Autour du fonctionnement des sciences physiques/

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

Chine : Utilisation de la boussole.

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 fois par Gilbert en 1600.

Thalès : Fonde l'école milésienne (Thalès, Anaximandre et Anaximène..., en Anatolie). Géométrie, astronomie. S'écarte des explications mythologiques pour s'appuyer sur l'observation et des déductions. Prédit une éclipse, calcule la hauteur de la grande pyramide. Mathématiques parfois empiriques, parfois déductifs.

Pythagore : Fondateur de l'école pythagoricienne (scientifique et religieuse, dure une dizaine de générations). Ile de Samos.

Mathématiques : théorème de Pythagore (peut-être déjà connu mais pas démontré), nombre d'Or, résolution des équations du second degré (déjà connu des cités mésopotamiennes).

Importance du statut du nombre : tout est nombre. Les nombres sont des entiers seulement. 1 n'est un nombre que vers -350.

Initialement les pythagoriciens pensent que toutes les longueurs sont rationnelles, si bien que par un choix approprié d'unité tout se ramène à des entiers. Mais ils découvrent les irrationnels (les incommensurables). Grave crise, finalement féconde.

L'école pense aussi à la rotondité de la Terre, à sa mobilité, etc.

Empédocle : Crédité de la première théorie de la lumière. La vision résulte de rayons envoyés par les yeux vers les objets.

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).

Démocrite : Postule que la matière est faite d'atomes insécables.

Platon : Philosophe de l'Académie d'Athènes. Fonde la philosophie occidentale.

Aristote : Disciple de Platon à l'Académie d'Athènes. Biologie, physique, métaphysique, logique, poétique, politique, rhétorique...

- Physique des phénomènes terrestres basée sur l'observation, volonté d'expliquer les phénomènes, de chercher les causes. Déduction, logique, aidée parfois de mathématique. Peu ou pas de mesures car impossible pour l'époque dans ces domaines. Mécanique et optique.

La physique est donc qualitative : chute des corps, théorie des quatre éléments (rendue nécessaire par sa mécanique), etc.

Euclide puis Ptolémée et d'autres : Propagation en ligne droite de la lumière, loi de la réflexion connues, loi de la réfraction non correcte mais essais de tables. Fabrication de miroirs concaves. Les lentilles n'existent pas.

C'est chez Ptolémée (100) qu'on retrouve des tables d'angles de réfraction pour l'interface air-eau. Remarquable car peu de mesures à l'époque. Ceci montre la recherche d'une régularité. Avec la mécanique et l'astronomie, l'optique est bien une des 1^ère théories physiques mathématisées.

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

Euclide : - Les Éléments : ouvrage de géométrie non métrique, approche axiomatique rigoureuse, sert d'exemple jusqu'au 17^ème siècle.
- Traité d'Optique : approche axiomatique, mathématique et rigoureuse, traite de la perspective, de la taille apparente des objets, le tout basé sur une propagation en ligne droite des rayons de lumière. Ni mesure ni nombre. S'applique entre autre à l'apparence des astres. Sert de modèle pour la perspective jusqu'à la Renaissance.

Babyloniens : Invention du zéro comme marqueur (chiffre signifiant une absence d'unité, afin de distinguer par exemple 105 de 15). Les babyloniens utilisent pour ce faire non pas la notation 0, mais un symbole spécial (une ou deux barres obliques) dès -300.

Pratique probablement introduites par les scribes ou les marchands pour éviter les erreurs. Ils ont fait sans pendant plus de mille an.

Bibliothèque d'Alexandrie : Création.

Ératosthène : Première mesure correcte de la circonférence de la Terre

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

Archimède : Philosophe grec (Syracuse, Sicile).
Grand mathématicien : décimales de $\pi$, aires sous la parabole, volumes...
Grand physicien : théorie de la statique (balance, bras de levier et équilibre) et de la statique des fluides (flottabilité des corps, pas de notion de pression mais de poids de la colonne d'eau). Approche axiomatique et rigoureuse. Quantitatif. Ne cite pas de mesures, mais ses résultats sur la statique sont toujours valables et ont servi de point d'appui à la mécanique du 17^ème.
Il ne néglige pas le côté pratique par diverses inventions : vis d'Archimède, système de levage et de tractage, catapulte, etc.

Vitruve : Premier architecte romain dont les écrits nous soient parvenus. Bâtiments, machines élévatrices, poulies et palans, machines de guerre.

Héron d'Alexandrie : Ingénieur, mécanicien, mathématicien grec (Égypte romaine). Traités de mécanique (dont Traité des pneumatiques). Invente des machines à vapeur (ouverture de portes de temple, boule qui tourne) ou automates à eau. Thermoscope. Traité d'optique également (Catadioptrica), qui combine obseervations, expériences et géométrie pour expliquer la réflexions (miroirs).

Ptolémée : Astronome d'Alexandrie. C'est par ses écrits et ceux d'Aristote que le Moyen-Age et la Renaissance découvrent la pensée grecque.

L'Amalgeste est un traité d'astronomie majeur, avec d'abondantes tables et un modèle du système solaire géocentrique, épicycles, équant, ...) qui permet de prédire le mouvement des astres. Il s'appuie sur des données babyloniennes sur neuf siècles. Là où les babyloniens avaient les observations et des méthodes de calculs des récurrences d'événements, les grecs cherchent un modèle géométrique prédictif du mouvement des astres.

Optique : ouvrage important sur la réflexion, réfraction.

Inde : Invention du zéro en tant que nombre. En particulier le traité de Brahmagupta (628) défini le 0, les nombres négatifs, la division par 0 comme donnant l'infini, etc.

Le nombre 0 et les nombres négatifs ont déjà été rencontrés dans l'antiquité mais ignorés (solution d'une équation algébrique par exemple). Les grecs avaient horreur du vide, alors que les indiens le considéraient comme objet de méditation.

Maison de la Sagesse, Bagdad : Académie regroupant des savants. Étude des mathématiques, utilisation de l'écriture décimale, du zéro, observations des éclipses, parallaxes, anomalies lunaires, durée de l'année solaire... Surpasse celles d'Athènes ou d'Alexandrie.

L'hypothèse d'un Soleil fixe et d'une Terre mobile y est largement discutée. Fondée par Al-Khwarizmi, inventeur de l'algèbre (résolution d'équations, du 3ème degrès notamment). Prend fin lors de l'invasion de Gengis Khan.

Bagdad : Depuis un siècle environ, les savants arabes découvrent et s'approprient les techniques de calcul indiennes : surtout, leur système décimal avec zéro.

En 773 récupération et traduction du texte indien de Brahmagupta. Puis en 820 le persan Al-Khwarizmi écrit un livre de calcul qui présente les chiffres indiens. Ce livre est traduit en Europe via l'Espagne.

Maison de la Sagesse : à Bagdad, lieu qui rassemble des lettrés, philosophes et mathématiciens. Bibliothèque, traductions, cercles de réflexions...

Les institutions de ce type jouent un rôle important dans le monde musulman. Elles sont financées et soutenues par les gouvernants. Elles sont responsables de la mémoire des connaissances grecques, arabes, indiennes, etc... Que ce qui sera le monde occidental va finalement récupérer.

Ibn Sahl : Loi de la réfraction correcte, sous forme géométrique.

Cependant pas d'appui sur des données expérimentales, pas d'équivalent de l'indice optique.

Sylvestre II : Chiffres arabes (venus d'Inde) mis en usage en Europe occidentale par le pape Sylvestre II.

Mais le zéro n'est pas promu, car il représente le néant, le diable. Les marchands voient pourtant son intérêt et s'en servent.

Généralités : L'étude de la méthodologie de la science remonte à la Grèce antique. Plusieurs courants vont et viennent, dont principalement :
- L'inductivisme consiste à partir des faits/observations/mesures pour construire les concepts et les lois qui les relient. De données particulières on passe à des lois générales. On ne fait pas d'hypothèse. Newton y prétendait mais c'est bien sur illusoire.
- Démarche hypothético-déductive : on a une interrogation, on fait des hypothèses (concepts, lois...), on en déduit des conséquences testables, on teste si elles s'accordent avec les faits.

De plus, la science antique et du Moyen Age retient une idée davantage parce qu'elle est séduisante que parce qu'elle est contrôlée par l'expérience. Ceci impacte les discours sur la science d'alors.

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.

Université de Paris : Création.
La plus ancienne université, au sens européen occidental, est celle de Bologne (1088).

Une université médiévale occidentale est reconnue par le Pape. On y enseigne typiquement la théologie, le droit, la médecine, le trivium (rhétorique, dialectique, grammaire) et le quadrivium (arithmétique, géométrie, astronomie et musique), avec un héritage fort des philosophes grecs connus à l'époque (Aristote, ...). La langue y est le latin.

Leonardo Fibonacci : Promeut l'usage mathématique des chiffres arabes, du zéro et du système décimal. Publie en 1202 un livre qui condense toutes les connaissances mathématiques arabes. Adoption.

Grossetete, Roger Bacon, Ockam : Tiennent des discours remarquables sur la méthode scientifique. La science peut trouver des explications basées sur un raisonnement mathématique. Il faut déduire des lois et une théorie à partir des observations, en les généralisant, puis tester ces lois dans d'autres cas, par des expériences.

Cependant, ces discours sur la méthodes ne sont pas accompagnés de progrès significatifs en science.

Artisans italiens : Fabrication des premières lentilles, qui servent à corriger la vision. Elles sont très grossières. Pas d'utilisation ou de compréhension scientifique.

