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Récents progrès de la physique cosmique

Balfour Stewart, La Revue Scientifique de la France et de l’étranger — 22 juillet 1871

Mis en ligne par Denis Blaizot le mardi 27 janvier 2015

Owens College (Manchester)
M. Balfour Stewart, de la Société royale de Londres

Messieurs, c’est sans doute une tâche honorable et difficile que de prendre la parole devant cette assemblée ; mais, dans les circonstances actuelles, la difficulté est encore augmentée par l’accomplissement d’un des événements les plus importants de l’histoire de ce collège.

Cet événement peut être regardé comme l’indication locale d’un progrès dans l’éducation, qui promet de se propager bientôt dans notre pays, et d’y porter ses fruits ; mais ce serait être injuste envers les habitants de cette ville et les directeurs de ce Collège, que de dire qu’ils n’ont fait que subir l’Influence de ce mouvement. Leur rôle est de donner l’impulsion plutôt que de la suivre, de créer et de stimuler la pensée nationale, et, une fois éveillée, de la diriger dans la bonne voie, plutôt que de se laisser entraîner par un courant auquel ils ne peuvent résister.

Il existe, au sujet de l’éducation, deux théories opposées. Les partisans extrêmes de la première soutiennent que le but principal de l’éducation est moins d’instruire que de discipliner l’esprit : selon eux, telle ou telle étude peut ne rien ajouter par elle-même aux connaissances réelles des élèves ; mais si elle tend à discipliner leur esprit, c’en est assez, il leurs yeux, pour la rendre importante.

Selon les partisans de cette théorie, nous suivons les cours des écoles afin d’en sortir avec un esprit plutôt préparé à apprendre que possédant l’instruction même. Nous sommes des soldats bien disciplinés que l’on envoie sans hésiter dans le pays ennemi, non seulement pour y combattre, mais encore pour y trouver nos propres armes.

Ceux qui soutiennent l’autre théorie, tout au contraire, voient dans l’éducation moins une préparation et une discipline de l’esprit qu’une accumulation de connaissances. Les partisans extrêmes de cette théorie ne voudraient présenter aux élèves que les connaissances dont l’application est évidente et immédiate ; avant tout, ils voudraient enseigner les sciences au double point de vue des principes et des détails des applications qu’on en peut faire aux arts industriels.

Un esprit ainsi préparé ne serait pas bien loin de ressembler à un homme qui habiterait un magasin de meubles, plutôt qu’une maison bien meublée. Dans cet entassement de matériaux, il n’a été question ni de plan, ni de principes. Et cependant devrait-on oublier que la valeur d’un fait ne vient pas de ce qu’il existe dans quelque recoin perdu de l’intelligence, mais bien plutôt de ce que l’esprit peut le retrouver aussitôt qu’il en est besoin ?

Or, il existe assurément un moyen terme entre ces deux extrêmes ; on peut éviter de se heurter contre Scylla, sans pour cela s’aller jeter dans le tourbillon de Charybde. Dans la vie ordinaire, que dirions-nous d’un homme qui voudrait absolument développer les forces du corps par des exercices gymnastiques, en lui refusant toute nourriture ; ou encore d’un autre qui prétendrait atteindre le même but au moyen d’un certain régime, à l’exclusion de tout exercice ? Mais cet exclusivisme est-il plus naturel si on l’applique à l’esprit ? La discipline, pour Cire parfaite, ne demande-t-elle pas l’instruction la plus complète ? Je ne crains pas de me tromper en disant qu’un esprit qui ne s’est exercé que sur une branche de connaissances, ne possède, après tout, qu’une discipline partielle, comme son instruction. Peut-être ne s’apercevra-t-il pas facilement de ce qui lui manque au point de vue de la discipline ; mais, à coup sûr, le moment viendra où il regrettera plus d’une fois son manque d’instruction. Et n’allons pas croire qu’un esprit nourri d’une masse indigeste de détails scientifiques, se trouve dans une meilleure position. Dans toute éducation, les faits doivent être rigoureusement subordonnés aux principes. Un principe scientifique vrai peu t, s’il est bien compris, expliquer une multitude de faits, de même qu’une simple règle d’arithmétique nous permet d’obtenir mille produits. différents, qu’il nous faudrait, sans cela, apprendre par cœur. Et, dans les autres sciences, si le triomphe des principes est moins évident, c’est seulement parce que nous n’en connaissons pas assez les lois fondamentales. Il serait, en effet, bien difficile de dire combien d’échecs dans les différentes carrières proviennent de ce que nous n’avons pas tenu compte de quelque principe que nous ignorions ou que nous avons négligé. Tous, depuis ceux qui nous gouvernent, jusqu’aux derniers rangs de la nation, nous vivons dans une ignorance systématique des principes, et le nombre est grand de ceux qui croient pouvoir, sans manquer à la raison, professer en même temps le respect des faits et le mépris des théories. Pour eux, celles-ci ne sont plus la sève et la vie même de l’arbre de la science, mais plutôt des parasites qui en flétrissent les feuilles, ou des vers qui en rongent les racines. Ces esprits regardent les faits et les théories comme des ennemis jurés ; et, quant au philosophe, ils le relèguent dans un monde à part, plutôt hostile que favorable au monde extérieur.

L’existence, en matière d’éducation, des deux théories extrêmes dont je viens de parler, semble donc indiquer la sagesse d’un moyen terme. Il faut nous placer sur une base aussi large que possible. La littérature et la science doivent se donner la main pour discipliner et instruire les esprits, Et, tout en établissant ainsi une large base d’instruction commune à tous, il faut fonder sur cette base commune des structures différentes qui permettent à chacun de se perfectionner dans l’étude vers laquelle son goût le portera, Vous savez assez que .c’est là le plan adopté pour le Owens College, et que les études communes à tous les élèves servent de base et d’introduction à trois grandes divisions différentes. C’est de la division spécialement consacrée à l’étude des sciences expérimentales, que je veux maintenant vous parler.

S’il est vrai que les applications techniques des différentes sciences ne s’étudient utilement que dans les grands ateliers, il n’est pas moins certain qu’il faut donner aux élèves une connaissance intime, familière et complète des principes scientifiques.

