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  Autour du fonctionnement des sciences physiques/

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Une introduction au fonctionnement des sciences physiques |

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Quelques physiciens et dates clés (en cours de construction, plutôt en vrac pour le moment) :

  • Généralités : Les philosophes dissertent sur la nature de la matière (selon Aristote quatre éléments : air, eau, terre, air, et quatre qualités : chaud, froid, humide et sec), et les artisans sur l'élaboration de teinture, d'alliages, de médicaments et autres substances à visée utilitaire.

Préhistoire, antiquité
  • Chine : Utilisation de la boussole.

-600 ?
  • Thalès : Constate qu'en frottant de la laine contre un morceau d'ambre, celui-ci attire ou repousse des petits corps (de la poussière, du sable). L'ambre se dit electron en grec, et c'est ce qui donnera le terme électricité employé pour la première par Gilbert en 1600.

-600
  • Aristote, Ptolémée : La vision mécanique qui domine est celle d'Aristote (les corps tendent vers un état de repos, quatre éléments, ...), et la vision de l'Univers est celle de Ptolémée (modèle géocentrique, épicycles pour expliquer les rétrogradations, Terre immobile).

-400 jusqu'au moyen-âge
  • Euclide puis Ptolémée et d'autres : Propagation en ligne droite de la lumière, loi de la réflexion, tables donnant des angles de réfraction, fabrication de miroirs concaves. Les lentilles n'existent pas.

-300
  • Philon, Héron : Thermoscopes de l'antiquité, qui mettent en évidence une augmentation ou diminution de la température.

-300 à -100
  • Ératosthène : Première mesure correcte de la circonférence de la Terre

-250
  • Archimède et l'école d'Alexandrie : Avancées en statique, utilisation des mathématiques d'Euclide, levier, balance, principe d'Archimède, vis à eau...

-250
  •  : 

  • Ibn al-Haytham : Précise et affine les travaux des grecs.

1000
  • Généralités : L'alchimie s'intéresse aux transformation de la matière, les artisans poursuivent le perfectionnement des méthodes. On connaît à la sortie du moyen-age de nombreux métaux, quelques acides et bases (acide sulfurique, nitrique...). Mais la méthode expérimentale n'existe pas et les interprétations sont toujours teintées de magie.

Moyen-age et après
  • Artisans italiens : Fabrication des premières lentilles, qui servent à corriger la vision. Elles sont très grossières. Pas d'utilisation scientifique.

1280
  • Paracelse : Propose une théorie qui remplace celle des 4 éléments et des 4 qualités par 4 principes, notion assez floue. Règle des affinités pour les réactions chimiques : le semblable attire le semblable.

1520
  • Copernic : Remise en cause franche du modèle de Ptolémée, et proposition du modèle héliocentrique. Comme il doit justifier les objections des aristotéliciens sur les effets du mouvement de la Terre, il doit faire un peu de mécanique et introduit la notion de référentiel.

1540
  • Kepler : À l'aide des observations de Tycho Brahé, notamment de celles pour Mars, montre que l'orbite des planètes est elliptique. Montre aussi qu'elles suivent les trois lois de Kepler.

1600-1620
  • Galilée : Il refonde les bases de la mécanique : Introduction du principe d'inertie, de la notion de référentiel, trajectoire parabolique des corps en chute libre... Fait majeur, il rend systématique l'usage de la démarche scientifique : observation, traduction dans le langage mathématique, calculs puis explications...

1600-1620
  • Gilbert : Écrit le traité De Magnete. Somme importantes d'expériences (aimantation induite, désaimantation par chauffage, ...). Il distingue bien force électrique et magnétique. Invente un électromètre. Toutefois les interprétations font appel à une "effluve" magnétique.

1600
  • Galilée : Il s'approprie une lunette contruite par un opticien hollandais ou italien, et a l'idée de la pointer vers le ciel. Il prend alors comme observations scientifiques ce qu'il voit, ce qui est révolutionnaire à l'époque (on peut dire qu'il lance la démarche scientifique). Il inventera aussi le microscope.