Hermétisme : Textes découverts vers 1460 dont on pensait qu'ils venaient de l'Égypte et du temps de Moïse. Connus depuis les Grecs, c'est en 1460 que Cosme de Médicis en acquiert la quasi totalité. Fascinent, univers magique, alchimie, numérologie, etc. Mais aussi incitation à une description quantitative et à des expériences.
Prend fin en 1614 quand Casaubon démontre qu'ils sont en fait récents. Réfutation probablement importante pour que Galilée et ses contemporains sortent de cet esprit magique de la Renaissance. 

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.

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.

Copernic est principalement motivé par la complexité du modèle de Ptolémée et ses échecs (en terme de prévisions, pas si précises et avec des défauts), et par le fait que le sien est plus "harmonieux". Mais il ne parvient pas à convaincre totalement, à la fois par manque de précision des observations, et parce qu'il reste convaincu que les planètes décrivent des cercles (car le cercle reste la figure parfaite). Sa version finale comporte des épicycles et des déférents. Il n'est pas vraiment plus précis que celui de Ptolémée. Il sera néanmoins approuvé par les pairs parce que l'astronomie était en situation de crise (modèle de Ptolémée trop compliqué) et a bien voulu explorer des alternatives.

Au départ, les variations de luminosité de Vénus et Mars ne sont pas en accord avec son modèle. Il faut attendre la lunette de Galilée pour les observer correctement et rendre ceci compatible. De même l'absence de parallaxe visible étonne (mais elle est trop petite pour être mesurée).

Taqi ad-Din : Savant turc vivant à Constantinople. Travaux remarquables en astronomie, en optique, en conception mécanique. Fonde l'observatoire de Constantinople, qui égalera les observations de Brahé en Europe.

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.

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.

Académie des lyncéens : Création de cette académie, la première académie scientifique. Galilée en fera partie. Fédère des discussions entre ses membres, publie des ouvrages ou des compte rendus épistolaires.

Pas vraiment de comptes rendus réguliers, ni de démonstrations d'expériences, au contraire de ce qui caractérisera la Royal Society ou l'Académie des sciences française.

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...

Ses ouvrages majeurs, les Discours et les Dialogues, sont publiés en 1632 et 1638.

Ceci résout une des questions de l'héliocentrisme, qui était de comprendre pourquoi, si la Terre bouge, un objet lâché ne repart pas en arrière. Il défend l'héliocentrisme et le conforte grandement par ses observations à la lunette astronomique (phases de Vénus, taches solaires, montagnes sur la Lune, satellites autour de Jupiter, luminosité des planètes correctement observée...). Il revient toutefois à un système de Copernic avec orbites circulaires, sans épicycles, ce qui ne permet pas une bonne précision.

Après un revirement progressif de l'attitude de l'Église (qui était d'abord indifférente), celle-ci le condamne en 1633.

Galilée : Il reproduit et améliore une lunette construite 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. Il inventera aussi le microscope.

Galilée  : Publie Le Messager des étoiles, où il rend compte pour la première fois de ses observations astronomiques. Retentissement immense.

C'est sa défense du système héliocentrique qui lui créera bien des ennemis.

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

Mais des difficultés persistent sur ce que voit l'oeil de l'observateur.

Descartes, Pascal, Torricelli, Fermat, Huygens : Développent les idées de Galilée en mécanique et statique des fluides, sans grand succès théorique.

Francis Bacon : Considéré comme le 1^er philosophe des sciences modernes. Dans le Novum Organum, il s'oppose aux raisonnements scolastiques (qui s'appuient sur des textes religieux ou d'Aristote qui font autorité et raisonnent à partir d'arguments surtout rhétoriques), et prone une méthode empiriste : il faut collecter les observations, les faits, et les généraliser en produisant des lois (induction). Aussi notion d'expérience cruciale et énonce que les sciences doivent aider l'homme à maitriser la nature et à améliorer sa condition.

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

Mersenne : Il fonde et préside "l'académie de Paris", club ou groupe de mathématiciens, physiciens et philosophes. Les journaux scientifiques n'existent pas encore, et Mersenne fonde ici un réseau, met en relation. Correspondances épistolaires importantes.

Descartes : Le projet cartésien consiste à comprendre la nature à l'aide de la mécanique, en partant d'idées "claires et évidentes", indubitables. On parle de rationalisme classique pour qualifier ce courant.

Plus tard l'empirisme s'y oppose.

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.

Pascal : Statique des fluides. Formalise la notion de pression comme force par unité de surface sur les parois au contact du fluide. Énonce les lois de l'hydrostatique (pression = poids surfacique de la colonne au dessus, égalité des pressions à même profondeur).

La pression n'est pas encore pensée comme une grandeur locale au sein du fluide.

Fermat : Principe de Fermat selon lequel la lumière emprunte le chemin le plus rapide.

Huygens : Publie Horologium oscillatorium, avec les œuvres de Galilée et de Newton l'un des trois piliers de la mécanique. 1ère théorie du pendule, notion de moment cinétique, etc.

Huygens inventera également le ressort spirale. En 1657 il fait construire la 1ère horloge régulée par un balancier. En 1675 la 1ère montre à ressort spirale.

Huygens : Première mesure précise de la pesanteur. Traduite en langage actuel, la mesure de Huygens donne $9,81\,\mathrm{m/s^2}$. Il utilise le pendule et la formule pour les oscillations qu'il vient de démontrer. Il en rend compte en 1690.

Royal Society : Création de la Royal Society à Londre, puis de ses Philosophical Transactions en 1665.

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).

Torricelli : Loi de Torricelli, $v=\sqrt{2gh}$ pour la vitesse de l'eau au niveau d'un orifice situé à une hauteur $h$ sous le niveau de l'eau.

Ci-dessus formulation moderne, alors que Torricelli indique que la vitesse est la même que celle d'un corps pesant ou d'une goutte si il était tombé de la plus haute surface jusqu'à l'ouverture (formulation comparative).
Il ne le justifie pas, la théorie étant très peu avancée (les Principia ne sont même pas sortis).
Elle sera justifiée par les Bernoulli, d'Alembert ou Euler.

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.

Grimaldi : Observe et décrit le phénomène de diffraction.

Journal des savants : Fondé sous le patronage de Colbert, tout premier périodique littéraire et scientifique.

Il sera suivi deux mois plus tard en Angleterre par les Philosophical transactions, en Italie par le Giornale de Letterati (1668), et en Allemagne par les Acta eruditorum Lipsiensium (1682).

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

Principales occupations voulue par le ministre Colbert : perfectionner le pendule de Huygens pour permettre la détermination de la longitude en mer, l'astronomie et la mesure de la Terre pour la cartographie.

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.

C'est l'Académie, nouvellement fondée par le Colbert trois ans plus tôt, qui commande cette entreprise. lien Planet Terre ENS Lyon

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.

Leibniz, Newton : Premières équations différentielles et méthode de résolution. Newton avec les fluxions (écrit en 1671, publié après sa mort), Leibniz avec ses propres notations (publié en 1684). Querelle entre les deux.

Newton ne se sert presque pas des fluxions dans les Principia. Cet ouvrage sera retranscrit dans le langage du calcul différentiel (de Leibniz) plus tard, par Hermann, Varignon, Bernoulli..., ce qui s'achève dans la fin des années 1830 par la synthèse d'Euler.

Richer : Avec le pendule, on espère avoir un étalon de longueur transportable (Picard 1670). Mais Richer, envoyé à Cayenne, constate que la longueur du pendule qui bat la seconde (seconde déterminée via les étoiles) n'est pas la même qu'à Paris. Perdu pour l'étalon de longueur...
Ceci lance l'étude de la variation de $g$ avec la latitude. Riche étude, liée à la forme de la Terre, la force centrifuge, avec Huygens, Newton, Hooke... Elle offrira même un test de la loi de gravitation en $1/r^2$.

Richer, Meurisse : Expédition de Cayenne, première expédition à parcourir la Terre à des fins scientifiques. Mesure de la parallaxe du Soleil et ainsi première détermination des dimensions du système solaire ; constatation que le pendule bat la seconde différemment et évaluation de l'aplatissement de la Terre.

Roemer : Mesure de la vitesse de la lumière (satellites de Jupiter).

Römer : Première mesure de la vitesse de la lumière, à partir de l'observation d'une variation de 16 minutes au cours de l'année dans la période de Io.

L'étude précise, sur 10 années, des mouvements de Io a été effectuée pour dresser la carte de France, car elles permettent d'estimer la longitude du lieu d'observation. C'est donc la cartographie qui a menée à la première détermination de la vitesse de la lumière !
À noter également que Römer, dans son article original, ne donne pas de valeur (bien qu'il le pourrait) mais démontre simplement la finitude. C'est Huygens en 1678 qui fait le calcul et l'estime à 200 000 km/h (en fait il n'utilise pas les km/h, mais 600 000 fois celle du son, ou plus tard Römer écrit qu'elle parcourt 1091 diamètres terrestres en une minute). Cf ici.

Phlogistique : Cette théorie chimique, mise au point vers 1680, domine jusqu'à Lavoisier. Toute matière qui peut être calcinée l'est en perdant une certaine substance, appelée le phlogistique. La matière qui se consume se transforme alors en sa "chaux".

La perte de masse des substances calcinées est expliquée par la perte du phlogistique. Le problème est que certains métaux gagnent de la masse en brulant, et on avait alors du attribuer une masse négative au phlogistique perdu...

Cassini, La Hire : Mesure de l'arc de méridien entre Dunkerque-Paris-Collioure. Voir ici pour des données.

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.

La physique de Newton mettra un certain temps à s'imposer, surtout en France où beaucoup adhèrent encore aux idées de Descartes (action de contact, théorie des tourbillons).

Huygens : Établit sa théorie ondulatoire de la lumière. Veut ainsi expliquer 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".

Cependant, Huygens ne fait pas les calculs, ne prouve pas qu'il explique vraiment diffraction et interférences. C'est Fresnel qui calculera mathématiquement les franges de diffraction et d'interférences.

