Les idées des physiciens sur la matière - article ; n°1 ; vol.14, pg 95-109

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L'année psychologique - Année 1907 - Volume 14 - Numéro 1 - Pages 95-109
15 pages
Source : Persée ; Ministère de la jeunesse, de l’éducation nationale et de la recherche, Direction de l’enseignement supérieur, Sous-direction des bibliothèques et de la documentation.
Publié le : mardi 1 janvier 1907
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L. Houllevigue
Les idées des physiciens sur la matière
In: L'année psychologique. 1907 vol. 14. pp. 95-109.
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Houllevigue L. Les idées des physiciens sur la matière. In: L'année psychologique. 1907 vol. 14. pp. 95-109.
doi : 10.3406/psy.1907.3738
http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/psy_0003-5033_1907_num_14_1_3738II
LES IDÉES DES PHYSICIENS SUR LA MATIÈRE
L'unité de la science est loin d'être faite; la spécialisation,
inévitable envers de notre développement scientifique, isole les
travailleurs les uns des autres. Chacun se crée, d'après ce qu'il
voit et ce qu'il sait, un système du monde: il est peu vraisem
blable a priori que tous ces systèmes coïncident; aussi y a-t-U
un réel intérêt à les confronter, pour rendre plus méthodique
la critique de nos hypothèses; l'erreur est plus probable pour
les parties qui ne se superposent pas. C'est pourquoi il mra
paru utile d'exposer, dans ses grandes lignes, l'idée que les
physiciens se font des milieux matériels; en dehors des éner-
gétistes exclusifs, qui se refusent à voir dans l'univers autre
chose que des équations différentielles, la plupart des physi
ciens doivent à leur éducation spéciale une sorte de vision
interne et le plus souvent inexprimée du monde extérieur; ils
savent que cette vision peut être fausse, mais ils l'acceptent
comme un guide utile, et la conservent tant qu'elle est en
accord avec les faits qu'ils connaissent.
I. — Pour préciser les idées, considérons un corps solide,
par exemple un bloc de métal. L'observation immédiate nous
le montre, en toutes ses parties, homogène et continu; qu'on
en fasse l'analyse chimique, ou qu'on-le regarde au microscope
avec le plus fort grossissement, on n'y découvre aucune dis
continuité : c'est le plein absolu, c'est le solide idéal; pourtant
nous pensons que cette apparence est trompeuse, qu'elle tient
uniquement à l'imperfection de nos sens, et que la matière
nous apparaîtrait tout autre si nous pouvions en grossir
chaque grain à la dimension d'une maison.
Un premier fait, tout d'abord : la surface de notre solide
n'est pas semblable à l'intérieur; autrement dit, il existe, à la
surface de tous les corps, une couche périphérique, nommée
couche de passage, dont les propriétés ne sont pas les mêmes- MÉMOIRES ORIGINAUX 96
que celles de la masse intérieure. La physique tout entière
nous affirme ce fait; chaque fois qu'on étudie une propriété
définie de la matière, conductibilité électrique, constantes
magnétiques, optiques on calorifiques, on trouve que le nombre
qui la mesure dépend des dimensions du corps; or la loi qui
exprime cette dépendance se modifie toujours chaque fois que
l'une des dimensions devient très petite. Ainsi, la résistance
électrique d'une lame varie en raison inverse de son épais
seur; mais si l'épaisseur devient trop faible, la loi de variation
change. Il en va de même des réactions chimiques : j'ai montré,
il y a peu d'années, que l'argent et le cuivre, attaqués par
l'iode lorsqu'ils sont en masse, ne se combinent plus avec lui
dès qu'ils forment des pellicules d'épaisseur plus petite que
30 [/.[x (un [A[x vaut un millionième de millimètre); on peut
trouver des discontinuités semblables dans l'étude des phéno
mènes capillaires, et la théorie de Van der Waals, qui repré
sente remarquablement les propriétés des gaz, des vapeurs et
des liquides, repose, comme la théorie capillaire de Laplace,
sur l'existence de cette zone superficielle. Il est remarquable,
d'ailleurs, que, quel que soit l'effet envisagé, l'épaisseur de la
couche superficielle est toujours trouvée la même, voisine
de 30 [jLix ; nous sommes autorisés, par cet accord des résultats
expérimentaux, à conclure que la surface d'un corps quelconque
«st dans un état différent de la masse intérieure. Nous savons,
d'autre part, qu'il existe des réactions entre les parties voi
sines d'un même corps (l'existence de la cohésion des solides,
•de la viscosité des liquides, ou de la pression intérieure des
gaz, suffiraient à nous le prouver); dès lors, un point intérieur
est soumis à des actions qui s'exercent sur lui en tous sens,
tandis qu'un point de la surface n'est forcé que d'un seul côté ;
il est donc logique que la répartition de la matière ne soit pas
la même à l'intérieur et à la périphérie.
