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    Dossier: Univers

    De la forme à la force

    Jocelyn Giroux

    De la forme à la force comme principe explicatif de l'univers.

    En choisissant le cercle, la forme parfaite comme principe explicatif de l'univers, Galilée a été le dernier des Anciens alors qu'il avait été le premier des modernes par ses théories sur le mouvement. Après lui il n'y aura plus de partisan de la forme; c'est la force qui deviendra le principe explicatif de l'univers. On verra certes encore de belles figures dans les raisonnements scientifiques; toutefois leur raison d'être ne sera pas leur beauté intrinsèque, mais, comme dans le cas de la parabole, le fait qu'elles illustrent des lois et traduisent des faits d'observation.

    Nous disions précédemment que la révolution copernicienne peut être considérée comme l'événement le plus important de l'histoire de l'humanité. L'essence de cette révolution qui s'est poursuivie depuis Galilée jusqu'à Newton c'est précisément le passage de la forme à la force. « Je suis une force qui va » dit un personnage du théâtre de Victor Hugo. Si l'univers tel que nous le concevons depuis trois siècles pouvait parler, c'est en ces termes qu'il parlerait.

    Le monde supralunaire, immuable dans sa perfection, a disparu. L'univers tout entier est soumis au devenir du monde sublunaire. A l'homme fixe contemplant un univers fixe se substituera un homne en mouvement évoluant sur une trajectoire parallèle à celles des images changeantes qu'il se donne de l'univers à mesure qu'il avance dans l'analyse des forces multiples qui y sont à l'oeuvre.

    L'univers perd sons sens, son unité; l'homme y gagne en puissance sur lui. Et moins il aura de raisons profondes de l'aimer, plus il lui sera facile de le transformer pour satisfaire des idéaux, non plus métaphysiques, mais terrestres : le bien-être pour le plus grand nombre.


    Force et Forces

    En employant le mot force au singulier comme nous l'avons fait nous avons commis un grave contresens. Bien que certains savants prétendent qu'ils pourront un jour unifier les forces connues, la science en est actuellement à l'analyse de forces multiples, au nombre de quatre.

    La première, dite interaction forte, est aussi appelée force nucléaire forte. Elle assure la cohésion du noyau atomique en maintenant associés les protons et les neutrons qui le composent tout comme elle lie les particules élémentaires appelées quarks qui constituent les protons et les neutrons. Elle est la plus puissante des forces connues. Pour la situer par rapport aux autres forces, nous supposerons qu'elle a la valeur 1.

    L'interaction faible, ou force nucléaire faible est la moins bien connue des quatre forces. Elle intervient dans la transformation des protons en neutrons et vice-versa; elle serait aussi présente dans la radioactivité de quelques éléments chimiques. Elle est d'une puissance approximative de 10 exposant -13.

    La force électromagnétique explique les interactions entre les particules chargées électriquement. C'est elle qui maintient les électrons autour du noyau tout comme elle relie les atomes qui composent les molécules. La force électromagnétique se rattache au phénomène de la lumière et des autres formes de radiations telles les ondes radio, les rayons X ou les rayons gamma. La puissance de la force électromagnétique serait à peu près de 10. La force gravitationnelle consiste en l'attraction universelle de toutes les particules de matière. Elle lie l'ensemble des astres de l'univers. Elle représente 10 exposant -38 de la force nucléaire forte.

    Actuellement des théories de grande unification proposent une synthèse des forces nucléaires forte et faible et de la force électromagnétique en une force électro-nucléaire. Il resterait à réaliser une plus grande unification encore, celle de la force gravitationnelle et de la force électro-nucléaire pour relever l'ultime défi de la science contemporaine.

    Pour comprendre la nature et la signification précise de ce défi, il nous faut d'abord étudier une à une les quatre forces identifiées, en commençant, bien entendu par celle que Copernic, Kepler et Galilée avaient entrevue et à laquelle Newton attachera son nom : la force gravitationnelle. Elle fut la première des forces connues. Elle est aussi la plus faible.

    FORCE GRAVITATIONNELLE

    « Nous sommes des nains montés sur les épaules des géants ».47 [Newton]

    Supposons qu'on admette le principe d'inertie; tout corps en mouvement continue à se mouvoir en ligne droite à moins qu'une force extérieure ne s'exerce sur lui. Supposons qu'on admette d'autre part la découverte de Kepler selon laquelle le mouvement des planètes est elliptique. Il resterait alors à préciser la nature de la force qui s'exerce sur le mouvement du corps de telle sorte qu'il devienne elliptique plutôt que de demeurer linéaire. Telles étaient les données du problème dont la solution fut la découverte de la force gravitationnelle.