Newton : Théorie corpusculaire, aujourd'hui écartée.

Locke : Considéré comme un des premiers empiriste. L'empirisme consiste à dire que les fondements du savoir se basent sur les sens et sur l'observation (et pas sur des idées).

Newton : Loi pour le refroidissement d'un corps.

En réalité, Newton était plus intéressé dans son article par l'établissement d'une échelle de température, et prend sa loi presque comme un postulat pour y parvenir. Il utilise des thermomètres à huile, avec une échelle qu'il invente.

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.

Ce sera Kelvin qui proposera une échelle universelle.

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%.

Gravesande : La querelle sur la ``force'' que possède un corps en mouvement est un autre exemple. Constate que le cratère laissé par une boule tapant sur de l'argile est de diamètre proportionnel à $v^2$.
Ceci s'inscrit dans un long débat sur ce qui caractérise la "force" d'un corps : la vis viva (force vive, $mv^2$) de Leibniz ou la quantité de mouvement ($mv$) de Descartes. Il ne sera résolu que vers 1750, en reconnaissant que ce sont deux choses différentes et pertinentes.

Tout ceci ne deviendra vraiment clair qu'après 1800 avec la formalisation de ce qu'est l'énergie.

Bradley : Mesure de l'aberration de la lumière des étoiles. Bradley l'interprète correctement et en déduit $c/v_{\text{Terre}} = 10210$. Ceci confirme que la Terre a une vitesse et une orbite circulaire (par rapport au référentiel des étoiles), et montre que la vitesse de la lumière ne dépend pas de celle de la source (l'étoile), premier indice vers la relativité.

Aberration = une étoile est observée dans des directions différentes en fonction du mois. N'est pas une parallaxe (qui est bien plus faible), mais due à la vitesse de la Terre sur son orbite. Déjà observée, mais de manière moins convaincante, par Picard en 1671.

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

Maupertuis, Clairaut : Mesure de l'arc de méridien en Laponie. Voir ici pour des données, et ici et là. 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.

Bernoulli : Développe la théorie cinétique des gaz.

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

Franklin : Arrive à la conclusion que la quantité d'électricité dans un système isolé est invariable.

Plusieurs conceptions se cotoient à propos de l'électricité : un fluide unique (surtout en Angleterre, Cavendish), en Italie Volta évoque des atmosphères électriques, en France on pense à deux fluides...

Hume : Met en évidence le problème de l'induction : déduire une loi générale à partir d'un nombre fini de réalisations n'est pas sûr.

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.

Euler : Systématise la notion d'équation différentielle, l'utilise pour formuler les problèmes de mécanique. Note $\dfrac{dv}{dt}$ ou $\dfrac{d^2x}{dt^2}$, utilise des unités absolues.

Ce formalisme puissant permet des avancées importantes, car auparavant les études se faisaient avec des outils géométriques relativement compliqués et chaque cas nécessitait une forte ingéniosité.

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 $1/r^2$.

Clairaut lui-même avait proposé une loi en $c/r^2+d/r^4$, arguant que le second terme était trop faible pour avoir une incidence sur les planètes mais important dans le cas de la Lune...

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

Diderot et D'Alembert : Encyclopédie.

Euler : Équation d'Euler pour un fluide idéal et compressible. Traite le fluide comme un milieu continu pour lequel on étudie le champ de vitesses.

Introduit lui aussi la pression interne du fluide, mais définie de façon à être mesurée de manière non comparative.
C'est avec Euler, comme il le fait aussi pour la mécanique, la mise en équation différentielle (déjà aussi chez d'Alembert) mais cette fois à partir des lois de Newton, et en plus l'usage de l'algèbre à unités absolues.

Équation aux dérivées partielles avec champ des vitesses et champ de pression (cf BUP1044 pour la formulation), obtenue à partir d'un PFD et de la conservation de la masse sur une particule suivie dans son mouvement.
Son équation redonne celle de Bernoulli, mais bien plus encore et, comme elle est non linéaire, suscite des recherches mathématiques.
Les expériences restent en accord mitigées, à cause de l'aspect non laminaire (turbulent) et visqueux des fluides réels. D'où des tensions.

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.

Harrison : Invente le chronomètre marin, montre de très loin la plus précise de son époque, dans le but (atteint) de pouvoir mesurer la longitude en mer à moins de 0,5° près.

Harrison, seul, révolutionne l'horlogerie. Des chronomètres semblables au sien sont construit dans les années qui suivent, et équiperont tous les navires à partir des années 1780. La méthode concurrente, qui utilise les angles entre Lune et Soleil, devient opérationnelle vers la même décennie après 1 siècle d'effort communs des astronomes, mais elle est bien moins pratique.

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).

Black est aussi le premier à comprendre clairement la différence entre température et chaleur. Mais ses travaux diffusent lentement (par ex ses Lectures sont publiées en 1803).

Watt : Perfectionne les machines à vapeur.

Deux communautés en tension : et qui communiquent peu : les académiciens (d'Alembert, Condorcet...), héritiers de la mécanique rationnelle, théorisent sans la viscosité et prédictions en désaccord avec l'expérience ; et ingénieurs-artisans-mécaniciens de la marine (Borda...), qui expérimentent et utilisent jusqu'à une centaine de formules adaptées à chaque cas.

Cette dichotomie s'estompe vers 1800, notamment avec la création de Polytechnique et l'apparition des "ingénieurs savants" qui sont des deux catégories à la fois : Navier, Saint-Venant, Coriolis, etc.

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.

Sa théorie présente des défauts : par exemple, dans son tableau des substances simples figurent le calorique et la lumière.

Lalande : Mesure de la distance Terre-Soleil (37$\pm$ 1) millions de lieues, à l'aide de la mesure de la parallaxe du Soleil, estimée en mesurant le temps de transit de Venus devant le Soleil en différents points de la Terre. C'est la première coopération scientifique internationale, avec des données d'astronomes de toutes nationalités ayant voyagé dans le monde entier.

Certains savants français voyagent au Mexique, en Sibérie, en Inde, risquant leur vie (et la perdant pour certains) et s'éloignant pendant des mois à des années de chez eux.

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 (1^ers thermomètres).

Par exemple en 1780, calorimètre à glace de Laplace et Lavoisier.
1780 : mémoire de Laplace et Lavoisier sur la chaleur, disponible sur www.lavoisier.cnrs.fr.
Méthode des mélanges : on mélange 1kg d'eau à 50°C et 1kg d'huile à 100°C et de façon surprenante la température finale n'est pas de 75°C ! -> notion de capacité calorifique.

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.

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... C'est un fluide qui se transmet par contact et qui se conserve.

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.

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.

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.

Les anciens noms hérités de l'alchimie sont remplacés par des noms modernes. Définition d'un mélange, d'un corps simple (qui ne peut être décomposé par l'expérience). La masse est ce qu'il faut mesurer pour traduire la conservation de la matière : c'est elle qui est conservée.

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.

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.

De façon générale, la loi énonce que la décomposition d'une espèce chimique poussée jusqu'à l'obtention des corps purs simples mène toujours au même rapport de masse entre ces corps simples, inversement, la proportion selon laquelle deux éléments se combinent ne peut pas varier de façon continue. Dalton y ajoutera le fait que ces proportions sont toujours simples.

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

À partir de 1806 Davy, Seebeck, Gay-Lussac, .. décomposent d'autres substances, menant à la découverte de nombreux éléments (calcium, magnésium, chlore, baryum, ...).

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. Il invente la notion de tension électrique et de force électromotrice.

On peut alors faire des expériences d'électricité car on dispose d'une source de courant/tension durable, alors que précédemment il s'agissait d'expériences d'électrostatiques (sphères chargées, condensateurs, décharges rapides, étincelles...). L'électricité (au sens de l'étude des circuits) et l'électrostatique sont vu comme un même domaine/mêmes phénomènes. Contrairement au magnétisme.

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

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

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.

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

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.

Sa table des molécules est basée à la fois sur l'expérience et des a priori, d'où des erreurs, l'eau étant notée HO par exemple. Autre problème, pas de liaison possible entre atomes de même nature : tous les corps simples sont donc monoatomiques ! Sa théorie aura un retentissement important et ouvrira la voie à de nouvelle expériences et interprétations allant dans ce sens. Le caractère inaltérable et identique de tous les atomes est original et pré-quantique.

Fourier : Théorie de la chaleur : loi de Fourier, équation de la chaleur, séries de Fourier.

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.

Aussi découvert par Charles en 1787.

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

Avec ceci, la loi de Gay-Lussac et la loi de Boyle-Mariotte, on a la loi des gaz parfaits. Contrairement à ces deux dernières lois, celle d'Avogadro n'est pas expérimentale : c'est une hypothèse, motivée par la théorie cinétique des gaz. Elle permet de déterminer de façon univoque les poids relatifs des molécules et joue donc un rôle essentiel.

Berzellius : Utilise des notations chimiques proches de celles actuellement en vigueur : H, He, ... et idem pour les molécules. Publie des tables des masses atomiques de plus en plus complètes (1818, 1826, 1835). Conforte l'hypothèse atomique.

La seule différence avec la notation actuelle était l'utilisation d'exposants au lieu d'indice : $\mathrm{H^2O}$ par exemple.

Fresnel : Reprend les travaux de Huygens. 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.

Ceci explique toutes les observations d'alors, dont la non interférence des rayons ordinaire et extraordinaire en biréfringence (qui est l'expérience qui a mené à l'hypothèse transverse).

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).

Biot et Savart : (avec aussi 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.

Pour eux, il y a champ $\vec{B}$ car il y a des aimants temporaires dans le fil parcouru par un courant. Électricité et magnétisme restent ainsi distincts, avec une loi propre pour les aimants (y compris ceux temporaires) qui n'intéragit pas avec les domaines électrique/électrostatique.