Nous avons donc trouvé, dans notre solide, une première
hétérogénéité; il y en a d'autres. Un bloc de solide, même le
plus homogène en apparence, est loin d'être impénétrable; les
gaz, entre autres, s'y déplacent aisément. On connaît l'occlu- »
sion de l'hydrogène par le palladium; le fait est loin d'être
exceptionnel; le fer, l'acier, renferment dans leurs profon
deurs des volumes notables de gaz, acide carbonique, azote,
hydrogène, qui s'en échappent lorqu'on chauffe le métal dans
le vide; l'hydrogène, à froid, traverse une lame en tôle de
plusieurs millimètres d'épaisseur. Il suffit de chauffer légère- HOULLEVIGUE. — IDÉES DES PHYSICIENS SUR LA MATIÈRE 97
ment le platine pour que ce même gaz progresse rapidement
dans son intérieur : on connaît l'application qui a été faite de
cette propriété, dans les ampoules Röntgen à osmo-régulateur,
pour faire varier à volonté le degré de vide intérieur. On sait
aussi qu'une cathode en métal, dans les mêmes tubes à vide,
vomit incessamment des gaz, que le quartz fondu absorbe
l'hélium; les exemples abondent et il est superflu de les citer
tous; à chaud, les effets s'exagèrent et on voit les solides eux-
mêmes cheminer les uns à l'intérieur des autres et se pénétrer
mutuellement : tel peut être le cas pour la carburation du fer
par cémentation.
Les solides sont donc, pour le moins, poreux et percés de
nombreux méats intérieurs; cette porosité serait suffisante
pour expliquer leur compressibilité, qui est très faible, ainsi
que leur contraction par le froid ; en revanche, pour les gaz
ou les vapeurs, on serait conduit à imaginer des vides plusieurs
centaines de fois plus considérables.
IL — Mais, pour les solides eux-mêmes, il est impossible de
se contenter de l'idée d'une porosité semblable à celle du
charbon de bois ; il faut, en effet, tenir compte d'autres con
ditions, dont la plus importante est l'existence de l'éther.
Quand on cherche à expliquer les phénomènes de rayonne
ment, qui se propagent avec la vitesse de la lumière, on est
obligé (l'imaginer l'existence d'un milieu différent de la matière
que nous connaissons; le rayonnement n'intéresse pas la
matière, qui est incapable de transmettre des ondes progres
sant à raison de 300 000 kilomètres par seconde; pourtant un
grand nombre de solides sont transparents, sous une grande
épaisseur, pour ces radiations; les plus opaques, comme les
métaux, se laissent traverser si on les prend sous une épaisseur
inférieure à 100 p.[x; il faut donc admettre que les éléments des
corps solides forment, non un tout continu, mais des molécules
isolées entre elles, au moins en général, de telle sorte que
l'éther où elles baignent se tient dans toutes ses parties, et que
les ondes progressent librement cet éther.
