Naissance et diffusion de la physique 9782759816903

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Naissance et diffusion de la physique

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ISBN 978 2 7598 1190 8 © EDP Sciences, 2014

Naissance et diffusion de la physique Michel Soutif

17, avenue du Hoggar Parc d’Activité de Courtabœuf - BP 112 91944 Les Ulis Cedex A - France

Naissance et diffusion de la physique Cet ouvrage, labellisé par Grenoble Sciences, est un des titres du secteur Evolution des idées scientifiques de la Collection Grenoble Sciences d’EDP Sciences, qui regroupe des projets originaux et de qualité. Cette collection est dirigée par Jean Bornarel, Professeur émérite à l’Université Joseph Fourier, Grenoble 1. Comité de lecture de la première édition : professeur à l’Université de Provence uu J. Lambert, professeur à l’Université Pierre-Mendes France, Grenoble 2 uu P. Nozières, professeur au collège de France uu J.B. Robert, professeur à l’Université Joseph Fourier, Grenoble 1 uu E. Saltiel, maître de conférence à l’Université Paris 7, INRP uu S. Johsua,

Cet ouvrage a été suivi pour la partie scientifique par Jean Bornarel et Laura Capolo et pour sa réalisation pratique par Sylvie Bordage du centre technique Grenoble Sciences, avec, pour la mise en forme, la collaboration d’Anne-Claire Lecomte (www.studiographisme.fr). L’illustration de couverture est l’œuvre d’Alice Giraud, d’après les figures : 5, 7, 14 chap. I ; 20, 21 chap. II ; 32, 34 chap. IV ; 56 chap. VI ; 85 chap. IX ; 102 chap. X ; 130 chap. XI Autres ouvrages labellisés sur des thèmes proches (chez le même éditeur) : L’Asie, source de sciences et de techniques (M. Soutif) • En physique, pour comprendre (L. Viennot) • L’air et l’eau. Alizés, cyclones, Gulf Stream, tsunamis et tant d’autres curiosités naturelles (R. Moreau) • Turbulence et déterminisme (M. Lesieur, en collaboration avec l'institut universitaire de France) • La plongée sous marine (P. Foster) • Energie et environnement. Les risques et les enjeux d'une crise annoncée (B. Durand) • L'énergie de demain (Groupe Energie de la Société Française de Physique, sous la direction de J.L. Bobin, E. Huffer & H. Nifenecker) • Sous les feux du Soleil, vers une météorologie de l'espace (J. Lilensten & J. Bornarel) • Description de la symétrie. Des groupes de symétrie aux structures fractales (J. Sivardière) • Symétrie et propriétés physiques. Des principes de Curie aux brisures de symétrie (J. Sivardière) • Physique et Biologie (B. Jacrot) • Respiration et photosynthèse. Histoire et secrets d’une équation (C. Lance) • Sciences expérimentales et connaissance du vivant. La méthode et les concepts (P. Vignais & P. Vignais) • Rencontre de la science et de l’art. L’architecture moléculaire du vivant (J. Yon-Kahn) • La biologie des origines à nos jours (P. Vignais) • Histoire de la science des protéines (J. Yon-Kahn) • Éléments de Biologie à l'usage d'autres disciplines, de la structure aux fonctions (P. Tracqui & J. Demongeot) • La Cavitation. Mécanismes physiques et aspects industriels (J.P. Franc et al.) • Turbulence (M. Lesieur) • Magnétisme : I Fondements, II Matériaux (sous la direction d'E. du Trémolet de Lacheisserie) • Spectroscopie de résonance paramagnétique électronique : I Fondements (P. Bertrand), II Applications (sous la direction de P. Bertrand) • Spectroscopies infrarouge et Raman (R. Poilblanc & F. Crasnier) • Physique des diélectriques (D. Gignoux & J.C. Peuzin) • Plasmas collisionnels. Physique des décharges RF et micro-onde (M. Moisan & J. Pelletier) • Les milieux aérosols et leurs représentations (A. Mailliat) • Analyse statistique des données expérimentales (K. Protassov) • Introduction à la mécanique statistique (E. Belorizky & W. Gorecki) • Mécanique Statistique. Exercices et problèmes corrigés (E. Belorizky & W. Gorecki) • La Mécanique Quantique. Problèmes résolus, T I et II (V.M. Galitski, B.M. Karnakov & V.I. Kogan) • Mécanique. De la formulation lagrangienne au chaos hamiltonien (C. Gignoux & B.  Silvestre-Brac) • Problèmes corrigés de mécanique et résumés de cours. De Lagrange à Hamilton (C. Gignoux & B. Silvestre-Brac)

et d’autres titres sur le site internet : https://grenoble-sciences.ujf-grenoble.fr

Note à la deuxième édition Des différentes expertises dont j’ai été chargé, il ressort clairement que c’est la physique qui détourne en priorité les lycéens des études scientifiques. La plupart de ceux-ci reprochent à cette matière d’apparaître comme une succession de lois arbitraires dont la logique est absente et sur lesquelles on se borne à quelques applications numériques. Or la logique de la physique n’est pas dans des hypothèses mathématiques ni dans le vote d’un parlement démocratique. Elle est dans sa conformité avec l’expérience. Et cette loi physique n’est pas tombée du ciel. Elle a été petit à petit affinée par des mesures et des essais d’explications qui ont parfois donné lieu à de grossières erreurs .Pourquoi l’élève ou l’étudiant aurait-il d’emblée la solution, là ou Aristote s’est lourdement trompé ? L’erreur elle-même mérite d’être enseignée, car elle représente une étape significative de la connaissance. Il me semble donc que l’étude d’un phénomène physique devrait, certes commencer par sa description expérimentale, mais ensuite par l’histoire de son interprétation, pour enfin arriver in fine à son expression mathématique (c’est d’ailleurs la méthode préconisée à Oxford, vers 1250, par Roger Bacon avant qu’il ne finisse en prison). C’est dans cet esprit que j’ai écrit cet ouvrage, pour permettre aux enseignants d’y trouver quelques bribes des méandres de la pensée créatrice des anciens physiciens. Pour mettre en situation dans son contexte initial l’histoire de la physique, il est nécessaire d’effleurer l’histoire tout court. Et alors, quelle désolation ! A l’époque de la mondialisation, l’enseignement secondaire reste bloqué sur la France et le bassin méditerranéen, centre du monde et nombril de l’univers, à travers un programme directement inspiré par le xixe siècle. Certes, il faut connaître convenablement l’histoire de son pays, mais cette histoire s’inscrit maintenant dans celle de la planète toute entière. Il est donc infiniment regrettable que dans la formation des jeunes français, l’histoire des pays qui feront le xxie siècle, l’Inde et la Chine, ne soit pas suffisamment développée. Cette carence réagit évidemment sur l’histoire des sciences et des techniques : peut-on ignorer que les nombres négatifs et le zéro, le magnétisme, le papier, la fonte du fer et ses usages, les fusées, sans parler du riz sont issus de l’Asie et non de l’Europe ? Peut-on croire que Gutenberg ait inventé la typographie en 1450, plus de 400 ans après Bi Sheng en Chine ?

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Avant-propos De nombreux ouvrages 1 traitent de l’histoire de la physique et de son épanouissement au xxe siècle. D’autres envisagent l’évolution de la pensée scientifique au contact des mystères de la nature et la manière dont, d’analyses en synthèses, de grandes lois naturelles ont permis de rendre compte de notre environnement. L’objet de cet ouvrage est plus modeste. Il souhaite mettre en lumière l’interaction constante entre la science et ses applications au cours de leur développement. Les besoins d’agir sur la nature ont stimulé l’étude des phénomènes afin de les dominer et cette domination, à son tour, a ouvert de nouveaux horizons aux savants. Il faut montrer à chaque étape de la conquête scientifique son influence sur la société et son économie, et comment à son tour cette dernière a poussé les états à intervenir dans la recherche. L’interaction science, économie, histoire politique n’a jamais été aussi flagrante que dans le domaine des sciences physiques, théoriques et appliquées. C’est pourquoi, à chaque étape de l’ouvrage, j’insiste sur les applications et leur impact sur la civilisation de l’époque. Une autre évidence, bien rarement soulignée, permet de répondre à la question suivante : pourquoi la physique s’est-elle développée en Eurasie, mais non en Afrique, en Amérique ou dans une île du Pacifique ? Pourtant, à la fin du paléolithique, il n’y a pas si longtemps (environ 9000 ans avant J.C.), la plupart des groupements humains disposaient du même outillage lithique et se figuraient la nature sous une même forme chamanique où tout était soumis aux caprices d’innombrables entités démoniaques. La réponse tient essentiellement au fait que l’Eurasie s’étend d’est en ouest et permet une forte circulation des idées sans barrière équatoriale ou maritime. La naissance de la physique est due à l’accumulation d’innombrables observations ou réflexions qui ont pu se compléter et former peu à peu un tout cohérent. Toute la différence dans les techniques dont disposent un Américain et un Papou 2 tient de cette communication. Mais, pour comprendre l’importance de ce facteur clé, il ne faut pas se borner, comme le font la plupart des auteurs, à l’étude d’un élément de la chaîne eurasiatique, le bassin méditerranéen ou,

1 Voir bibliographie en fin d’ouvrage. 2 Le patrimoine génétique et les qualités intellectuelles de ces deux individus sont par ailleurs identiques, avec peut-être un petit avantage pour le Papou confronté très jeune à une lutte difficile contre un milieu physique très hostile. Ainsi un Papou pourra survivre à New York tandis qu’un Américain seul aura du mal à résister à la forêt de Nouvelle-Guinée.

à la rigueur, un peu du Moyen-Orient. Il faut donner toute sa place, dans la contribution essentielle à l’émergence de notre civilisation, à l’Extrême-Orient et en particulier à la Chine. Pour bien mettre en évidence cette circulation des idées, l’exposé est divisé en chapitres portant chacun sur un phénomène physique arbitrairement individualisé, mais pour rétablir l’unicité de la discipline, un dernier chapitre montre l’histoire des interactions de l’ensemble de la physique avec la sphère politique de l’époque. En conclusion, les raisons de l’éclipse provisoire de la contribution chinoise aux e xx  siècles seront évoquées.

e xix  et

Puisque chaque jour Se renouvelle Renouvelle-toi chaque jour Et toujours renouvelle-toi. (Li Ji, Livre des rites)

Remerciements Je tiens à remercier chaleureusement mes collègues de Grenoble, J. Bornarel, J. Lambert, Ph. Nozières et J.B. Robert avec lesquels de nombreuses discussions m’ont permis de reformuler complètement l’exposé de cet ouvrage. Je remercie également de leurs critiques très constructives Madame E. Saltiel et Monsieur Josuah. Je suis en outre infiniment reconnaissant envers ma femme, Ruth, pour l’aide qu’elle m’a apportée dans la correction des épreuves successives. Je voudrais enfin remercier de son travail minutieux toute l’équipe d’édition de Grenoble Sciences.

Sommaire A propos des méthodes physiques de datation....................................................... 1 I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes................ 7 II - La raison et l’expérience................................................................................ 31 III - La numération et le calcul............................................................................ 43 IV - La mesure et la précision.............................................................................. 61 V - La matière et le vide..................................................................................... 73 VI - Le calendrier et le temps.............................................................................. 91 VII - La mécanique : l'équilibre et le mouvement............................................... 105 VIII - La lumière et l’optique............................................................................. 117 IX - Les actions à distance................................................................................. 131 X - La production d’énergie et sa transmission................................................... 147 XI - Les transports............................................................................................ 175 XII - La physique et le pouvoir.......................................................................... 197 Synthèse et conclusion...................................................................................... 211 Annexes.......................................................................................................... 217 Une brève bibliographie................................................................................... 231 Table des illustrations....................................................................................... 237 Index des noms de personnes........................................................................... 247 Index géographique......................................................................................... 255 Table des matières............................................................................................ 259

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A propos des méthodes physiques de datation Les forteresses du roi Salomon Pendant longtemps, l’estimation de l’âge d’une installation archéologique a été fondée sur son environnement géologique. C’est ainsi que Boucher de Perthes (1788~1868) a révolutionné l’archéologie humaine en datant des outils de pierre trouvés dans une carrière d’Abbeville. Mais depuis la deuxième moitié du xxe siècle, des méthodes de datation utilisant des phénomènes physiques ont été largement développées 1.

La Bible présente le roi Salomon (970 ~ 931 avant J.C.) comme un souverain magnifique ayant fait de Jérusalem une grande capitale et ayant protégé son royaume par trois grandes forteresses : Géser, Haçor et Meggido. Or il n’existe pas la plus petite pierre de la ville de l’époque, et s’il existe des ruines, elles sont hors d’atteinte sous l’esplanade des Mosquées. Par contre, il reste les portes en dents de scie des trois forteresses. Des archéologues israéliens ont pu alors dater les carcasses en bois de ces ruines et ils ont pu leur attribuer un âge nettement plus récent que celui du grand roi.

Dosage par le carbone-14 (14C) Les rayonnements solaire et galactique arrivant dans l’atmosphère terrestre provoquent une série de réactions nucléaires. Parmi celles-ci, il y a la formation d’azote-15 qui se désintègre rapidement en perdant un proton et donne le carbone-14 lui-même radioactif. Ce nouvel élément se combine immédiatement à l’oxygène atmosphérique en donnant du gaz carbonique 14CO2 qui diffuse très rapidement dans toute l’atmosphère terrestre pour ensuite disparaître avec une demi-durée de vie (ou période) de T = 5570  ans (chiffre approximatif pris comme référence depuis les premières mesures de Willard Franck Libby). Il s’établit, entre création et disparition du noyau, une concentration d‘équilibre identique en tout point de la terre. Grâce à la synthèse chlorophyllienne, les plantes puis les herbivores et les carnivores synthétisent leurs tissus à partir de cette proportion d’équilibre qu’ils maintiennent au cours de leur existence. Mais, après la mort, les échanges s’arrêtent et la radioactivité des tissus décroît avec la période T, si bien que la proportion restante de 14 CO2, par rapport à celle existant au moment de la mort donne l’âge de celle-ci. Les limites de ce dosage sont celles de la détection de la radioactivité résiduelle, soit vers 40 000 ans. 1 J.  Evin et al., La datation en laboratoire, collection Archéologiques, Errance, 2005.

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Naissance et diffusion de la physique

Mais cette mesure suppose que la concentration initiale en 14CO2 est constante et égale à celle qui est mesurée à l’heure actuelle. Or il n’en est rien. De nombreux phénomènes astrophysiques interviennent dans l’irradiation de l’atmosphère terrestre (soleil, supernovae…) et il s’est avéré nécessaire de trouver une méthode d’étalonnage par un procédé absolu : la dendrochronologie. 19 000

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Années 14C depuis l’actuel

17 000

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11 000 9000 7000 5000 3000 1000 21000 19 000 17 000 15 000 13 000 11 000 9000

7000

5000

Années réelles

3000

0

avant J.C.  après J.C.

10 100

1er plateau

Années 14C depuis l’actuel

10 000 9900 9800 9700 9600

2e plateau

9500 9400 9300 9200 9100 9000 8900 9600

9400

9200

9000

8800

8600

8400

8200

8000

Années réelles avant J.C. 1 - Courbe de correction des dates 14C en années réelles pour la fin des temps glaciaires et le début de l’Holocène

Au cours de sa croissance, un arbre ajoute chaque année un anneau de cellulose autour de son tronc et il est possible de connaître son âge en comptant les cernes sur une coupe transversale, ce qui permet d’attribuer un âge absolu au carbone-14 de chaque cerne. Il existe des arbres vivants ayant plusieurs milliers d’années (Sequoia sempervirens sur la côte

A propos des méthodes physiques de datation

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pacifique des USA par exemple). Il y a également des poutres dans des constructions dont on connaît la date. On a ainsi pu étalonner la méthode jusqu’il y a environ 6000 ans. On constate en particulier sur la figure 1 l’existence de deux plateaux où un accroissement du rayonnement initial compense la décroissance radioactive, rendant ainsi la mesure peu valable dans cette zone. Au-delà de cette limite, on a utilisé le même phénomène lié à la croissance de certains coraux, mais une nouvelle étude (2012) apporte un nouvel étalonnage très valable : des sédiments organiques se sont empilés très régulièrement au fond d’un lac japonais à l’ouest de Tokyo, le lac Suigetsu et il est possible d’individualiser les couches de chaque année de 55 000 à 11 000 ans par un carottage de précision et ainsi avoir une référence pour les dosages au carbone-14 de chaque couche 2.