Ampère : Suite aux expériences d'Orsted, expérimente sur la nature de l'interaction entre un fil et une aiguille aimantée, puis entre deux fils. Invente la notion de courant électrique (en tant que nouvelle grandeur propre au circuit fermé conducteur-pile), et définit la tension électrique. Invente le galvanomètre (1^er ampèremètre, il prouve ainsi que le courant est le même le long du circuit).

Explique l'attraction par le fait qu'un aimant est parcouru par des équivalents de spires de courants (interprétation microscopique sera donnée par Fresnel). Ampère unifie ainsi électricité/électrostatique et magnétisme, en opposition frontale à la théorie de Biot. Il nomme cette unification l'électrodynamique (pas au sens actuel donc, mais en opposition à l'électrostatique : ici les charges, les mêmes que celles de l'électrostatique, bougent). Il y a alors l'électrodynamique (d'Ampère : théorie des aimants et courants électriques) et l'électrostatique (notamment la loi de Coulomb) qui ont sont basées sur les mêmes phénomènes mais cherchent encore des lois unificatrices (Maxwell).

Expérimente, établit la loi d'attraction entre deux éléments conducteurs (de laquelle se déduit celle entre deux circuits ou aimants quelconques, et donc celle de Biot et Savart).

C'est une révolution. Il restera à introduire la notion de champ, à comprendre l'induction, et à unifier électrostatique, magnétisme-électricité, optique, avec Maxwell.

Barlow : Invente le premier moteur électrique.

Navier, Stokes et d'autres : Navier (ingénieur) introduit la notion de viscosité (1823). Cauchy, Poisson, Saint-Venant participent en partant de la théorie élastique des solides. Stokes donne la forme définitive de l'équation en 1845.

L'obstacle majeur réside ensuite dans la résolution mathématique.

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

Contexte de révolution industrielle : il veut savoir si le rendement des machines motrices est limitée par un principe physique.
Il montre que le rendement maximal ne dépend pas du fluide utilisé.
Et indique que le rendement maximal est atteint si on évite les contacts entre pièces de trop grande différence de température.
Cependant, il utilise dans ses démonstration la conservation du calorique entre les sources chaude et froide, ce qui est erroné. Sera corrigé par Clausius, sans changer les conclusions.

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".

Auguste Comte : Fonde le positivisme scientifique. Renonce à la question du pourquoi, aux questionnements métaphysiques et religieux. L'objectif de la science est de produire une description et prédiction adéquate des faits, sans se soucier de ce que sont les choses réellement.

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).

À partir de cette époque, les enjeux technologiques deviennent essentiels : moteur électrique, transformateur, génératrices... Ces dernières sont d'abord à courant alternatif (Pixii en 1832, Jacobi 1834, etc...).

Clapeyron : Introduit les diagrammes p-V pour tracer le cycle qu'a proposé Carnot (deux adiabatiques, deux isothermes). Il participe à la diffusion des travaux de Carnot.

Tout comme Carnot avant lui, et Clausius après lui, il cherche à relier le travail extrait d'un cycle à l'échelle de température centimétrique $t$. Sans succès car manquant de données. Thomson renversera ce problème...

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.

Poiseuille, Hagen : loi de Poiseuille pour l'écoulement dans une conduite. Prend en compte la viscosité.

Nécessite de rendre compte de l'aspect non uniforme de la vitesse sur une section.

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

Clapeyron : Précise la notion de réversibilité.

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).

Le Verrier : Découverte de Neptune.
En 1781 puis de façon plus précise en 1821, on constate des écarts entre la trajectoire observée d'Uranus et celle déduite de la mécanique de Newton. On pense à une planète perturbatrice. Après deux ans de calculs, Le Verrier en déduit sa position, ce qui permet aux astronomes Galle et Arrest de l'observer à moins d'un degré de la position prédite.

Première découverte d'un objet céleste réalisée par prédiction théorique avant observation. Triomphe de la mécanique newtonienne.

Thomson (lord Kelvin) : Introduction de la température absolue (les degrés Kelvin). Elle est définie à partir du rendement d'une machine thermique, et telle que celui-ci se met sous la forme connue aujourd'hui. L'axiome de départ de Thomson est l'impossibilité du moteur monotherme.

En 1848, il raisonne encore avec le calorique et sa conservation. En 1854, il renverse la problématique usuelle (Carnot, Clausius, Clapeyron ou lui-même cherchaient à lier l'échelle $t$ au travail extrait via la fonction de Carnot : il décide de définir l'échelle $T$ à partir du travail extrait !). Il arrive, comme Clausius, à $\sum Q_i/T_i=0$ si réversible.

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 en contradiction avec la théorie corpusculaire de Newton. Renforce grandement la première.

Ceci avait été souligné dès 1815 par Fresnel.

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.

Clausius : Reprend et corrige les démonstrations de Carnot en les plaçant dans le cadre correct de l'équivalence travail-chaleur (Joule).

Il ne parle plus de calorique, mais de quantité de chaleur. Son point de départ est "la chaleur ne passe pas d'elle-même d'un corps froid à un corps chaud", et il arrive à $\int \delta Q/T\leq 0$ avec $T$ la température de l'échelle du gaz parfait (Amontons). En 1865, il définit la fonction entropie.

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.

Kirchhoff : Loi de Kirchhoff sur le rayonnement.

Maxwell : Théorie cinétique des gaz. Montre qu'a l'équilibre la distribution est maxwellienne. Formule pour la pression.

Suivrons la viscosité, la chaleur spécifique, etc...

Kirchoff, Bunsen : Inventent un spectroscope précis, montrent la correspondance entre raies d'émission et d'absorption, en déduisent que les atomes absorbent et émettent à des fréquences bien précises : c'est le troisième mystère inexpliqué par la physique classique.

Kekulé : Conférence, la première internationale du monde scientifique. Afin d'y discuter des notions d'atomes, de molécules, de leur existence, des nomenclatures... Présentations remarquables de Cannizzaro sur les travaux d'Avogadro.

Pas de consensus.

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.

Maxwell : Formulation des lois de l'électromagnétisme, équations de Maxwell. Synthèse entre électrostatique, magnétostatique, électricité et 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.

Pour Maxwell, ces ondes ce propagent à $c$ dans l'éther.

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

Partant du fait que $\delta Q_\text{rév}/T$ est une différentielle exacte, il nomme la différentielle associée $S$ entropie. Il termine par "l'énergie de l'univers est constante, l'entropie de l'univers tend vers un maximum".

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.

Massieu, Gibbs, Helmholtz, Planck : Notion de fonction caractéristique (par ex. $U(S,V)$). Potentiels thermodynamiques. Extension à la thermochimie.

Achève la thermodynamique phénoménologique.
Massieu 1869. Gibbs 1873. Par ex. Gibbs introduit $F$, $G$, $H$, et le potentiel chimique en 1878.

Boltzmann : Sort l'entropie de la thermodynamique et l'identifie avec l'entropie qu'il définit dans sa théorie statistique (via $S=k\log\omega$). Également théorème d'équipartition de l'énergie, et équation cinétique de Boltzmann.

Les idées de Boltzmann ne firent jamais l'unanimité de son vivant, essentiellement car l'existence même des atomes n'étaient toujours pas admise par la majorité des physiciens (sauf Maxwell, Gibbs et d'autres, et la majorité des chimistes...) jusque vers 1908 (travaux de Perrin). Il se suicide en 1906.

d'Almeida : Création du Journal de Physique Théorique et Appliquée.

C'est lui qui fonde la Société Française de physique deux ans plus tard.

Société Française de Physique : Création.

Van der Waals : Équation d'état.

Elle décrit pour la première fois gaz et liquide (raisonnablement pour ces derniers), et permet une description des isothermes d'Andrew, des paliers, du point critique.

Laboratoire Cavendish : Création du laboratoire Cavendish à Cambridge, l'un des tout premiers laboratoires expérimentaux d'université (jusque là, les expériences étaient réalisées chez les scientifiques dans des laboratoires privés). Fondé par Maxwell.

C'est le début de la création des grands laboratoires nationaux (par ex. Berlin en 1887). Le laboratoire devient le lieu clé de l'élaboration du savoir.

Marcellin Berthelot : Personnage central de la communauté chimiste française, aux postes importants, et opposant de la théorie atomiste. Cette dernière est donc de fait quasiment exclue du paysage français jusqu'à sa mort en 1907.

Attitude positiviste (inutile de supposer l'existence d'entités qu'on ne voit pas, seuls les faits observables comptent). Ses raisons pouvaient être en partie justifiées et son attitude change vers la fin de sa vie. Le Chatelier lui succèdera dans son hostilité aux atomes.

Convention du mètre : Signature de la convention par 17 états à Paris, et création du BIPM.

Stefan : Loi de Stefan (densité d'énergie en $\sigma T^4$).

Edison : Premier procédé de fabrication industriel de la lampe à incandescence. Le brevet est aussi tenu par le Swan.

Des lampes ont été mises au point dès 1835 (Lindsay), mais à courte durée de vie et sans projet industriel. À noter que prolonger la durée de vie des lampes sera un défi relevé au fil des années jusqu'à nos jours (filament de carbone, sous vide, de tungsten, etc...).

Ostwald, Rankine, Duhem, Mach, ... : Empirisme (ou positivisme). Ne croient plus en une explication mécaniste de tous les phénomènes (programme suivi depuis Descartes).

Mach écrit par exemple : "Pour rester fidèles à la méthode qui a conduit les chercheurs les plus illustres, Galilée, Newton, [...], nous devons limiter notre science physique à l'expression des faits observables, sans construire des hypothèses derrière ces faits."

Reynolds : Nombre de Reynolds.