L'existence de ces molécules isolées présente, pour la plu
part des physiciens, sinon une certitude absolue, au moins une
probabilité très grande; la théorie cinétique des gaz a reçu, de
nos jours, tant de vérifications et a pris de tels développements
qu'il est impossible, sans son aide, de rien comprendre à la
science actuelle; et la continuité qu'on observe entre les
gaz, les liquides et les solides nous contraint à en généra-
l'annéb psychologique, xiv. 7 MÉMOIRES ORIGINAUX 98
User les résultats en les appliquant à tous les états de la
matière.
Mais nous ne pouvons pas considérer les molécules comme
des masses matérielles en repos, maintenues en équilibre par
des forces antagonistes s'exerçant entre elles à distance; une
conception aussi simpliste de la matière a pu suffire à Laplace
pour établir la théorie de la capillarité, à Fourier pour écrire
les équations de la conductibilité thermique; mais elle serait
impuissante à nous expliquer la complexité de la nature. Il
faut, en effet, expliquer le rayonnement des corps chauds. Tout
corps rayonne de la chaleur ou de la lumière, selon sa tempé
rature ; plus le corps est chaud, plus le rayonnement qui en
émane s'amplifie et se diversifie, mais il existe à toute tempé
rature; la glace, les astres refroidis comme la lune, émettent
des radiations que l'expérience a décelées; on chercherait en
vain à expliquer, dans un corps dont toutes les parties sont
immobiles, la naissance de ces ondes qui en émanent et pro
gressent dans l'éther; il faut donc admettre qu'un corps chaud
(et tout corps est plus ou moins chaud) possède de l'énergie,
qui se dissipe par le rayonnement calorifique et lumineux;
cette énergie implique l'existence de masses matérielles douées
d'une certaine vitesse.
Les molécules nous apparaissent, dès lors, comme animées
de mouvements, sans doute très variés; en plus de la rota
tion sur elles-mêmes, elles peuvent décrire des trajectoires
rectilignes ou des orbes, fermées ou non; elles peuvent se
choquer et rebondir; la considération de leurs chaleurs spéci
fiques permet même d'estimer la part de leur énergie totale
qui est due à leur seule rotation; on voit ainsi que, dans les
gaz monoatomiques, l'énergie est due presque tout entière à
la translation, tandis que l'énergie de rotation joue un rôle
de plus en plus grand à mesure que la molécule prend une
atomicité, c'est-à-dire une complexité plus grande. Les actions
qui s'exercent entre molécules et dans l'intérieur de chaque
molécule sont, comme nous le verrons plus loin, de nature
électromagnétique, c'est-à-dire transmises par l'intermédiaire
du milieu éthéré universel. Toute idée d'action à distance, qui
répugne à notre entendement, peut ainsi être bannie de nos
hypothèses; en même temps, la cohésion et l'élasticité des
milieux matériels prennent un sens défini, puisqu'elles repré
sentent la résistance à la déformation : il faudrait, sans doute,
un travail considérable pour couper en deux le système HOULLEVIGUE. — IDÉES DES PHYSICIENS SUR LA MATIÈRE 99
solaire, par exemple pour en séparer la terre et la transporter
dans une autre constellation; il en va de même pour les
systèmes matériels en mouvement, qui ne diffèrent que par
leurs dimensions des agglomérations stellaires.