Dosage par la méthode uranium-thorium (U-Th) L’uranium-238, très majoritaire dans le mélange isotopique naturel (93,3 %) a une période radioactive très longue (plus de 4 milliards d’années) et engendre par sa désintégration toute une cascade de noyaux également radioactifs, dont le thorium-232. Dans une roche âgée et isolée, les matériaux renfermant ces noyaux sont en équilibre avec des proportions correspondant aux périodes de chacun des éléments. Mais lors d’un drainage par des eaux d’infiltration, les sels d’uranium sont dissous sans ceux de thorium insolubles. Lorsque ces eaux effectuent un dépôt celui-ci, à l’instant initial, est exempt de thorium qui se reconstitue progressivement et dont le dosage, avant l’atteinte de l’équilibre, donne le temps écoulé depuis le dépôt. La période du thorium-232 étant d’environ 75 000 ans la méthode est efficace jusque vers 300 000 ans.

Dosage par la méthode potassium-argon (K-Ar) Le mélange isotopique naturel du potassium comprend une faible proportion de K-40 radioactif qui se désintègre en Ar-40 stable. Si un phénomène initial chasse l’argon présent (très haute température ou fusion), le retour à l’équilibre permet, en dosant la réapparition de l’argon, de mesurer des périodes de quelques millions d‘années. Cette méthode a été appliquée à des milieux inter-stratifiés où des coulées volcaniques riches en potassium séparent des milieux archéologiques, en Afrique de l’Est, à Java, au Japon…

Dosage de défauts de réseaux (non radioactifs) Dans certains matériaux ordonnés, les rayonnements très pénétrants comme les rayons cosmiques, chassent certains atomes de leur position normale d’équilibre et leur concentration est proportionnelle au temps à partir d’un instant initial dépourvu de défauts.

2 Voir La Recherche 470, 2012, p. 22.

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Naissance et diffusion de la physique

Suivant les cas, deux procédés principaux peuvent être utilisés :

La thermoluminescence (TL) Au temps initial que l’on cherche à connaître, le matériel est supposé exempt de défauts (chauffage provoquant un recuit suffisant). L’échantillon est chauffé par paliers et chaque type de défaut reprend sa place en émettant un rayonnement proportionnel au nombre de défauts concernés. Cette méthode a été appliquée à des silex composant des foyers préhistoriques. On peut ainsi remonter jusqu’à 400 000 ans. Au-delà il peut y avoir saturation des défauts.

La résonance paramagnétique électronique (RPE) Les déplacements concernent des électrons qui deviennent célibataires et s’orientent dans un champ magnétique extérieur en donnant un moment magnétique susceptible de résonner à la fréquence de transition (domaine hyperfréquence). On obtient alors un signal proportionnel à la quantité d’électrons. Cela marche bien sur l’émail des dents et permet, moyennant un étalonnage convenable de remonter jusqu'à environ 5 millions d’années.

Dosage par paléomagnétisme Le champ magnétique terrestre (CMT), dû à des courants électriques dans le noyau central en fer, n’est pas constant. Il varie en intensité et en direction (la déclinaison dans le plan horizontal et l’inclinaison verticale), à l’échelle de l’année, mais il se retourne aussi sur de grandes périodes (fig. 2), la dernière ayant commencé il y a 780 000 ans (transition Brunhes-Matuyama). Les coulées de lave ou simplement les poteries contenant Fe2O3 au cours du chauffage de leur cuisson, prennent une orientation paramagnétique sous l’influence du champ terrestre et celle-ci se fige au moment du refroidissement. La mesure de cette orientation peut donner une estimation de la date de l’éruption ou de la cuisson (si les poteries sont restées en place dans le four). Il faut, naturellement, disposer d’un étalonnage à partir d’évènements bien référencés. En France, entre 1000 avant J.C. et nos jours, la déclinaison a varié de 22° Ouest à 25° Est, et l’inclinaison de 55° à 73°. On dispose actuellement d’une série de 167 points de référence. Les périodes de retournement du champ constituent, en ce qui les concerne, une grande grille permettant d’effectuer des cadrages de datation. L’étude des fonds marins permet de préciser cette polarité. En effet, dans les dorsales telle que celle qui est au milieu de l’Atlantique, le magma sort régulièrement pendant que les continents Europe et Amérique s’écartent. En se refroidissant, le paramagnétisme des roches se fige dans la direction du champ à l’époque, et la coulée peut être datée en fonction de son éloignement de la dorsale. On peut ainsi remonter jusqu’à 180 millions d’années.

A propos des méthodes physiques de datation

1

Epoque Pléistocène

Âge [Ma]

Magnétochrone

0,780

Matuyama

Pliocène

2,581 Gauss 3,580

4

Miocène

0,780 0,990 1,070 1,770 1,950 2,140 2,150 2,581 3,040 3,110 3,220 3,330 3,580

Gilbert

4,180 4,290 4,480 4,620 4,800 4,890 4,980 5,230

5,894

5,894

5

6

Submagnétochrone

Brunhes

2

3

Polarité

5

Jaramillo (N)

Olduvai (N) Réunion (N)

Kaena (R) Mammoth (R)

Cochiti (N) Nunivak (N) Sidufjall (N) Thvera (N)

Polarité «normale» du CMT : le nord magnétique et le nord géographique sont dirigés dans le même sens Polarité «inverse» : le nord magnétique et le nord géographique sont dirigés en sens contraire

2 - Echelle magnétostatique pour les six derniers millions d’années

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Chapitre I Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes L’homme en face de la nature cherche à l‘observer puis à intervenir pour l’utiliser en sa faveur. En fait, il commence son intervention bien avant d’avoir les idées claires sur la physique et, pour cela, il prolonge ses capacités grâce à des outils, dont la complexité croissante rythme l’éveil de la civilisation. En 1836, le Guide des antiquités nordiques, du Danois Christiaan J. Thomsen, propose de distinguer des phases de l’évolution humaine qui deviendront classiques : âge de la pierre, âge du bronze, âge du fer. Nous allons voir dans quelles conditions sont intervenues ces découvertes fondamentales, quels ont été les usages de ces produits et quelles en ont été les conséquences sur la société. Il convient d’ajouter que deux métaux particuliers ont également joué un rôle important vis-à-vis de l’économie : l’or et l’argent.

Les débuts de l’outillage lithique en Eurasie1 La distinction entre l’homme et ses précurseurs hominidés n’est pas facile et prête à controverse. On utilise des critères purement physiologiques : capacité crânienne, forme de la colonne vertébrale à la base du crâne, forme du pharynx, aptitude à la bipédie, et des critères fondés sur des qualités cognitives traduites par la forme des outils en pierre. Les outils ont plusieurs usages et peuvent revêtir plusieurs formes. Ils servent à couper et façonner le bois, à forer des trous dans l’os, à découper les proies, récolter les plantes et racler des peaux. Pour toutes ces tâches, le tranchant obtenu est essentiel, et André Leroi-Gourhan a chiffré la progression de la technique par la longueur linéaire de tranchant obtenu pour 1 kg de matière première (silex). On trouve ainsi 10 cm de tranchant il y a 2 Ma 2, 40 cm il y a 0,5 Ma, 200 cm il y a 50 000 ans, 2000 cm il y a 2000 ans et 7000 cm à la fin du paléolithique, il y a 1 M.  Otte, Les Paléolithiques inférieur et moyen en Europe, Armand Colin, 1996. Y.  Coppens, Le Genou de Lucy, Odile Jacob, 1999, p.76. 2 Ma : million d’années.

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Naissance et diffusion de la physique

10 000 ans. Les trois derniers résultats sont obtenus par passage du nucleus aux éclats puis aux microlites (progression des figures 3, 4 et 5). Voyons maintenant une brève chronologie de cette évolution :

Phase initiale en Eurasie L’Homo erectus passe d’Afrique en Asie. Sur ce continent, on en trouve les traces les plus anciennes à Java, datées de 1,8 Ma. En 2001, Lordkipanitze a découvert à Dmanisi, en Géorgie, quatre crânes âgés de 1,81 Ma d'une contenance d'environ 760 cm3 (inférieure à celle de l'Homo erectus qui est de l'ordre de 1000 cm3 ). Récemment aussi, on a L’Homo erectus trouvé des outils datés de 1,36 Ma dans A l’occasion de changements climatiques le Nord de la Chine, à Xiao Chang Liang 3. qui affectent l’Afrique de l’Est (plus sec, plus L’homme de Pékin (ou sinanthrope) semble froid), de grands singes anthropoïdes se redressent. Vers 4,5 Ma on trouve un bipède vieux de 800 000 ans (site de Zhou Kou encore arboricole, Ardipithecus, puis 1  Ma Dian). On trouve en Europe centrale et plus tard des australopithèques se déplaen France, au Vallonet (près de Menton), çant au sol sur des distances de plus en plus grandes. L’un d’entre eux, A. anamendes galets aménagés et des éclats massifs sis, serait l’ancêtre de Homo habilis vers datant de 0,9 Ma, à peu près identiques 3  Ma : encéphale de 600 à 800 cm3, dentià ceux de Chine. tion d’omni­vore, fabricant d’outils de pierre aménagés consciemment et diversifiés en fonction de leur usage. A partir de 1,8  Ma, le descendant d’Homo habilis a la stature bipède définitive et va se répandre à partir de l’Afrique de l’Est dans toute l’Eurasie. On lui donne arbitrairement le nom de Homo erectus.

Cette industrie très grossière a pris beaucoup de retard sur celle des hommes restés en Afrique qui taillent déjà des bifaces à partir de 1,6 Ma. La première trace en Chine d'Homo erectus vient d'être découverte à Long Gu Po (centre) et est datée de 1,9 Ma.

3 - a - Crâne de l’Homo erectus de Zhou Kou Dian ; b - Galet aménagé biface massif 3 R.X. Zhu et al., Nature 413, 2001.

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes

De 0,7 Ma à 0,5 Ma On trouve, très dispersés en Europe, des vestiges lithiques frustes et un premier élément de squelette, la mandibule de Mauer (près de Düssel­ dorf) datée de 0,6 Ma : il s’agit d’une forme robuste d’Homo erectus.

La crise de 0,5 Ma à 0,3 Ma­ La tradition de bi­faces, dite acheuléenne, apparaît dans de nombreux espaces artisanaux en Espagne et en France. On observe également l’apparition des premiers foyers à Terra Amata (Nice), vers 0,35 Ma. Il s’agit sans doute d’une deuxième vague d’immigrants venant d’Afrique, proba­ ble­ ment à travers le détroit de Gibraltar (largeur au minimum de 15 kilomètres). On observe également des vestiges acheuléens en Angleterre et en Alle­magne, mais la plupart des sites européens n’en sont qu’aux galets massifs de la première vague d’occupation : c’est en particulier le cas de Tautavel (Pyrénées-Orientales) où l’abri sous roche de la Caune de l’Arago date plutôt de 0,4 Ma.

Le débitage Levallois Cette technique est une méthode essentielle pour la fabrication de lames de pierre. Après une prépa­ra­tion du nucleus en sur­ face bombée, des petits coups (jusqu’à 20  impacts différents) détachent lamelles de silex après lamelles, directement dans la forme appropriée à l’usage recherché. Le nucleus n’est plus l’outil lui-même mais la source d’un grand nombre d’outils. La prévision du résultat recherché et sa mise en œuvre marquent une étape importante dans les possibilités intellectuelles de l’ouvrier. Le nom provient du lieu de la première mise en évidence de cette technique : Levallois-Perret, près de Paris.

De 0,3 Ma à 0,1 Ma La popu­ lation croît et l’industrie progresse. Le bloc de silex est d’abord mis en forme par le choc de percuteurs tendres (bois de cerf), puis on en extrait des éclats, débités sous des formes très variées, adaptés à des usages spéci­ fiques : c’est le débi­ tage Levallois qui conduit à l’acqui­ sition de plus de 60 outils dif­ férents. Le saut technique essentiel réside dans le remplacement du noyau façonné par les éclats extraits du noyau.

4 - Schémas de débitage Levallois

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Naissance et diffusion de la physique

De 100 000 à 30 000 ans C’est la période moustérienne (du nom du village Le Moustier, en Dordogne). L’implan­ tation de l’homme de Néandertal se généralise en Europe et au Moyen Orient. Sa forme anatomique trapue lui offre une bonne résistance au froid lorsque l’on passe du dernier interglaciaire (Riss-Wûrm) à la première moitié de la dernière glaciation. Sa grande capacité crânienne (1800 cm3) lui permet d’améliorer son environnement et les abris sous roche se généralisent avec une nouveauté : la pratique des sépultures, ce qui implique une réflexion sur la mort et sa suite éventuelle. L’outillage sur éclats continue à se diversifier avec des traditions régionales. On note des différences suivant la nécessité ou non d’économiser la matière première et les réseaux d’approvisionnement s’étendent. Un peu avant cette période, il apparaît en Afrique de l’Est, une nouvelle espèce : l’Homo sapiens à une date suggérée par l’étude des variations des mitochondries maternelles et qui tourne autour de 130 000 avant J.C. Ses facultés cognitives nouvelles lui permettent une rapide expansion. Ainsi on trouve une installation datée de 92 000 avant J.C. à Gafzeh en Israël dans un site où il côtoie des Néandertaliens et utilise le même outillage lithique (daté par RPE et électroluminescence, voir p. 1 à 6). Cet homme moderne, dit de Cro-Magnon (du nom d’un site près des Eyzies en Dordogne), se développe rapidement dans toute l’Eurasie grâce à des techniques de plus en plus perfectionnées : couteaux, grattoirs, burins et outils en os. On trouve alors de grands outils plats et foliacés, des lames à retouche écailleuse, des sagaies en bois de renne, et des aiguilles en os traduisant l’existence de vêtements pour lutter contre le froid. Ceux-ci lui permettent de remonter peu à peu vers le Nord de l’Eurasie et finalement, par l’isthme de Behring, de conquérir le continent américain. Or, on a découvert en 2010, dans une grotte karstique à Zhiren, au sud de la Chine, au Guang Xi, une mâchoire indiscutablement moderne (menton), revêtue de concrétions calcaires datées de 100 000 avant J.C. par la méthode U-Th (voir p. 1 à 6). On devra donc réviser la date d’arrivée en Chine de l’Homo sapiens. Jusqu’à très récemment on pensait qu’à partir de l’Homo erectus étaient nées deux espèces nouvelles : Homo neandertalis et Homo sapiens. Or on a découvert en 2010 dans une grotte de l’Altaï en Asie Centrale, une troisième espèce qui bouleverse tout le paysage archéologique l’Homo denisova. Il s’agit du petit doigt d’une fillette d’environ 12 ans, dont les gènes sont différents de ceux des deux espèces classiques. D’où venait-elle, où est-elle allée ? Pour l’instant on a retrouvé une partie de ses gènes dans le génome des Papous. Or ceux-ci, il y a 40 000 ans, sont sans doute partis de l’Asie du Sud-Est pour parcourir l’Indonésie, hors d’eau à l’époque, et franchir un étroit détroit pour aboutir dans le continent formé par l’Australie, la Tasmanie et la Nouvelle-Guinée.

Relations interespèces Il y a donc dans cette période allant de 100 000 à 30 000 ans, trois espèces d’hommes différentes (sans compter l’homme de Timor, encore controversé). Quelles ont été leurs relations ? On a cru très longtemps qu’il s’agissait réellement d’espèces biologiquement

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes

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indépendantes. Or la réponse est venue en 2010, de l’analyse complète du génome de l’homme de Néandertal. Il apparaît très clairement que les deux espèces coexistant en Europe se sont croisées. Les hommes de Néandertal n’ont pas été les victimes d’un effroyable génocide mais ont seulement été submergés par des vagues successives de nouveaux arrivants plus évolués qui se sont unis à eux. L’homme est alors sorti de l’utilitaire et a inventé l’art : bijoux (pendeloques), statuettes (la Vénus de Brassempouy en 22 000 avant J.C.), et surtout fresques pariétales dont les plus anciennes (grotte Chauvet) remontent à 34 000 ans avant J.C.

5 - Principaux types de pointes solutréennes - 19 000 à 16 000 avant J.C.