Ces principes sont, pour ainsi dire, des armes ; il ne suffit pas de les mettre entre les mains des recrues de la science ; il faut encore leur montrer-à les manier et à s’en servir.

Or, pour ce dernier point, la classe est insuffisante, si l’on n’y ajoute le laboratoire de chimie ou de physique, où l’élève qui veut passer maître pourra se mettre en rapport avec la nature même. Dans le laboratoire, il pourra voir de ses propres yeux, et toucher de ses mains, aussi bien qu’entendre de ses oreilles.

S’il se propose d’interroger la nature à sa propre manière, il en aura l’occasion. S’il croit avoir découvert quelque vérité nouvelle, rien ne l’empêchera de vérifier ses conjectures. D’ailleurs, sans parler de l’aide qu’il fournit aux leçons de la classe, le laboratoire a sur l’esprit une influence qui, pour être indirecte, n’en est pas moins importante.

En premier lieu, il enseigne à l’élève à se montrer prudent dans ses déductions. En effet, le laboratoire est un endroit où certaines théories peuvent être immédiatement soumises à l’expérience.

Toute hypothèse y est, pour ainsi dire, aussitôt jetée au creuset et mise dans la fournaise, de manière à séparer immédiatement les scories de l’or pur.

D’un autre côté, tandis que l’expérimentateur apprend à ne conclure qu’arec prudence, il apprend aussi à modifier ses vues arec promptitude et avec franchise.

Nous voyons souvent celui qui s’est trop hâté de mettre en avant une théorie fausse, n’y renoncer qu’avec peine, même après qu’on l’a démontrée fausse. Il s’était trop avancé, et lorsque enfin il est forcé de se retirer, sa retraite manque de dignité, et devient souvent un désastre. Évidemment il a pensé surtout à lui-même, et fort peu à la cause qu’il soutenait ; et, s’il avait montré plus de prudence dans le choix de son poste avancé et moins d’obstination dans sa défense, la science y aurait gagné, en même temps que lui-même aurait moins souffert.

Dans le laboratoire, l’élève apprend encore à ne pas dédaigner les petits faits. Un résultat inattendu a toujours un sens : peut-être indique-t-il quelque erreur d’expérience, que l’élève apprend ainsi à éviter ; mais peut-être aussi indique-t-il quelque vérité nouvelle.

Dans la recherche de la vérité, nous avons jusqu’ici toujours marché en avant, et passé d’une lumière moindre à une lumière plus vive j les contours indistincts que l’aube nous fait entrevoir sont peut-être ceux de quelque nuage, mais peut-être aussi ceux du paysage grandiose qui l’a nous apparaître dans le lointain.

Nous lisons dans les légendes de l’Orient, qu’un pêcheur ramena dans son filet un petit vase, dont le couvercle avait été scellé au nom de Dieu. Quand il l’ouvrit, il en vit sortir une fumée qui s’éleva à une grande hauteur, puis, se consolidant, prit la forme et les traits d’un puissant génie. Eh bien ! le savant qui, dans son laboratoire, découvre une vérité nouvelle, ressemble à ce pêcheur. L’histoire des sciences est pleine d’exemples qui nous montrent les plus grands résultats provenant des expériences les plus insignifiantes : ainsi, c’est un fait bien connu que l’électricité, plus puissante, assurément, que le génie de la légende, est née d’une expérience dans laquelle Galvani remarqua le tressaillement des membres d’une grenouille suspendue à deux fils de métaux différents.

Je voudrais maintenant exposer rapidement la position actuelle et l’avenir des sciences physiques ; mais, pour ne pas embrasser un champ trop vaste, je parlerai surtout de la physique cosmique.

Nous avons, depuis quelque temps, fait de grands progrès dans la connaissance des lois de la nature, et nous sommes arrivés à des généralisations fort importantes. Parmi ces dernières, la plus remarquable est, sans contredit, la grande loi de la conservation de la force [1]. Comme le chêne de nos forêts, ’un principe de cette importance est d’une croissance lente et difficile. Vaguement entrevue par Galilée, et plus clairement par Newton et Leibnitz, cette idée fut développée par Rumford et Davy ; mais ce n’est qu’à notre époque qu’elle s’est révélée comme un grand principe.

Ce résultat, nous le devons surtout à un savant de Manchester, à l’illustre Joule, dont les efforts persévérants ont réussi à mettre ce principe au nombre des vérités démontrées. D’autres savants l’ont suivi de près dans cette carrière : Thomson et Rankine en Angleterre ; Mayer, Helmholtz et Clausius dans le reste de l’Europe, ont puissamment contribué à établir le principe.

Permettez-moi maintenant d’essayer de vous expliquer ce que nous entendons par conservation de la force.

Nous sommes retenus sur le globe par une force que nous appelons pesanteur, et les parties de notre corps sont retenues ensemble par une force appelée force de cohésion. Sans la pesanteur, la terre s’éloignerait du soleil, et nous nous éloignerions de la terre ; sans la cohésion, nous-mêmes, avec tout ce qui nous entoure, nous tomberions en poussière, L’utilité de ces deux forces n’est pas douteuse ; et cependant, quand nous gravissons une montagne, nous serions quelquefois tentés de souhaiter que la pesanteur n’existât pas ; et quand nous abattons un arbre, nous serions tentés de souhaiter qu’il n’y eût pas de cohésion.

Le montagnard qui s’efforce de gagner le sommet de la montagne, et le bûcheron qui frappe avec la hache, sentent bien tous deux que les forces de la nature leur résistent. Et, quand l’un li atteint le sommet, quand l’autre a abattu l’arbre, tous deux sentent qu’à bien des égards ils ne sont plus ce qu’ils étaient en se mettant à l’ouvrage. Ils ont perdu ou dépensé quelque chose, et celle chose c’est de la force, c’est-à-dire la puissance de travail ; leur force est épuisée, et tout nouvel effort leur est impossible en ce moment.