III. — Chacune des molécules physiques que nous imaginons
dans les corps est, sans doute, elle-même très compliquée, et
il serait puéril de l'imaginer comme une sphère pleine; mais,
si compliquée soit-elle, nous pouvons tracer autour d'elle une
surface fermée, entraînée par sa translation, mais qui ren
ferme tous ses éléments; nous définissons ainsi le volume
propre de chaque molécule et il y a un grand intérêt à savoir
de quel ordre de grandeur peut être ce volume. Sur ce point,
les déterminations abondent et il est peu de chapitres de la
physique qui ne contiennent une évaluation des dimensions
moléculaires; par malheur, le nombre ne compense pas la
qualité et chacune de ces déterminations comporte des hypo
thèses ou des causes d'incertitude. C'est pourtant un fait
remarquable que l'accord de ces évaluations; les nombres
qu'elles nous donnent peuvent être dans le rapport de un à
dix ou à vingt, mais il ne seront jamais dans le de un
à mille; le concours de toutes ces probabilités forme ainsi une
probabilité plus grande. En confrontant les résultats obtenus,
on peut admettre que, dans un gaz ou une vapeur, les éléments
ont des dimensions linéaires voisines de 1 [/.;/. et sont séparés, à
la pression ordinaire, par des intervalles voisins de 10 p.[x.;
autrement dit, si on disposait en une seule file les molé
cules contenues dans un centimètre cube de gaz, avec leurs
distances moyennes, cette file serait cent fois plus longue que
l'équateur terrestre; la grosseur d'une de ces molécules est
à celle d'un pois, comme ce pois est à la sphère terrestre;
enfin, ces molécules sont animées de vitesses comprises
entre 2 kilomètres par seconde pour l'hydrogène, et 50 mètres
par seconde pour les gaz lourds, comme le chlore. Pour
ceux qui, considérant ces nombres avec un scepticisme ir
onique, voudraient bien des preuves, pourvu qu'elles ne soient
pas trop compliquées, nous pouvons au moins indiquer le
principe d'une des méthodes employées pour mesurer cette
dernière donnée; cette méthode a été appliquée, en 1897, par
Cantor : dans une atmosphère de chlore, il suspendit une
lamelle de verre soutenue par un fil fin et portant une couche
de cuivre sur les moitiés de ses deux faces opposées situées de
part et d'autre du fil de suspension; dans ces conditions, on ~~~" KIÉMOIRES ORIGINAUX 100
constate que la lamelle se met à tourner dans un sens tel que
les parties recouvertes de cuivre avancent en avant. L'explica
tion de ce phénomène, dans les hypothèses cinétiques, se fait
aisément : les molécules de chlore qui tombent sur le verre
rebondissent à sa surface en exerçant sur le verre une pression,
qui est la pression exercée par un gaz sur toute paroi en con
tact avec lui; mais, sur l'autre face, du côté cuivre, les molé
cules ne rebondissent pas, puisqu'elles se combinent avec le
cuivre; elles exercent donc de ce côté une pression deux fois
moindre; on peut se représenter un effet analogue en imagi
nant qu'on bombarde l'une des faces d'une porte avec des
boules de caoutchouc, et l'autre face avec des boulettes de
terre glaise, de même masse que les précédentes et lancées en
égal nombre avec la même vitesse; on verra que la pression
produite par les billes élastiques est deux fois plus forte que
l'autre, et que la porte tournera sur ses gonds; on conçoit
ainsi que la mesure du mouvement observé permette de
calculer la vitesse avec laquelle sont projetés les projectiles;
pour nous, sans entrer dans ces calculs, nous pouvons au
moins voir dans l'expérience de Cantor une des vérifications
les plus directes qu'on connaisse de l'hypothèse cinétique.
En ce qui concerne les liquides et les solides, les dimensions
moléculaires ont pu également être évaluées par de nom
breuses méthodes; les nombres auxquels on arrive sont voi
sins de 10 jjLfx, c'est-à-dire notablement plus grands que pour
les gaz; en revanche, l'intervalle entre les domaines molé
culaires devient très restreint; au zéro absolu de tempé
rature (273 degrés au-dessous de zéro centigrade) cet inter
valle paraît devoir être nul, ou du moins extrêmement faible ;
en même temps, l'énergie due aux mouvements d'ensemble s'est
également annulée, à très peu de chose près; au zéro absolu,
les molécules ne sont donc pas loin de reposer inertes les unes
sur les autres, comme des grains de blé dans un boisseau. A
la température ordinaire, les espaces intermoléculaires, pour
les solides et les liquides, ne sont pas encore bien grands; on
peut estimer, d'après ce que nous savons de la dilatation ther-
nique, qu'ils ne forment guère plus d'un centième du volume
total.