La poterie et la céramique Apparition Bien que l’on s’accorde généralement pour faire remonter l’usage de l’argile cuite aux premières phases du néolithique, il y a quelques précédents : on a trouvé récemment en Moravie, autour de foyers à Dolni Vestonicé, des statuettes en nombre important. Elles ont

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Naissance et diffusion de la physique

été fabriquées avec le loess local et cuites vers 500 °C. Elles ont certainement eu un rôle rituel, car elles sont toutes délibérément rompues. Cette pratique a duré quelques milliers d’années autour de 24 000 avant J.C., puis s’est éteinte. Nous pourrions également citer les vases cordés et les figurines Dogu fabriqués par des chasseurs cueilleurs paléolithiques durant la période Jomon, vers 10 000 avant J.C. au Japon. Au début du néolithique apparaissent des récipients en pierre creusée, comme par exemple entre 7500 et 6500 avant J.C. sur le site de Cafer Höyük en Anatolie, dans une communauté de cultivateurs non encore éleveurs, ou plus tard à Jiroft, en Iran (3000 avant J.C.), et à Zakros en Crète (2000 avant J.C.). La naissance de la poterie utilitaire est bien illustrée par les fouilles récentes de Mehrgarh dans l’Indus : en 6000 avant J.C. apparaissent des paniers en osier tressé rendus étanches par du bitume, puis par de l’argile crue. Ils sont ensuite mis au feu, ce qui les cuit, la paille permettant d’éviter les fissures du retrait. Vers 5000 avant J.C., la paille est remplacée par de la pierre pilée qui joue le rôle de « dégraissant ». Vers 4000 avant J.C., la céramique devient plus fine, tournée et décorée. Vers 3000 avant J.C., de très grandes jarres de stockage, cuites à ciel ouvert, sont utilisées, et les statuettes cultuelles deviennent nombreuses.

La matière La matière universellement utilisée est l’argile, produit de décomposition des feldspaths et micas provenant de terrains granitiques et de granulométrie faible (inférieure à 2 microns). L’argile est un silicate d’aluminium hydraté dans lequel les molécules de silicate d’aluminium s’organisent en réseaux plans séparés par des plans de molécules d’eau. Une partie de la plasticité est acquise par le mouvement de glissement de ces plans peu liés à l’eau ; une autre partie vient des nombreuses impuretés, matières organiques ou oxyde de fer, acquises au cours de nombreux remaniements géologiques. L’oxyde de fer Fe2O3 lui donne sa teinte rouge classique. Le kaolin est une argile primaire restée dans des filons de granit ; il est très pur, blanc et peu plastique. Son nom provient de celui du mont Gao Ling en Chine. Lorsque l’argile est chauffée vers 700 °C, l’eau des inter-couches s’élimine à l’échelon moléculaire et les plans de silicate d’aluminium se soudent en bloquant tout mouvement, mais les petits domaines du granulat restent peu liés entre eux. La paroi d’argile est poreuse et peu solide : on a obtenu une poterie. Cette déshydratation s’accompagne d’un retrait et le vase peut se fendiller si l’on n’utilise pas en mélange avec l’argile un « dégraissant » : fragments de poterie concassés, poudre de pierre, sable. Certains filons contiennent des impuretés qui jouent directement ce rôle. On peut rendre la poterie imperméable en la revêtant avant cuisson d’une pâte fluide : l’engobe. Si l’on chauffe vers 1000 °C, on obtient un produit plus résistant et imperméable, grâce à un bon contact entre tous les domaines du granulat : c’est alors un grès. Le vase peut avant cuisson recevoir une couverte qui se vitrifie au cours de la cuisson et modifie la couleur de l’argile. On peut également utiliser une glaçure (sulfure de plomb coloré par des

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oxydes de cuivre, de fer, de cobalt…) qui se pose après la première cuisson et que l’on recuit vers 900 °C. Il existe également des couleurs grand feu (oxydes métalliques) appliquées d’emblée avec la couverte. Les couleurs obtenues dépendent du degré d’oxydation du revêtement et sont donc différentes si le chauffage a été fait en présence d’un excès d’oxygène (oxydation) ou d’un défaut d’oxygène (réduction). C’est pourquoi le contrôle de l’oxydoréduction dans le four est capital. Il a été très bien maîtrisé par les Chinois dès le néolithique. Un exemple important de ce phénomène est donné par la fabrication des céladons (en chinois qing ci  ), célèbre spécialité chinoise : on utilise une argile chargée d’oxyde de fer rouge et une couverte de cendres de chaux. La cuisson se fait en atmosphère réductrice à 1150 °C. L’oxyde de fer de l’argile s’unit à la couverte pour donner un sel ferrique, toujours rouge mais qui est réduit en sel ferreux vert. Suivant la composition et l’épaisseur de la couverte, les verts sont très différents. Abondants dès le iiie siècle au Jiang Su (Suzhou) et au Zhe Jiang (Hang Zhou), ces céladons sont alors vert olive. Ils s’éclaircissent au ve siècle. De 873 à 978, un petit état semi-indépendant des Tang, le royaume de Wu Yue, a une spécialité, le « miseyao », vert bleuté. Sous les Song du Sud (1126~1278) l’usage de couvertes épaisses donne du vert pomme. Si, enfin, on chauffe vers 1280-1300 °C en présence d’un fondant, les particules du granulat fondent en surface et se soudent entre elles donnant une matière extrêmement résistante qui peut être employée sous une épaisseur très fine : c’est la porcelaine (en chinois ci qi    ) qui, avec la soie, fit la richesse de la Chine pendant des siècles. Pour faire la porcelaine, on emploie de l’argile pure (kaolin), et comme plastifiant et fondant le pétunsé (Bai Dun Zi) produit de décomposition d’une lave très alcaline. Ensuite le problème est d’obtenir une température élevée et surtout de bien la contrôler car la plage de réglage est très étroite : en dessous de la bonne température, la fusion ne joue pas et le produit n’a pas de tenue, et au-dessus, la masse fond toute entière et le produit se déforme. Or ce réglage se fait uniquement à l’oeil suivant la couleur du four. Le sommet de la technique a été atteint sous la dynastie Ming (1368~1644) avec des vases si fins qu’on les nomme coquille d’oeuf.

Le tour À l’origine, chaque récipient était préparé à la demande par les femmes de la maison à partir d’une motte d’argile saisie à deux mains et creusée en son centre avec les deux pouces. Le tour permet d’obtenir des formes bien adaptées à leur usage avec un excellent rendement, mais son usage exige un spécialiste compétent, qui doit être nourri en échange de sa production, ce qui entraîne une évolution de la société. La plus ancienne poterie tournée dont la date de fabrication est attestée provient de Ur en 3250 ±250 ans avant J.C., mais il est probable que le tour était déjà utilisé à Mehrgarh dans l’Indus vers 4000 avant J.C.. Son usage se répand rapidement et simultanément à Sumer, à Harappa et en Chine, dans la zone de la civilisation Yangshao vers 3000 avant J.C., puis

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atteint peu après la côte syrienne. Ensuite on le trouve en 2750 avant J.C. en Égypte, en 2000 avant J.C. en Crète, en 1800 avant J.C. en Grèce. Il atteint beaucoup plus tard l’Italie, en 750 avant J.C., et le bassin du Rhin supérieur seulement en 400 avant J.C.. Bien entendu, les dispositifs employés ne ressemblent en rien aux tours de potiers actuels, car aucun système mécanique n’existait. Il est probable que tous fonctionnaient à partir d’une simple dalle de pierre ronde munie, au centre de sa face inférieure, d’un bossoir posé sur une surface dure. Le potier lançait la dalle, qui se stabilisait par effet gyroscopique et conservait son mouvement par inertie. Le potier montait alors sa pièce au centre. De tels tours existent encore au Rajasthan.



a - Lancement de la dalle b - Montage du vase 6 - Tour primitif du Rajasthan - village de Rohat près de Jodhpur

Les petites pièces, en stéatite par exemple, étaient travaillées avec un tour à archet dès Mehrgarh et on en trouve encore dans les souks marocains à l’heure actuelle.

Le four 4 La méthode la plus primitive pour cuire la poterie consiste à entasser les pièces crues avec du bois, recouvrir d’une couche d’argile en ménageant des entrées d’air et mettre le feu. On peut atteindre 700 °C en certains points, mais, de toute manière, la répartition de température est très hétérogène et de nombreuses pièces sont inutilisables ou cassées ; elles peuvent être réemployées dans la construction des parois des habitations. Cette méthode est encore employée en Afrique. Un premier progrès est réalisé dans l’usage de fours verticaux directs, où les pièces à cuire sont supportées par une grille au-dessus du foyer. La poterie est ainsi à l’abri du contact direct des flammes, mais la température n’est à peu près homogène que dans des petites unités et n’est guère réglable. 4 Voir M. Soutif, L’Asie, source de sciences et de techniques, EDP Sciences, 1994, p. 106-108.

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Un progrès décisif a été fait au quatrième millénaire, lorsqu’on a séparé la chambre de combustion de la chambre de cuisson, en Chine et en Iran (Tépé Sialk). Les gaz chauds passent par un conduit et sont répartis sous les poteries par des arrivées et des orifices de grille agencés pour uniformiser la température. En outre, les Chinois sauront très vite régler la combustion pour que les gaz soient oxydants (excès d’air) ou réducteurs (excès d’oxyde de carbone). Plus tard, les Chinois développent des fours horizontaux à sole et réverbère, mais toujours à foyer séparé (iie siècle). Les poteries de Yangshao sont obtenues entre 950 °C et 1050 °C et les potiers savent déjà jouer sur l’oxydoréduction pour avoir du fer rouge (Fe2O3) ou noir (FeO). Dans la période de Longshan et sous la dynastie Shang, la température peut atteindre de 1180 °C à 1200 °C, puis l’usage du soufflet à double effet (vers 200) va permettre d’atteindre les températures nécessaires à la porcelaine.

Les débuts de l’outillage métallique Lorsque l’homme s’est fixé auprès d’un champ ou a construit un enclos pour animaux domestiques, il a partout, avec des fortunes diverses, construit des récipients d’argile cuite. Cette invention de la céramique a parfois même précédé l’agriculture, comme ce fut le cas au Japon des Aïnous avec la poterie Jomon (11 000 avant J.C.). L’usage des métaux est venu ensuite, mais il n’a pas le même caractère d’universalité. Il est au contraire devenu l’apanage de quelques civilisations qui en ont tiré leur puissance militaire et économique. Car il ne suffit pas de chauffer, avec ou sans discernement, la substance adéquate, il faut faire subir au minerai une vraie réaction chimique : la réduction. L’invention de cette opération, née au Moyen-Orient, a diffusé avec des vitesses diverses à travers l’Eurasie, et a subi le cumul progressif de toutes les innovations en circulant à travers un continent dont l’orientation générale est-ouest facilite les contacts, en n’imposant pas des barrières climatiques trop redoutables. Il est vrai que quelques rares échantillons de certains métaux existent à l’état dit natif : le cuivre, l’or, le fer météoritique, mais leur rareté les a tenus à l’écart d’une utilisation de type industriel. C’est probablement le cuivre natif qui est apparu le premier sous forme ouvrée en Mésopotamie, au ixe millénaire et sous forme fondue en Anatolie, à Çatal Höyük, vers 6000 avant J.C. C’est le cas aussi de la hache d’Hibernatus, mort en 3200 avant J.C. en traversant les Alpes d’Italie vers l’Autriche. C’est également le cas des bijoux sumériens en métal du ciel, fer météoritique inoxydable employé dès 3500 avant J.C. (les météorites métalliques contiennent une forte proportion de nickel, ainsi, celle qui est tombée en France, à La Caille, en 1828, était en fer avec 9,8 % de nickel et pesait 626 kg).

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Naissance et diffusion de la physique

Mais la métallurgie proprement dite dont nous allons maintenant parler est née à Sumer, vers 3500 avant J.C., pour le cuivre. Elle a été ensuite maîtrisée par les Egyptiens dès la e  iii dynastie, en 2800 avant J.C.

Le cuivre Les minerais de cuivre et leur traitement Ces minerais sont assez répandus et très faciles à détecter grâce à leur couleur. Les grandes mines de l’Antiquité étaient à Chypre (d’où le nom du métal), dans le Sinaï (mines du roi Salomon), autour de An  Yang en Chine. Actuellement, l’essentiel de la production est au Chili. Ce sont des oxydes, comme la cuprite, ou des hydrocarbonates verts ou bleus, comme la malachite ou l’azurite. Le plus répandu est la chalcopyrite CuFeS2 de couleur noire. Les dérivés oxydés, ou carbonatés, sont traités par le charbon de bois dans des fours où l’on entasse des couches successives de minerai et de combustible. Le rôle du charbon de bois est double : il porte l’ensemble à la température de réaction et réduit l’oxyde en prenant l’oxygène pour donner du CO2. Le cuivre coule au fond en se séparant de la gangue, à condition de dépasser sa température de fusion, soit 1083 °C, ce qui est assez difficile. Les dérivés sulfurés sont également chauffés mais on ajoute un fondant (silicate) qui se combine au fer pour donner une croûte légère. Puis on injecte de l’air qui oxyde une partie du CuS en CuO, et on laisse la réaction se poursuivre :

CuS + 2 CuO $ 3 Cu + SO2 La réaction est exothermique et le cuivre coule. Les premières coulées donnaient de petits lingots de quelques dizaines de centimètres. Puis la fabrication s’est standardisée pour conduire à Chypre à des éléments en forme de peau de bœuf de 2 talents (environ 70 kilogrammes), destinés à l’exportation dans toute la Méditer­ranée orientale et particulièrement vers les grandes puissances de l’époque : les Hittites et les Egyptiens.

7 - Transport d’un lingot de cuivre Relevé d’une tombe thébaine

Bien entendu, les objets cassés ou usés étaient recyclés dès 3500 avant J.C. (à Uruk) dans des moules ouverts. Cette métallurgie à l’air libre conduisait à une certaine perte du métal par vapori­sa­tion. Dans des carottes de glace du Groenland, Sungmin Hong et al. 5 ont trouvé des traces de pollution 5 S. Hong, J.P. Candelone, M. Soutif et C.F. Boutron, Science of the Total Environment, Elsevier, 1996.

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes

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atmos­ phé­ rique, correspondant aux périodes où d’énormes quantités de monnaie de cuivre ont été fabri­quées : soit à la période romaine autour du début de notre ère, soit à l’épanouis­sement de la dynastie Song en Chine, vers 1100.

Usages du cuivre Les propriétés du cuivre tranchent com­ plè­tement sur celles de la pierre par sa plasticité, et sur celles du bois par sa résistance. C’est donc un nouveau matériau qui va remplacer les précédents et ouvrir de nouvelles applications. Ainsi les premières roues en bois s’usaient rapidement sur leur pourtour. Elles sont alors renforcées par des clous de cuivre à partir de 3000 avant J.C., en Ur et à Kish, puis revêtues d’un bandage complet à partir de 2000 avant J.C., à Suse.

Propriétés du cuivre Le cuivre est un métal relativement mou et c’est pourquoi il sera rapidement détrôné par des alliages présentant de bien meil­ leures propriétés métalliques. Son point de fusion, à 1083 °C, est en outre d’accès difficile avec le charbon de bois et la baisse de cette température, observée sur les alliages, confère à ceux-ci un avantage supplémentaire. Par contre, on peut, par martelage et recuits successifs, en obtenir des feuilles extrêmement minces et des fils très fins.

Des outils en cuivre, écrouis par martelage ont été utilisés pendant une assez courte période avant de passer aux divers alliages. Des montages en bois renforcés de feuilles de cuivre aux endroits stratégiques utilisent la grande facilité d’obtention de feuilles minces par martelage et recuits. La fabrication de clous apporte de nouvelles possibilités. Divers objets de décoration ou de bijouterie voient également le jour.

Le bronze La plupart des minerais de cuivre ren­ferment, en plus ou moins grande quan­tité, des impuretés d’antimoine, de plomb, d’arsenic ou d’étain. D’où l’apparition, involontaire au départ, d’alliages : un peu d’étain en Anatolie vers 3000 avant J.C., du plomb et de l’antimoine en Mésopotamie. Puis les bronzes à l’arsenic se développent grâce à la coexistence avec les sulfures de cuivre, d’arséniates et de sulfoarséniates (par exemple, l’énargite Cu3AsS). Ils ont d’excellentes propriétés, mais les ouvriers meurent comme des mouches. Aussi, finalement, c’est le bronze à l’étain, de propriétés métallurgiques analogues, qui est retenu en Egypte et dans la culture indo-européenne.

Usages du bronze Contrairement au cuivre, le bronze est un métal dur qui peut s’affûter et conserver son tranchant. Il permet donc de réaliser des armes très supérieures à celles qui existaient avant son apparition : pointes de lances ou de javelots, épées, haches. Mais sans doute l’avantage militaire fondamental apporté par le métal réside dans ses propriétés de frottement. Elles permettent de réaliser des essieux tournant dans des paliers

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Naissance et diffusion de la physique

où le frottement (lubrifié avec de la graisse animale) est sans rapport avec le contact bois sur bois. Les véhicules ainsi équipés sont maniables et, combinés avec la vitesse permise par la traction hippique, vont donner une suprématie absolue aux possesseurs de chars. A partir de l’Asie centrale de part et d’autre de la Mer Caspienne, les populations indoeuropéennes munies d’armes de bronze et dotées de chars légers vont envahir l’Inde, l’Iran et le Moyen-Orient. Leur langue et leurs mythes 6 vont submerger tout l’Ouest de l’Eurasie, jusque et y compris l’Irlande.

