AnneClaireLECOMTE(www.studiographisme.fr). L’illustration de couverture est l’œuvre d’AliceGIRAUD, d’après les figures : 5, 7, 14 chap. I ; 20, 21 chap. II ; 32, 34 chap. IV ; 56 chap. VI ; 85 chap. IX ; 102 chap. X ; 130 chap. XI
Autres ouvrages labellisés sur des thèmes proches (chez le même éditeur) : L’Asie, source de sciences et de techniques (M. Soutif)En physique, pour comprendre (L. Viennot)L’air et l’eau. Alizés, cyclones, Gulf Stream, tsunamis et tant d’autres curiosités naturelles (R. Moreau) et déterminisme ( Turbulence M. Lesieur, en collaboration avec l'institut universitaire de France) La plongée sous marine (P. Foster)et environnement. Les risques et les enjeux d'une crise Energie annoncée (B. Durand)L'énergie de demain (Groupe Energie de la Société Française de Physique, sous la direction de J.L. Bobin, E. Huffer & H. Nifenecker)Sous les feux du Soleil, vers une météorologie de l'espace (J. Lilensten & J. Bornarel)Description de la symétrie. Des groupes de symétrie aux struc tures fractales (J. Sivardière)Symétrie et propriétés physiques. Des principes de Curie aux brisures de symétrie (J. Sivardière)Physique et Biologie (B. Jacrot)Respiration et photosynthèse. Histoire et secrets d’une équation (C. Lance)Sciences expérimentales et connaissance du vivant. La méthode et les concepts (P. Vignais & P. Vignais)de la science et de l’art. L’architecture molécu Rencontre laire du vivant (J. YonKahn)La biologie des origines à nos jours (P. Vignais)Histoire de la science des protéines (J. YonKahn)Éléments de Biologie à l'usage d'autres disciplines, de la structure aux fonctions (P. Tracqui & J. Demongeot)Cavitation. Mécanismes physiques et aspects industriels La (J.P. Franc et al.)Turbulence (M. Lesieur)Magnétisme : I Fondements, II Matériaux (sous la direc tion d'E. du Trémolet de Lacheisserie)de résonance paramagnétique électronique : Spectroscopie I Fondements (P. Bertrand), II Applications (sous la direction de P. Bertrand)Spectroscopies infrarouge et Raman (R. Poilblanc & F. Crasnier)Physique des diélectriques (D. Gignoux & J.C. Peuzin)Plasmas collisionnels. Physique des décharges RF et microonde (M. Moisan & J. Pelletier)Les milieux aérosols et leurs représentations (A. Mailliat)Analyse statistique des données expérimentales (K. Protassov)Introduction à la mécanique statistique (E. Belorizky & W. Gorecki)Mécanique Statistique. Exercices et problèmes corrigés (E. Belorizky & W. Gorecki)La Mécanique Quantique. Problèmes résolus, T I et II (V.M. Galitski, B.M. Karnakov & V.I. Kogan)Mécanique. De la formulation lagrangienne au chaos hamiltonien (SilvestreBracC. Gignoux & B. )Problèmes corrigés de mécanique et résumés de cours. De Lagrange à Hamilton (C. Gignoux & B. SilvestreBrac) et d’autres titres sur le site internet : https://grenoblesciences.ujfgrenoble.fr
Note à la deuxième édition
Des différentes expertises dont j’ai été chargé, il ressort clairement que c’est la physique qui détourne en priorité les lycéens des études scientifiques. La plupart de ceuxci reprochent à cette matière d’apparaître comme une succession de lois arbitraires dont la logique est absente et sur lesquelles on se borne à quelques applications numériques. Or la logique de la physique n’est pas dans des hypothèses mathématiques ni dans le vote d’un parlement démocratique. Elle est dans sa conformité avec l’expérience. Et cette loi physique n’est pas tombée du ciel. Elle a été petit à petit affinée par des mesures et des essais d’explications qui ont parfois donné lieu à de grossières erreurs .Pourquoi l’élève ou l’étudiant auraitil d’emblée la solution, là ouARISTOTEs’est lourdement trompé ? L’erreur ellemême mérite d’être enseignée, car elle représente une étape significative de la connaissance. Il me semble donc que l’étude d’un phénomène physique devrait, certes commencer par sa description expérimentale, mais ensuite par l’histoire de son interprétation, pour enfin arriverin fine à son expression mathématique (c’est d’ailleurs la méthode préconisée à Oxford, vers 1250, par RogerBACONavant qu’il ne finisse en prison). C’est dans cet esprit que j’ai écrit cet ouvrage, pour permettre aux enseignants d’y trouver quelques bribes des méandres de la pensée créatrice des anciens physiciens. Pour mettre en situation dans son contexte initial l’histoire de la physique, il est nécessaire d’effleurer l’histoire tout court. Et alors, quelle désolation ! A l’époque de la mondialisation, l’enseignement secondaire reste bloqué sur la France et le bassin méditerranéen, centre du monde et nombril de l’univers, à travers un e programme directement inspiré par leXIX siècle. Certes, il faut connaître convena blement l’histoire de son pays, mais cette histoire s’inscrit maintenant dans celle de la planète toute entière. Il est donc infiniment regrettable que dans la formation des e jeunes français, l’histoire des pays qui feront leXXIsiècle, l’Inde et la Chine, ne soit passuffisamment développée. Cette carence réagit évidemment sur l’histoire des sciences et des techniques : peuton ignorer que les nombres négatifs et le zéro, le magnétisme, le papier, la fonte du fer et ses usages, les fusées, sans parler du riz sont issus de l’Asie et non de l’Europe ? Peuton croire queGUTENBERGait inventé la typographie en 1450, plus de 400 ans aprèsBISHENGen Chine ?