Une complication encore se présente : pour les gaz et les
vapeurs, la chimie et la physique sont d'accord dans leur
conception de la molécule; mais pour les liquides et les
solides, la molécule des chimistes est généralement plus — IDÉES DES PHYSICIENS SUR LA MATIÈRE 101 H0ULLEV1GUE.
simple que celle des physiciens, et surtout que l'élément cris-
tallographique ; les évaluations des chimistes reposent en effet
sur l'étude de la matière gazéifiée ou (ce qui revient au même)
dissoute, et il n'est pas douteux que les formules qui en tra
duisent les résultats ne correspondent aux agrégations molé
culaires les plus simples. Mais la constitution de la molécule
solide ou liquide est souvent plus compliquée; ainsi, la vapeur
d'eau étant représentée par la formule classique H2O, la molé
cule de glace est (H2O)3; la molécule d'eau liquide est en
général (H2O)2 sauf entre zéro et A degrés où l'on observe un
mélange des molécules (H2O)2 et (H2O)3.
Pour la plupart des corps se manifestent des complications
analogues, sinon plus grandes; quant à la molécule cristallo-
graphique, elle paraît avoir les dimensions linéaires de l'ordre
de 20 p.f/., au minimum; il est donc vraisemblable qu'elle est
constituée à son tour par un petit nombre de molécules
physiques, quatre au moins, correspondant au tétraèdre él
émentaire.
IV. — Ainsi la molécule des solides nous apparaît comme
douée, dans les conditions ordinaires, d'une vitalité d'ensemble
assez faible et qui se limite à des frémissements de petite
amplitude; mais le spectacle est tout différent si on considère
ce qui se passe à l'intérieur de la molécule; là, au contraire,
se manifeste une énergie puissante et qui est bien loin de
s'annuler au zéro absolu de température. On sait comment, à
la suite des découvertes de Röntgen, de Becquerel et de Curie,
se sont développées les théories atomiques; toutes les énergies
que nous révèlent ces expériences sont des énergies internes
des molécules; l'étude des acquisitions nouvelles de la science
permet donc d'explorer ce domaine ultra-microscopique que
nous avons appelé le volume moléculaire. Pour nous rendre
compte des résultats obtenus, considérons d'abord un des cas
les plus simples, celui que nous offre une molécule d'hydro
gène.
Le ciel nous présente de nombreux exemples de ces étoiles
doubles dont chacune tourne autour de l'autre; la molécule
d'hydrogène paraît, avec les deux atomes qui la forment,
constituer un système analogue; mais chacun de ses atomes
représente un solaire complet : autour d'un noyau
central, chargé d'électricité positive, circulent incessamment
des masses nommées corpuscules ou électrons; ces électrons
sont électrisés négativement et la somme de leurs charges MÉMOIRES ORIGINAUX 102
négatives est égale à la charge positive du noyau, si bien que
l'atome est électriquement neutre. Il faut entendre par là
son action électrique est nulle sur un point situé à une distance
un peu grande de la molécule, quelques dizaines de [aja par
exemple; mais cette action est loin d'être également nulle
pour les molécules voisines; de là résultent, entre ces molé
cules voisines, des réactions réciproques, transmises par l'éther
ambiant, et qui établissent entre elles la solidarité que nous
avons constatée ; c'est encore par ces réactions que s'expliquent
les mouvements d'ensemble de chaque molécule.
Nous apercevons donc dans le domaine moléculaire de
l'hydrogène deux noyaux en mouvement, chacun d'eux étant
lui-même entouré d'un millier de satellites formés par les
électrons; le volume moléculaire est donc loin d'être plein de
matière; si on l'imagine grand comme la nef d'une cathédrale,
il faudra supposer chaque électron gros comme un oiseau-
mouche. Ainsi, suivant la forte expression de Lodge, les élec
trons occupent le domaine de la molécule comme les soldats
occupent un pays conquis, car ils le parcourent en tous sens,
avec des vitesses énormes et rejettent en dehors tout corps
étranger qui tenterait d'y pénétrer; ils donnent ainsi à cet
espace une des propriétés caractéristiques de la matière, qui
est l'impénétrabilité.