Balmer : Après des mois d'essais, parvient à trouver que les fréquences des raies de l'atome d'hydrogène suivent la loi en $R(1/n^2-1/p^2)$. Rien de physique dans ce raisonnement, simplement une mise en forme des données.

L'adéquation avec les données atteint quatre chiffres significatifs : trop précis pour que cela soit une coincidence. Seule la série avec $n=2$ était observée, les autres simplement prédites par la formule, furent observées plus tard ! (Paschen 1908, Lyman 1906, Brackett 1922).

Michelson et Morley : Expérience montrant l'invariance de la vitesse de propagation de la lumière par rapport à la direction de propagation de la Terre.

C'est un premier pas vers les complications pour la théorie de l'ether, même si ces résultats pourront être concilié avec l'ether (en supposant une contraction des longueurs, Lorentz 1895).

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 $c$.

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.

À noter que dès 1864 Maxwell mentionne le terme en $\vec{v}\wedge\vec{B}$).

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.

Bien sûr, cela n'a pas été évident car plusieurs hypothèses ad-hoc pouvaient sauver la théorie de l'éther : contraction des longueurs dans le sens du mouvement (Lorentz, basée sur une description des interactions électrostatiques de cohésion de la matière, l'éther exerçant une sorte de force sur la matière en mouvement), mise en mouvement partielle de l'éther (Fresnel), mouvement des sources de lumière... C'est donc surtout de la nécessité d'en finir avec une théorie devenue un ensemble de règles arbitraires qui collent avec l'expérience mais ne prédisent rien face à une expérience nouvelle, et par souci de simplicité (l'éther étant perçu comme inutile) que la théorie de la relativité a pris le dessus.

Lenard : Découverte et lois de l'effet photoélectrique.

C'est en prolongeant les expériences sur les rayons cathodiques, en remplaçant les électrons envoyé sur la plaque métallique par de la lumière, que Lenard a découvert ces effets (seuil de fréquence, etc.). Hertz l'avait visualisé 10 ans plus tôt, mais avec un dispositif ne permettant pas beaucoup de mesures.

Wien : Loi de Wien sur le rayonnement.

Physical Review : Création du journal. Le volume 1 comporte 20 articles.

De 20 articles en 1894, on passe à 447 en 1950, à 3403 en 1980, etc...

Röntgen : Découverte des rayons X. Première radiographie.

À l'aide du rayonnement émis par la partie bombardée d'un tube cathodique. Röntgen reçoit pour sa découverte le premier prix Nobel de physique.

Wien, Rubens : Expériences de mesure du spectre émis par un corps noir. Prémisse de la catastrophe ultraviolette.

J. J. Thomson : Découvre l'électron en étudiant les "rayons cathodiques". Il estime sa masse à 1700 fois moins que celle du proton.

Les rayons cathodiques sont de la lumière produite dans des tubes à vide en présence d'une anode et d'une cathode. L'idée dominante était qu'il s'agissait de perturbations ondulatoires de l'éther (Hertz notamment). Les expériences de Thomson réfutent ceci. Prix Nobel en 1906.

Société américaine de physique : Création, avec 38 membres.

En 1980 : 36000 membres.

Rayleigh, Jeans : Calculent le spectre théorique émis par un corps noir avec des hypothèses classiques : catastrophe ultraviolette, ça ne colle pas du tout.

 : On dénombre environ 1000 physiciens en poste dans les universités ou laboratoire, dans le monde.

Rayleigh, Jeans : Loi de Rayleigh-Jeans.

Planck : Explique le spectre du corps noir en faisant l'hypothèse ad-hoc que l'énergie du rayonnement n'est échangée que par paquet discret. Introduit sa constante $h$. Fin provisoire de la catastrophe ultraviolette, même si le modèle est un peu ad-hoc...

Collectif : 150 ans de données précises sur les spectres d'absorption et d'émission des éléments se sont accumulées et restent incomprises. C'est, en ce début de siècle et avec le rayonnement du corps noir et l'effet photoélectrique, l'un des trois mystères qui mèneront à la première théorie quantique.

On peut mentionner Angström en 1862 pour les quatre raies centrale de l'hydrogène, etc.

Prix Nobel : Début de ces récompenses.

Gibbs : Fonde, à partir aussi des travaux de Boltzmann de 1871, la physique statistique.

Alors appelée mécanique statistique. Ensemble canonique et microcanonique. C'est une théorie issue de la mécanique rationnelle hamiltonienne, où le pont est fait avec la thermodynamique par identification des expressions dans $dU=...$.

Becquerel, Pierre et Marie Curie : Découverte de la radioactivité spontanée.

Prandtl : Introduit la notion de couche limite.

Avec aussi Blasius son élève. Explique la crise de trainée par la transition laminaire - turbulente.

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.

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

Einstein : Explique l'effet photoélectrique en introduisant la notion de photon, quanta d'énergie $E=h\nu$.

Ces travaux seront d'abord ignorés... Et Planck demande même d'en excuser Einstein lorsqu'il soutient sa candidature à l'académie de Prusse.

Rutherford : Approfondit les recherches sur la radioactivité.

Met en évidence les trois types de radiations ($\alpha$, $\beta$, $\gamma$), montre que la matière émettrice de radioactivité change de forme (ce qui explique la source d'énergie), introduit le temps de demi-vie (on comprendra plus tard que ceci met fin au déterminisme de la physique), identifie les particules $\alpha$ comme $\mathrm{He}^{2+}$, etc.

Rutherford, Geiger, Marsden : Découverte du noyau atomique, à l'aide de la diffusion de particules $\alpha$ sur une mince feuille d'or. Réfutation du modèle "pudding" de J. J. Thomson et Kelvin.

D'après le modèle de Thomson de l'atome-pudding, les déviations des $\alpha$ sont expliquées par un grand nombre de diffusions aléatoires par les atomes du matériau, et les grandes déviations, bien que possibles, devraient être bien moins probables que ce que l'on mesure. Il faut plusieurs années à Geiger et Marsden pour perfectionner les expériences. L'anomalie (le conflit entre les mesures et la théorie de Thomson) est alors solide.
En 1911 Rutherford propose un modèle où la déviation est expliquée par une seule collision, ce qui implique alors (étant données les grandes déviations observées parfois) une concentration de charge très localisée. Il propose donc un noyau de petite taille, entouré de façon diffuse de charges opposées. Il calcule la distribution de déviation qui en résulte, qui se trouve être compatible avec les données.
On parle alors du modèle nucléaire du noyau (la distribution des électrons n'étant pas claire : Perrin les pense orbitant dans toutes les directions, d'autres dans un unique plan, ou d'autres voient des électrons autour et dans le noyau). Notons aussi que l'expérience ne permet pas de connaître le signe du noyau.
Des expériences nouvelles viennent tester et confirmer ce modèle en 1912 : le noyau est de taille $<3\times10^{-14}\,$m, le reste des charges est distribué dans une sphère de l'ordre de $10^{-10}\,$cm.

Perrin : Conférence en 1911 qui, symboliquement, marque la conversion à l'atomisme de la communauté chimiste.

Congrès Solvay : Premier congrès. Rassemble les physiciens internationaux de premier plan. Un des premier congrès internationaux.

Bohr : Premier modèle quantique de l'atome. Pourtant semi-classique et assez ad-hoc, il retombe sur la formule de Balmer.
Evidemment, tous les modèles purement classiques échouaient.

Hypothèse 1, il y a des orbites où l'électrons ne rayonne pas (non classiques donc), telles que le moment angulaire de l'électron est $\sigma = n\hbar$. La constante de Planck est mise ici un peu contre toute attente à l'époque !
En utilisant la physique classique, il calcule le rayon des orbites, leur énergie, puis seconde hypothèse : la lumière émise par un atome correspond à la transition d'un électron entre deux niveaux. Il en déduit la formule de Balmer, avec la bonne valeur pour le coefficient $R$ à quelques pourcents près !

Einstein : Résolution de l'anomalie de l'avance du périhélie de Mercure.

Mal prédite par la théorie de Newton, on s'en rend compte vers 1860/80. On propose alors des modifications à la loi en $1/r^2$, ou l'existence d'une planète perturbatrice. Ce sera la relativité générale qui donnera la bonne réponse.

Positivisme logique (ou empirisme logique) : École philosophique menée par le cercle de Vienne. Aussi appelé néo-positivisme car prolonge le positivisme de Comte (~1830). Concernant la physique, affirme qu'il faut cesser d'utiliser des arguments métaphysiques invérifiables, qu'il faut batir la théorie et les concepts uniquement en partant de l'expérience et des faits, sans rien inventer (démarche inductive). Prone l'instrumentalisme : l'objectif de la physique n'est pas d'expliquer ce qu'est la réalité, mais de prédire le comportement des événements observables (inutile donc d'inventer des entités qui ne peuvent être observées directement).

Ils cherchent aussi un critère de démarcation science / non science : est scientifique un énoncé qui est vérifiable.

Rutherford : Découvre le proton.

De Donder : Affinité chimique. Parachève la thermodynamique chimique à la suite des travaux fondateurs de Gibbs.

De Broglie : Propose l'idée d'étendre la dualité onde-particule de la lumière à toutes les particules, même massives.

Selon lui, toute particule est accompagnée d'une onde "pilote" qui la guide. L'onde est maximale là où est la particule (c'est un paquet d'onde). La vitesse de groupe est la vitesse de la particule. Il déduit la formule $p=h/\lambda$ pour la quantité de mouvement.
Pour des électrons libres, il propose de tester ceci par diffraction d'électrons par le réseau d'un cristal.
Pour les électrons dans un atome, ceci explique la condition de quantification de Bohr par une simple condition de stationnarité de l'onde.

Bose, Einstein : Statistique de Bose-Einstein pour $N$ photons ou pour un gaz de $N$ particules (différente de celle de Boltzmann).