Qui de nous n’a pas, dans un instant de faiblesse, éprouvé le désir d’échapper à celle malédiction primitive du travail, si tant est que ce soit une malédiction, et de chercher un refuge dans quelque heureuse contrée de repos perpétuel, en se demandant, avec le poète, pourquoi l’homme seul, ce roi de la création, est condamné au travail ? Eh bien ! l’imagination des Orientaux invoque, pour opérer cette délivrance, quelque génie obéissant, tandis que l’Européen, doué d’un esprit plus calme, a recours à une machine ; seulement ce dernier voudrait que, sans charbon et sans aliment d’aucune espèce, la machine travaillât sans jamais s’arrêter. Voilà le rêve de l’enthousiaste de l’Occident, le mouvement perpétuel du savant visionnaire. Mais le véritable homme de science a toujours nié la possibilité d’un tel résultat.

C’est Galilée qui le premier a clairement défini les véritables fonctions d’une machine. Son point de vue est très simple. Avec un système de poulies, par exemple, nous pouvons, il. l’aide d’un poids d’un kilogramme, en soulever peut-être cinquante ou cent ; mais quand le poids d’un kilogramme a descendu d’un mètre, celui de cinquante n’a pas monté d’un mètre, mais bien d’un cinquantième de mètre. Le résultat obtenu est donc celui-ci : un poids faible, tombant d’une grande hauteur, fait parcourir un petit espace à un poids considérable. Ainsi, en multipliant chaque poids par l’espace qu’il parcourt, on obtient deux produits égaux. Nous gagnons de la puissance, mais nous perdons de l’espace ; nous donnons il. la machine un genre de force, et elle nous en rend juste autant, et pas plus, mais d’un genre qui est plus commode.

Ainsi le monde des machines n’est pas une fabrique où l’on puisse produire de la force, mais plutôt un marché auquel nous apportons une force d’une espèce pour l’échanger contre une force d’une autre espèce qui nous convient mieux. Si nous y venons les mains vides, soyons sûrs que nous nous en retournerons les mains vides aussi. Nous voyons donc qu’une machine ne crée pas, elle transforme. Considérons l’univers tout entier, et nous y reconnaîtrons la même loi ; car, d’un bout de l’univers à l’autre, la quantité de force ou de puissance d’action n’est pas moins constante et moins invariable que la quantité de matière.

En outre, dans le monde physique tout comme dans le monde social, il existe deux genres de force, que nous pouvons appeler force active et force de position. Un corps en mouvement actif, comme par exemple un boulet, une chute d’eau, ou une masse d’air, peut sans doute accomplir un travail, tel que celui de démolir une forteresse, de faire tourner une roue, ou de faire marcher un navire ; ce sont là des forces physiques actives, des forces qui proviennent d’un mouvement actuel.

Mais il y a aussi une force de position. Une masse considérable placée au haut d’une maison ou d’une élévation quelconque, devient, par sa position même, capable d’accomplir un travail : si nous la laissons tomber sur un poteau, elle l’enfoncera dans le sol. Une chute d’ eau, le poids d’une horloge quand il est remonté, un arc bandé peuvent aussi faire un travail. Dans ces exemples, nous avons des corps qui, sans mouvement visible, doivent à leur position la possibilité d’accomplir un travail.

En effet, c’est évidemment la position de la masse d’eau, du poids de l’horloge ou de l’arc, qui donne à chacun de ces instruments le pouvoir d’effectuer un travail. Voilà Ce que nous appelons force de position.

Or, il peut très-souvent arriver que la force de position se transforme en force active, et réciproquement ; mais il ne peut jamais y avoir création de force, car ce que l’on gagne d’un côté, on le perd toujours de l’autre.

Ainsi, lorsque je lance une pierre en l’air, avec une vitesse considérable, je lui communique la force d’un mouvement actuel ; mais si au point le plus élevé de sa course, je la saisis et la place au haut d’une maison, cette pierre n’a plus de force active. Cette force a-t-elle disparu pour toujours, et sans laisser d’équivalent ? Loin de là : la force active a été dépensée pour donner à la pierre une force de position que je pourrai ramener à l’état de force active en faisant tomber la pierre du haut de la maison. Et dans ce cas, vous le savez, la pierre atteindra la terre avec une vitesse, et, par conséquent, une force égale à celle que je lui avais imprimée en la lançant d’abord.

Ainsi, nous voyons qu’en tenant compte de la force de position aussi bien que de la force de mouvement actuel, il y a dans ce cas non pas anéantissement, mais transformation de force, et que nous retrouvons toujours, sous une forme ou une autre, ce que nous avions dépensé.

Mais si nous considérons la percussion ou le frottement, les faits ne sont plus aussi évidents. Supposons, par exemple, qu’un forgeron donne un grand coup de marteau sur une enclume. Une fois le coup reçu, qu’est devenue la force de ce coup ? Et encore, lorsque nous arrêtons un train de chemin de fer à l’aide de freins qui déterminent un frottement sur les roues, qu’est devenue la force d’impulsion du train ? Cette force a-t-elle disparu pour toujours, ou a-t-elle simplement pris quelque autre forme moins apparente ?

Pour répondre à cette question, il faut examiner en détail ce qui se passe réellement lors de la percussion ou du frottement. On sait qu’un métal s’échauffe par l’effet d’un coup violent ; on sait aussi que le frottement produit de la chaleur. Il est donc assez naturel d’établir un certain rapport entre la disparition de la force de mouvement visible et la production de chaleur. Ne se peut-il pas que la chaleur soit un mouvement particulier des molécules du corps chaud, et que la force du coup, ou celle du mouvement qui a été arrêté par le frottement, se soit transformée en chaleur au lieu de s’anéantir ? Telle fut la pensée que conçurent Rumford et Davy : le premier, lorsqu’il fit bouillir de l’eau à l’aide de la chaleur produite par le forage d’une pièce de canon ; le second, lorsqu’il fit fondre deux morceaux de glace en les frottant l’un contre l’autre. Mais il était réservé à Joule de démontrer qu’il existe entre la force mécanique et la chaleur un rapport exact et bien défini, en vertu duquel la température d’une livre (454 grammes) d’eau, tombant d’une hauteur de 772 pieds (235 mètres), s’élève de 1°F (0,55°C). Si la hauteur de la chute était double, l’accroissement de température doublerait aussi.