Les minerais d’étain L’étain existe sous forme d’oxyde SnO2, la cassitérite. A part quelques nodules dans certains torrents, le minerai est rare. Au début, on le trouve dans le Caucase, en Perse, en Europe centrale, puis les Romains vont épuiser les mines du Nord-Ouest de l’Espagne et devoir aller en chercher en Grande-Bretagne. Actuel­le­ment, on le trouve en Malaisie et en Bolivie. Le traitement se fait par réduction au charbon de bois, mais le métal coule à 232 °C et devient très volatil au-dessus de cette tempé­rature, si bien que très souvent la cassitérite pulvérisée est déposée sur la surface d’un creuset rempli de cuivre et recouverte du charbon de bois. Lorsque l’ensemble est porté à la température de fusion du cuivre, l’étain est réduit et diffuse aussitôt dans le cuivre : le dosage est aisé et les pertes réduites, si bien que le trafic à longue distance porte plus sur la cassitérite que sur le métal.

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8 - Principales sources d’étain en Europe

6 G. Dumezil, Heur et Malheur du guerrier, Flammarion, 1985.

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes

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Propriétés du bronze Elles dépendent très fortement de la composition. Proportion d’étain inférieure à 13 % - la structure [α] est une simple solution solide de l’étain dans le cuivre, de propriétés réversibles et de résistance mécanique et dureté moyennes à froid. L’avantage essentiel est l’abaissement du point de fusion qui tombe au-dessous de 1000 °C. Proportion d’étain entre 13 % et 20 % - il apparaît à chaud une phase [β] très malléable qui se transforme en dessous de 520 °C en une combinaison avec SnCu4 très dure. Si on refroidit très brutalement (trempe) la transformation n’a pas le temps de se produire et l’on obtient à la température ordinaire la phase malT (°C) léable que l’on peut travailler. Puis, on réchauffe au-dessus de 520  °C 1100 et on laisse refroidir lentement : on atteint alors une grande dureté pour les armes et engrenages. 1000 Proportion d’étain entre 20 % et 30 % - il apparaît SnCu3 qui diminue la résistance à la rupture mais la fusion s’effectue entre 700 °C et 800 °C, ce qui est 900 favorable à la coulée de bronzes d’art, et une très belle sonorité conduit à la fabrication 800 des cloches. F Proportion supérieure à 30 % 700 alliage fragile et cassant sans  F intérêt. G 600

300

SnCu4 + SnCu3

400

520

G + SnCu4

500

225

E

200

Cu pur 13% Sn

30% Sn

Sn pur

9 - Diagramme de fusibilité des alliages cuivre-étain

Influence de l’usage du bronze sur la société A cause de la rareté de l’étain, cette matière reste chère et n’est utilisée que pour l’armement ou l’usage des possédants et des temples. Elle renouvelle cependant complètement l’art de la guerre avec les épées, les pointes de flèches ou de javelots, les pièces de chars rapides. A titre civil, elle donne des vases et récipients d’apparat ou cultuels, des instruments de musique à percussion. Mais elle ne pénètre absolument pas dans le monde des travailleurs qui reste celui de l’âge de pierre.

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Son influence sur la société est peut-être rendue plus importante par les exigences de la fabrication dans deux domaines : la spécialisation des métiers et l’approvi­sionnement en matière première. L’ouvrier métallurgiste est hautement spécialisé et se consacre entièrement à son travail. La société doit donc, en échange de ses fournitures, nourrir sa famille et, par suite, les paysans doivent produire plus de biens d’alimentation que pour eux-mêmes. Mais ceux-ci n’étant pas directement preneurs des produits métalliques en échange de nourriture, il faut des circuits d’échange complexes et hiérarchisés beaucoup plus subtils que dans la civilisation purement agricole du néolithique. D’autre part, comme l’étain est rare, il faut parfois le faire venir de très loin, ce qui impli­ que des caravanes, des marchands itinérants également spécialisés, fondant des comptoirs d’échanges à l’étranger, nécessitant une balance commerciale exacte. Ainsi les Assyriens, dès 1900 avant J.C., fondent un comptoir important à Kanesh, en Anatolie, pour y apporter des étoffes et de l’étain en échange de cuivre, d’or, d’argent et de laine. Ce centre commercial sera au cœur du développement ultérieur de la puissance hittite. Tout cet ensemble de nouvelles occupations conduit donc à une réelle rupture dans l’organisation de la société néolithique agricole et non-spécialisée, et c’est pourquoi on parle souvent de l’âge du bronze.

Le bronze en Chine Jusqu'à une période très récente, on estimait que le bronze apparaissait, quasi ex nihilo, vers 1530 avant J.C. dans la grande plaine au sud du fleuve Jaune autour de Zhengzhou (site de Erlitou par exemple) et se développait uniquement dans cette région jusqu’à la dynastie Zhou (vers 1000 avant J.C.). Or des fouilles très récentes montrent que les premiers outils métalliques sont apparus sur la route de la soie entre 2400 et 1900 avant J.C., autour de Qija, avec plus de 350 sites, dont celui de Lajia au Qinghai. Il s’agit au début de cuivre martelé ou fondu et c'est au cours de cette période qu’est mise au point la technique des moules démontables. Entre 1600 et 1250 avant J.C., la route de la soie est doublée par une route des steppes qui passe plus au nord grâce à un réchauffement provisoire, transformant la taïga en steppe et accentuant les contacts avec la civilisation d’Andronovo (constituée d’Indo-européens installés entre l'Oural et le lac Baïkal).

10 - Moule démontable pour vase de bronze Dynastie Shang

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D'autre part, le bronze n'apparaît pas seulement autour de Zhengzhou, mais de nombreux autres foyers apparaissent à la même époque. En particulier, dans le Sichuan, au nord de Chengdu, le site de Sanxingdui s'étend sur plus de 12 km2. Actif de 1800 à 1200 avant J.C., il présente, à côté de vases obtenus par moules démontables, des masques humains en bronze aux yeux exhorbités tout à fait spécifiques. Un autre site assez analogue, Jinsha, a été exhumé en 2001 dans un faubourg de Chengdu.

11 - Haches en bronze : a - b : Chinoises (xe siècle avant J.C.) ; c - d : Est de l’Oural, Karakevichevo

Les objets chinois en bronze sont des armes, des pièces de char et des vases cultuels. On les retrouve dans les sépultures cruciformes d’An Yang (1300 avant J.C.), qui ren­ferment des chars avec leurs chevaux et des sacrifices humains. Ces objets sont l’apanage d’une classe noble et héréditaire qui va gouverner jusque vers 840 avant J.C. (apparition de la phase Printemps et Automnes).

12 - Bronze Shang 1400 avant J.C.

En Europe, les vases en bronze se font à l’unité par la méthode de la cire perdue (le vase est façonné en cire dans une enveloppe d’argile, puis l’ensemble est chauffé et la cire fond ; on coule alors le bronze à sa place). En Chine, on préfère construire des moules démon­ tables permettant une fabri­ca­tion en petite série.

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Naissance et diffusion de la physique

Apparition du fer Malgré l’abondance et la grande répartition des minerais, la diffu­sion du fer s’est faite bien après celle du bronze, en raison des difficultés de sa métallurgie. Celle-ci tient à deux facteurs : la haute température de fusion du métal et la complexité de ses alliages avec le carbone, rendus obligatoires par la technique de préparation usuelle. Les premiers objets manufacturés se trouvent dans le Caucase et le Nord mésopotamien vers 2500 avant J.C. : ce sont des ornements et des armes de cérémonie de fabrication déficiente et sans avantage sur le bronze. Une meilleure maîtrise de la réduction du minerai est réalisée, et surtout la découverte fortuite de la cémentation superficielle et de l’acier est faite vers 1500 avant J.C. par une peuplade d’Arménie, sujette des Hittites, les Chalybes. Les Hittites en retirent leur supériorité militaire de 1400 à 1200 avant J.C. Quand ils s’effondrent devant les peuples de la mer, la technique va diffuser dans tout le Moyen-Orient. Les Philistins (descendants des peuples de la mer) en héritent vers 1100 avant J.C., puis les Assyriens et les Egyptiens vers 850 avant J.C. Le fer fait l’objet de gros trafics (18 tonnes de lingots dans les ruines de Mari, celles provenant de l’occupation par l’Assyrien Tukulti-Ninurta, vers 1200 avant J.C.).

Le minerai et son traitement Le fer est présent partout car c’est le dernier élément produit par fusion thermo­nucléaire dans les étoiles lourdes (supérieures à 8 fois le soleil). Il représente 17 % de la composition de la terre (50 % pour l’oxygène, 14 % pour le silicium). Il est présent dans la croûte sous forme d’oxyde Fe2O3, hématite rouge ou jaune (hydraté) ou divers ocres, de sulfures (pyrites) ou de carbonates. Un oxyde particulier Fe3O4, la magnétite, est le seul produit naturel ferromagnétique. Les sulfures et carbonates sont grillés et ramenés à Fe2O3 : on trouve encore les restes de grands fours à Allevard, siège d’une mine de carbonate de fer très active dès la fin du Moyen Âge. La fabrication du fer consiste donc essentiellement en la réduction de Fe2O3 par le charbon de bois, dans un bas fourneau où l’on entasse couches d’oxyde et de charbon de bois avec un fondant, pour donner des scories liquides (le laitier) avec les corps étrangers.

13 - Schéma d’un bas fourneau

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Avec les fours du Moyen-Orient, on est très loin d’atteindre la température de fusion du fer (1535 °C), ou même des alliages fer-carbone les plus fusibles (1145 °C). Par conséquent, le produit est obtenu à l’état solide sous forme d’une éponge renfermant du laitier dans ses mailles. On réchauffe cette éponge vers 1000 °C : le fer devient malléable et le laitier liquide. Un martelage répété permet alors d’expulser les impuretés puis, par soudure autogène, d’augmenter les loupes en un lingot plus important (corroyage). Ce travail très pénible a été amélioré par l’usage de marteaux à excentrique, mus par des machines hydrauliques, depuis l’ingénieur Gao (494~554) en Chine, beaucoup plus tard en Europe, jusqu’au marteau-pilon du xviiie siècle. Certains minerais renferment des impuretés qui passent dans le fer et lui confèrent (à lui ou à l’acier) des propriétés particulières, bénéfiques ou nuisibles. Ainsi, les carbonates d’Allevard renferment du manganèse qui accroît la souplesse de l’acier sans nuire à sa résistance. Par contre, le soufre a un effet désastreux : lors de la plongée télécommandée sur l’épave du Titanic en 1995, il a été remonté des échantillons de la coque ; les impuretés de soufre qu’elle contenait lui conféraient une résistance d’à peine un quart de celle d’un acier moderne. Tout s’est passé comme si le Titanic avait eu une coque en verre !

Le fer en Occident Le fer parvient en Europe centrale avec les Celtes vers 750 avant J.C. C’est la période dite de Hallstatt (Autriche).

Les alliages fer-carbone et leurs transformations Il est impossible dans cette fabrication d’échapper à une certaine combinaison du carbone avec le fer. Le fer extra pur (Armco) ne peut être obtenu qu’en changeant de méthode : c’est le fer électrolytique, qui fond à 1535 °C. Tous les alliages fondent en dessous de cette température.  S’il renferme moins de 0,1% de carbone, on a du fer doux ou du fer à forger malléable dès 800 °C, permettant la soudure autogène, et de résistance mécanique moyenne.  De 0,1 % à 1,7 % de carbone, il s’agit de l’acier, difficile à travailler à chaud mais devenant dur et élastique, un peu cassant par la trempe (c’est l’inverse du bronze).  De 1,7 % à 6,6 % (Fe3C) de carbone, on a la fonte : produit cassant sans intérêt pour les métallurgistes du Moyen-Orient, mais c’est dans cette plage que se situe la température de fusion minimale (eutectique) de ces alliages : 1145 °C pour une proportion de 4,3 % en carbone. Il est possible de passer d’une catégorie à l’autre en modifiant la proportion de carbone :  Carburation - en chauffant un fer doux au contact de carbone, le carbone pénètre lentement sur des épaisseurs de plusieurs millimètres donnant une couche d’acier : c’est la cémentation superficielle des Hittites.  Affinage - les fontes peuvent être affinées en acier à l’état solide ou liquide, essentiellement par deux méthodes : – Chauffage en atmosphère oxydante (courant d’air soufflé), qui brûle l’excès de carbone (cette méthode a été décrite par le moine taoïste Huai Nan Zi sous le nom des cent affinages en 120 avant J.C). – Chauffage avec du fer doux ou du fer oxydé, qui ajoute du fer et retire du carbone (méthode employée dès le vie siècle en Chine).

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Naissance et diffusion de la physique

Depuis 900 avant J.C., l’Europe subissait une mutation, les villages occupaient toutes les vallées et des agglomérations grossissaient sous l’influence de seigneurs locaux. Le fer arrive par le courant d’échange classique est-ouest mais celui-ci bascule lentement au nordsud, et l’Europe centrale va jouer le rôle du deuxième cercle d’une économie-monde (au sens de F. Braudel) entre les cités motrices de la Méditerranée (Etrurie-Provence) et les pourvoyeurs de matières premières au nord de l’Europe. Aux nœuds clés des communications, les principautés celtes vont vivre une grande richesse marquée par les tombes à tumuli de leurs princes, où une économie de prestige entasse des chariots, des vaisselles grecques ou étrusques (vase de Vix), des armes en fer et même de la soie de Chine (Hohmichele). Une des plus anciennes de ces tombes est en Isère, à Saint-Romain de Jalionas (750 avant J.C.), où le prince porte une épée de bronze et un couteau de chasse en fer. Cette civilisation s’effondre en 450 avant J.C., et elle est suivie d’un deuxième âge du fer, celui de La Tène (en Suisse) au cours duquel l’usage du fer progresse peu. Les Romains équipent leurs armées de matériel de fer à partir du début de notre ère, mais ce matériel, forgé à l’unité, reste très coûteux et ne pénètre pas dans l’usage civil. La grande propriété agricole, découverte sur le lac de Paladru, en Isère, et occupée autour de l’an 1000, révèle des traces d’oxydes de fer, dit des battitures, résultant du martelage d’éponges de fer : elles révèlent la fabrication artisanale de fer répondant au manque d’industrie civile. Sans doute, il s’agit de fabrication locale de quelques outils destinés à la taille des outils en bois utilisés couramment. C’est ainsi que la règle de Saint-Benoît (Cluny) vers 950 consacre un article aux soins que doivent prendre les moines vis-à-vis des quelques éléments de fer destinés à la fabrication des outils agricoles en bois.

Le fer de l’ère industrielle col L’Angleterre développe au xviiie siècle, pour sécher le houblon dans les brasseries, un nouveau armature en forte tôle combustible, le coke, obtenu en distillant la houille en vase clos. Le gaz obtenu sert de gaz d’éclairage et le reliquat est revêtement intérieur du charbon pur, très dur et très acide ou basique performant. trajet de l'air comprimé fonte en fusion On peut donc entasser en couches, l’oxyde de fer et le combustible sur de grandes tourillon creux (arrivée de l'air comprimé) hauteurs (hauts fourneaux) boîte à vent et l’on obtient en continu de la fonte liquide. Celle-ci est 14 - Cornue Bessemer air comprimé affi­née dans un convertisseur Bessemer (1850) où l’on insuffle, par la base, de l’air (ou de l’oxygène) dans la fonte liquide. Le carbone brûle et augmente la tempé­rature, en mainte­nant liquide l’acier qui est coulé dans un moule en gros lingot (bloom). Il est également possible de puddler la fonte, avec des déchets de fer rouillés, dans un four à réverbère ; c’est le procédé Martin-Siemens (1860).

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes

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Les forgerons de métier se consacrent essentiellement à la fabrication des armes et, de ce fait, sont auréolés de respect (Sieg­fried forge lui-même Nothung, l’épée sans pareille). Ils conservent jalousement leurs connais­sances dans une corporation qui fige tout progrès. Il faut attendre le xiie siècle pour que l’industrie se développe en Belgique, en Bourgogne et en Dauphiné et que l’outil de fer (soc de charrue, par exemple) se généralise. Aussitôt, le grand défrichage de l’Europe va pouvoir commencer, sous la houlette des monastères, et conduire à l’expan­sion démographique que l’on connaît.