Le lien avec le spin n'est pas encore connu.

Pauli, Uhlenbeck, Goudshmit : Introduction du spin de l'électron.

Ceci afin d'expliquer l'effet Zeeman (split des raies dans un champ magnétique) anormal (car non expliqué par les théories de l'époque, ie celle des orbites de Bohr-Sommerfeld et leurs 3 nombres quantiques).
Il y a donc introduction d'un quatrième nombre quantique, associé à la valeur du spin, qui peut prendre deux valeurs.
Le spin est alors imagé comme une rotation de l'électron sur lui-même, tout en sachant cela imagé seulement.

Pauli : Formule son principe d'exclusion : deux électrons ne peuvent pas occuper le même niveau quantique, caractérisé par quatre nombres (dont celui de spin).

Ceci "explique" pourquoi les électrons ne s'amoncellent pas dans le niveau le plus bas, et donne un fondement à la table de Bohr (qui avait expliqué la classification périodique en supposant que les électrons sont groupés en couche, et que les propriétés chimiques dépendent essentiellement des électrons de la couche externe - ce qui est vrai - et avait déduit des Z des gaz rares que les couches ont 2, 8 et 18 électrons). En effet, $k$ et $m$ prennent des valeurs qui se déduisent des spectres de raies, $m_s=\pm1/2$, le comptage des possibilités fait alors apparaître les nombres magiques 2, 8 et 18 !

Heisenberg : Propose sa version de la théorie quantique qui, complétée dans la foulée par Born, Jordan et Pauli, devient la mécanique quantique matricielle. Elle explique toutes les fréquences de l'atome d'hydrogène, et rend caduque l'ancienne théorie quantique des orbites de Bohr-Sommerfeld.

La théorie abandonne toute représentation visuelle de l'atome ou des électrons. Elle devient un formalisme mathématique abstrait... qui marche !
Fait remarqué : la non commutativité du produit matriciel de $p$ et de $q$.

Dirac : Propose sa version de la mécanique quantique. Il montrera ensuite qu'elle est équivalente à celles de Heisenberg et Schrödinger.

Fermi-Dirac : Statistique pour les électrons et lien avec l'antisymétrie de la fonction d'onde à $N$ électrons.

Le lien entre spin et statistique n'est pas encore clair.

Klein, Gordon et d'autres : Équation de Klein-Gordon (mécanique quantique relativiste, mais sans champ quantifié).

Schrödinger : Propose de décrire les systèmes quantiques par une fonction d'onde $\Psi$ solution de son équation de Schrödinger. Naissance de ce qu'on appellera la mécanique quantique ondulatoire. Il manque néanmoins l'aspect corpusculaire et le lien avec la densité de probabilité.

Cette théorie est une alternative à celle des matrices d'Heisenberg. Elle explique les positions des raies des atomes : les états électroniques sont des solutions stationnaires de l'équation de Schrödinger. Les nombres quantiques $n$, $l$, $m$ ont à voir avec le nombre de nœuds des solutions. N'explique cependant pas les aspects corpusculaires, ou difficilement, car purement ondulatoire sans dualité onde-particule.

Born : Interprète $|\Psi|^2$ comme la densité de probabilité de la particule, réconciliant ainsi les aspects ondulatoires et corpusculaires. Énonce l'idée de la superposition d'états quantiques, chacun ayant sa probabilité donné par la fonction d'onde associée.

Davison et Germer : Expérience d'interférences avec des électrons. Montre la nature ondulatoire de la matière.

L'expérience consiste à envoyer des électrons sur une cible en nickel. Chaque atome du cristal de nickel agit comme un centre diffuseur : il s'agit d'interférences à $N\gg1$ ondes.

G. P. Thomson : Montre la nature ondulatoire des électrons dans une expérience de diffraction.

Son père, J. J. Thomson, avait lui prouvé la nature corpusculaire des "rayons cathodiques" - donc des électrons ainsi découverts.

Heisenberg : Énonce son principe d'incertitude sur la mesure simultanée de certains couples de grandeurs.

Bohr, Heisenberg : Interprétation de Copenhague, ou "orthodoxe" de la mécanique quantique, donnée par Bohr dans une série de conférences, et qui pour la première fois réunissent tous les aspects de la théorie quantique actuelle.

Points clés : la complémentarité (onde - particule par exemple), l'inexistence des grandeurs tant qu'elles ne sont pas mesurées. Le problème de la mesure reste entier jusqu'à aujourd'hui et d'autres interprétations existent.

Congrès : Congrès de Solvay. Thème : mécanique quantique. Débat entre Einstein et Bohr.

Dirac, Heisenberg, Bohr, Schrödinger, Planck, Einstein, Born, Pauli, De Broglie, Marie-Curie... tous sont présents.

Dirac : Équation de Dirac. Elle permet la description quantique et relativiste de l'électron. Elle prédit l'existence de son spin, et la valeur approchée de son moment magnétique. Elle prédit l'existence de l'anti-électron, ou positron (observé triomphalement en 1932).

Confirmée par la description très précise du spectre de l'hydrogène (elle donne en quelque sorte l'ordre 0 - à noter que c'est une équation quantique relativiste, comme l'équation de Klein Gordon, mais le champ n'est pas quantifié).

Heisenberg, Pauli, Jordan, Wigner... : Première formulation d'une théorie quantique des champs (cadre général d'idées et d'outils permettant de formuler des théories quantiques et relativistes).

Le nombre de particules n'est plus fixé (on parle de seconde quantification), mais fluctue à mesure des créations et annihilations. Problème (encore aujourd'hui) : on ne sait pas exprimer exactement les solutions. Les développements perturbatifs fonctionnent, mais les développer à un ordre trop élevé donne des infinis : ce sera un problème majeur dans les années 30.

Weyl : Concept de symétrie de jauge (plus tard utilisé pleinement pour construire la QED).

Pour imposer un lagrangien $L$ invariant sous multiplication par $\text{e}^{i\alpha(x)}$, il faut introduire dans $L$ des termes supplémentaires dans lesquels interviennent un quatre vecteur $A_\mu$ : c'est le champ du photon, et imposer la symétrie fixe le terme d'interaction dans $L$. Cette recette sera reprise pour pour les autres interactions.

Théorie quantique des champs : Cadre général d'idées et d'outils permettant de formuler des théories quantiques et relativistes. Le nombre de particules n'est plus fixé (on parle de seconde quantification), mais fluctue à mesure des créations et annihilations. Naissance vers 1929 avec Heisenberg et Pauli, puis de nombreux contributeurs font fructifier ces idées.

Le calcul en perturbations fait apparaître des infinis, mais l'idée de la renormalisation est proposée vers 1947 par Hans Bethe : on cache les infinis dans des grandeurs que l'on sait expérimentalement définies comme la masse des particules. Le désavantage est que cette théorie ne peut pas prédire les valeurs des masses ou des charges.
Feynman propose ses diagrammes et sa formulation par l'intégrale de chemin. Dyson unifie les approches en 1950.
Appliquée à l'interaction électromagnétique, on parle de théorie de l'électrodynamique quantique. Elle prédit des valeurs du moment magnétique de l'électron ou du décalage de Lamb extrêmement précises.
Le formalisme de la théorie des champs sera réutilisé pour les interactions faibles et fortes.

Voir la chronologie "modèle standard" pour des détails.

Pauli : Postule l'existence du neutrino afin de rétablir la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement dans les désintégrations beta.

Ces lois de conservation avaient été mises en doute, par Bohr notamment.

Chadwick : Découvre le neutron. Tous les constituants de l'atome sont alors connus !

Mais le modèle de l'atome n'est pas immédiatement clair. Il est d'abord pensé que les neutrons sont composés d'un électron et d'un proton, et que des électrons sont donc dans le noyau. Tout devient clair quand la désintégration béta est comprise par Fermi vers 1933-34 : l'électron ne vient de nul part, il est créé.

Anderson : Observation du positron (dans les chambres à brouillard).

Confirme la prédiction théorique de Dirac.

Lawrence : Fabrication du 1^er cyclotron. On passe progressivement de la chasse aux particules (observation des rayons cosmiques, de la désintégration naturelle) à l'ère des accélérateurs de particules.

Fermi : Première théorie quantique des champs de l'interaction faible, qui explique correctement les désintégrations beta. Conceptuellement importante car montre que l'électron est créé (et n'était pas dans le noyau).

Fonctionne bien en première approximation. Mais non renormalisable. La théorie plus exacte sera celle électrofaible.

Popper : La démarche scientifique est caractérisée par des propositions d'hypothèses qui sont testées expérimentalement : elles sont soit corroborées soit réfutées. Il souligne l'asymétrie entre corroboration et réfutation.

Le vérificationisme du cercle de Vienne étant impossible, il le remplace par le caractère falsifiable. D'autre part, il s'accorde avec eux sur la stérilité du verbiage, mais est en désaccord avec leur volonté de se passer d'hypothèses spéculatives et avec leur idéal (inatteignable) de tout construire à partir des faits seuls. Sa démarche aura été beaucoup caricaturée par la suite, sous la forme d'un "falsificationnisme naïf" qu'il n'a jamais défendu.

Einstein : Écrit beaucoup sur l'épistémologie. Les concepts sont des inventions libres de l'esprit humain. Monde des idées et monde des faits. Les hypothèses sont formulées puis testées expérimentalement. Il est en accord avec la vision de Popper, avec le formalisme hypothético-déductif. Avec une forme de positivisme aussi, puisqu'il met en cause les a priori les plus fondamentaux (espace et temps).

Schrödinger : N'aimant pas l'interprétation de Born et ses états superposés, il propose le "paradoxe" du chat dans la boite. Début du problème de la mesure...

Einstein, Podolsky, Rosen : Paradoxe EPR afin de mettre en défaut la théorie quantique.