Dans le cas de la chute d’une livre d’eau, il y a réellement deux transformations de la force. Au moment de sa chute, l’eau possède d’abord une force de position, car elle est à 772 pieds au-dessus de la surface de la terre, et cette position élevée lui donne une certaine force. A mesure que l’eau tombe, sa force -de position va en diminuant, mais se transforme en même temps, jusqu’à ce que enfin, au moment où la masse va frapper le sol, toute sa force se trouve changée en force de mouvement actuel. Dès qu’elle frappe, il se produit un autre changement : la force de mouvement actuel se transforme subitement en cette force que nous appelons chaleur, et, par suite, la température de l’eau s’élève d’un degré.

J’ai dit que la chaleur est probablement une espèce de force de mouvement actuel, c’est-à-dire que les molécules d’un corps chaud sont dans un état d’agitation violent. Mais nous pouvons aussi avoir une variété moléculaire de force de position. Rappelons-nous en effet comment se produit la force de position, et prenons pour exemple la pierre dont nous parlions tout à l’heure, et que nous supposons arrivée sur le toit d’une maison. N’y a-t-il pas eu séparation violente entre la pierre et le globe qui l’attire ? En effet, nous avons séparé par la violence deux corps qui tendent l’un vers l’autre, ce qui nous donne la force de position.

Or, un atome de carbone et un atome d’oxygène s’attirent avec force ; ils tendent à s’unir pour former de l’acide carbonique, et toutes les fois qu’un agent quelconque vient séparer les atomes du carbone de ceux de l’oxygène, il produit une force de position tout aussi réelle que dans le cas de la pierre que nous éloignons de la terre. Par conséquent, tant qu’il restera du charbon dans les mines et de l’oxygène dans l’atmosphère, nous aurons, séparés l’un de l’autre, deux corps qui tendent à s’unir, et nous posséderons une quantité énorme de force de position moléculaire. Cette union s’effectue toutes les fois que nous brûlons du charbon, et le résultat obtenu ne diffère pas sensiblement de celui que donne la chute d’un corps : dans les deux cas, la force de position se transforme en chaleur. La chaleur produite par la combustion du charbon est aussi bien due au mouvement du carbone et de l’oxygène l’un vers l’autre, que la chaleur produite par la chute d’une livre d’eau vers le sol, l’est à l’attraction mutuelle de ce corps et de la terre.

Après avoir ainsi rapidement défini quelques-unes des variétés de force les plus importantes, permettez-moi de vous demander d’examiner avec moi où nous pouvons trouver accumulée cette chose si Importante que l’on appelle force, Et d’abord, regardons en nous-mêmes.

Nous avons tous, il faut l’espérer, une certaine force physique ; nous sommes tous capables d’un certain travail, si nous le voulons. Eh bien ! d’où nos corps tirent-ils la force qu’ils possèdent ?

Pour répondre à cette question, voyons ce qui a généralement lieu après que nous nous sommes livrés à quelque travail pénible.

Nous éprouvons de la fatigue, nous avons faim ; notre corps a besoin de nourriture ; il a également besoin de repos, afin de pouvoir avec cette nourriture réparer les tissus que nous avons consumés par le travail. Assurément, c’est à la nourriture que nous devons la force ; et, en y réfléchissant un peu, nous nous rappellerons qu’un des éléments de notre nourriture est le carbone, qui, tout comme le charbon, nous donne une sorte de force de position moléculaire.

La nourriture est véritablement un genre de force, et si nous nous assimilons les tissus des bœufs ou des moutons, il surfit de reculer d’un pas encore dans notre raisonnement, et de nous demander d’où ces animaux tirent leur force. La réponse est facile : ils la tirent des végétaux. Il faut donc que l’herbe de la prairie et la feuille de la forêt représentent un immense magasin de force. Or, d’où toute cette force peut-elle venir ? Du soleil, sans aucun doute. Une feuille est un laboratoire dans lequel les rayons du soleil travaillent à séparer le carbone de l’oxygène ; ils permettent à l’oxygène de se dégager et de se mêler à l’atmosphère pour renouveler l’air que nous avons vicié par la respiration et la combustion ; ils fixent le carbone sous une forme ou une autre, pour le transformer en tissu végétal.

Nous sommes en droit de dire que la force des rayons du soleil est consacrée à séparer l’un de l’autre le carbone et l’oxygène dans les feuilles des plantes. La plante est mangée par le bœuf, et celui-ci à son tour par l’homme, qui reproduit cette force dans tous les mouvements de son corps merveilleux. Mais, comme il n’y a pas toujours eu des bœufs pour manger les feuilles, ou des hommes pour manger les bœufs, n’y a-t-il pas eu une énorme perte de force, surtout aux époques géologiques où la végétation avait une activité désordonnée ? Nullement : le carbone décomposé dans les feuilles des plantes par les rayons du soleil, pendant les époques géologiques antérieures, ne s’est pas perdu ; il a formé ces magnifiques gisements de charbon que nous exploitons avec tant de fruit, et qui alimentent en quelque sorte les travaux du monde entier.

Ainsi nous voyons que non seulement les aliments, mais nos combustibles aussi, bois ou charbon, nous viennent des végétaux, et représentent une force dont la source première se trouve dans les rayons du soleil. Ainsi le travail que nous faisons nous-mêmes au moyen de nos aliments, et celui que nos machines exécutent au moyen des combustibles, proviennent indirectement de la même source.

Envisageons maintenant ce sujet à un point de vue un peu différent.

Si nous posons un œuf sur son petit axe, il reste stationnaire, et résiste aux efforts que l’on peut faire pour le changer de position. Il n’en est pas de même si nous réussissons, ce qui n’est pas impossible, A le mettre en équilibre sur son grand axe ; dans cette position, la moindre force suffit pour le renverser. Dans le premier cas l’équilibre est stable ; dans le second, il est instable.

Si l’œuf ainsi posé sur son grand axe se trouve juste au bord d’une table, il est impossible de dire si le premier souffle d’air le rejettera vers la table, ou le fera tomber en dehors et se briser par terre. Dans un cas pareil, la cause la plus légère peut avoir un effet considérable au point de vue de la force. L’œuf conservera-toit sa force de position en tombant sur la table, ou bien la transformera-t-il en force de mouvement, puis en chaleur en tombant à terre ? La cause qui doit déterminer l’un ou l’autre de ces effets est si imperceptible, qu’elle échappe absolument à nos calculs.