Le fer en Chine La technique arrive en Chine en 800 avant J.C. Il y a de très gros gisements de fer au nord de la Chine, au Shanxi et au Shaanxi. Mais les Chinois possèdent la technique des fours à céramique à très haute température et ils dépassent très largement la température de fusion de la fonte. Or, la fonte liquide coule comme de l’eau et se moule avec facilité. Aussi, dès 513 avant J.C., elle est utilisée pour des moulages en série d’outils civils, qui sont ensuite affinés et produits à bas prix et en grande quantité.

15 - Objets en fonte affinée pour un travail civil en Chine - 513 avant J.C.

L’apparition du soufflet à double effet, vers 200 avant J.C., puis le remplacement du charbon de bois par la houille en 300, l’usage de machines hydrauliques pour les souffleries, puis d’explosifs dans les mines à partir de 1000 font de la Chine le premier producteur mondial de fonte pour longtemps. Ainsi, la quantité produite en 1078 est de 114 000 tonnes. Par comparaison, le pays d’Europe le plus industrialisé, l’Angleterre, n’en produit que 68 000 tonnes, 700 ans après, en 1788.

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Naissance et diffusion de la physique

Influence de l’usage du fer sur la société en Chine Pendant longtemps, le fer ne pénètre la société civile qu’en Chine, où il va provoquer une explosion démographique presque immédiate. En 481 avant J.C., s’ouvre la période des Royaumes Combattants : les petites principautés de la période précédente sont regroupées en sept grands hégémons qui entrent en lutte. Les grandes familles héréditaires, qui avaient la charge des bourgades et des cultes, déclinent et à leur place, l’administration est confiée à une classe de petits gentils­hommes (shi  ) fonctionnaires, révocables et rétribués. La guerre, qui était essentiellement menée par des aristocrates possédant des chars et des armes de bronze, change d’échelle et fait appel à une infanterie paysanne de plus en plus nombreuse, armée d’épées en fer et d’arbalètes tendues au pied, ainsi qu’à une cavalerie équipée d’arcs. L’usage du char, peu utilisable en terrain varié, décline et le paysan vainqueur devient, en récompense, cultivateur indépendant. L’effet de nombre devenant décisif, des défrichements intenses, rendus possible par l’usage d’outils en fer, portent sur les forêts et les zones marécageuses et accroissent les ressources alimentaires de la population. L’agriculture se modernise (engrais, cultures sélectives, irrigation) et emploie des outils de fer. Des ingénieurs hydrographes modifient le parcours des rivières dans la vallée de la Wei et au Si Chuan (Li Bing et son fils). La charrette prend deux limons, l’attelage est amélioré par la bricole de poitrail.

16 - Vue du canal de Li Bing Au premier plan devant la Du Jiang à Guan Xian, Si Chuan

La population croissant très vite, une grande activité commerciale se développe. Les impôts sur les paysans libres et les commerçants se prélèvent en monnaie métallique (en forme de bêches, de couteaux, de nez de fourmi ou circulaires avec un trou central carré) qui facilite

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes

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les échanges. Chaque état s’enrichit et les villes s’épanouissent : des cours centrales très brillantes favorisent une grande activité intellectuelle et artistique. La conséquence de ces modifications est l’unification de la Chine par la princi­pauté Qin, la mieux organisée, en 221 avant J.C. A partir de 200 avant J.C., sous les Han antérieurs, la Chine s’étend à l’ouest et au sud, et l’état nationalise les ressources essentielles, sel et fer, en 117 avant J.C. Dès le ive siècle avant J.C., l’arc en bois avait été remplacé par un ressort d’acier avec système de guidage de la flèche et mécanisme de déclenchement : c’est l’arbalète. Sous les Han, le mécanisme est constitué de pièces interchangeables, et l’historien Si Ma Qian rapporte qu’en 157 avant J.C., les arsenaux renfermaient plusieurs centaines de milliers d’arbalètes fabriquées à la chaîne, standardisées dans des usines où régnait un secret sévèrement gardé et une sécurité stricte dans le con­trôle du personnel ; c’est-à-dire typiquement un complexe militaro-industriel au sens moderne.

Les métaux précieux L’or et l’argent, grâce à leur éclat, ont d’abord servi comme parures et objets d’apparat. Mais lorsque l’économie a dépassé le stade du troc local, ils ont servi de monnaie d’échange et ont eu un rôle économique fondamental au point que, lorsque les disponibilités en métaux nobles n’ont pas suivi l’expansion de l’économie, celle-ci a été freinée, sauf expédients relativement peu nombreux : pillage de Byzance par la ive croisade en 1204, procès des templiers par Philippe le Bel en 1307 ou proscription des bouddhistes par les Tang en 847. Des solutions moins brutales peuvent aussi être soulignées : la Casa de San Giorgio à Gênes, au début de la Renaissance (banque générale ne mobilisant que les soldes) ou l’impression des billets de banque par les Song à partir de 1107.

L’or L’or existe à l’état natif en petites quantités très dispersées et on en trouve très peu en Europe, sauf dans les Carpathes. Il a d’abord été utilisé sous forme de pépites, puis on a commencé à le travailler vers le ve millénaire avant J.C. et l’on trouve de nombreux objets dans la nécropole de Varna en Bulgarie.

Propriétés de l’or Le métal pur est mou ; très ductile et malléable (on peut en faire des feuilles jusqu’à 1/10 μ d’épais­seur). Aussi est-il, en général, allié à de l’argent ou du cuivre pour le durcir. Il fond à 1063 °C. L’alliage à 750/1000 est dit à 18 carats. L’or vert contient 25 % d’argent, l’or rouge 25 % de cuivre et l’or jaune 12,5 % d’argent et 12,5 % de cuivre. On le récolte à la battée par gravité dans les boues. Les installations modernes font un amalgame avec le mercure ou le dissolve au cyanure de sodium [(CN)2AuNa], puis déplacent l’or par le zinc. Ces deux méthodes ravagent l’environnement.

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Naissance et diffusion de la physique

17 - Tombe n° 43 à Varna - Bulgarie - 4500 avant J.C. - Au total, plus de 1,5 kg d’or

La plupart de l’or utilisé en Europe (avant 1492) venait d’Afrique. Les Carthaginois avaient un circuit maritime à partir du Sénégal, mais cette source est détruite avec Carthage (Scipion Emilien, 148 avant J.C.) et Rome est rapidement à court d’or (déficit de la balance commerciale, rentes aux Barbares du Nord). Cela conduit Trajan à conquérir la Dacie (Carpathes) mais, dès le iiie  siècle, la production tombe à moins de 300 kg / an. Les Arabes renouent avec l’or de l’Afri­que grâce à des caravanes terrestres par le Maroc : 600 kg / an à partir de l’an 1000 avec un trafic d’esclaves de 20 000 têtes par an. A partir de l’an 1000, l’église sort ses trésors pour payer les cathédrales et des monnaies d’or sont créées : le florin en 1252, l’écu de Saint-Louis en 1263, le ducat vénitien en 1284. Le nombre de caravanes du Mali augmente. En 1324, le pèlerinage à La Mecque de Kankan Moussa, Mansa de Niani, amène au Caire des tonnes d’or.

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes

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Mais la prise de Ceuta, en 1415, par les Portugais coupe cette route, dévalorise Grenade et pousse à la reconquête de la voie maritime. Puis de 1520 à 1600, 85 % de l’or européen vient d’Amérique. Tunis

Ceuta Marrakech Sigilmasa

Fès

Tripoli

Alexandrie Le Caire

Ghadamès

Tombouctou Gao

Agadès

Niani

18 - Les routes de l’or au Moyen Âge

L’argent Métal inoxydable, assez répandu mais rarement à l’état natif (cela résulte alors d’un déplacement local de ses sels par une action chimico-géologique). Il est le plus souvent en faible proportion dans des sels de cuivre ou de plomb. On le trouve au Moyen-Orient, en Europe près d’Athènes ou en Bohème, et en grande quantité en Amérique. Il est également présent en Chine. La plupart des sels de cuivre ou de plomb intéressants sont des sulfures (PbS est la galène) que l’on traite comme il a été vu pour le cuivre : une partie du sel est oxydée en PbO et réagit alors avec le PbS restant vers 900 °C. Le plomb coule à 327 °C.

19 - Figurine de Hasanoglou Anatolie - 2200 avant J.C. - Argent et bandeaux d’or

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Naissance et diffusion de la physique

Métallurgie de l’argent A partir du plomb argentifère Le plomb coule avec la totalité de l’argent dissous. En refroidissant, le plomb se solidifie d’abord pur (et on l’enlève) jusqu’à l’eutectique à 2,6 % d’argent. On procède alors par coupellation : l’eutectique est fondu à 900 °C dans une coupelle en terre soumise à un courant d’air : le plomb s’oxyde seul et la litharge (PbO) surnage, fondue à 880 °C. Par une entaille de la coupelle, on l’élimine au fur et à mesure. A la fin, un miroir d’argent apparaît. Ce procédé était exploité dès le ve siècle avant J.C. dans les mines du Laurion, au nord d’Athènes. Celles-ci ont contribué à la puissance économique d’Athènes jusqu’à leur prise par Sparte, en 403 avant J.C.

A partir du cuivre argentifère C’est le cas des principales mines d’Europe en Bohème, et la séparation est difficile car les températures de fusion (Tf) sont voisines :

TfAg = 962 °C

et

TfCu = 1083 °C.

Cependant, le rendement a été multiplié par 10 grâce à la découverte décrite dans les Schmelzbücher de Hans Stockl, en 1520 7. Au cours de l’étape initiale où l’on chauffe le minerai avec du charbon de bois et un fondant pour la gangue, on ajoute du plomb qui dissout tout l’argent. On est alors ramené au problème précédent. Grâce à ce nouveau procédé, Jacob Fugger d’Augsbourg tire de ses mines, dès le début de 1500, environ 50 T d’argent par an. Il pourra ainsi prêter à Charles Ier d’Espa­gne les sommes nécessaires pour acheter les grands électeurs d’Allemagne et devenir Charles Quint. La découverte de l’Amérique apporte, un peu plus tard, à l’Europe d’importantes ressources pendant une centaine d’années : les mines de Zacatecas, puis celles du Potosi en Bolivie (conquises en 1545) fournissent à l’Espagne des quantités importantes, à partir de 1570. Elles vont culminer en 1595, puis se tarir au fil d’une exploitation forcenée. Le tonnage arrivant à Séville est le suivant (en tonnes) :

1595 : 271 T

1620 : 214 T

1630 : 140 T

1650 : 44 T…

e xix

Il faudra attendre la découverte, au Mexique, au siècle, de nouvelles mines pour que le prix de l’argent sur le marché international subisse une chute brutale, aggravant la situation économique de la Chine dont tous les échanges étaient basés sur l’argent. Contrairement à l’argent européen, l’argent andin renferme quelques ppm (parties par million) d’indium et ce marqueur permet de suivre l’usage du métal américain, en dosant les pièces d’argent du xvie siècle. Le dosage se fait par activation neutronique, puis par comparaison des spectres γ de l’indium et de l’argent. L’argent activé a une période T = 2,42 min et l’indium T = 54,1 min. La limite de détection est de 0,03 ppm d’indium.

7. R.F. Tylecote, The early History of Metallurgy in Europe, Langman, 1987.

Chapitre II La raison et l’expérience Lorsque l’homme, non content d’agir sur la nature, voulut chercher des explications aux contraintes qu’elle imposait, il imagina des volontés supérieures à la sienne, celles de génies d’abord diffus ou incarnés par des animaux, puis rapidement il invoqua l’action de surhommes créés à son image physique et psychologique. Les premiers documents écrits, à l’aube de l’histoire, nous montrent à Sumer tout un panthéon animé par Enlil, le créateur, accompagné d’Enki et d’Inanna qui ont inventé l’humanité pour se décharger des besognes ancillaires, mais se dégoûtent rapidement des querelles et criailleries de ces créatures au point de vouloir les noyer dans un déluge. Il n’y a là nulle logique, nulle étude expérimentale de la nature dont les manifestations se ramènent à la volonté capricieuse de divinités qu’il convient de nourrir et de vénérer dans leurs temples. Le principal souci qui perce dans ces légendes est d’expliquer comment l’ordre actuel est né du désordre 1 : ainsi, à Babylone, Marduk tue Tiamat, monstre femelle incarnant le chaos et peut ensuite régler le mouvement des astres et la naissance de l’homme 2. En Grèce, Hésiode, dans la Théogonie (viiie siècle avant J.C.), nous raconte que χάοϛ s’est ouvert pour que le jour y pénètre et que soient désunis Γαῖα, la terre, et Οὐρανόϛ, le ciel.

La tradition grecque Une grande révolution intellectuelle, peut-être la plus grande de toutes, va naître sur la côte ionienne de la mer Egée, au viie siècle avant J.C.. Le souci fondamental d’expli­cation va être laïcisé et la physique va reprendre les systèmes de représentation élaborés par la religion mais sur un plan totalement abstrait. Ainsi entre la philosophie d’Anaximandre (– 610 ~ – 547), élève de Thalès, et la Théogonie d’Hésiode, les struc­tures se correspondent jusque dans le détail 3 : le philosophe a rationalisé le mythe. 1 Le problème est toujours d’actualité : nos physiciens modernes cherchent à expliquer comment la matière qui constitue notre univers s’est séparée de l’anti-matière, alors que les deux types de particules apparaissent à égalité dans le bouillon primordial. 2 J.P. Vernant, Mythe et Pensée chez les Grecs, La Découverte, 1996, p. 376. 3 F.M. Cornford, Principium sapientiae, Cambridge, 1952, p. 159.

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Naissance et diffusion de la physique

Le premier artisan de cette nouvelle vision du monde est Thalès de Milet (– 625~– 547). Mathématicien ayant voyagé en Egypte (mesure de la hauteur des pyramides) et à Babylone, il réfléchit aux mécanismes de formation de la terre et à leurs conséquences. Pour lui, tout vient de l’eau et la terre est un cylindre circulaire plat, porté par une mer infinie dont l’agitation est la cause de tous les séismes. Bien sûr, ces schémas sont sommaires, mais ce qu’ils ont d’essentiel est qu’il n’est plus besoin de faire intervenir le ciel pour expliquer la nature : la puissance de la logique va remplacer celle des dieux. Pendant que les travaux de l’école ionienne se poursuivent, Pythagore (– 570~– 480), originaire de Samos qu’il a dû quitter pour se réfugier en Grande Grèce 4, à Crotone, fonde une secte ésotérique dont les conclusions, en principe secrètes, partent des mêmes préoccupations. Il est le premier à estimer que la terre est ronde (à cause de son ombre sur la lune lors des éclipses) et il suppose que les mouvements de l’univers sont régis par des nombres entiers et des sons harmo­niques, à l’image de ceux qui résultent des mouvements d’une corde vibrante. Nous sommes tellement imprégnés de ces sons que nous ne les entendons plus. Nous reviendrons, dans les chapitres spécialisés, sur les spéculations physiques des uns et des autres. Rappelons seulement, pour l’instant, que plus tard Platon (– 427~– 348) pense que les mathématiques (et leur corollaire, l’astronomie) sont les expressions les plus proches de la vérité et que pour le reste nous ne voyons que des reflets déformés des idées pures (voir par exemple, le mythe de la caverne). Son élève, Aristote (– 384~– 322), fondateur du Lycée à Athènes et précepteur d’Alexandre le Grand, est le chantre de la pensée rationnelle et objective sous forme du λόγοϛ (le discours). Mais la position de la τέχνη (la technique) est bien différente 5. Chaque spécialité artisanale a reçu l’enseignement de ses méthodes directement du ciel et respecter les pratiques des ancêtres est un devoir. Toute modification des processus employés relève du sacrilège. La seule amélioration concevable consiste à acquérir une spécialisation plus étroite, permettant une meilleure approche de la perfection des gestes du corps et de la main dans laquelle l’outil n’a qu’un rôle mineur. Ainsi, vis-à-vis de la science, l’empeiria (on dirait l’empirisme) n’est pas vraiment rationnelle même si elle est pratiquée par un ἀρχιτέκτων (on pourrait traduire par ingénieur), professionnel dirigeant de très haut les artisans. Platon fulmine ainsi contre Archytas, inventeur d’une règle à calcul. Il lui reproche « de perdre et de ruiner l’excellence de la géométrie en désertant les notions abstraites et intelligibles pour passer aux objets sensibles, ce qui revient à l’utilisation d’éléments matériels demandant un long et grossier travail manuel ». Il n’y aura que peu d’inventions techniques en Grèce (ni plus tard à Rome), sauf dans le domaine des mécaniques militaires. La figure de l’ingénieur qui, par des artifices savants, peut contraindre la nature à produire des merveilles, comporte aux yeux des Grecs une 4 Nom général de l’Italie du Sud et de la Sicile. Vernant, Mythe et Pensée chez les Grecs, La Découverte, 1996, p. 302-314. 5 J.P. 