D'après la théorie quantique, une mesure sur un photon corrélé avec un autre provoque l'effondrement de la fonction d'onde du second photon, lui donnant une valeur de spin définie, et ce instantanément. C'est en contradiction avec les idées de la relativité : c'est donc que les spins seraient déterminés d'avance, avant la mesure ? Y aurait-il des variables "cachées" ? Réponse négative avec les expériences de Bell : pas de variables cachées locales.

Anderson : Découverte du muon lors de l'étude des rayons cosmiques et des trajectoires produites dans les chambres à brouillard.
La situation reste toutefois confuse jusqu'en 1947 car on pense que ce muon est le pion décrit par la théorie de Yukawa (ce qu'il n'est pas).

Première découverte d'une particule d'une autre famille. Aujourd'hui, on ne sait toujours pas expliquer pourquoi il y a trois familles (électron, muon, tau).

Projet Manhattan : Conception des deux premières bombes atomiques (une à l'uranium, l'autre au plutonium). De nombreux scientifiques y contribuent, dont Oppenheimer.

Aux États-Unis, le succès des scientifiques américains pour réaliser la bombe atomique a fait que l'État américain a largement financé la science après la guerre.

CNRS : Création du CNRS, organisme de financement de la recherche française.

Il s'agit de la continuité d'anciens organismes : caisse des recherches scientifiques (1901), caisse nationale des sciences (1933), etc. L'objectif de l'État est à chaque fois de financer la recherche avec un intéressement pour les bénéfices pour la Nation (défense, énergie...).

Pauli, Belinfante : Preuve de la connexion entre spin et statistique.

Que les photons suivent Bose-Einstein et les électrons suivent Fermi-Dirac avait été montré en 1924 et 1926, mais sans preuve générale, qui utilise la TQC.

CEA : Création du CEA pour mener le programme atomique français (De Gaulle).

Grands projets : Après 1945, la science entre dans une ère où beaucoup d'expériences ne peuvent plus se faire au sein d'une université, mais nécessitent de grands instruments ou des moyens couteux. C'est le début des consortiums inter-laboratoires ou internationaux (accélérateurs de particules, spatial, nucléaire...).

Collectif : Accord entre les spectres de l'hydrogène et les premières corrections données par l'électrodynamique quantique. Succès.

Dans la foulée, la théorie est mieux comprise (cf renormalisation).
Il reste très difficile de mener ce type de calculs. Moment magnétique de l'électron :
- L'équation de Dirac donne l'ordre 0, mais le champ n'est pas quantifié. Années 40 : on mesure un facteur $1,00118\pm0.00003$ d'écart avec la valeur de Dirac.
- Travail de Feynman, Schwinger. Facteur théorique $1+\alpha/(2\pi) = 1.00116$ par rapport à Dirac. Triomphe (1948).
- Ordre 4 en $\alpha$ en 1980 seulement.

Hans Bethe : Renormalisation pour traiter les divergences en théorie quantique des champs. On cache les infinis dans des grandeurs que l'on sait expérimentalement définies comme la masse ou charge des particules. Appliqué à l'électrodynamique quantique (mais à l'époque, pas applicable ainsi aux théories des interactions faibles et fortes).

Justifié par le fait qu'on sait qu'à haute énergie la théorie n'est plus valable : les intégrales n'ont en fait pas à converger, elles doivent être coupées. On parle de théorie effective des champs. C'est le cas du modèle standard.

Le désavantage est que la théorie ne peut pas prédire les valeurs des masses ou des charges.

Bardeen, Shockley et Brattain : Invention du transistor. Composant de base de tous les appareils électriques actuels. Le principe est basé sur des résultats de la mécanique quantique sur les semi-conducteurs. Prix Nobel en 1956.

Yukawa, Lattes : Découverte du pion (un méson), qui dans la théorie de Yukawa - théorie des champ appliquée à l'interaction nucléaire - explique les interactions attractives entre protons et/ou neutrons via l'échange de pions.

Succès mitigé car la constante de couplage de cette théorie est de l'ordre de 15 (comparer à $\alpha=1/137$), ce qui fait que tout développement perturbatif échoue.

On ne connaissait pas encore l'existence des quarks, et donc pas l'existence d'une interaction plus fondamentale (l'interaction forte) entre quarks, de laquelle émerge l'interaction nucléaire.

On connaissait alors proton et neutron (liés par l'interaction nucléaire médiée par le pion), l'électron (électromagnétisme avec le proton), le neutrino (interaction faible de Fermi) et on pensait que cela suffirait. Le muon vient alors semer la pagaille...

Feynman, Dyson : À la suite des idées de Bethe, la QED atteint une forme mature. Feynman propose ses diagrammes et sa formulation par l'intégrale de chemin. Dyson unifie les approches en 1950. C'est l'électrodynamique quantique, théorie de l'interaction électromagnétique.

Elle prédit des valeurs du moment magnétique de l'électron ou du décalage de Lamb extrêmement précises.
Le formalisme de la théorie des champs sera ensuite réutilisé pour les interactions faibles et fortes.

 : Difficultés de la théorie quantique des champs (TQC) : l'interaction forte entre nucléons a une constante de couplage trop grande, l'interaction faible n'est pas bien traitée non plus (théorie de Fermi non renormalisable). On tente d'autres approches. Ce sera finalement la TQC qui reviendra victorieuse dans les années 60-70 (interaction forte, quarks, SU(3) ; interaction électrofaible).

Mc Millan, Kemmer : Découverte expérimentale - avec le synchrotron de Mc Millan - du pion neutre $\pi^0$, prédit théoriquement des années plus tôt par Kemmer (par des arguments de symétrie).

Observation compliquée car il est neutre : elle est indirecte, lorsqu'un proton atteint une énergie supérieure à $m_\text{pion}c^2$ il y a observation de particules secondaires, issues (selon la théorie) de la production puis désintégration d'un pion neutre intermédiaire.

Luder, Pauli... : Preuve du théorème de symétrie CPT . Toute théorie quantique des champs locale invariante au sens de Lorentz avec un hamiltonien hermitien doit posséder une symétrie CPT.

Ainsi, une violation de la symétrie CPT impliquerait une violation de l'invariance de Lorentz, ce qui serait dramatique.

Collectif : Tout un zoo de particules (K-mesons, hyperons...) sont découvertes dans les traces des chambres à brouillard placées dans des observatoires d'altitude (rayons cosmiques). Elles ne sont pas clairement identifiées : il faudra attendre les accélérateurs.

Bohm : Propose une autre formulation de la mécanique quantique : la théorie de De Broglie-Bohm de l'onde pilote.

Équivalente à la théorique quantique orthodoxe pour ce qui est des résultats, cette théorie possède un contenu ontologique différent : la particule existe toujours et est guidée par la fonction d'onde, selon un potentiel qui en dépend. La fonction d'onde suit l'équation de Schrödinger habituelle.

CERN : Création du CERN, organisme multinational. Ces années sont le début des grands instruments, qui ne peuvent être financés que par plusieurs pays.

Par exemple Rontgen pratique seul, dans un laboratoire d'une pièce, en 1895. Le boson W est découvert via un consortium de centaines de personnes avec une machine de plusieurs kilomètres en 1983.

Yang et Mills : Avancées importantes dans la théorie de l'interaction faible :imposent une invariance de L sous transformation locale de jauge, théorie électrofaible SU(2)xU(1), etc.

Prigogine : Introduit les notions d'entropie créée et échangée et formule le 2nd principe comme $\Delta S = S_{creee}+S_{echangee}$. Il le fait dans le cadre de l'étude de processus très hors équilibres (réactions chimiques, transports et diffusions, systèmes biologiques, sociétaux...).

S'inscrit dans la suite, par exemple, des travaux de Onsager sur la thermodynamique hors équilibre. Il est intéressant de faire apparaitre $S_\text{créée}$, de le calculer, de voir dans le processus à quels endroits il intervient, pour justement caractériser ces processus. Utilise l'équilibre thermodynamique local.

... : Observation du neutrino, 26 ans après l'hypothèse de son existence.

Lee, Yang, Wu : Mise en évidence expérimentale de la violation de la symétrie P pour l'interaction faible (expérience noyaux cobalt 60).

Ceci permet de perfectionner la théorie des champs de l'interaction faible. Mais elle conserve des lacunes (non renormalisable, ...). Il faudra attendre la théorie des champs de l'interaction électrofaible (cf 1968) pour palier à ceci.

Spoutnik : Premier satellite (Russie). La course à l'espace provoque un afflux d'investissement gigantesque dans la recherche scientifique liée (programme Apollo en 1961).

Bunge : Propose un schéma assez général de la méthode scientifique sur la base émission d'une idée par tout moyen, déduction de conséquences, tests, etc.

... : Développement de la théorie de la matrice S, alternative à la formulation perturbative (à la Feynman) de la théorie quantique des champs. Car en effet, cette dernière semblait bien impuissante pour s'attaquer aux interactions faibles et fortes. Mais le programme "S-matrix" n'aboutira pas et sera abandonné.

Nambu : Idée du mécanisme de brisure spontanée de symétrie pour générer la masse des particules.

Kuhn : Les épisodes de science normale (où les théories ne sont pas remises en cause) sont séparés par des périodes de crises (révolution scientifique), où la pratique de la science devient extra-ordinaire car elle ne suit pas ou peut le cadre usuel. Insiste sur les aspects sociaux et psychologiques durant cette phase. La science normale est émaillée d'anomalies ou d'énigmes, persistantes ou non, qui peuvent ou non mener à un état de crise.

L'alternance de phases normales/extraordinaires a été largement contestée, et affaiblie par les écrits postérieurs de Kuhn lui-même. Elle permet toutefois de distinguer "travail sur la théorie" et "travail sur un modèle avec une théorie donnée", ces deux activités ayant lieu en quasi permanence dans la physique contemporaine.

