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Le traité des gaz, par Héron d’Alexandrie.

A. de Rochas, La Revue Scientifique — 30 avril 1881

dimanche 14 septembre 2014, par Denis Blaizot

L’un des hommes les plus versés dans l’histoire des sciences, M. Ferdinand Hoefer, présente [1] comme un génie méconnu le physicien Moitrel d’Élément qui, au commencement du XVIIIe siècle, publia un livre sur la manière de rendre sensible la matérialité de l’air atmosphérique.

M. Hoefer ignorait que cette question avait été traitée avec une grande clarté par les savants de l’école d’Alexandrie [2], dont il ne nous reste malheureusement que quelques livres beaucoup trop peu connus parce qu’ils sont écrits en grec.

L’un de ces livres est le Traité des gaz, de Héron, qui a été certainement connu par Moitrel et, avant lui, par Salomon de Caus, le P. Kircher, Porta et beaucoup d’autres savants de la Renaissance. Tous lui ont fait des emprunts considérables, souvent sans le citer.

Le traité débute par des considérations théoriques que je reproduis en entier, m’attachant plutôt au sens qu’à une traduction littérale. Presque toutes ont été admises jusqu’au commencement de ce siècle ; ce ne sera point sans quelque étonnement que l’on reconnaîtra à quelle époque reculée elles remontent, bien que le magnifique héritage que nous a légué l’antiquité dans les sciences mathématiques eût dû nous faire supposer qu’elle avait appliqué le même esprit de méthode aux sciences physiques.

L’étude des propriétés de l’air atmosphérique a été jugée digne de la plus grande attention par les anciens philosophes et ingénieurs. Les premiers ont déduit ces propriétés de considérations théoriques, pendant que les seconds les expérimentaient d’après leur action sur nos sens. A notre tour, nous avons jugé utile de mettre en ordre ce que nous ont légué nos prédécesseurs, et nous pensons rendre ainsi un véritable service à ceux qui voudront se livrer à l’étude des sciences. Nous avons du reste été amenés à écrire cet ouvrage par cette considération, qu’il convient d’appliquer à ce sujet la méthode que nous avons exposée dans notre traité en quatre livres [3], sur les horloges hydrauliques. C’est, en effet, de l’union de trois ou quatre des principes élémentaires, l’air, la terre, le feu et l’eau, que naissent les combinaisons diverses dont les unes subviennent aux besoins de la vie humaine ou bien produisent l’étonnement ou la terreur.

Avant d’entrer dans le cœur de notre sujet, nous devons parler du vide.

Il en est qui affirment que rien n’est vide dans l’univers ; d’autres estiment que si dans la nature le vide n’existe pas aggloméré, il pourrait bien se trouver réparti en particules ténues à travers l’air, l’eau, le feu et les autres corps. C’est à cette opinion que nous nous rangeons et nous allons en démontrer la vérité par les expériences suivantes.

Les vases que beaucoup de gens croient être vides ne le sont pas. Tous ceux qui se sont occupés de physique savent en effet que l’air est composé de particules ténues, légères et généralement invisibles pour nous dans leur ensemble ; si nous introduisons de l’eau dans un vase qui parait vide, l’air sortira de ce vase en proportion de la quantité d’eau qui y entrera. Voici comment on peut le prouver.

Qu’on renverse un vase supposé vide et que, le tenant bien d’aplomb, on l’introduise dans l’eau, l’eau n’y entrera pas quand bien même il serait complètement immergé. De là, il ressort évidemment que l’air est un corps qui remplit tout l’espace contenu dans le vase et ne permet pas à l’eau d’entrer.

Si maintenant on perce le fond du vase, l’eau entrera par le goulot, mais l’air s’échappera par le trou du fond.

De plus, si avant de perforer le fond, nous soulevons le vase verticalement et que nous le retournions, nous pourrons constater que la surface intérieure est aussi exempte d’eau qu’avant l’immersion.

Il est donc bien établi que l’air est un corps.

L’air, quand il est mis en mouvement, devient du vent.

Si, en effet, quand le fond du vase a été percé et que l’eau est en train d’y pénétrer, nous mettons la main au-dessus du trou, nous sentirons le vent qui s’échappe du vase ; ce n’est pas autre chose que de l’air expulsé par l’eau.

li faut ne donc pas croire qu’il existe une nature de vide qui forme par lui-même une masse, mais que le vide est distribué en petites particules à travers l’air, l’eau et les autres corps. Le diamant seul, du moins on peut le supposer, n’en admet aucun, car il est infusible et incassable ; frappé entre une enclume et un marteau, il s’y incruste tout entier. Cette propriété prouve, du reste, non point l’absence absolue du vide, mais l’extrême densité du diamant ; il suffit, en effet, que les molécules du feu soient plus grosses que les vides de la pierre pour qu’elles ne la pénètrent point et s’arrêtent seulement à sa superficie ; dès lors, elles ne peuvent porter dans son intérieur la même chaleur que dans les autres corps.