II - La raison et l'expérience

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force démonique au sens où Aristote, voulant marquer la présence dans la nature d’une force rationnelle, écrit que le « phusikos est daimonion » 6. La machine de l’ingé­nieur garde le caractère d’un résultat exceptionnel sur une nature à laquelle on ne peut imposer entiè­rement sa loi. C’est pourquoi elle n’est pas susceptible d’une application généralisée. Elle se dégage diffici­lement de l’art du thaumaturge. Ainsi, certaines des inventions de Héron  d’Alexandrie (ier siècle après J.C.), qualifiées de prodiges, ne resteront que des gadgets. 20 - La boule tourne par réaction Héron d’Alexandrie

21 - Quand on allume l’autel, les portes s’ouvrent Héron d’Alexandrie

D’après la conception d’Aristote, on doit partir de principes évidents et universels pour en déduire logiquement des conséquences absolues. Quel est le rôle de l’expérience dans ces prémisses ? Il s’agit seulement de l’expérience commune que chacun peut invoquer. Une expérience un peu complexe, avec un dispositif ad hoc, n’entre pas dans cette définition, même attestée par témoins. Elle devient d’autant plus discutable que les Grecs n’ont pas le sens de la marge d’erreur dans une mesure ; par conséquent celle-ci ne peut être raisonnablement prise en compte. A ce propos, on peut citer une mesure d’Aristarque  de Samos (– 310 ~ – 230) du rapport des distances du soleil à la terre (ST) à la distance de la lune à la terre (LT). La mesure se ramène à celle de l’angle α (fig. 22), lorsque la lune apparaît comme un demi-cercle exactement. On a LT / ST = cos α. L

22 - Calcul d’Aristarque de Samos

T F

6 J.P.  Vernant, Mythe et Pensée chez les Grecs, La Découverte, 1996, p. 316.

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Naissance et diffusion de la physique

La seule erreur qui préoccupe Aristarque est celle, mathématique, du calcul de cos α (les lignes trigono­mé­triques n’existent pas à cette époque, elles seront inventées par Aryabhata, en Inde, au vie siècle après J.C.) alors que la principale cause d’erreur est la mesure physique : visée au temps exact où la lune apparaît comme un exact demi-cercle. La confiance dans la mesure est si faible qu’en cas de divergence entre raisonnement et mesure, cette dernière est systématiquement écartée, voire modifiée. C’est ainsi que l’astronome Claude Ptolémée (100~170), mesurant l’angle de réfraction r de la lumière, de l’air dans l’eau, sous l’incidence i (fig. 23), cherche à vérifier une relation qu’il a supposée être logiquement r=ai – bi 2 (où a et b sont des constantes). Il est en effet parti de la constatation que la relation n’est pas linéaire sauf aux très petits angles. Le dispositif de mesure utilisé est correct et ne i devrait évi­demment pas vérifier la formule mais, cependant, il déforme ses résultats jusqu’à ce qu’ils donnent la réponse qu’il attend. r 23 - Expérience de Claude Ptolémée

Le prolongement en Occident Avec les invasions barbares, la tradition grecque disparaît progressivement en Italie et le dernier érudit pratiquant la langue est le conseiller du roi ostrogoth Théodoric Ier, Boèce, qui finit emprisonné à Ravenne, en 524. La philosophie grecque réapparaît au Moyen Âge grâce aux traductions arabes et Aristote ressuscite grâce à Thomas d’Aquin (1225~1274), dominicain, professeur à l’Université de Paris. Dans la Summa Theologica, ce prédicateur souhaite constituer la théologie en science par des raisonnements logiques Ibn Rushd (Averroès) à la manière d’Aristote, en remplaçant Ibn Rushd était le fils du Cadi de Cordoue les principes de base de celui-ci par les en Espagne où il est né en 1126. Après des dogmes chrétiens. Il professe en particufonctions de magistrat, il devient médecin et voyage entre Cordoue, Fès et Marrakech. lier que « rien n’arrive au hasard, tout se Il publie alors des commentaires sur Aristote produit selon la nécessité ». où il s’interroge sur l’origine du Monde. Pour Aristote, rien n’est créé à partir de rien et toute la nature est éternelle, ce qui est contraire à la Révélation. Averroès propose de séparer radicalement la raison profane et la foi révélée. Mais la religion musulmane va condamner ces idées et il doit fuir, se cacher et vivre un temps dans la clandestinité. Il est finalement réhabilité à Marrakech où il vient mourir en 1198. L’église catholique, elle aussi, condamne ces principes en 1240.

Vu sous cet angle, Aristote régnera pendant plus de trois siècles sur la pensée médiévale. Par contre, l’interprétation d’Averroès (Ibn Rushd, 1126 ~1198), selon laquelle il faut totalement séparer la vérité scientifique de la foi, sera violemment combattue presque partout, sauf à Padoue où des adeptes de la double vérité se manifesteront un temps.

II - La raison et l'expérience

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Les tribulations de l’œuvre d’Aristote, d’Athènes à Paris Certains manuscrits d'Aristote étaient conservés à Athènes mais la plupart devaient se trouver dans les deux grandes bibliothèques : celle de Pergame et celle d’Alexandrie. Or la première fut offerte par Marc Antoine à Cléopatre VII en 40 avant J.C. et rejoignit donc la deuxième. La première atteinte à l’intégrité du formidable trésor de connaissances d’Alexandrie se situe en 269 après J.C., lors du raid sur l’Egypte de Zénobie, reine de Palmyre, mais l’essentiel de la catastrophe a lieu en 415, quand l’évêque Cyrille fait brûler la bibliothèque par des émeutiers chrétiens. Enfin l’hallali est sonné par le calife Omar dont les troupes prennent Alexandrie en 634. Il fait distribuer les derniers livres aux bains publics pour servir de combustible. Parallèlement, l’empereur Justinien ferme en 529 les écoles d’Athènes pour paganisme et leurs biens sont dispersés. Quelques ouvrages se retrouvent dans la bibliothèque de Byzance. Le concile d’Ephèse, en 431, avait condamné l’évêque Nestorius pour son hérésie dyophysiste et celui-ci était allé fonder une université nestorienne pas très loin, à Edesse, en territoire sassanide. Cet organisme va collectionner tous les écrits philosophiques grecs qu’il peut se procurer (en acheter même à Byzance) et les traduire en syriaque (langue locale dérivée de l’araméen). Ce zèle formidable, auquel nous devons presque toute notre connaissance de la pensée grecque, se poursuit avec l’évêque Bar  Sauma lorsqu’une victoire temporaire de Byzance oblige l’université à émigrer à Nisibe. Les nestoriens vont rayonner dans toute l’Asie centrale et on ignore souvent que, par exemple, le patriarche Timothée Ier a créé au ixe siècle un évêché au Tibet. Le calife abbasside Al Mamun (813 ~ 833) fixe à la Maison de la Sagesse (Bayt al Hikma), qu’il crée à Bagdad, la mission de collecter tous les textes grecs et nestoriens et de les traduire en arabe. C’est ainsi que ces documents tournent autour de la Méditerranée et se retrouvent en Espagne dès le début de la reconquête. Lorsque Alphonse VI de León reprend Tolède en 1085, l’évêque Raimond crée un grand centre de traduction d’arabe et d’hébreu en latin. Les textes d’Aristote vont se retrouver sous la plume d’Adélard de Bath, de Gérard de Crémone et de bien d’autres, puis apparaissent à Paris vers 1200 au moment de la fondation de l’Université.

Cependant, une position assez différente est professée par le fondateur de l’Université d’Oxford en 1215, le franciscain Robert Grosseteste (1175~1253). Il proclame que tout raisonnement scientifique comprend trois phases successives : l’induction, l’expérience et la formulation mathématique. Son successeur, Roger Bacon (1219 ~1292), se refuse à suivre Aristote les yeux fermés et écrit que « le raisonnement ne prouve rien, tout dépend de l’expérience ». Nous reparlerons plus tard des travaux importants de Roger Bacon, en particulier en optique. Il a également travaillé en astronomie et attiré l’attention sur un mémoire de Pierre de Maricourt, publication expérimentale sur le magnétisme (1269), dans la tradition des ingénieurs militaires. Malheureusement, Roger Bacon fut emprisonné pour averroïsme et son attitude remarquablement moderne s’est éteinte avec lui dans un cul-de-basse-fosse. Il faudra atten­dre Galilée (1564 ~1642) pour que revive la méthode expérimentale en physique.

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Naissance et diffusion de la physique

La plupart des raisonnements expérimentaux médiévaux, dont nous parlerons dans chacun des chapitres suivants, sont en fait des expériences faites par la pensée : « si je me mets dans telles et telles conditions, voilà ce qui se produira ». Cela paraît beaucoup plus sûr que de recourir à des mesures en lesquelles personne n’a confiance. C’est pourquoi l’attitude de P. de Maricourt, qui rompt des aimants puis les recombine pour examiner le rôle des pôles magnétiques, est si exceptionnelle. Sans doute est-ce dû au fait qu’il n’est pas universitaire, mais ingénieur militaire habitué à régler des problèmes concrets. Descartes lui-même, adepte de la rigueur du raisonnement, n’est pas un expérimentateur et les premiers successeurs de Galilée au xviie siècle sont sans doute Pascal, avec l’étude de la pression atmosphérique, et Newton qui décompose et recompose la lumière blanche.

La pratique chinoise Les origines Il se développe très tôt en Asie centrale une tradition d’intercesseurs entre les membres de la tribu et les forces de la nature : ce sont les chamanes. Ceux-ci sont des sages qui se singularisent par une vie ascétique et des connaissances ésotériques transmises par un maître. Par une discipline de tension et de concentration spirituelle en liaison avec un contrôle du souffle respiratoire, ils peuvent rassembler les éléments de l’âme dispersés en tous les points du corps, et celle-ci peut s’en détacher et le réintégrer à volonté après une pérégrination dans le monde infernal, ou un voyage à travers l’espace. Ces chamanes

La religion au Tibet La religion primitive du Tibet est une reli­gion animiste qui attribue une conscience à chaque objet : c’est la religion bön servie par des chamanes intercesseurs. Lorsque l’unificateur du Tibet, Songtsen Gampo (634~650), épouse la princesse chinoise Wen Cheng (dynastie Tang), il se convertit au bouddhisme avec la cour. Mais la population ne commence sa conversion que lorsque l’armée tibétaine occupe les oasis d’Asie centrale (666 ~ 692), où se trouvaient de très nombreux monastères bouddhiques (en particulier à Hotan). Puis le roi Thysong Detsen (756 ~ 797) décrète le bouddhisme religion d’état et, après la confrontation de Samye (792 ~ 794), rejette l’amidisme chinois pour le bouddhisme de la branche indienne dite Grand Véhicule. Cependant, peu après, le roi Langdarma (838~842) proscrit la nouvelle religion et rétablit le bön. Le bouddhisme se réfugie alors tout à l’ouest du Tibet (au Ladakh et au Spiti) et tout à l’est (le Kham, le Bouthan), puis reprend lentement du terrain sous l’influence des prédicateurs comme Marpa (1012 ~1096) et son disciple Milarepa (1040~1123), qui introduisent dans le Grand Véhicule les démons du bön sous forme de divinités converties et bien­faisantes. Cette religion nouvelle est nommée le lamaïsme. Enfin Tsongkhapa (1337 ~1419) réforme le lamaïsme en créant la secte des Gelugpa (bonnets jaunes) et fonde les monastères de Sera et Drepung près de Lhassa. Plus tard les Mongols (Altan Khan), en 1578, chargèrent le supérieur de Drepung de la gestion temporelle du Tibet, avec le titre de Dalaï Lama.

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peuvent ainsi acquérir des informations sur le passé, le présent et l’avenir, ou intercéder éventuellement pour des morts dont les descendants craignent qu’ils n’éprouvent des diffi­ cultés dans l’au-delà. Ces pratiques, qui vont de pair, souvent, avec l’existence d’un animal ancêtre et protecteur, le totem, sont encore très répandues dans une population qui a la steppe pour origine, les Coréens. Dans leur pays, des cérémonies pour l’âme des ancêtres ou la guérison de malades se déroulent encore sous la direction de femmes chamanes, les mudang. De même, au Tibet, la tradition chamanique de la religion Bön imprègne fortement le lamaïsme réformé de Marpa et Milarepa (1040 ~1123). On a trouvé autour de la ville d’An  Yang,

La connaissance de la nature est appro­ fondie par ces chamanes dans le but de mieux exercer leur minis­tère, mais nullement dans le désir de théoriser sur les phénomènes eux-mêmes.

En Chine, de nombreuses légendes, issues de cette tradition, portant sur l’origine des phénomènes naturels, se retrouvent dans les premiers écrits et dans la pratique des os oraculaires (à An Yang, capitale de la dynastie Shang, à partir de 1350 avant J.C.). L’empereur Jaune (Huang Di), après avoir été le maître du ciel, a été transformé en créateur de la nature chinoise et Yu  le Grand est choisi par le roi mythique Yao pour régner, car il a su « pacifier les eaux et les terres dans les neuf provinces et nettoyer les neuf grands cours d’eau » 7. Des problèmes techniques se trouvent ainsi entremêlés de repré­ sentations mythiques. A cette époque, des pratiques de divination à partir de la position en trigrammes, puis en hexa­grammes, de baguettes d’achillée sont à la base de la numération. Plus tard, la perte de pouvoir de la dynastie centrale Zhou (fondée en 1027 avant J.C.), gardienne non seulement de l’ordre politique mais de la pratique des rites, conduit à un désordre sanglant et à 7 Ph.  Rawson et L. Legeza, Le Tao, Le Seuil, 1973.

deuxième capitale de la dynastie Shang à l’est de la Chine, des milliers d’os plats (omoplates de ruminants ou plastron de tortue) sur lesquels les fidèles gravaient les questions qu’ils souhaitaient poser aux dieux. L’officiant soumettait ce message au feu et interprétait les craquelures qui apparaissaient comme les réponses divines. Ces os sont des documents fondamentaux sur les problèmes de l’époque et sur les débuts de l’écriture chinoise. Cette pratique débute en 1350 avant J.C. et s’étale sur plusieurs siècles.

24 - Os oraculaire

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une perte des repères moraux attachés à la tradition. Aussi, à partir du vie siècle avant J.C., se développent des réflexions philoso­phiques très influencées par le désordre politique de la période dite des Printemps et des Automnes (– 722~– 481).

La voie de la sagesse La plupart des penseurs de cette époque, au premier rang desquels Kong Fu Zi (– 551~ – 479), réflé­chis­sent aux problèmes de société et à la remise en ordre de celle-ci. Cependant, un grand courant naturaliste centre, au contraire, ses réflexions sur l’individu et la voie la meilleure à suivre, indépendamment des vicissitudes politiques. Cette voie, c’est le Dao (   ) que nous nommons le taoïsme. Le point de départ remonte à la pensée chamanique mais s’applique à un sage qui s’abstrait, à titre individuel, du monde en désordre autour de lui. Cet homme se retire dans un ermitage (de préférence peu accessible, par exemple dans un massif montagneux) et là, par des règles magico-religieuses, s’efforce d’accroître sa puissance vitale en vue d’atteindre l’immortalité et d’acquérir des pouvoirs surnaturels. Cela exige des pratiques de tous ordres : alimentaires, respiratoires, gymniques, sexuelles et alchimiques. Il doit faire le vide dans son esprit et ne s’intéresse qu’à la joie qu’apporte la nature. La retraite de l’ermite et l’acquisition de l’immortalité sont si liées dans l’esprit populaire que le mot immortel (xian) s’écrit en joignant la clé de l’homme à celle de la montagne :  . La tradition attribue à un personnage mythique, Lao Zi (   ), la paternité d’un texte de sentences ésotériques : le Dao De Jing (Traité de la voie de la sagesse), extrêmement connu mais néanmoins très obscur. Ce personnage aurait disparu, monté sur un buffle, en partant vers le paradis de l’Ouest (les monts Kun Lun). cipale du Dao est L’œuvre prin­ cependant celle de Zhuang Zhou (– 370~– 300).