1609
  • Kepler : Première théorie correcte des lentilles. En rationalisant la lunette, il appuie le fait que ce que voit Galilée ne sont pas des illusions.

1611
  • Descartes : Loi de la réfraction. Snell également en 1626.

1634
  • Hooke, Boyle, Newton, ... : Expérimentent et s'en tiennent à la règle des affinités et des 4 principes. Hypothèse atomique soutenue par certains et donc vision mécanique des réactions : les constituants existent et s'attirent. Dans le même temps, le "phlogistique" est une substance qui décrit la propension à brûler et qui est utilisée par les chimistes pour comprendre les combustions.

1600-1700
  • Fermat : Principe de Fermat selon lequel la lumière empreinte le chemin le plus rapide.

1657
  • Royal Society : Création de la Royal Society à Londre, puis de ses Philosophical Transactions deux ans plus tard.

1660
  • Loi de Boyle et Mariotte : à $T$ fixée, la densité d'un gaz (masse dans une unité de volume) est proportionnelle à la pression (loi vérifiée aux faibles pressions).

1661 et 1676
  • Hooke : Décrit les irisations vues sur une lame de microscope, et les "anneaux de Newton" : il s'agit d'interférences, non comprises à l'époque.

1665
  • Grimaldi : Observe et décrit le phénomène de diffraction.

1665
  • Académie Royale des Sciences : Création de l'Académie Royale des Sciences.

1666
  • Picard : Première campagne de triangulation précise pour cartographier une partie de la France. Il en résulte la mesure d'un arc de 1° du méridien terrestre.

1669
  • Généralités : Perfectionnement des machines à produire de l'électricité statique et des étincelles. Dufay, Franklin, ... : On découvre des comportements d'attraction ou de répulsion entre les corps électrisés, on en déduit deux types d'électricité. Théorie de l'électricité comme un ou deux fluides électriques. Premier condensateur (bouteille de Leyde).

1670 et après
  • Roemer : Mesure de la vitesse de la lumière (satellites de Jupiter).

1676
1683-1718
  • Newton : Publie ses Principia, qui reprennent les connaissances précédentes de Galilée et ajoutent la loi de la gravitation, le principe fondamental de la dynamique et des actions réciproques, et tout un arsenal mathématique qui permet de résoudre de nombreux problèmes. L'approche est axiomatique : à partir de ses trois lois et de la loi de gravitation, Newton en déduit de nombreux résultats.

1687
  • Huygens : Établit sa théorie ondulatoire de la lumière. Explique ainsi les phénomènes d'interférence et de diffraction, tout en retrouvant les lois de la réfraction et de la réflexion. Pour lui la lumière est une vibration, vibration d'un milieu qui emplit tout l'espace et qui est baptisé "l'éther".

1690
  • Newton : Théorie corpusculaire, aujourd'hui écartée.

1690
  • Amontons : Idée du 0 absolu. Le thermomètre de référence est celui à air (mesure de l'expansion d'un volume d'air à pression constante). Or on constate qu'on peut extrapoler les données jusqu'à ce que le volume de l'air soit nul ! Cela indique qu'il y a un zéro absolu. Sur l'échelle centigrade, il est estimé à -267°C, puis -271°C, etc, selon les résultats. L'avantage est que tant qu'on reste dans les conditions du gaz parfait, le résultat ne dépend pas du gaz ou de la pression imposée.

1702
  • Newcomen : première machine à vapeur industrielle. Puis Papin en 1707 : premier bateau à vapeur. D'autres mécaniciens anglais mettent au point par tâtonnements des machines à vapeur avec des rendements de 1%.

1703
  • Godin, Bouguer, La Condamine : Expédition au Pérou pour mesurer la longueur d'un degré de l'arc méridien.