Les molécules de l’air sont toutes contiguës, mais sans être ajustées exactement les unes aux autres dans tous les sens et en laissant entre elles des espaces vides, comme le font les grains de sable sur le bord de la mer. On peut se figurer que ces grains correspondent aux molécules de l’air et que l’air qui existe entre les grains correspond aux espaces vides entre les molécules de l’air.

Par conséquent, si quelque force vient à comprimer l’air, ses molécules sont forcées de pénétrer dans les espaces vides contrairement à leur état naturel ; mais, lorsque la cause cesse d’agir, les molécules reviennent à leur position normale à cause de l’élasticité propre aux corps, comme les rognures de corne et les éponges qui, lorsqu’on cesse de les presser, reviennent à la même position et reprennent le même volume.

De même, si par l’application de quelque force les molécules de l’air se trouvent écartées et qu’il se produise ainsi un vide plus grand qu’il doit l’être naturellement, ces molécules se rapprochent ensuite ; car elles ont un mouvement très rapide dans le vide, quand rien ne les force à se rapprocher ou à s’écarter, jusqu’à ce qu’elles arrivent au contact.

Ainsi, que l’on prenne un vase léger à ouverture étroite et qu’on l’applique contre les lèvres en aspirant l’air, ce qui le raréfie, le vase restera suspendu aux lèvres, car le vide attirera la chair dans le vase afin de remplir le vide. Il est donc clair que la portion de l’espace compris dans le vase était devenue vide en partie.

On peut démontrer la même chose à l’aide de ces am poules de verre à ouverture étroite dont se servent les médecins. Quand ils veulent les remplir d’un liquide, ils aspirent l’air, puis mettent le doigt sur l’orifice et renversent le vase dans ce liquide ; ils ôtent alors leur doigt et le liquide s’élève dans l’espace où l’air a été raréfié, bien que ce mouvement de bas en haut soit contraire il ses propriétés naturelles.

C’est encore le cas des ventouses qui, appliquées sur le corps, non seulement ne tombent pas malgré leur poids, mais encore attirent dans leur intérieur les matières voisines à travers les ouvertures de la peau. Le feu que l’on y place consume et détruit, en effet, l’air qui y est contenu, comme il consume les autres corps, l’eau ou la terre, et les transforme en substances plus ténues.

Que quelque chose soit consumé dans les corps solides par l’action du feu, cela est démontré par les charbons qui restent ; ceux-ci ont, en effet, à peu près le même volume que le corps avant sa combustion, mais ont un poids très différent.

Les parties qui se consument s’en vont avec la fumée rejoindre les substances ignées, aqueuses ou terreuses ; les plus légères sont transportées jusqu’à la région supérieure où se trouve le feu ; celles qui sont un peu plus denses se répandent dans l’air ; et enfin les plus grossières, après avoir été entraînées pendant un certain temps avec les autres, redescendent dans les régions inférieures et se mêlent avec les substances terreuses.

L’eau aussi, lorsqu’elle est consumée par l’action du feu, se transforme en air, car les vapeurs qui s’élèvent d’une bouillotte échauffée ne sont autre chose que des molécules d’eau rendues plus ténues qui passent dans l’air.

Il est donc rendu manifeste par ce qui précède que le feu dissout et transforme tous les corps plus denses que lui.

De même, par les exhalaisons que produit la terre, des corps à molécules épaisses sont transformées en d’autres substances à particules plus ténues.

La rosée n’est pas due à autre chose qu’à l’eau qui a été rendue plus ténue dans la terre par l’exhalaison de celle-ci ; quant à cette exhalaison, elle provient de quelque substance ignée qui se trouve dans la terre et qui a la faculté d’en produire lorsqu’elle est échauffée par dessous par le soleil, surtout lorsque le sol est bitumineux ou sulfureux (les sources chaudes qui se trouvent dans le sol ont les mêmes causes) ; les particules les plus légères de la rosée passent dans l’air ; les plus denses, après avoir été soulevées à quelque hauteur par la force de l’exhalaison, redescendent à la surface du sol quand celui-ci se refroidit par suite du retour du soleil.