    Au même moment, Huyghens étudiait la force centrifuge : une corde reste tendue lorsqu'elle tourne alors qu'un caillou est attaché à son extrémité. Si on lâche la corde le caillou s'en va en ligne droite, comme l'avait prévu Descartes. La lune devrait se mouvoir en ligne droite à moins qu'une force émanant de la terre ne s'exerce sur elle! C'est ici que se situe l'intuition géniale de Newton. La pomme tombe par terre lorsqu'elle se détache de l'arbre. C'est donc qu'une force l'attire vers le bas. Et si la même force s'exercait sur la lune, mais pas suffissamment pour la faire tomber sur terre, juste assez pour qu'elle dessine une ellipse?

    Nous voici au seuil d'une découverte qui modifiera à jamais la vision que les hommes se font du monde.

    Suivons Newton pas à pas :

    lre loi

    Tout corps au repos ou animé d'un mouvement rectiligne uniforme garde cet état à moins qu'une force n'agisse sur lui. Il s'agit d'une reformulation du principe d'inertie.

    2e loi

    La deuxième loi de Newton, la loi fondamentale de la dynamique, introduit les notions de masse d'inertie et de masse gravitationnelle qui permettront d'expliquer le fait que tous les corps terrestres tombent avec une accélération égale et uniforme.

    La masse d'inertie d'un corps est l'effort fourni pour donner à un corps une accélération précise. Elle est en d'autres termes la résistance qu'offre un corps à un changement de mouvement.

    F = m a
    F : force
    m : masse d'inertie (masse inerte)
    a : accélération
    La masse gravitationnelle (le poids) est l'effet de la force gravitationnelle sur un corps.

    Newton a posé le principe que ces deux masses sont égales*, ce que l'expérimentation confirme.

    Les deux types de masse permettent de comprendre pourquoi tous les corps en chute libre tombent à la même vitesse; le rapport entre la résistance au changement (masse d'inertie) et la force d'attraction (masse gravitationnelle) est toujours le même (=1). La résistance au changement d'un corps « léger » est moindre que celle d'un corps « lourd »; l'attraction qu'exerce la terre sur le corps « léger » (sous réserve de la troisième loi de Newton) est aussi moindre que celle qu'elle exerce sur un corps lourd. Les deux tomberont donc à la même vitesse.

    Sur terre, les corps tombent avec une accélération d'environ 9,80665 mètres/seconde par seconde.

    On peut admettre que la Terre exerce sur la lune une force d'attraction qui transforme le mouvement linéaire de cette dernière en un mouvement différent. Mais pourquoi ce mouvement est-il elliptique plutôt que circulaire? La troisième loi de Newton contient la réponse à cette question.

    Présisons d'abord que la force d'attraction de la Terre n'est pas absolument identique sur toute sa surface. Elle est légèrement plus forte par exemple au pôle Nord qu'à l'équateur. La masse gravitationnelle varie en conséquence. La force gravitationnelle est ainsi définie :

    F= mg g

    mg : masse gravitationnelle

    g : force d'attraction par unité de masse

    g peut varier légèrement d'un endroit à l'autre sur Terre, mais il est toujours le même évidemment pour toutes les masses qui sont au même endroit.

    3e loi

    À toute action correspond une réaction égale à elle en grandeur et de sens opposé.

    Cette loi nous met sur la voie de l'attraction universelle. Toute masse exerce une force gravitationnelle sur une autre. La force qu'exerce la masse m1 sur m2 est la même que celle qu'exerce m2 sur m1. La lune et la terre s'attirent l'une l'autre avec une force proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, selon la formule suivante :

    F= G m1 m2
        ------------
             R2

    F : la force gravitationnelle
    G : la constante de gravitation universelle

    m1 : la masse du corps 1
    m2 : la masse du corps 2
    R : la distance qui sépare les deux masses


    Newton démontre par la suite qu'une telle attraction ne peut engendrer qu'une orbite elliptique dont l'un des foyers est occupé par le centre d'attraction, ce qui confirme la théorie de Kepler. Ses calculs ultérieurs ont corroboré les deux autres lois de Kepler.

    Newton avait d'abord calculé les distances entre les corps célestes comme si toute leur masse était concentrée en leur point centre. Pour surmonter la difficulté qui en est résultée, il inventa, tout simplement, un nouvel outil mathématique, le calcul différentiel, qu'il appelait la méthode des fluxions.

    Nous sommes en 1687 : Newton pouvait publier Les Principes Mathématiques de la Philosophie Naturelle.

    Le mot philosophie présent dans dans ce titre ne doit pas nous induire à penser que Newton expliquait la cause de la gravitation universelle. Certes il décrit les forces d'attraction avec précision, mais l'attraction elle-même demeure aussi mystérieuse que les tendances d'Aristote.