Gell-Mann, Zweig : Imaginent que les hadrons ne sont pas des constituants élémentaires, mais sont constitués de ce que Gell-Mann nomme des quarks.
Ceci permet de comprendre le grand nombre de particules observées, de prédire l'existence d'autres observées plus tard.
Leur existence est déduite d'arguments de symétrie.
De trois quarks au départ, on passera à 6 au fil des années (charm prédit en 1964, bottom et top prédits en 1973 et observés en 1977 et 1995).

Les quarks sont sensibles aux trois interactions (faible, forte, électromagnétique).
Dans les années 60, on les considère comme une fiction utile, sans existence physique. Puis cette attitude change.

Bertozzi : Expérience montrant que l'énergie cinétique des particules atteint une valeur limite lorsque $v$ tend vers $c$.

Ceci est en contradiction flagrante avec la mécanique classique, et en accord avec la relation $E_c=(\gamma-1)mc^2$.

Cronin, Fitch : Observation de la violation de la symétrie CP (expérience avec des kaon neutres). Expliquée en postulant que l'interaction faible fait se transformer les quarks, et en postulant l'existence des quarks top et bottom.

La symétrie T est aussi violée. On pense toutefois que la symétrie CPT, elle, est vérifiée (arguments théoriques très généraux).

Higgs, Brout, etc. : Mise au point de la théorie qui explique l'acquisition de masses par les bosons de l'interaction faible, et par suite par les autres particules : postulat de l'existence du boson de Higgs, de spin nul et massif. Toutes les particules massiques intéragissent avec lui, ce qui les ralentit, donc pas les photons par exemple.

Bell : Formule les inégalités de Bell, desquelles un test expérimental permettra de réfuter le paradoxe EPR en prouvant la réalité de la non localité.

Plus précisément, si les inégalités de Bell sont violées, alors c'est qu'il faut renoncer soit au principe de localité (auquel cas une action sur une particule peut avoir une influence instantanée sur une autre), soit à la causalité, soit au réalisme (par exemple il pourrait y avoir des variables cachées non locales). On renonce en général à la localité, car ceci est en accord avec l'esprit de la théorie quantique et "pas trop génant" conceptuellement.

SLAC : Mise en évidence des quarks par expérience de diffusion d'électrons envoyés sur des protons (similaire à l'exp. de Rutherford).

Weinberg, Salam, Glashow : Mise au point de la théorie des champs pour l'interaction électrofaible (U(1)xSU(2)). Elle comble les lacunes des précédentes théories de l'interaction faible (celles de Fermi, ou de Yang et Mills). Renormalisable. C'est elle qui est dans le modèle standard. Elle prédit l'existence de quatre bosons : W^+/-, Z⁰, et photon. Ils sont tous sans masse, mais une brisure de symétrie fait acquérir une masse aux trois premiers (ce sera clarifié plus tard avec le mécanisme de Higgs).

Lakatos : Propose le schéma des "programmes de recherche". Sorte de falsificationnisme sophistiqué qui prend en compte les vues de Popper, Kuhn et d'autres.

Un programme de recherche est un ensemble de théories en développement ou en usage. Un programme n'est jamais complet : il y a en permanence existence d'hypothèses réfutées à un certain degré par l'expérience ou d'incohérences dans la théorie, qui deviennent clarifiés ou non. Un bon programme explique des faits nouveaux, en prédit ou en explique d'inattendus. Il faut l'abandonner s'il dégénère en recourant de plus en plus à des hypothèses ad-hoc pour expliquer les faits nouveaux. De plus, tout programme a droit à une phase initiale ou toute exploration est permise (pas de réfutation hative). Cette méthodologie a l'avantage d'être plus nuancée que les deux phases de Kuhn, car un programme évolue continuement. Par ex le programme Newtonnien est toujours en usage.

 : Retour en force des TQC, avec un nouveau point de vue, celui de théorie de jauge. Les interactions sont médiées par des bosons, avec un groupe de symétrie associé.

Dirac et les pionniers voyaient les TQC comme une description ultime de la nature, ceci change : on n'a que des ``effective field theory'', qui décrivent approximativement la nature à basse énergie, la théorie ultime étant inconnue. Ceci rend acceptable les TQC non renormalisables (cette idée vient de la matière condensée, avec par ex. Wilson (années 60) qui développe une TQC effective des phénomènes critiques : très naturel car on connait la physique à petite échelle, les électrons etc, sans savoir résoudre les équations). En physique des particules, c'est la physique au dela d'une certaine coupure qu'on ne sait pas décrire. Une TQC normalisable est telle que les prédictions ne vont plus dépendre de cette coupure (les basses énergies sont indépendantes des hautes). De 1960 à 70, l'étude des TQC renormalisables mène au SM.

Politzer, Wilczek, Gross : Mise au point de la chromodynamique quantique : description de l'interaction forte entre les quarks.
Analogue avec l'électrodynamique quantique : ici la charge n'est pas électrique mais de couleur (et il y en a trois type), le boson médiateur n'est pas le photon mais les gluons (il y en a 8), et ces bosons médiateurs sont eux-mêmes chargés (de couleur), comme si le photon avait une charge électrique.

L'interaction nucléaire entre nucléons en résulte.

CERN : Mise en évidence de l'existence des courants neutres, indice fort de l'existence du boson Z⁰. Succès car prédit par la théorie de l'interaction électrofaible U(1)xSU(2).

Années 1975 : les expériences deviennent de plus en plus "grandes" : grandes équipes, production massive de données à traiter numériquement, détecteurs immenses...

Perl : Découverte du tau, 3^ème lepton après l'électron et le muon.

Les leptons sont des fermions (spin 1/2). Ils n'ont pas de couleur (charge de l'interaction forte) donc ne sont pas sensibles à l'interaction forte, mais sont sensibles à la faible et à l'électromagnétique.

Feyerabend : Publie "contre la méthode", qui suggère que la science avance sans suivre aucun des schémas proposés par les épistémologues, mais de façon anarchique (ie sans restriction méthodologique). Il conclut en acceptant la méthodologie de Lakatos, qu'il interprète comme étant en fait anarchiste.

Il a certainement raison en ce qui concerne la naissance des théories (contexte de découverte), la façon dont elles vivent et dont elles sont abandonnées. Le contexte de découverte (CD) pour aboutir à une théorie bien établie peu prendre beaucoup de temps, et on passe d'abord par une phase plus anarchiste, où la rationalité est ambigue (effets de mode, on ignore les faiblesses et falsifications patentes de la théorie ou ses incohérences logiques internes, arguments rhétoriques, etc.). Par exemple la mécanique initiée par Galilée est insuffisamment justifiée jusque vers 1800 peut-être.
En revanche, Feyerabend va parfois trop loin en mettant sur un pied d'égalité la science et d'autres activités (magie, astrologie, vaudou...). Ne pas oublier que la science utilise un procédé de justification assez systématique, qui certes évolue lentement entre 1600 et 2000 et dépend des disciplines, mais avec toujours la volonté de preuve via un accord expérience (ou observations) / théorie.

Collectif : Le modèle standard des particules atteint sa forme définitive. C'est une théorie qui décrit les interactions électromagnétique, faible et forte (U(1)xSU(2)xSU(3)), et qui classifie toutes les particules subatomiques connues. Le formalisme et les outils sont ceux d'une théorie quantique des champs. Il explique le zoo des particules et leurs propriétés, et prédit correctement et précisément beaucoup d'observables.

Parmi les défauts, on relève : le fait qu'il y a beaucoup de paramètres dont les valeurs sont non prédites (17 paramètres indépendants sans dimensions ne peuvent qu'être déterminés expérimentalement) ; des neutrinos de masses nulles ; sa construction parfois ad-hoc (pas d'explication de la violation de la parité, des trois familles) ; échoue nécessairement à très haute énergie.

Toutes les implications mathématiques de cette TQC ne sont pas maîtrisées, ni ses équations solubles.

Aspect : Expériences démontrant expérimentalement la violation des inégalités de Bell.

CERN : Confirmation de l'existence des bosons $W^{+/-}$, puis $Z^0$, de l'interaction faible (collisionneur proton-anti proton). Succès car prédits par la théorie électrofaible.

Une idée de leur masse avait aussi été prédite suite aux mesures sur les courants neutres. Cette expérience n'a pu être mise en place que parce que la théorie avait prédit de façon convaincante lesdits bosons et l'idée de leur masse.

Laudan : Décrit les "traditions de recherche", schéma qui veut améliorer ceux de Popper, Kuhn et Lakatos.

Chalmers : Propose encore un autre schéma d'évolution de la science, plus large et nuancé. Il raffine celui de Lakatos.

Il explique le choix entre programmes de recherche en termes de degré de fécondité (nombre d'opportunités objectives qu'il contient, ie de voies de développement théoriques, expérimentales, etc.).

Arxiv : Création du serveur de prépublications en ligne.

Divers : Ian Hacking entres autres a nuancé les méthodologies de Popper, Kuhn, Lakatos, Laudan, Chalmers... en indiquant qu'aucune ne convient vraiment.

Il semble que toutes ces études fournissent autant de clés de lecture qui, bien que pertinentes, ne sont pas exclusives et toujours un peu inexactes. Le rêve qui a tenu jusqu'aux années 1960, d'une démarche scientifique unique, est terminé. Les études épistémologiques, historiques ou sociales, fournissent seulement (mais c'est aussi beaucoup) une boite à outils dans laquelle piocher pour interpréter la construction et l'utilisation des sciences (physiques ou autres).

CERN : Confirmation de l'existence du boson de Higgs, prédit en 1964 par des considérations théorique (mécanisme pour avoir des bosons massifs dans la théorie électrofaible).