Or, nous avons deux types de machines, l’un fondé sur le principe de la stabilité, et l’autre sur celui de l’instabilité. Une horloge est un excellent exemple du premier type. Lorsque nous avons monté une bonne horloge, nous sommes parfaitement sûrs que le lendemain, à midi, ses aiguilles seront ensemble sur le chiffre 12, et que son poids aura parcouru une distance que nous pouvons calculer très exactement, si nous en prenons la peine, puisque tous ses mouvements se calculent avec une rigueur mathématique. D’un autre côté, une mine dont on va déterminer l’explosion au moyen d’une batterie électrique, est une machine ou un moyen d’action par lequel nous mettons à profit une des combinaisons instables de la nature. La poudre qui doit faire explosion représente l’instabilité chimique, tout comme l’ œuf posé sur son grand axe représente l’instabilité mécanique. Le moindre choc, la plus petite étincelle suffit pour réveiller la puissance endormie que contient la poudre, et la faire agir avec la puissance d’un volcan. Cette étincelle sera envoyée de loin par la batterie électrique ; mais pour cela il nous faut fermer le circuit. Nous rapprochons les deux électrodes jusqu’à ce qu’à peine quelques millimètres les séparent ; cependant le contact n’existe pas tout à fait. Encore un mouvement, mouvement imperceptible, le courant passe, la poudre s’enflamme, la mine éclate et la forteresse saute. Dans cette machine, les plus grands résultats, les plus grandes transformations de la force sont dus aux causes les plus insignifiantes. Au dernier moment, c’est un mouvement imperceptible des fils conducteurs qui doit décider de la destruction de la forteresse.

La nature aussi emploie ces deux genres de machines. Le système solaire nous présente un grand modèle d’horloge, horloge beaucoup plus exacte qu’aucune de celles que nous produisons. Les mouvements de chacune des planètes qui composent le système solaire, peuvent se calculer de la façon la plus rigoureuse, et lorsqu’une fois notre lunette est convenablement dirigée, nous pouvons indiquer, à une fraction de seconde près, le moment précis où une planète donnée en traversera le champ.

D’un autre coté, les êtres vivants qui peuplent le globe nous offrent des machines qui, au point de vue de la matière, appartiennent au second genre dont nous avons parlé. Ici le Créateur n’a pas cherché la régularité, mais plutôt la liberté d’action. Le mouvement d’un animal ne ressemble pas à celui d’une planète ; ce dernier est soumis au calcul, tandis que le premier y échappe complètement. C’est probablement en quelque point de l’organe mystérieux appelé cerveau que sc donne l’impulsion directrice, imperceptible, qui détermine nos. mouvements, de même que le moindre contact du conducteur électrique fait éclater la mine éloignée. Cet agent mystérieux que nous appelons la vie, n’est pas un être brutal qui parcourt l’univers, en renversant partout les lois de la force ; c’est plutôt un tacticien consommé, qui, du fond de son cabinet, assis devant les fils conducteurs, dirige les mouvements d’une grande armée.

Si nous sommes aussi amenés à placer l’action directrice de la vie sur les limites extrêmes de l’univers des forces, il ne faut pas supposer pour cela que nous ayons résolu le problème de la nature de la vie. Nous n’avons fait que reporter la difficulté jusqu’à des régions d’épaisses ténèbres où la lumière de la science n’a pas encore pu pénétrer. Si notre manière de voir est exacte, si un être vivant est réellement une machine dans laquelle de grands résultats sont produits par une impulsion primitive d’une extrême faiblesse, ne devons-nous pas nous attendre à rencontrer ici les formes instables de la nature ? Ne nous étonnons donc pas que la substance de notre corps soit éminemment corruptible, ni que l’intensité même de notre vie se mesure par les changements qui s’opèrent dans nos tissus, de sorte que peut-être les parties qui remplissent pendant la vie les fonctions les plus nobles et les plus délicates, sont les premières à périr dès que la vie est éteinte.

Mais cette matière instable, qui se mêle à notre corps d’une manière si merveilleuse, nous vient de notre nourriture. La nourriture joue un double rôle : d’abord, elle nous donne la force ; puis elle fournit à notre corps des tissus d’une délicatesse extrême. Mais la nourriture tire son origine du règne végétal ; et celui-ci à son tour la tire du soleil, de sorte que nous voici amenés à regarder cet astre comme la cause première matérielle non-seulement de notre force, mais aussi de la délicatesse de nos tissus.

Avant de quitter ce sujet, permettez-moi de dire quelques mots sur la perte de Ia force. Sir W. Thomsen a démontré que toutes les formes de force n’ont pas la même valeur au point de vue de l’avantage que nous en pouvons tirer. Une des forces dont nous pouvons le mieux tirer parti, c’est la force mécanique, tandis que la moins utile est la chaleur diffuse. Or, il est très-facile de convertir la force mécanique en chaleur ; la grande difficulté pour nous est même d’empêcher cette transformation. Toutes les fois qu’il y a frottement, percussion, résistance de l’air, la force mécanique se change en chaleur. Au contraire, il est bien plus difficile de ramener la chaleur à l’état de force mécanique. Nous y arrivons très incomplètement avec nos machines à vapeur, dans lesquelles la chaleur que donne le combustible se convertit en travail utile ; mais il n’y a qu’une petite partie de cette force de chaleur qui subisse cette transformation ; la plus grande partie s’échappe et se perd au point de vue du résultat utile. Ceci nous montre que. le procédé par lequel on convertit la force mécanique en chaleur, ne peut se renverser ; car, tandis que toute la force mécanique peut facilement se transformer en chaleur, il n’y a qu’une faible partie de la chaleur qui puisse se transformer en force mécanique. Il en résulte que la force mécanique de l’univers diminue chaque jour, tandis que la chaleur diffuse de l’univers augmente sans cesse. Ainsi s’opère peu à peu une dégradation qui semble n’avoir pas de limites, et qui ne s’arrêtera que quand l’univers, ou du moins la partie que nous habitons, sera devenu tout à fait inhabitable pour les êtres organisés.