Les vents sont produits par une exhalaison excessive à la suite de laquelle l’air est tantôt repoussé, tantôt raréfié, et qui met en mouvement les régions de l’atmosphère qui se trouvent à son contact immédiat.

Ce mouvement de l’air, cependant, n’est pas partout d’une vitesse uniforme : il est plus violent aux abords du point où se produit l’exhalaison et où commence l’agitation ; il s’affaiblit en s’éloignant ; de même que les corps pesants, lorsqu’ils s’élèvent, se meuvent avec plus de rapidité dans les régions inférieures où se trouve la force qui les met en mouvement, et avec plus de lenteur dans les régions supérieures ; lorsque la force qui les poussait originairement n’a plus d’action sur eux, ils reviennent à leur position naturelle, c’est-à-dire à la surface du sol. Si cette force continuait à les pousser en avant avec une vitesse constante, ils ne s’arrêteraient jamais ; mais cette force diminue graduellement, comme si elle s’usait, et la vitesse du mouvement diminue avec elle.

L’eau se transforme en outre eu une matière terreuse : si nous versons de l’eau dans un trou en terre, après peu de temps l’eau disparaît, absorbée par la substance de la terre, de manière à se mélanger avec elle et à se transformer en terre. Si quelqu’un prétendait qu’elle n’est pas transformée ou absorbée par la terre, mais expulsée par la chaleur soit du soleil soit de quelque autre corps, il serait facile de le convaincre d’erreur ; car, si la même eau est placée dans un vase de verre, de bronze, ou de toute autre matière solide, et exposée au soleil, au bout d’un temps considérable elle ne sera diminuée que d’une très faible quantité. L’eau se transforme donc en une matière terreuse : en effet, le limon et la boue ne sont que des transformations de l’eau en terre.

Bien plus, les substances les plus subtiles sont transformées en plus grossières, comme il arrive à la flamme d’une lampe qui s’éteint faute d’huile ; nous la voyons pendant quelque temps s’élever ; elle semble faire des efforts pour atteindre la région qui lui est propre, les hauteurs de l’atmosphère, jusqu’à ce que, vaincue par la masse d’air qui la frappe, elle cesse d’aspirer à sa place légitime, et, mélangée et entrelacée avec les molécules de l’air, elle se transforme elle-même en air. Le même fait s’observe avec l’air ; car si un petit vase, renfermant de l’air et. soigneusement clos, est placé dans l’eau, avec son ouverture en haut ; puis, qu’on le découvre de manière à permettre à l’eau de s’y précipiter, l’air s’échappe du vase ; mais, réduit à l’impuissance par la masse d’eau, il se mélange de nouveau avec elle et se transforme au point de devenir de l’eau.

Dans les ventouses, lorsque l’air, en quelque sorte consumé et raréfié par le feu, sort par les trous des parois du verre, l’espace intérieur est rendu vide et attire à lui les matières qui l’avoisinent, quelle qu’en soit la nature ; mais, en soulevant légèrement la ventouse, l’air rentre dans l’espace vide, et aucune matière n’est plus attirée. Ainsi ceux qui nient le vide absolu peuvent inventer beaucoup d’arguments sur ce sujet et peut-être paraître raisonner d’une manière très plausible, tout en n’apportant pas de preuves tangibles.

Si pourtant on montrait, au moyen de phénomènes sensibles, qu’il existe .une chose analogue à un vide parfait, mais produite artificiellement ; que le vide existe dans la nature, subdivisé en particules minimes, et que, par la compression, les corps peuvent remplir ces vides subdivisés ; ceux qui présentent des arguments plausibles sur ces matières ne trouveraient plus un terrain solide pour asseoir leur opinion.

Prenez un vase sphérique, formé d’une lame de métal d’une épaisseur suffisante pour n’être pas facilement bossuée, contenant environ huit cotyles (2,16 L). Après l’avoir soigneuusement rendu étanche de tous les côtés, percez-y un trou, dans lequel vous insérez un tube étroit, en bronze, de manière à ne pas toucher la partie diamétralement opposée au trou et à laisser un passage pour l’eau. L’autre extrémité du tube doit dépasser le globe de trois doigts (0,057m), et le tour du trou par lequel le tube est introduit doit être luté avec de l’étain appliqué sur le siphon et sur la surface extérieure du globe, de sorte que, lorsqu’on veut souffler dans le tube, l’air ne puisse s’échapper hors du vase.