1735-1743
  • Maupertuis, Clairaut : Mesure de l'arc de méridien en Laponie. Voir ici pour des données, et ici et . Ces mesures ont lieu dans le cadre du débat entre newtonniens (adeptes de la théorie de Newton, qui prévoit une Terre aplatie aux poles) et cartésiens (adeptes de la théorie des tourbillons de Descartes, qui prévoit une Terre aplatie à l'équateur). Les mesures semblent pencher en faveur des newtonniens.

1736-37
  • Bernoulli : Développe la théorie cinétique des gaz.

1738
  • Le Monnier : Encore une mesure de l'arc méridien en France, plus précise.

1739
  • Généralités : Les expériences se multiplient mais la nomenclature est confuse. Idée de la conservation de la masse dans les réactions. Découverte de nouvelles substances (l'hydrogène par Cavendish, etc.), caractérisations expérimentales de celles-ci. La théorie des "qualités" s'étend confusément (les quatre éléments de l'antiquité plus le mercure, la chaux, le sel, le phlogistique). Ceux qui retiennent l'hypothèse atomique ne distinguent pas atome, molécule, particule.

1700-1770
  • Clairaut : Met au point une méthode mathématique pour le problème à trois corps, qui permet de prédire correctement les mouvements de la Lune. Ceux-ci avaient résisté depuis 50 ans, ce qui jetait un certain doute sur la théorie de Newton et sa loi en $1/r^2$.

1750
  • Lacailles : Mesure d'un arc de méridien au Cap.

1751
  • Black : Montre que "l'air fixé" (le CO2 en fait) peut toujours se distinguer de l'air normal. Avant cela, les chimistes pensaient qu'il n'y avait qu'un seul type de gaz : l'air, avec éventuellement des impuretés différentes.

1756
  • Black : Notion de chaleur latente. Jusque là la chaleur en jeu lors d'un changement d'état était négligée. Black montre qu'elle est importante. Chaleur "latente", car elle n'est pas mise en évidence par le thermomètre ($T$ ne change pas).

1762
  • Watt : perfectionne les machines à vapeur.

1769
  • Lavoisier : Réalise les premières expériences chimiques vraiment précises, permettant de passer de l'alchimie à la chimie. Découvre que l'oxygène est nécessaire à la combustion, met en évidence que l'air est un mélange d'oxygène et d'azote (c'est lui qui est à l'origine de ces noms), montre que l'eau est composée d'oxygène et d'un gaz observé avant par Cavendish qu'il nomme hydrogène, reproduit une expérience de Cavendish où il décompose l'eau, anéantissant ainsi 2500 ans de théorie aristotélicienne des 4 éléments fondamentaux, met fin à la théorie du phlogistique ou éther, etc.

1770-1800
  • Black, Watt, puis Laplace et Lavoisier : Premières études sur la chaleur, concept de quantité de chaleur, de capacité calorifique, mesures de capacités calorifiques et d'enthalpies de réactions chimiques (et donc contribution en chimie).
    De même, Rumford mesure la chaleur produite lors du forage de canons.
    Notion d'équilibre thermique : la mise en contact de corps chauds et froids abouti à des corps de même température (Black). Ce qui est vraiment nouveau est cette notion de température, mesurée avec l'expansion d'un liquide (1ers thermomètres).

1760-80
  • Herschel : Découverte d'Uranus, première planète découverte avec un téléscope. Il est remarquable que cette planète a été vue par une dizaine d'astronomes dans le siècle qui précède, mais prise pour une étoile.