Nous avons vu que le soleil est la grande source de notre bien-être matériel, et qu’il prépare la nourriture qui donne à nos corps et la force et le tissu délicat indispensable à la vie ; mais le soleil n’est qu’un grand feu, et même, selon toute apparence, un feu qui, depuis longtemps, n’est plus alimenté. On a pensé que, dans les premiers temps de l’existence de notre univers, la matière du soleil existait à l’état de nébuleuse diffuse, soumise à la force de gravitation. Or, de même que la chute d’une pierre sur la terre produit de la chaleur, de même le mouvement de toutes ces parcelles nébuleuses, s’unissant pour former une masse compacte telle que le soleil, a dû produire une énorme quantité de chaleur. Cependant, ce mouvement de condensation approche maintenant de sa fin, et le soleil, malgré toute sa force, ressemble à un homme dont les dépenses excéderaient le revenu.

Le résultat est inévitable, à moins que nous ne voyions la fin de ces pertes incessantes. Mais, dans l’état actuel de la science, rien n’indique un pareil changement, et nous sommes ainsi amenés à prévoir la dégradation de l’univers, ou du moins de la partie que nous habitons, et enfin la disparition complète de la force utile et de la vie. Ces résultats offrent un vaste champ aux réflexions des hommes de science ; mais il ne faut pas oublier que notre horizon intellectuel est encore fort borné, et notre connaissance des lois de la nature très incomplète.

J’ai cherché à vous exposer rapidement un des-derniers progrès que nous avons faits dans la connaissance des lois de la nature. Permettez-moi maintenant de vous dire quelques mots d’un progrès presque aussi important, mais plus récent encore, qui a été fait dans la connaissance des grands corps de l’univers. Il y a dix ans, nous soupçonnions à peine qu’il existât quelque lien entre cette terre et les autres corps célestes. Quelques pales rayons nous arrivaient des étoiles en traversant la triste immensité de l’éther, mais c’était là le seul rapport connu entre notre système et le reste de l’univers. Il y avait juste assez de lumière pour rendre les ténèbres visibles. Rien de ce que nous savions des étoiles ne prouvait qu’elles ne fussent pas faites d’éléments étranges groupés d’après des lois également étranges. Elles semblaient presque former un autre univers et appartenir à un autre Maître.

Mais on a découvert tout dernièrement qu’un rayon de lumière peut nous en apprendre bien plus que nous ne le supposions. Il ne nous dit pas seulement la position, la distance, la grandeur du corps lumineux ; il nous révèle aussi sa composition, sa température, la vitesse avec laquelle il se rapproche ou s’éloigne de nous ; peut-être même les changements qui s’opèrent à sa surface. Nous avons récemment perfectionné un instrument appelé spectroscope, qui nous permet d’analyser la qualité et la composition d’un rayon de lumière, avec bien plus de facilité et d’exactitude que nous ne pouvons faire une analyse chimique. Pour vous expliquer la construction de cet instrument, il me suffira de vous rappeler ce qu’est la chambre obscure photographique. La lentille de cette chambre obscure imprime sur une plaque convenablement disposée l’image des objets extérieurs. On obtient nécessairement une image réduite des. objets, de sorte que l’image d’une ligne ou d’une fente lumineuse située au dehors de la chambre obscure, serait une ligne ou une fente lumineuse imprimée sur la plaque intérieure. Mais si nous plaçons un prisme de verre entre la fente lumineuse et son image, les rayons de lumière sont tous déviés, sans l’être cependant tous également.

Si la fente transmet des rayons d’espèce différente, ces rayons seront déviés à des degrés différents, et, par suite, l’image de la fente donnée par un rayon se projettera sur une partie de l’écran ou de la plaque, tandis que l’image donnée par un autre rayon se projettera sur un autre point. L’image ne représentera donc plus une seule fente, mais un grand nombre de fentes juxtaposées, de manière à former une bande ou un ruban lumineux de diverses couleurs, parce que les rayons rouges transmis par la fente seront moins déviés par le prisme que les rayons jaunes ; les jaunes moins que les verts, les verts moins que les bleus, et ces derniers moins que les violets. Par conséquent, si tous ces rayons existent dans la lumière de la fente, l’image deviendra un ruban de lumière de diverses couleurs ; avec du rouge à un bout et du violet à l’autre. Ce ruban s’appelle spectre, et si la lumière transmise par la fente est celle du soleil, nous aurons sur l’écran un spectre solaire.

L’apparence du spectre change beaucoup, selon la nature du corps lumineux. Si ce corps est un liquide ou un solide à une température élevée, le spectre nous offrira alors un ruban lumineux continu.présentant successivement le rouge, l’orangé, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet. Mais si le corps lumineux est un gaz incandescent de faible densité, le spectre est tout différent, Ce n’est plus un ruban lumineux continu, mais bien une série de lien es brillantes séparées les unes des autres, sur un fond sombre. En d’autres termes, la lumière des solides et des liquides incandescents contient tous les rayons différents, tandis que celle des gaz incandescents n’en contient que quelques-uns.

Notons un autre fait important : à la température ordinaire, les corps absorbent les mêmes rayons qu’ils émettent lorsqu’on les chauffe. Ainsi, la vapeur incandescente de sodium donne une raie jaune brillante fort caractéristique, et, quand elle est suffisamment refroidie, cette même vapeur arrête ce même rayon de lumière jaune, s’il provient d’une autre source. Prenons, par exemple, un corps lumineux, solide ou liquide, qui,à une température élevée, donne tous les rayons du spectre, et faisons passer entre ce spectre et notre œil de la vapeur de sodium à une température relativement basse. Regardons avec le spectroscope, et nous verrons que la vapeur de sodium, qui donne une raie jaune pour son propre compte lorsqu’elle est incandescente, absorbe cette même raie jaune lorsqu’elle est froide, de sorte que cette couleur manque au spectre, qui tout à l’heure était complet.