    Newton n'en demandait pas plus à la science. Dans les Principes, il écrit : « Je n'ai pas été capable de découvrir la cause des propriétés de la gravitation d'après les phénomènes et je ne construis aucune hypothèse (hypotheses non fingo); car tout ce qui n'est pas déduit des phénomènes doit être appelé hypothèse; et les hypothèses, fussent-elles physiques ou métaphysiques, occultes ou mécaniques, n'ont point de place dans la philosophie expérimentale. Dans celle-ci, des propositions particulières sont déduites des phénomènes, et ensuite généralisées par induction. Ainsi furent découvertes l'impénétrabilité, la mobilité, la force impulsive des corps, ainsi que les lois du mouvement et de la gravitation. Et à nos yeux, il est suffisant de savoir que la gravitation existe vraiment, fonctionne selon les lois que nous avons expliquées et sert abondamment à rendre compte de tous les mouvements des corps célestes, et de notre mer ».48

    Par cette déclaration Newton indiquait la voie que la science allait prendre ensuite. Au milieu du siècle suivant, Jean d'Alembert* précisera cette idée d'une science rationnelle, claire et étrangère à toute considération intuitive ou métaphysique : « Tout ce que nous voyons bien distinctement dans le mouvement d'un corps, c'est qu'il parcourt un certain espace et qu'il emploie un certain temps à le parcourir. C'est donc de cette seule idée que l'on doit tirer tous les principes de la mécanique quand on veut les démontrer d'une manière nette et précise ».49

    Telle sera la science désormais. Au moyen de lois qui résultent de l'observation et de l'expérimentation, elle cherche à décrire et à prédire les phénomènes; elle abandonne la recherche des causes à la métaphysique et reste étrangère à d'autres approches, de type intuitif, esthétique, éthique ou globalisant.

    Une telle science ne pouvait que proposer une vision mécaniste du monde dont un célèbre contemporain de Newton, Leibniz, pressentit les conséquences avec angoisse.  « Je commence en philosophe et je finis en théologien » disait Leibniz. Il estimait que la science devait nécessairement déboucher sur une métaphysique, qu'elle devait éclore en une philosophie totale. Chose impensable dans la perspective newtonienne. Un cosmos décrit en terme de force d'attraction n'a que faire de l'homme et de ses aspirations. « La théorie de Newton ne nécessite aucun ensemble : exacte pour (Univers + observateur) elle demeure tout aussi exacte pour (Univers - observateur). C'est pour cela que l'homme ne peut la généraliser à l'Univers afin de s'y comprendre lui-même: aucune éthique particulière n'est attachée à la gravitation universelle...».

    « L'accord entre ce que l'on savait et ce que l'on sentait n'était plus guère réalisable, car on savait qu'on n'aurait pas dû sentir. L'idée ne s'imposa que lentement, mais l'opposition entre croire et connaître ne fait que s'accentuer ».50

    N'en concluons pas cependant qu'il n'y a pas de science en dehors de la méthode inductive de Newton. Einstein, on le verra, eut plutôt recours à la déduction, comme les pythagoriciens.

    Et Newton lui-même fut-il à ce point fidèle à sa déclaration sur les hypothèses qu'on doive le considérer comme irréductiblement opposé à toute spéculation métaphysique, à toute réflexion sur le pourquoi et les fins? En réalité, il n'a jamais cessé de s'interroger sur les causes de la gravitation, si bien que certains historiens, Luce Pietri et Marc Venard par exemple, n'hésitent pas à le présenter comme un visionnaire. « Il serait inexact de voir chez lui un renoncement à pénétrer sur le plan des causes, pour s'en tenir à celui des lois. Au contraire, Newton est un visionnaire, tout imbu de théologie. L'ordre du monde est pour lui l'oeuvre d'un Être tout-puissant et souverainement intelligent, dont l'intelligence humaine est le reflet ».51


    Notes:

    47 PIETRILUCE, Vénard Marc, Le monde et son histoire, Paris, Éditions Robert Laffont, 1984, p. 928.

    48 BOORSTIN, Daniel, Les Découvreurs, Éditions Robert Lafont, 1986, p. 399.

    50 ZAFIROPULO, Jean, Apollon et Dionysos, Société d'Éditions Les Belles Lettres, 1961, p. 181.

    Date de création : 2012-04-01 | Date de modification : 2012-04-01
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    Informations
    L'auteur

    Jocelyn Giroux
    Érudit. Collaborateur à L'Agora.
    Extrait
    "Je suis une force qui va" dit un personnage du théâtre de Victor Hugo. Si l'univers tel que nous le concevons depuis trois siècles pouvait parler, c'est en ces termes qu'il parlerait.
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    Alphonse Lamartine
    Solitude, indifférence, univers

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