1781
  • En général : C'est la notion de fluide calorique qui est utilisée : la chaleur n'est pas une énergie - ce concept n'existe pas - mais un fluide, un des quatre fluides impondérables (avec la lumière, l'électricité et le magnétisme) et indestructible. C'est à quelques nuances près le point de vue de Kepler, Newton, Lavoisier, etc... La théorie selon laquelle la chaleur est une vibration de la matière existe mais reste marginale (Euler, Rumford, Laplace...). C'est l'expérience de Joule en 1840 qui fit pencher la balance en faveur de la seconde théorie.

jusque vers 1840
  • Coulomb : Mesure la force entre deux sphères chargées à l'aide de sa balance de torsion électrostatique, et confirme qu'elle décroit comme $1/r^2$ (loi de Coulomb). Ce résultat était attendu.

1785
  • Lavoisier, Berthollet, ... : Publication d'une nouvelle nomenclature des espèces chimiques. Ceci, avec la publication du traité de chimie de Lavoisier en 1789, marque le début de la chimie moderne.

1787
  • Delambre, Méchain : Mesure de la longueur du méridien entre Dunkerque et Barcelone. L'objectif est d'aboutir à une valeur très précise, afin de définir le mètre comme un dix millionième de la longueur d'un quart de méridien terrestre. C'est donc dans le contexte de la révolution et du système métrique que cette expédition prend place.

1792-1804
  • Proust : Énonce la loi des proportions définies : par exemple quelle que soit la façon dont on décompose une masse d'eau, on obtient invariablement 8 masse d'oxygène pour une masse d'hydrogène. Ce sera un des arguments vers l'hypothèse atomique. Cette loi a mis du temps à s'établir (Berthollet y était opposé), surtout à cause de la confusion entre corps pur, espèce chimique et mélange.

1794
  • Carlisle et Nicholson : Utilisation de la pile de Volta pour découvrir l'électrolyse. Décomposition de l'eau.

1800
  • Volta : Reprend les expériences de Galvani. Aboutit à la conception de la première pile, par empilement de rondelles de cuivre et de zinc séparées de plaques de carton imbibées d'eau salée. Ceci ouvre la voie aux expériences avec un courant continu.

1800
  • Young : Observe les interférences à deux ondes avec le dispositif des trous d'Young. Il reprend l'interprétation ondulatoire, mais sans être écouté.

1801
  • Lagrange puis Gauss : Expriment ce que l'on appelle maintenant la loi de Gauss sur la divergence du champ $\vec{E}$.

1773 puis 1813
  • Young : Introduction du mot "énergie" en physique, mais la notion restera floue jusque vers 1840-50. De même pour la notion de travail introduite en 1821 par Coulomb. On parle encore de force vive, héritage de la place centrale donnée aux forces dans l'œuvre de Newton.

1807
  • Malus : Observe le phénomène de polarisation par réflexion. Interprétation corpusculaire sans nuance et maladroite, avec Biot.

1808
  • Dalton : Expose sa théorie atomique, établie pour expliquer la loi des proportions définies. Il imagine que chaque substance est composée d'éléments individuels (les molécules), eux-mêmes composés d'entités fondamentales (les atomes) qui peuvent se dissocier ou s'assembler lors des réactions chimiques.

1808
  • Fourier : Fhéorie de la chaleur : loi de Fourier, équation de la chaleur, séries de Fourier.

1810-1822
  • Loi de Gay-Lussac : À pression et volume fixés, la densité change avec la température d'une façon qui ne dépend pas du gaz considéré.
    En déduit un zéro absolu vers -267°C.

1810
  • Avogadro : Suppose que des volumes égaux de gaz, pris dans les mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de molécules.

1810
  • Fresnel : Reprend les travaux de Huygens et Young. Après plus de cinq ans, avec Arago, il en arrive à la conclusion que la lumière est une onde dont la vibration est transverse à la direction de propagation. Comme elle explique les observations, la théorie ondulatoire est enfin acceptée. En revanche, elle utilise l'éther, milieu dans lequel se propage la lumière et qui possède des propriétés... un peu magiques.