C’est l’illustre physicien Kirchoff qui a découvert ces principes ; c’est encore lui qui le premier les a appliqués à la lumière du soleil et à celle des étoiles. Ainsi, dans le spectre solaire, la l’aie jaune manque, et nous en concluons qu’il doit se trouver de la vapeur de sodium relativement froide, quelque part entre la lumière du soleil et notre œil. Mais puisqu’il n’y a évidemment pas de vapeur de sodium incandescente dans l’atmosphère terrestre, cette vapeur doit, par conséquent, exister dans celle du soleil. Ce procédé a permis de reconnaître que l’atmosphère solaire contient des vapeurs de sodium, de fer, de nickel, de calcium, de magnésium, de barium, de cuivre et de zinc. MM. Huggins et Miller ont constaté la présence d’éléments semblables dans plusieurs étoiles.

En étudiant certaines nébuleuses à l’aide du spectroscope, M. Huggins est arrivé à un résultat fort surprenant. Leur lumière diffère essentiellement de celle du soleil : elle se résout en quelques raies brillantes sur un fond sombre, et présente ainsi les caractères de la lumière d’un gaz incandescent. L’analyse spectrale semble indiquer que ces corps sont composés d’un mélange d’hydrogène et d’azote, sans que la certitude à cet égard soit encore absolue.

Donati est le premier qui ait étudié la lumière des comètes avec le spectroscope, et ses observations semblent indiquer que ces corps étrangers sont, comme les nébuleuses, composés de gaz incandescent. Plus récemment encore, Huggins a observé une comète dont la lumière semblait indiquer que le noyau se composait de gaz incandescent, tandis que la chevelure donnait un spectre continu.

Mais revenons à notre soleil. Nous avons fait récemment des progrès remarquables dans la connaissance de sa constitution physique. Il serait difficile de dire quand et par qui l’existence des taches solaires a d’abord été remarquée. C’est Galilée qui s’en est servi le premier pour déterminer les éléments de la rotation du soleil. Outre les taches noires de la surface du soleil, les différentes éclipses totales ont fait observer autour de cet astre des phénomènes également mystérieux, que l’on désigne habituellement sous le nom de flammes ou protubérances rouges. M. Warren de la Rue a démontré le premier que ces phénomènes appartiennent au soleil lui-même, et que le rôle de la lune dans une éclipse se borne à affaiblir la lumière générale, de manière à rendre les phénomènes visibles à l’œil. Tandis que les.flammes rouges attiraient ainsi l’attention des savants, Schwabe en Allemagne, et Carrington en Angleterre, travaillaient avec succès à nous faire mieux connaître les taches du soleil. Schwabe, par une série d’observations patientes n’embrassant pas moins de quarante années, prouvait l’existence d’une périodicité bien marquée dans le nombre et la fréquence des taches solaires, périodicité d’environ onze ans. Carrington, de son coté, constatait que la région des taches est comprise entre certaines limites, et s’étend à 20 ou 30 degrés environ de chaque coté de l’équateur solaire, de sorte qu’une tache ne se montre jamais aux pôles du soleil ; il avait aussi reconnu que les taches ont un mouvement propre.

Schwabe et Carrington s’étaient contentés de dresser des cartes exactes des résultats observés ; mais de la Rue, en appliquant la photographie aux phénomènes célestes, a pu obtenir du soleil lui-même des images que l’on peut étudier à loisir sans craindre qu’elles soient inexactes.

Un grand nombre de ces images ont été obtenues, et M. de La Rue et les savants qui se sont associés à ses recherches, les ont soumises à un examen attentif, Quelques-uns des résultats préliminaires de cet examen ont déjà été publiés, et semblent indiquer un certain rapport entre les mouvements et la fréquence des taches solaires d’une part, et les positions des principales planètes de notre système.

Nous n’avons pas fait moins de progrès dans la connaissance des flammes rouges que dans celle des taches solaires. Janssen et Lockyer ont découvert, chacun de leur côté, que ces protubérances étranges obéissent au spectroscope dans l’état ordinaire du soleil, et sans qu’il soit nécessaire d’attendre une éclipse totale. En effet, elles existent toujours autour du soleil, mais leur éclat se perd dans la lumière diffuse qui entoure le bord de l’astre. Mais si nous employons un spectroscope assez puissant, la lumière diffuse, c’est-à-dire la lumière ordinaire du soleil, donne mi spectre allongé en forme de ruban, de sorte que l’éclat de la lumière se divise et se répartit sur toute la longueur ; au contraire, la lumière des flammes rouges, n’étant composée que d’une ou deux espèces de rayons, se montre au spectroscope sous la forme d’une ou deux raies brillantes, dont l’éclat n’est pas affaibli par l’action dispersante de l’instrument. Ces raies ressortent, par conséquent, dans le champ visuel, tandis que la lumière ordinaire disparaît. Lockyer a reconnu ainsi que la surface brillante du soleil est entourée d’une enveloppe d’hydrogène incandescent ; que des matières à une température élevée y sont fréquemment projetées, et qu’enfin il s’y déclare de violents ouragans, dont la vitesse est souvent de 100 milles (160 kilomètres) par seconde. Les travaux de Frankland et de Lockyer, joints aux observations solaires de ce dernier, nous permettent d’espérer que nous arriverons un jour à connaître exactement la pression et la température, aussi bien que la composition chimique de l’atmosphère du soleil.

Si maintenant nous redescendons des corps célestes sur le globe que nous habitons, il nous est peut-être permis de supposer qu’il existe entre la terre et le soleil, et par son intermédiaire, entre la terre et les autres astres de notre système, d’autres rapports que ceux qui ont été reconnus jusqu’ici. Le général sir E. Sabine paraît avoir prouvé que les perturbations du magnétisme terrestre se manifestent surtout dans les années où l’on observe le plus de taches solaires. Ce fait semble confirmé par l’expérience de cette année, pendant laquelle nous avons eu un grand nombre de taches solaires, ainsi que des perturbations considérables du magnétisme terrestre.

J’ai déjà parlé de la possibilité d’Un rapport entre le mouvement des taches solaires et les positions des planètes ; je puis ajouter encore que Schwabe et d’autres observateurs croient avoir reconnu des indices de variation périodique dans l’apparence de la planète Jupiter. Toutes ces observations sembleraient indiquer l’existence d’un rapport inconnu entre les différents membres du système solaire.