25 - Lao Zi sur son buffle

Cette attitude philosophique a rapidement évolué vers une religion populaire, sans église organisée, et a favorisé les révoltes paysannes, à commencer par celle des Turbans jaunes qui scelle la fin de la dynastie Han (– 200~+190). Sous l’influence de la société et de la concurrence, l’évolution du taoïsme a suivi celle du bouddhisme, introduit en Chine à partir de 65 (règne de l’empereur Ming Di). A côté de l’enseignement de Bouddha, axé sur la recherche individuelle et personnelle de l’illumination dans le Hinayana, il s’est développé, en Inde, une nouvelle conception, celle du

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Mahayana, ouverte à la compassion universelle des Bodhissatvas et à une vie monastique en société. De même, en Chine, sous la direction de Kou Qian Zhi (363~448), actif à la cour des Wei du Nord, les premiers monastères taoïstes voient le jour et s’ouvrent à la population en quête de réconfort. L’observation attentive de la nature permet de mieux la connaître, mais pas de mieux l’expliquer. L’expérience est donc reine, pas la théorie. L’astronomie, la physique et la biologie font l’objet d’études attentives qui vont accumuler des connaissances empiriques, sans idées préconçues, en magnétisme, vibrations, usage des sons, etc. Les expériences de chimie s’apparentent à l’alchimie européenne avec, par exemple, l’invention de la poudre noire et d’engrais. Alors qu’en Europe, le moteur de l’alchimie est la recherche de la transmutation des métaux en or, celui qui anime les taoïstes est la poursuite de l’immortalité. Au passage, on peut signaler que la fascination de certains sages pour le cinabre (HgS), produit d’un si beau rouge donnant facilement naissance au vif argent, prodigieux métal, les a conduits rapidement à une mort prématurée (les sels de mercure sont de violents poisons).

Confucius et le confucianisme Kong Fu Zi (– 551~ – 479) Fils d’un petit noble ruiné et travailleur acharné, Kong Zi occupe un poste administratif dans sa principauté d’origine, le Lu, puis doit s’exiler à la suite de difficultés locales. Il passe ensuite une quinzaine d’années à errer de principautés en états (c’est la période où la Chine est très morcelée), suivi de quelques disciples dont Zilu et Zigong 8. Il cherche sans succès un prince qui accep­terait de gouverner suivant ses idées. On ne possède aucun texte rédigé par lui. Les commentaires les plus anciens sont réunis dans les Entretiens de Confucius, écrits au iiie siècle avant J.C. La philosophie de Kong Zi est avant tout une politique de société et de gouvernement, et elle n’est nullement révolutionnaire. Dans une Chine en décomposition et en proie à la guerre, il prône le retour aux vertus et aux rites d’autrefois, mais il attribue à l’homme un rôle essentiel et fonde l’équilibre de la société sur la vertu individuelle dont l’essentiel est le ren (   ), la vertu d’humanité, c’est-à-dire le respect de l’autre homme quel qu’il soit, même un sauvage Wa (japonais). L’organisation de la société doit être fondée sur le respect de la hiérarchie et des rites correspondants, suivant une échelle des valeurs strictes, incluant dans la famille le père, le fils aîné, les autres enfants puis la femme. Si beaucoup de politiciens ont adopté ce principe, la plupart ont oublié la contrepartie obligatoire qui est une exigence de vertu croissante avec le grade et, pour couronner le tout, l’exigence que le prince soit le modèle de toute la principauté. Le maître ne nie pas l’existence d’un ciel, mais comme il ne peut le connaître, il juge inutile de le faire intervenir. 8 Y. Inoué, Confucius, Stock, 1992.

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Le canon des mohistes Les taoïstes ne sont pas les seuls observateurs de la nature. S’ils cherchent à mieux la connaître pour mieux s’en imprégner, d’autres ont des points de vue plus utilitaires. Mo Zi,   (– 480~– 390) professe une idée peu répandue en Chine : l’amour universel, et condamne l’esprit de conquête et de lucre. Il fonde alors une école, école des mohistes, dont le but est de mettre à la disposition des opprimés les connaissances permettant de construire une défense efficace grâce à leurs applications militaires et scientifiques. Il publie un ouvrage qui décrit des expériences dans de nombreux domaines dont nous reparlerons, particulièrement en optique et en mécanique. Malheureusement, après un grand succès populaire au ive siècle et au iiie siècle avant J.C., l’influence des mohistes est ruinée par les persécutions du ier empereur Qin Shi Huan Di (– 221~ – 210), et leurs découvertes sont complètement occultées jusqu’au xixe siècle.

L’Ecole des légistes (Fa Jia,

 )

Bien que cette école n’ait pas eu d’activité scientifique à proprement parler, son importance politique a été telle qu’il faut la mentionner ici. Née dans un des royaumes combattants, le Qin, à l’ouest autour de la rivière Wei, région peu fertile et en butte aux attaques des barbares, elle résulte d’une politique de gestion sévère et efficace mise au point par le premier ministre Han Fei (– 280 ~– 234). Tous les actes de la vie sociale sont codifiés, prévus par la loi avec une échelle précise de mérites et de démérites automatiques. Le Roi lui-même n’a plus qu’à suivre ces règles sans la moindre fantaisie. Cette vision de gouvernance a été strictement suivie par le premier empereur, Qin Shi Huang Di, et l’a conduit à gouverner d’une main de fer en interdisant toutes les autres écoles. Il a, en particulier, fait brûler tous les ouvrages confucianistes et exécuter leurs zélateurs.

L’Ecole des logiciens 9 (Ming Jia,

 )

e iv  siècle

La grande confusion qui règne, au avant J.C., entre toutes les philosophies chinoises est aggravée par l’emploi de mots et de concepts mal définis. Dans un premier temps, les membres de cette école s’attachent à une étude logique, abstraite, des principales idées et de leur expression : idées de grandeur, de temps, d’espace, d’unité et de multiplicité. Puis cette logique va être appliquée à des classifications de la nature, de l’histoire et de la politique. Zou Yan (– 305 ~– 240) revient ainsi à des motivations plus proches de celles des Grecs et va curieusement converger vers certaines de leurs explications. C’est ainsi qu’il développe une théorie de la matière en 5 éléments (4 chez les Grecs), réagissant 9 Souvent le nom de Ming Jia, littéralement Ecole des noms, est traduit par Ecole des sophistes. Pour ne pas introduire de confusion avec la Grèce, je préfère le nom de logiciens introduit par le philosophe anglais G.E.R. Lloyd, dans son ouvrage Pour en finir avec les mentalités, La Découverte, 1993, p.167.

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sous l’influence du Yin et du Yang (l’Amour et le Conflit en Grèce). Nous étudierons au chapitre V cette théorie qui est à la base de l’un des quatre grands classiques de Chine : le Yi Jing, Livre des mutations, immense classement entre toutes choses, qui rencontrera un prodigieux succès.

Evolution et diffusion Nous avons vu qu’en Occident quelques grandes philosophies de l’Antiquité avaient revu le jour au xiiie siècle, grâce aux traductions arabes reprises par Thomas d’Aquin et ses disciples. Une reprise analogue est tentée à peu près à la même époque et avec le même succès en Chine. En effet, sous la dynastie Song (960~1278), Zhu Xi (1130~1200) s’efforce de faire une synthèse entre le Yi Jing et le confucianisme classique de Meng Zi (successeur de Kong Zi, – 372 ~– 289). Il cherche à concilier l’idéalisme du maître et le matérialisme de la nature. C’est pourquoi ce travail a reçu le nom de Li Qi Xue (étude du souffle et de la raison). En Europe, ce mouvement est nommé néo-confucianisme. Il est intéressant de comparer les déclarations déterministes du dominicain (p. 34) et une profession de foi de Zhu Xi :

« Sous le ciel, il n’y a jamais eu un quelconque phénomène sans raison. » Curieusement, le travail de Zhu Xi, interprété de façon étroite et restrictive, fixe et sclérose toute la pensée chinoise officielle pour des siècles, tout comme d’ailleurs la résurrection d’Aristote fait le même effet sur l’université européenne.

Conclusion Mis à part le cas des logiciens déjà souligné, les attitudes dans la sphère méditerranéenne et celles de l’Extrême-Orient sont fondamentalement différentes, tout comme d’ailleurs leurs structures sociales et politiques. Dès la période hellénistique, les gouvernements de l’Europe ont été essentiellement d’ordre militaire, soit centralisés, soit dispersés dans des buttes fortifiées ou des constructions plus élaborées. Nous avons vu, au chapitre I, que le fer, substance difficile à travailler, permet aux soldats d’assurer l’autorité, qui est incarnée par des seigneurs héréditaires. En Chine, dès le premier empereur, les gouverneurs sont des civils recrutés par concours, souvent sans préférences familiales. Ils ont sous leur autorité les militaires, généralement méprisés 10, et les ingénieurs civils œuvrant pour le bien public (tout au moins théoriquement). L’usage du fer, grâce à la fonte, est civil et généralisé. 10 A noter la vieille graphie pour dui, l’armée  : troupeau de cochons défendant les murailles . Ce caractère a été réformé par le parti communiste à l’aide de la clé de l’homme  , donnant  .

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Naissance et diffusion de la physique

En Occident, l’esclavage, extrêmement répandu, apporte l’essentiel de la main-d’œuvre sur terre comme sur mer, et son bas prix rend inutile toute réflexion sur les énergies naturelles. En Chine, l’esclavage est beaucoup moins généralisé et souvent restreint aux besognes ancillaires, si bien que la nécessité de domestiquer la nature conduit à des applications empiriques assez systématiques de toute nouvelle découverte. Dans ce contexte, les explications logiques viennent au deuxième plan, d’autant plus que les administrateurs sont recrutés sur des concours essentiellement littéraires et tout à fait étrangers au raisonnement scientifique (et ceci est vrai aussi pour les fonctionnaires de l’astronomie qui resteront essentiellement des astrologues, sauf sous les Mongols épris de culture arabe). Le progrès technique va ainsi subir, en Extrême-Orient, une évolution régulière et progressive, une lente amélioration des conditions de vie, sans remises en cause, ni brutales évolutions. C’est ainsi qu’en 1780, le niveau de vie du paysan chinois moyen est supérieur à celui du paysan français et son niveau d’instruction est plus élevé. En revanche, en Europe, la stagnation complète de l’évolution scientifique au Moyen Âge se décale de plus en plus violemment par rapport à l’évolution économique de la Renaissance (qui commence vers 1450), jusqu’à la rupture, c’est-à-dire la remise en cause de tous les principes. C’est alors l’éclosion d’une véritable révolution intellectuelle aux conséquences incalculables.

Chapitre III La numération et le calcul L’étude des phénomènes physiques, d’abord qualitative, va progressivement se quantifier. La connaissance des ordres de grandeurs est nécessaire à l’analyse de phénomènes rarement isolés d’influences perturbatrices. Pour cela, il faut chiffrer les valeurs relatives et on est ainsi amené à exprimer les quantités par des chiffres et à faire subir à ceux-ci des transformations appelées opérations. Sans doute les premiers besoins de noter des valeurs ont été d’ordres commerciaux, s’adressant à des produits matériels essentiellement discontinus, traduits essentiellement par une série de nombres entiers ; plus tard, à l’occasion de divisions ou de proportions géométriques, apparaissent les fractions et leur généralisation en tant que nombres rationnels de type m /n, mais nous restons toujours dans le domaine de la représentation discontinue, ce qui est le cas des Grecs. Le continuum des nombres, et sa notation décimale remplaçant les fractions, apparaît beaucoup plus tôt en Chine qu’en Europe, de même que son extension aux nombres négatifs. Avant de prendre un envol indépendant, les mathématiques ont été longtemps un outil de physicien. Plus tard, au contraire, les progrès des mathématiques ouvriront la voie à la physique. Mais, tout au début, une autre contingence limite le calcul  : sur quel support écrire les chiffres et faire les calculs intermédiaires ? Les bulles-enveloppes en argile durcie (fig. 26) permettent de fixer les termes d’un contrat, mais ne sont guère utilisables pour des calculs intermédiaires. Le papyrus résulte d’une opération de collage à angle droit de deux fibres végétales  : il est fragile et coûteux. Quant au parchemin, résultat d’un long travail d’assouplissement de la peau d’un mammifère, il est tout à fait hors de prix. Aussi, le plus souvent, les intermédiaires s’écrivent sur des tablettes revêtues de sable ou de poussière, et on ne peut en conserver la trace.

26 - Fragment de bulle-enveloppe avec les calculi matérialisant les nombres

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Les supports du calcul Les tables revêtues de sable ou de poussières sont très utilisées autour de la Méditerranée, mais les latins préfèrent les jetons posés sur un damier. Ceux-ci sont souvent de petits cailloux (caillou se dit calculus), et c’est ainsi qu’en Angleterre le ministre des finances se dit chancelier de l’Echiquier. Une méthode très employée consiste à pratiquer des encoches sur des bâtons et on en retrouve la trace étymologique en latin : dans cette langue compter se dit rationem putare, or la signification initiale du verbe putare est inciser, élaguer. De même, en France, l’impôt direct prélevé sur les paysans s’appelle la taille. Enfin on peut noter en Chine que le caractère qi, signifiant un contrat, s’écrit  , où la clé du couteau, dao  , voisine avec la représentation d’entailles sur du bois  .

Naissance et diffusion de la physique En Chine, après l’emploi systématique de baguettes et de damiers, l’apparition du papier (invention de Caï Lun, en 107) apporte un support commode et bon marché qui est systématiquement utilisé et participe largement à l’essor de l’arithmétique et de l’algèbre en Orient. L’acquisition par les Arabes de la tech­ nique papetière, au cours de la bataille de Talas (751) avec les Chinois, est un des éléments qui favorisent l’épanouissement de la Maison de la Sagesse de Bagdad et de ses mathématiciens à partir de 800.

La première fabrique de papier européenne n’apparaît en Espagne qu’en 1185, et sa généralisation va prendre presque un siècle. Son usage coïncidera avec l’apparition des banquiers dans la première Renaissance, chargés au début du xive siècle des comptes des grandes entreprises méditerranéennes d’import-export (voir plus loin). Et c’est ainsi que la technique, fille de la physique, apporte un soutien considérable aux mathématiques.

La numération – les deux procédés Dès les premiers pas de l’écriture, vers 3300 avant J.C. en Sumer, la nécessité de traduire de façon matérielle par des petits cailloux de formats différents, par des signes imprimés dans l’argile des bulles-enveloppes, s’est avérée nécessaire. Le choix d’une base pour simplifier la notation en regroupant les unités s’est aussitôt imposé. La Mésopotamie a adopté la base 60, tandis que presque toutes les autres civilisations ont opté pour la base 10. Ce dernier choix a évidemment une origine anthropomorphique, la tradition du calcul sur les doigts des deux mains. D’après Georges Ifrah 1, la base 60 peut se justifier aussi par un schéma anthropomorphique  : la main droite dressée désigne par le pouce une des 12 phalanges des 4 doigts restant, tandis que la main gauche avec l’un de ses 5 doigts désigne la multiplicité de 12 choisie  : il y a bien ainsi 60 positions (5 × 12). Une fois la base choisie, la manière de noter les nombres peut se ramener à deux méthodes profondément différentes  : le procédé de superposition ou le procédé de position.

1 G. Ifrah, Histoire universelle des chiffres, tome 1, Laffont, 1994, p. 221.

III - La numération et le calcul

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Le procédé de superposition - chaque symbole a une valeur numérique intrinsèque. Il représente soit l’unité, la dizaine, la centaine avec parfois des relais pour 5, 50… et l’écriture du nombre consiste à poser autant de symboles qu’il est nécessaire pour que leur somme donne le nombre voulu. Ainsi, en notation latine, 132 s’écrit CXXXII. Le procédé de position - seuls les 9 chiffres des unités sont employés, mais leur valeur change suivant leur position écrite : ainsi, le premier chiffre écrit à droite représente le nombre des unités, le deuxième, le nombre des dizaines, le troisième le nombre des centaines… La graphie est extrêmement simple, mais pose un redoutable problème : que faire lorsqu’une multiplicité est absente du nombre envisagé, comment noter cette absence qui ne pose aucun problème dans l’autre méthode ?

Le procédé de superposition Ce procédé, initié par les civilisations égyptienne et mésopotamienne et par tous les pays méditerranéens, restera celui de l’Europe jusqu’à la fin du Moyen Âge. Il oblige à inventer de nouveaux symboles chaque fois qu’on envisage une multiplicité supplémentaire et explique partiellement le vertige des Grecs devant les grands nombres.

La notation égyptienne La base de la numération est 10 et chaque multiplicité est représentée par un symbole différent :  : 1  : 10  : 100  : 1000 … La notation de chaque symbole est répétitive. Exemple  : 2413 s’écrit  , l’ordre importe peu et la représentation est dictée par l’esthétique de l’écrit comme pour les hiéroglyphes.