1815
  • Ørsted : Découverte expérimentale de l'effet d'un courant électrique sur l'aiguille d'une boussole. Il utilise la pile de Volta. C'est la première fois que les domaines de l'électricité (le courant qui parcourt le fil) et du magnétisme (l'aiguille de la boussole) interagissent. Idée que les effets magnétiques se font à distance (premier pas vers la notion de champ).

1820
  • Biot et Savart : (avec aussi Ampère et Laplace) reprennent les expériences d'Ørsted afin d'en tirer des lois mathématiques : expression de la direction du champ magnétique en fonction de celle du courant, et de son intensité. Mène à ce que l'on appelle aujourd'hui la loi de Biot et Savart. Il est très contre-intuitif à l'époque de trouver une loi de force en $1/r$, et perpendiculaire au courant qui la cause.

1820
  • Ampère : Étudie la force entre deux fils parcourus par un courant. Invente le galvanomètre (1er ampèremètre). Théorème d'Ampère.

1820 à 1826
  • Barlow : Invente le premier moteur électrique.

1822
  • Carnot : Énoncé du 2nd principe sous la forme d'une limitation des rendements des machines dithermes.

1824
  • Généralités : La théorie atomique n'est toujours pas acceptée. Toutefois, atomistes et non atomistes se lancent dans la détermination des masses atomiques des divers éléments, sans l'appeler ainsi (mais plutôt théorie des équivalents, molécule-gramme ou atome-gramme...). Une table précise est proposée par Gerhardt en 1844. Cependant, l'hypothèse d'Avogadro et le comportement des gaz, la loi de Dulong et Petit (1819, la capacité calorifique des solides est proportionnelle à la masse atomique), la découverte du mouvement Brownien par Brown (1827), les travaux sur l'électrolyse (Ampère en 1833 : la quantité de charge est proportionnelle aux quantités de matière formées), l'explication de la pression osmotique (proportionnelle à la quantité de matière en ions), sur la conductivité des solutions, etc... tous sont aisément expliqués par la théorie atomique et l'existence de la grandeur "quantité de matière".

1810-1850
  • Faraday : Découvre expérimentalement le phénomène d'induction (aimant bougeant dans un circuit, courant variant dans le temps...). Réalise des expériences avec de la limaille de fer pour visualiser les effets magnétiques. Propose la notion de champ pour l'expliquer ("ligne de forces magnétique" dans son vocabulaire).

1831
  • Mayer, Joule, Helmholtz, Rankine et d'autres physiciens, chimistes, ingénieurs : Établissement de l'équivalence entre travail et chaleur, 1er principe et affermissement de la notion d'énergie (qui avant cette décennie était une notion soit inexistante soit très floue, même pour des systèmes mécaniques simples !). Joule mesure l'équivalence entre chaleur et travail.

1840-1850
  • Regnault : Identifie des lois des gaz plus complexes que celle du gaz parfait.
    Obtient un zéro absolu à -273°C.

1840
  • Clapeyron : Précise la notion de réversibilité.

1843
  • Kirchhoff : Lois de Kirchhoff pour les circuits électriques, qui synthétisent les découvertes précédentes et font le lien avec le potentiel de l'électrostatique (loi des mailles).

1845
  • Thomson (lord Kelvin) : Introduction de la température absolue (les degrés Kelvin).

1848
  • Fizeau, Foucault : Mesure de la vitesse de la lumière dans l'air et dans l'eau : elle est plus lente dans l'eau, ce qui est en accord avec la théorie ondulatoire et renforce grandement celle-ci.

1850
  • Fresnel, Stokes, ... : Les observations d'aberration ne parviennent pas à mettre en évidence un mouvement par rapport à l'éther. Les scientifiques imaginent alors diverses théories de l'éther qui expliquent ceci (et qui impliquent toutes que l'éther est mis partiellement en mouvement par un corps qui bouge). Elles expliqueront même l'expérience de Michelson et Morley.