Nous pouvons aussi être renseignés sur les trajectoires de
ces électrons si nous adoptons une hypothèse assez plausible,
qui voit dans les radiations émises par les corps l'effet de ces
mouvements électroniques; en tournant dans le champ de la
molécule avec leurs charges électriques, les corpuscules créent,
dans l'éther où ils baignent, des ondes électro-magnétiques
dont la période est leur propre période de rotation; ces ondes
sont identiques, comme l'ont établi Maxwell et Hertz, aux
ondes qui constituent les rayonnements calorifique et lumi
neux. Si donc, dans le spectre de l'hydrogène incandescent,
nous apercevons une raie rouge, correspondant à un mouve
ment vibratoire dont la fréquence est de 460 000 milliards par
seconde, c'est qu'il existe dans la molécule des électrons tour
nant de façon à effectuer pareil nombre de révolutions dans le
même temps.
Mais la plupart des corps, et les gaz eux-mêmes donnent,
outre les raies lumineuses, un spectre continu; si les pre
mières paraissent révéler l'existence de corpuscules enchaî
nés autour de chaque noyau et parcourant des orbes fermées, — IDÉES DES PHYSICIENS SUR LA MATIÈRE 103 HOULLEVIGUE.
le second correspond sans doute à des électrons qui, leurs
liens brisés, parcourent librement et en tous sens les espaces
intermoléculaires; ainsi, comme l'espace céleste, l'infiniment
petit aurait ses comètes. L'existence de ces électrons errants
s'est d'ailleurs manifestée, aux yeux des physiciens, par la
radio-activité; nous savons que des corpuscules sont émis
spontanément par les corps radio-actifs, par les corps incan
descents, par les surfaces métalliques que viennent frapper
les rayons X et la lumière ultra-violette; nous croyons savoir
qu'ils circulent incessament entre les molécules des corps con
ducteurs et qu'ils sont même les agents efficaces de leur
ductibilité électrique; ils jouent donc un rôle important dans
nos hypothèses scientifiques.
En plus des molécules, des atomes et des électrons, il existe
un état d'agrégation moléculaire qui mérite qu'on en dise
quelques mots : si nous pouvions contempler l'univers avec
des microscopes grossissant mille fois plus que nos meilleurs
appareils, nous verrions, dans les gaz ou les solutions salines,
flotter de gros amas moléculaires; ces amas, nommés ions, sont
rares dans les gaz, où on n'en compte guère qu'un pour un
milliard de molécules; mais ils sont beaucoup plus nombreux
dans les solutions salines, surtout étendues; ces ions sont fo
rmés par un centre électrisé, corpuscule ou fragment de molé
cule privée d'un ou de plusieurs ions, contre lequel sont venues
s'accoler une dizaine de molécules; le tout se meut, d'un mou
vement d'ensemble, avec une vitesse assez faible, voisine de
quelques centimètres à la seconde, tandis que les électrons
peuvent atteindre des vitesses voisines de celle de la lumière;
ces ions jouent un rôle capital dans la conductibilité des gaz
et des electrolytes, et c'est précisément ce qui a permis de
déterminer leur nombre et leurs principales propriétés.
Ainsi, les physiciens d'aujourd'hui, poussant à leurs extrêmes
limites les conceptions cinétiques, nous montrent dans la
matière inerte un monde d'une complication inouie et animé
d'une vie prodigieuse. Ils nous rappellent les vieilles idées sur
le microcosme, et les fortes paroles de Pascal, montrant à
l'homme l'infiniment grand dans l'infiniment petit : « Je veux
lui peindre, non seulement l'Univers visible, mais encore tout
ce qu'il est capable de concevoir de l'immensité de la nature,
dans l'enceinte de cet atome imperceptible. Qu'il y voie une
infinité de mondes, dont chacun a son firmament, ses planètes,
sa terre, en la même proportion que le monde visible; dans

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