Voyons ce qui va se passer. Le globe, ainsi que les vases que l’on considère généralement comme vides, contient de l’air ; et comme cet air remplit tout l’espace intérieur et exerce une pression uniforme sur toute la surface intérieure du vase, s’il n’y existe pas de vide, comme certains le supposent, nous ne pourrons y introduire de l’eau ni une nouvelle quantité d’air, à moins que l’air contenu primitivement ne lui fasse place. Si nous voulons essayer de le faire de force, le vase, étant plein, éclatera plutôt que de permettre à cet air d’entrer ; car les molécules de l’air ne peuvent être condensées, comme cela arriverait dans le cas où il y aurait des interstices entre elles, interstices grâce auxquels, par compression, le volume total deviendrait moindre. Cela n’est pas croyable s’il n’y a aucun vide : les molécules se pressant, par leur surface entière, les unes les autres et contre les côtés du récipient ne peuvent être poussées en avant de manière à former une chambre s’il n’existe pas de vide. Ainsi, par aucun moyen, rien du dehors ne peut être introduit dans le globe sans que quelque portion de l’air primitivement contenu s’échappe, si, comme le supposent nos contradicteurs, l’espace entier est rempli d’une manière complète et uniforme. Et cependant, si quelqu’un, introduisant le tube dans sa bouche, souffle dans le globe, il y fera entrer une grande quantité d’air sans qu’aucune partie de celui qui y était à l’avance ait d’issue ; c’est là un résultat que l’on peut toujours atteindre. Il est donc clairement démontré qu’une certaine condensation des molécules contenues dans le globe a lieu grâce aux vides qui s’y trouvent disséminés, condensation obtenue, il est vrai, d’une manière artificielle, par une introduction forcée d’air nouveau. Maintenant, si, après avoir soufflé dans le vase, nous appliquons la main contre la bouche et que nous couvrions rapidement le tube avec le doigt, l’air reste tout le temps renfermé dans le globe. En enlevant le doigt, l’air introduit ressortira avec un bruit assez fort, chassé au dehors, comme nous l’avons dit, par l’expansion de l’air primitif qui reprend sa position grâce à son élasticité.

De même, si nous faisons sortir l’air du globe par une succion à travers le tube, il viendra en abondance, quoique nulle autre matière ne’ prenne sa place dans le vase, ainsi que nous l’avons dit dans .le cas des coupes ovoïdes. Par cette expérience, il est prouvé d’une manière complète que l’accumulation du vide s’accroit dans le globe, car les molécules d’air laissées en arrière ne peuvent se dilater dans les intervalles qui les séparent au point d’occuper tout l’espace laissé libre par celles qui, ont été attirées à l’extérieur. Car, si elles prenaient quelque accroissement de volume sans l’addition de matière étrangère, on pourrait supposer que cet accroissement résulte de l’expansion, ce qui équivaut à une disposition nouvelle des molécules, par suite, de la production du vide. Mais on maintient qu’il n’y a pas de vide ; donc les molécules ne grandissent pas, car il n’est pas possible de supposer pour elles un autre mode d’accroissement. Il est donc évident, d’après ce qui a été dit, que certains espaces vides sont disséminés entre les molécules de l’air, et que, lorsqu’on les soumet à quelque force, elles se précipitent dans ces espaces, contrairement à leurs conditions naturelles.

L’air renfermé dans un récipient, lorsque celui-ci est renversé dans l’eau, ne doit pas subir une forte compression ; la force qui le comprime est peu considérable, puisque l’eau, par elle-même, n’a ni un très grand poids ni un très grand pouvoir de compression. C’est ce qui démontre que, les plongeurs au fond de la mer supportant sur leurs épaules un poids d’eau énorme, leur souffle n’est pas repoussé à l’intérieur par l’eau, quoique la quantité d’air contenue dans nos narines soit très faible. C’est ici le lieu d’examiner la raison que l’on donne de ce fait, que ceux qui plongent à de grandes profondeurs ne sont pas écrasés par le poids considérable de l’eau qu’ils supportent. Quelques personnes disent que le poids de l’eau est uniforme dans toute sa masse, mais cela n’explique pas pourquoi les plongeurs ne sont pas asphyxiés par l’eau qui est au-dessus d’eux. La raison véritable de ce fait peut se donner comme il suit : considérons la colonne de liquide directement au-dessus de l’objet soumis à la pression et qui est en contact immédiat de l’eau, comme un corps ayant le même poids et la même forme que le liquide qui est au-dessus de l’objet ; supposons ce corps placé dans l’eau de telle manière que sa surface intérieure coïncide avec celle de l’objet soumis à la pression, et qu’il reste sur ce dernier de la même manière que le liquide qui le couvrait originairement, auquel il correspond exactement. Il est clair que ce corps ne fera pas saillie au-dessus du liquide dans lequel il est immergé, et qu’il ne plongera pas au-dessous de son niveau, car Archimède a démontré dans son traité des « corps flottants » que les objets du même poids qu’un liquide donné, dans lequel ils sont plongés, ne devaient ni s’élever au-dessus de son niveau, ni plonger au-dessous, ni par conséquent exercer de pression sur les objets au-dessous. Puisqu’un tel corps, si on en écarte tous les objets qui exercent sur lui des pressions par dessous, reste stationnaire et n’a aucune tendance à descendre, comment pourrait-il exercer quelque pression ? De même, le liquide qui tient la place de ce corps supposé n’exerce aucune pression sur les objets au-dessous ; car, en ce qui concerne le repos et le mouvement, ces deux corps ne diffèrent en rien l’un de l’autre.