Avantpropos
1 De nombreux ouvrages traitent de l’histoire de la physique et de son épanouissement e auXXsiècle. D’autres envisagent l’évolution de la pensée scientifique au contact des mystères de la nature et la manière dont, d’analyses en synthèses, de grandes lois naturelles ont permis de rendre compte de notre environnement. L’objet de cet ouvrage est plus modeste. Il souhaite mettre en lumière l’interaction constante entre la science et ses applications au cours de leur développement. Les besoins d’agir sur la nature ont stimulé l’étude des phénomènes afin de les dominer et cette domi nation, à son tour, a ouvert de nouveaux horizons aux savants. Il faut montrer à chaque étape de la conquête scientifique son influence sur la société et son économie, et comment à son tour cette dernière a poussé les états à intervenir dans la recherche. L’interaction science, économie, histoire politique n’a jamais été aussi flagrante que dans le domaine des sciences physiques, théoriques et appliquées. C’est pourquoi, à chaque étape de l’ouvrage, j’insiste sur les applications et leur impact sur la civilisation de l’époque. Une autre évidence, bien rarement soulignée, permet de répondre à la question suivante : pourquoi la physique s’estelle développée en Eurasie, mais non en Afrique, en Amérique ou dans une île du Pacifique ? Pourtant, à la fin du paléolithique, il n’y a pas si longtemps (environ 9000 ans avant J.C.), la plupart des groupements humains disposaient du même outillage lithique et se figuraient la nature sous une même forme chamanique où tout était soumis aux caprices d’innombrables entités démoniaques. La réponse tient essentiellement au fait que l’Eurasie s’étend d’est en ouest et permet une forte circulation des idées sans barrière équatoriale ou maritime. La naissance de la physique est due à l’accumulation d’innombrables observations ou réflexions qui ont pu se compléter et former peu à peu un tout cohérent. Toute la différence dans les techniques 2 dont disposent un Américain et un Papou tient de cette communication. Mais, pour com prendre l’importance de ce facteur clé, il ne faut pas se borner, comme le font la plupart des auteurs, à l’étude d’un élément de la chaîne eurasiatique, le bassin méditerranéen ou,
1 Voir bibliographie en fin d’ouvrage. 2 Le patrimoine génétique et les qualités intellectuelles de ces deux individus sont par ailleurs iden tiques, avec peutêtre un petit avantage pour le Papou confronté très jeune à une lutte difficile contre un milieu physique très hostile. Ainsi un Papou pourra survivre à New York tandis qu’un Américain seul aura du mal à résister à la forêt de NouvelleGuinée.
à la rigueur, un peu du MoyenOrient. Il faut donner toute sa place, dans la contribution essentielle à l’émergence de notre civilisation, à l’ExtrêmeOrient et en particulier à la Chine. Pour bien mettre en évidence cette circulation des idées, l’exposé est divisé en chapitres portant chacun sur un phénomène physique arbitrairement individualisé, mais pour rétablir l’unicité de la discipline, un dernier chapitre montre l’histoire des interactions de l’ensemble de la physique avec la sphère politique de l’époque. e En conclusion, les raisons de l’éclipse provisoire de la contribution chinoise auxXIX et e XXsiècles seront évoquées.
Puisque chaque jour Se renouvelle Renouvelletoi chaque jour Et toujours renouvelletoi.
 (LIJI,Livre des rites)
Remerciements Je tiens à remercier chaleureusement mes collègues de Grenoble,J. BORNAREL,J. LAMBERT, Ph.NOZIÈRESetJ.B. ROBERTavec lesquels de nombreuses discussions m’ont permis de refor muler complètement l’exposé de cet ouvrage. Je remercie également de leurs critiques très constructives MadameE. SALTIELet MonsieurJOSUAH. Je suis en outre infiniment reconnaissant envers ma femme, Ruth, pour l’aide qu’elle m’a apportée dans la correction des épreuves successives. Je voudrais enfin remercier de son travail minutieux toute l’équipe d’édition de Grenoble Sciences.
Sommaire
A propos des méthodes physiques de datation ...................................................... 1
I  Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes............... 7
II  La raison et l’expérience ............................................................................... 31
III  La numération et le calcul ........................................................................... 43
IV  La mesure et la précision ............................................................................. 61
V  La matière et le vide .................................................................................... 73
VI  Le calendrier et le temps ............................................................................. 91
VII  La mécanique : l'équilibre et le mouvement .............................................. 105
VIII  La lumière et l’optique ............................................................................ 117
IX  Les actions à distance ................................................................................ 131
X  La production d’énergie et sa transmission .................................................. 147
XI  Les transports ........................................................................................... 175
XII  La physique et le pouvoir ......................................................................... 197
Synthèse et conclusion..................................................................................... 211
Annexes.......................................................................................................... 217
Une brève bibliographie .................................................................................. 231
Table des illustrations ...................................................................................... 237
Index des noms de personnes .......................................................................... 247
Index géographique ........................................................................................ 255
Table des matières........................................................................................... 259
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