1850 à 1890
  • Kirchhoff : Mesure la vitesse de propagation du courant électrique dans un circuit, et trouve une valeur très proche de celle de la lumière dans le vide. Ceci, et l'effet Faraday, tend à montrer un lien entre électrostatique, magnétostatique, électrocinétique, optique et électromagnétisme.

1857
  • Kirchhoff : Loi de Kirchhoff sur le rayonnement.

1859
  • Maxwell : Écrit les équations de Maxwell. Ceci réalise une synthèse entre électrostatique, magnétostatique, électrocinétique, optique. La grande nouveauté est la prédiction, via ces équations, de l'existence d'ondes électromagnétiques qui doivent notamment se propager à $c$. Il reste encore à les observer.

1861
  • Clausius : Fonction entropie et énoncé plus concis et abstrait du 2nd principe.

1865
  • Mendeleiev : Présente sa classification périodique des éléments. Ils sont rangés par masse atomique croissante (au lieu de $Z$ croissant comme aujourd'hui), ce qui donne lieu à quelques anomalies. Il prévoit l'existence et les propriétés du gallium et d'autres éléments non encore découverts.

1869
  • Stefan : Loi de Stefan

1879
  • Helmholtz, Gibbs, Planck : Potentiels thermodynamiques.

1880-1900
  • Michelson et Morley : Expérience à l'aide d'un interféromètre afin de mettre en évidence le mouvement de l'éther. Le résultat est négatif.

1881-1887
  • Hertz : met en évidence expérimentalement l'existence des ondes électromagnétiques (prédites théoriquement par Maxwell). Il montre également qu'elles se propagent à la célérité $c$. Son expérience utilise les fréquences radio. Lui et d'autres l'amélioreront ensuite pour transmettre ces ondes sur des distances de plus en plus grandes. En 1890 la vitesse de ces ondes est mesurée et correspond bien à $c$.

1888
  • Heaviside : Donne l'expression de la force de Lorentz $\vec{F} = q(\vec{E}+\vec{v}\wedge\vec{B})$. Lorentz la redonne en 1895. C'est la naissance de l'électrodynamique.

1889
  • Maxwell : Acceptation assez large de la théorie de Maxwell. Il est très difficile de changer cette théorie pour qu'elle s'accorde avec un entrainement de l'éther par les objets mobiles, ce qui serait nécessaire pour expliquer les observations d'aberration ou l'expérience de Michelson et Morley. Ceci engendre un état de crise, qui sera résolu par le rejet de l'éther et la théorie de la relativité d'Einstein.

1890
  • Wien : Loi de Wien sur le rayonnement.

1893
  • Röntgen : Découverte des rayons X.

1895
  • Rayleigh, Jeans : Loi de Rayleigh-Jeans.

1900
  • Planck : Loi du corps noir, puis démonstration en introduisant le quanta et la constante $\hbar$.

1900
  • Lorentz : Les équations de Maxwell ne sont pas invariantes par changement de référentiel galiléen, Lorentz montre qu'elles le sont pour un autres type de changement de référentiel, dit transformation de Lorentz.

1904
  • Einstein : Remise à plat de la relativité galiléenne et de la mécanique classique, relativité restreinte.

1905
  • Généralités : Jean-Perrin annonce enfin la théorie atomique triomphante.

1913
  • Tisza, Callen, Prigogine : Formulation actuelle de la thermodynamique (variables d'état, dérivées partielles, entropie créée et échangée...).

1960
  • Généralités : La thermodynamique des processus hors équilibres s'est développée en parallèle, d'abord avec l'énonciation de diverses lois empiriques : loi de Seebeck (thermoélectricité, 1821), de Fourier (flux de chaleur, 1822), de Navier (viscosité, 1825), d'Ohm (conduction électrique, 1827), de Pelletier (thermoélectricité, 1834), de Fick (diffusion de particules, 1855), de Darcy (écoulement en milieu poreux, 1856). Tout ceci n'est unifié qu'avec les travaux de De Donder et de Onsager vers 1930.

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