On peut aussi se rendre compte de l’existence d’espaces vides par les considérations suivantes : s’il n’y avait pas d’espaces semblables, ni la lumière, ni la chaleur, ni aucune autre force matérielle ne pourrait se frayer un passage à travers l’eau. l’air, ou n’importe quel autre corps ; comment, par exempte, les rayons du soleil pourraient-ils .pénétrer à travers l’eau jusqu’au fond d’un vase ? Si ce fluide n’avait pas de pores, lorsque les rayons frappent avec force Ia surface d’un vase plein d’eau, ce liquide devrait nécessairement déborder : ce qui cependant n’a pas lieu. De plus, les rayons heurtant violemment la surface de l’eau, il ne devrait pas arriver que les uns soient réfléchis, tandis que d’autres .pénètrent plus bas : or on sait que ceux de ces rayons qui frappent contre des molécules d’eau sont pour ainsi dire repoussés et réfléchis, tandis que ceux qui se trouvent en contact avec des espaces vides, ne rencontrant que peu de molécules, pénètrent jusqu’au fond du vase. Une autre preuve de l’existence de vides dans l’eau, c’est qu’en versant du vin dans l’eau, on le voit se répandre à travers toute la masse de l’eau : ce qui n’arriverait pas si celle-ci ne présentait pas de vides. Encore un exemple : une lumière en traverse une autre ; en effet, lorsque plusieurs lampes sont allumées, tous les objets sont vivement éclairés, les rayons frappant dans toutes les directions les uns à travers les autres. Il est même possible de pénétrer à travers le bronze, le fer ou toute autre matière, comme il est facile de le voir dans le cas du poisson connu sous le nom de torpille Narké.

Nous avons démontré la possibilité de produire un vide parfait, par l’application d’un vase léger à la. bouche et par les ventouses des médecins. En ce qui concerne la nature du vide, quoiqu’il en existe bien d’autres preuves, nous devons considérer comme suffisantes celles que nous avons données et qui sont basées sur le témoignage de nos sens. Elles nous permettent d’affirmer que tout corps est composé de molécules très petites, entre lesquelles se trouvent des vides d’une étendue moindre que ces molécules elles-mêmes ; et nous sommes autorisés à dire qu’il ne peut exister de vide dans la nature que sous l’action de quelque force et que toute portion de l’espace est remplie d’air, d’eau ou de toute autre matière. A mesure que l’une de ces molécules se déplace, une autre la suit et remplit le vide qu’elle a laissé ; ainsi le vide n’existe pas continu dans la nature sans l’intervention d’une certaine force ; et, nous le répétons, il n’y a rien d’absolument vide, mais ce vide peut se faire en violentant la nature.

L’ouvrage de Héron continue par l’application de ces principes à la théorie du siphon, de la pompe à incendie, do la fontaine qui porte son nom, de l’arrosoir dit d’Aristote, de la bouteille inépuisable employée par Robert Houdin et d’une série de petites machines qui faisaient alors l’admiration des fidèles dans les temples de l’Égypte.

Albert de Rochas d’Aiglun


[1Histoire de la chimie, t. II, p. 332, de l’édition de 1866.

[2M. Th.-H. Martin (Recherches sur la vie et les ouvrages de Héron d’Alexandrie) a établi que Héron a dû mourir vers le milieu du 1er siècle avant notre ère.

[3Aujourd’hui perdu.

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