Mais la partie de la physique cosmique qui nous intéresse de plus près est assurément la météorologie de notre globe ; et ici se présente aussitôt cette question : Le climat et l’atmosphère terrestres subissent-ils l’influence des changements qui s’opèrent dans l’atmosphère du soleil ? Rien ne permet encore d’y répondre affirmativement ; mais il est vrai que les recherches ont jusqu’ici été assez mal dirigées. Des observations toutes récentes, discutées par Baxendell, nous portent à croire qu’il peut y avoir quelque rapport entre les variations diurnes du magnétisme terrestre et les mouvements atmosphériques qui s’accomplissent dans le même temps. En rapprochant cette idée du fait que la fréquence des perturbations que l’on observe dans le magnétisme terrestre semble se rattacher au mouvement des taches solaires, nous sommes conduits à admettre au moins la possibilité d’un rapport quelconque entre la météorologie et les taches du soleil.

Si ces observations ont quelque valeur, leur tendance est d’indiquer la réunion probable des différentes branches des observations physiques en une grande science cosmique ; elles montrent par conséquent l’opportunité d’une union très grande entre ceux qui exploitent les champs de la météorologie : du magnétisme terrestre et de la physique terrestre.

En ce moment, l’avenir de la météorologie donne moins d’espérances que celui des deux autres sciences. Nous ne savons que fort peu de chose sur les mouvements des divers éléments de l’atmosphère terrestre, et cependant sans cette connaissance il est impossible de rattacher la météorologie aux autres branches de la physique du monde. Si nous recherchons les causes de cette infériorité des études météorologiques, la première et la plus évidente est la grandeur du problème à résoudre.

Nous sommes trop intimement unis à la terre et à son atmosphère, pour en reconnaître les mouvements avec facilité. Chose étrange ! il est plus facile d’étudier. la météorologie du soleil que celle de la Terre, et nous en savons déjà autant sur la for ce des tempêtes solaires que sur celle des ouragans terrestres.

Mais l’état arriéré de la météorologie physique vient encore d’une autre cause : c’est qu’au fond il y a deux sciences météorologiques. La première est la météorologie physiologique, qui cherche à reconnaître l’influence des climats sur les animaux et les végétaux ; la seconde est la météorologie physique qui étudie la physique de la surface du globe, et plus particulièrement encore les mouvements de son atmosphère.

Il est grand temps pour l’observateur de séparer ces deux branches de la science. S’il préfère les recherches physiologiques, qu’il le dise clairement ; et s’il se propose d’étudier la météorologie physique, qu’il ne perde pas un seul instant de vue le but de ses travaux. Il devra se demander quel est le meilleur système d’observation, quelle est la meilleure méthode de réduction pour atteindre le but principal de la météorologie physique, qui est la connaissance des mouvements de l’atmosphère terrestre et de leurs causes. Il ne doit pas adopter un système d’observation et une méthode de réduction qui lui offrent seulement des chances de réussite, mais une méthode qui lui en donnent la certitude.

Je me suis efforcé de vous exposer rapidement les derniers progrès faits par la physique cosmique. Les sciences physiques comprennent encore deux autres branches non moins importantes : je veux parler de la physique des corps organisés et de la physique moléculaire. Voici la différence qui existe entre ces deux dernières et celle dont je viens de vous entretenir : — les progrès de la physiologie ou de la physique moléculaire dépendent surtout des expériences, tandis que ceux de la physique cosmique dépendent surtout de l’observation. Vous savez tous qu’en ce moment une commission royale fait une enquête sur les rapports qui doivent exister entre la science et l’État ; peut-être alors me permettrez-vous de saisir ici l’occasion d’exposer mes vues sur la meilleure manière pour la science de recevoir cette aide si nécessaire. Je crois que les sciences dont les progrès n’exigent pas des expériences trop longues, peuvent être cultivées avec avantage dans des établissements tels que ce collège. Je crois qu’il est avantageux de fournir à ceux qui enseignent les branches les plus élevées de la physique, les moyens de faire des recherches. Si le gouvernement est disposé à contribuer aux frais de ces recherches, il suffit pour cela qu’il augmente l’allocation actuelle faite au comité de la Société royale.

Les professeurs de sciences d’un collège auraient alors à exposer l’objet de leurs recherches au comité de la Société royale, chargé de la répartition de l’allocation du gouvernement, et ils recevraient les fonds nécessaires. Il n’est personne, je le crois, qui puisse douter que la faible somme de mille livres sterling que le gouvernement alloue chaque année à la Société royale, pour expériences diverses, ne soit employée d’une manière satisfaisante ; et si le gouvernement voulait augmenter cette somme, et que la Société royale se chargeât toujours de sa répartition, ce serait un grand avantage pour ce genre d’expériences. Je ne parle ici que des expériences, quoiqu’il ne soit pas moins important d’encourager les expérimentateurs.

Mais il n’en est pas de même s’il s’agit d’expériences et d’observations qui demandent beaucoup de temps. Certaines expériences, soit à cause du temps qu’elles exigent, ou des dépenses considérables qu’elles entraînent, ne peuvent se faire aisément dans un collège ; de plus, les observations suivies et méthodiques sur lesquelles s’appuient les différentes branches de la physique cosmique conviennent bien mieux à un établissement central qui en assure la régularité et l’efficacité. De là la nécessité d’un établissement central, consacré aux expériences et aux observations qui exigent beaucoup de temps, beaucoup de place et beaucoup d’argent.

Pour ce qui regarde plus particulièrement la physique cosmique, je suis convaincu qu’il faut étudier la météorologie en même temps que le magnétisme terrestre et les phénomènes solaires ; et, si une fois on arrivait à proposer une méthode satisfaisante pour résoudre ce grand problème, je suis sûr que les institutions scientifiques et les hommes de science de toute l’Angleterre ne reculeraient devant aucun sacrifice pour hâter les progrès d’une branche aussi importante des sciences physiques.

Balfour Stewart, directeur de l’observatoire de Kew.
Traduit de l’anglais par Battier.


[1Voyez, sur ce sujet, Matière et force, par M. Bence Jones, dans la Revue des cours scientifiques, tome VII, page 1.

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