La notation grecque La base de numération est 10, mais il y a eu deux systèmes concurrents du J.C. jusqu’au début de l’ère chrétienne.

e v  siècle

avant

Le premier système est tout à fait analogue à la méthode égyptienne  :  : 1 avec des relais à 5  :  : 5

 : 10  : 50

 : 100

 : 1000

 : 500 … (  pour penté)

L’alphabet numéral (notation savante) utilise l’alphabet grec ancien à 27 lettres (avec le digamma, le koppa et le san) dont on fait trois groupes de 9 : uu le groupe commençant par α note les unités, uu le groupe commençant par ι note les dizaines, uu le groupe commençant par ρ note les centaines. De 1000 à 10 000, on reprend le premier groupe avec une majuscule apostrophée :

Ά.

46

Naissance et diffusion de la physique

On aborde ensuite un deuxième palier de la numération, c’est la myriade, μύριοι  : 10 000, on note  : : 10 000

: 20 000

: 110 000 …

La notation de très grands nombres a toujours préoccupé les savants grecs. Ainsi, Archimède, dans l’Arénaire, invente de nouveaux chiffres pour exprimer le nombre de grains de sable que pourrait contenir la sphère ayant pour rayon la distance de la terre aux étoiles fixes.

La notation latine Chacun connaît cette notation, tout à fait analogue à la première méthode grecque avec les relais aux multiples de 5 :

I:1

V:5

X : 10

L : 50

C : 100

D : 500

M : 1000

Mais il y a une importante innovation : l’ordre d’écriture des symboles se fait par valeurs décroissantes de gauche à droite et une inversion de cet ordre signifie une soustraction du symbole inversé :

LX : 60

XL : 40 (au lieu de XXXX).

Cela allège la notation mais ne facilite pas les calculs.

La notation mésopotamienne Cette fois-ci la base est 60. L’intérêt de cette base réside dans ses nombreux sous-multiples qui favorisent les divisions simples. L’inconvénient est l’existence de 60 noms différents pour les chiffres des unités. En fait, les multiples de 10, utilisés comme relais de notation, le sont également dans cette nomination. On a donc : 1 – 10 – 60 – 600 – 602 (3600) – 36 000 – (60)3… Les symboles sont écrits par valeur décroissante de gauche à droite : un grand coin Ainsi

 = 60, un coin de côté

 = 10, un petit coin

 = 1.

 = 3 × 60 + 3 × 10 + 7 = 217.

27 - Compte de chèvres et de moutons Lagash - 2350 avant J.C.

III - La numération et le calcul

47

Mais à partir de la iiie dynastie d’Ur (vers 2 000 avant J.C.), le système va évoluer et donner le système babylonien savant qui introduit partiellement la méthode de position.

28 - Tablette mathématique de Babylone - 1800 avant J.C.

Le moteur de cette évolution est la perte de dimension de la grande encoche notant le 60, qui prend la taille de la petite encoche notant le 1. Pour lever cette ambiguïté, les savants inventent un système positionnel, mais maintiennent l’écriture en superposition dans chaque multiplicité. On a un système de type :

| (60)2 à (60)3 | sexagésime de 60 à 602 | unités (de 1 à 60). Entre chaque barre verticale, qui simule pour nous la séparation des multiplicités, peuvent apparaître plusieurs signes. Par exemple, signifie : |  ou

 |, soit 25 (tous les signes étant dans la première multiplicité),  | 

, soit 20 × 60+5,

ou encore d’autres combinaisons. Pour éviter cet inconvénient, la première idée a été de séparer nettement chaque groupe, puis d’utiliser un signe de séparation entre chaque groupe, par exemple un exposant jouant le rôle de la barre verticale précédente. Par contre, une difficulté encore plus grave ne peut être évitée : l’absence de zéro ne permettait pas de noter une multiplicité absente, ce qui revenait à écrire identiquement 701 et 71 ! La base 60 a progressivement été éliminée dans l’usage courant par les envahisseurs sémites habitués à la base 10. Elle a cependant perduré jusqu’à nos jours dans notre division du temps ou des angles (héritage des astronomes babyloniens).

48

Naissance et diffusion de la physique

On a retrouvé de nombreuses tablettes portant des tables de multiplication systématiquement utilisées par les scribes. Enfin, une remarquable avancée de la science babylonienne a été de savoir réduire les fractions à leur expression sexagésimale. Par exemple, 1/5 (qui donne 0,2 en notation décimale) donne 0;12, soit, la virgule étant notée , . Ce type de conversion n’a pas été appliquée en Europe avant 1530.

La notation décimale de position C’est la méthode moderne universellement employée. Cependant, son adoption et sa diffusion résultent d’une histoire longue et controversée. L’exposé ci-dessous présente l’opinion de l’auteur, mais elle n’est pas la seule explication reconnue  2.

Les chiffres en Chine L’écriture en Chine apparaît beaucoup plus tard qu’en Mésopotamie ou en Egypte. Elle se répand rapidement pendant la deuxième période de la dynastie Shang, sous la forme des os oraculaires autour de la capitale An Yang, vers 1350 avant J.C. Il s’agit de poser des questions aux dieux, écrites sur des os plats (plastrons de tortues ou omoplates de mammifères) soumis à l’épreuve du feu. Beaucoup de nombres sont ainsi écrits en base 10 dès l’origine, c’est-à-dire avec seulement 9 chiffres, mais en spécifiant, après chaque chiffre, la multiplicité par son nom (celui-ci n’intervenant pas à proprement parler comme nombre). Ainsi, pour 251, on écrira 2 centaines, 5 dizaines, 1 unité. Il n’y a alors aucun problème pour les multiplicités absentes. Plus tard, vers le milieu de la période Zhou (– 1027 ~– 221), on commence à utiliser, pour faire les calculs, des tableaux plats ou des boîtes à casiers disposés en lignes ou en colonnes, ancêtres lointains des bouliers, et que l’on appelle damiers à calcul (Suan Pan). Chaque colonne est affectée à une multiplicité, et les chiffres sont constitués de bâtonnets dont la disposition, normalisée sous le grand empereur Qin (– 221~– 210), est la suivante : : 1,

: 2,

: 3,

: 4,

: 5, ou

: 6,

: 7,

: 8,

:9



La notation est ainsi strictement de position puisque la valeur du chiffre dépend de la colonne où il apparaît et que celle-ci l’affecte d’une multiplicité précise. Le problème de la multiplicité éventuellement absente est aussi résolu puisque la colonne correspondante est laissée vide. Cependant, lorsque le nombre va être transposé par écrit sur un document, il faudra prendre soin de ménager un vide pour noter cette absence, sinon les positions sont décalées, par exemple noter « 303 » sous la forme « 3  3 ». Pour éviter la plupart des ambiguïtés 2 M. Soutif in D. Tournès et al., L’Océan Indien au carrefour des mathématiques, IUFM de la Réunion, colloque, 1998, p. 153.

III - La numération et le calcul

49

pouvant naître d’une écriture trop rapide, apparaît alors la méthode du Wei (   ), qui consiste à placer les bâtonnets en position zong (verticale) dans les colonnes de rang impair et en position heng (transversale) dans celles de rang pair. Ainsi un décalage accidentel de un rang est aussitôt détecté. Par exemple, 33 s’écrit    , mais 303 donne    . Ce système est stabilisé à partir du règne de l’empereur Qin  3. Il est largement uti­ lisé dans le Jiu Zhang Suan Shu (livre de calcul en 9 chapitres), qui est sans doute écrit au ier siècle avant J.C., et dans le Sun Zi Suan Jing (traité de calcul de maître Sun), daté de 280 à 470. 29 - Multiplication de 81 × 81 d’après le Jiu Zhang Suan Shu

multiplicateur (shang wei)

produit (zhong wei)

multiplicande (xia wei)

Ce dernier ouvrage traite des 4 opérations, de la mesure d’aires et de volumes, des fractions et des racines carrées et donne des indications sur les poids et mesures ainsi que sur les masses volumiques de différents matériaux, en utilisant systématiquement les chiffres en bâtonnets.

30 - Discussion d’un problème difficile entre maître et élèves Frontispice du Traité d’arithmétique de Cheng Da Wei - 1593

L’usage du zéro moderne apparaît très tardivement, puisque sa première apparition imprimée a été trouvée dans un ouvrage de 1247, le Su Shu Jin Chang où le nombre 1 405 536 est écrit  ; mais une allusion à l’emploi d’un point pour signifier une multiplicité vide se trouve dans le Kai Yuan Chan Jing, édité entre 718 et 729. 3 J. Needham, Science and Civilisation in China, vol. 3, Cambridge University Press, 1979, p. 9, 10, 12.

50

Naissance et diffusion de la physique

Les chiffres en Inde Les débuts de l’écriture sont très retardés en Inde par l’hostilité des Brahmanes qui tiennent à l’exclusivité de la transmission orale. Il faut attendre le règne du 3e empereur Maurya, Açoka (– 269 ~ – 232), converti au bouddhisme, pour qu’apparaisse, d’abord sur des inscriptions lapidaires, l’écriture brahmi de type syllabique. La fécondité de cette écriture a été prodigieuse 4 et elle a diffusé à travers de nombreuses adaptations vers l’Asie centrale et du Sud-Est, sans compter du nord au sud de l’Inde. Cependant, son origine est très peu claire. Une des hypothèses les plus probables la rattache aux écritures sémitiques, le phénicien et l’araméen, bien qu’elle s’écrive de gauche à droite. A travers de nombreuses évolutions, en particulier les écritures koushan et gupta, la brahmi conduit à l’écriture nagari qui est à la base de l’écriture moderne de la langue hindi. L’écriture même des chiffres suit une évolu­tion analogue et nous verrons que les chiffres nagari conduisent aux chiffres arabes. Mais avant d’évoquer ces évolutions purement scripturales, examinons les méthodes de numération. Dès l’origine, la numération est décimale avec 9 chiffres de base, mais elle n’est pas positionnelle et repose sur le principe de superposition, avec une foule de chiffres indépendants représentant les nombres  : 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000 9 000 …… …… …… …… …… …… …… …… …… Ainsi, par exemple, le nombre 24 400 s’écrit : le signe 20 000+le signe 4 000+le signe 400. Bien évidemment l’écriture du zéro est alors inutile. Le désir de trouver les limites de l’innombrable (par exemple dans le Bhagavat Gita, dia­ logue de Krishna et d’Arjuna dans le Mahabarhata) pousse à donner des noms particuliers aux puissances de 10 de plus en plus élevées, jusqu’à 10140 (mahakathana). La première apparition 5 de la numération de position se trouve dans un traité cosmologique jaïn, le Lokavibhâga, daté de l’année 380 de l’ère Shaka, soit 458 de notre ère. Les chiffres y sont exprimés par leur nom sanscrit (eka, dvi, tri, chatur, pança, sat, sapta, asta, nava) dans l’ordre de la position, et l’absence d’une puissance de 10 est notée shunya, c’est-à-dire vide. Après cette date, on dispose d’interventions de plus en plus nombreu­ses de la notation positionnelle, par exemple dans les Surya-siddhanta de l’astronome Aryabhata (vers 510), l’inventeur des lignes trigo­nomé­triques modernes, puis du mathématicien Brahmagupta 4 J.C. Février, Histoire de l’écriture, Payot, 1984, p. 343. 5 G. Ifrah, Histoire universelle des chiffres, tome 1, Laffont, 1994, p. 928.

III - La numération et le calcul qui donne la solution générale des équations du 2e degré et définit l’infini comme l’inverse du nombre nul. L’apparition de cette notation positionnelle, en 458, est-elle une in­ vention spéci­ fiquement indienne comme beaucoup d’auteurs le pensent ? Nous remarquons qu’elle intervient à peu près 1000 ans après la même innovation en Chine et utilise pour le zéro la même notation que les Chinois : le vide. Elle se produit en outre à une période où les relations entre l’Inde et la Chine se sont multipliées. Chassées par les Turco-Mongols, diverses populations d’Asie centrale ont envahi l’Afghanistan, puis l’Inde par le col de Khyber et la vallée de la rivière Kaboul : les Parthes, les Scythes poussant les Grecs de Bactriane, puis les Koushans (population d’origine iranienne nommée Yue Zhi par les Chinois) à partir de 50.

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La religion jaïn Mahavira (– 540~– 468), comme Bouddha, après une vie princière, quitta son foyer à l’âge de 30  ans pour une vie d’ascète. Au bout de 12  ans, il parvint à la connaissance parfaite. Il prêcha alors, en se présentant comme le 24e  prophète (Tirthankara), jusqu’à sa mort, due aux privations, à l’âge de 72 ans. La doctrine de Mahavira, le jaïnisme, pose que l’univers obéit à des lois universelles et non à des dieux ; il est éternel et subit un nombre infini de cycles de croissances et de déclins. L’âme est une propriété de tout être animé ou inanimé, et subit des transmigrations obscurcies par tout acte cruel ou égoïste. Seuls les moines peuvent atteindre la béatitude infinie mais les laïques doivent mener une vie très stricte : frugalité, tempérance, non-violence à l’extrême. Ainsi, ne pas blesser la terre par l’agriculture, porter un masque pour protéger les insectes de sa respiration… Il existe plusieurs millions d’Indiens adeptes du jaïnisme, particulièrement à l’ouest de l’Inde, avec des temples de marbre superbes (Mont  Abu, Ranakpur). Ils sont divisés en deux grandes sectes : ceux vêtus de blanc et ceux vêtus d’espace (intégralement nus).

Le royaume Koushan tourne autour de l’Himalaya. Il va de la vallée du Gange au Kashmir, à l’Afghanistan, à la mer Caspienne et à tout le bassin du Tarim jusqu’au Gansu. Il constitue un très puissant facteur d’échanges entre l’Inde et la Chine, jusqu’à son effondrement devant les Gupta en 320. En particulier, le roi Kanischka (78~144) favorise la diffusion du bouddhisme qui va envahir l’Asie centrale. Pour les besoins de la connaissance des sutras, des grands centres de traduction du sanscrit en chinois et réciproquement (parfois par l’intermédiaire du sogdien, langue des voyageurs de commerce sur la route de la soie) s’installent. Ils fonctionnent à Hotan dès 260, puis l’Indien Kumarajiva installe à Kuqa une véritable usine à traductions (344~413). Des pèlerins chinois se rendent en Inde. L’illustre Fa Xian y séjourne de 399 à 412, avant de retourner à la cour des Wei du Nord. On ne peut qu’être frappé par la coïncidence de cette activité avec la prise en compte dans le Lokavibhâga de la numération de type chinois. Cela ne peut être une coïncidence.

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Naissance et diffusion de la physique

Kuqa

z

Kashgar

z

Taxila

zChang'an

z

Mathura

z z

Sarnath

Royaume KOUSHAN vers 100 Empire HAN vers 100 Trajet de FA XIAN 399 - 412 31 - Le royaume Koushan

L’apparition du zéro La notation positionnelle soulève une difficulté technique. Le blanc ou vide (shunya) est une notation qui peut porter à confusion. Tout au moins faut-il la souligner ou mieux l’entourer. On obtient ainsi 0 où l’essentiel n’est pas le trait mais le vide au centre ! La notation de l’absence d’une multiplicité par un point ou un rond 0 apparaît pour la première fois dans le Sud-Est asiatique 6 : uu au Cambodge, à Trapeang Prei : (605 de l’ère Shaka), soit 683 uu à Sumatra, à Palembang :   (605 de l’ère Shaka), soit 683. uu encore à Palembang : (606 de l’ère Shaka), soit 684. Cette notation diffuse dans la culture champa vers 800, ou encore à Bali : l’ère Shaka), soit 878.

(800 de

En Inde, la première inscription dont la date soit certaine, celle de Gwalior, parce que gravée sur un monument, se trouve dans un long texte consacré à Vishnu et daté de l’année 922 de l’ère Vikrama, soit 876 de notre ère. Elle fait état de la donation, au temple, d’un terrain de 270 hasta de long et de 50 guirlandes de fleurs, et l’on a     pour 270 et    pour 50. Il pourrait y avoir des inscriptions plus anciennes sur cuivre, mais leur datation est sujette à caution. 6 G. Coèdes, A propos de l’origine des chiffres arabes, BLSOAS 6, 1931, p. 323.

III - La numération et le calcul

53

Georges Coèdes déduit de la présence du zéro en Asie du Sud-Est, en 683, que l’Inde avait certainement inventé cette notation avant cette date, malgré l’absence d’évidence, et transféré l’idée dans leur zone d’influence. Certes les chiffres et l’écriture, ainsi que la religion brahmanique, sont venus d’Inde du Sud à travers l’activité des navigateurs du Fu Nan (Cambodge) ou du Champa (Annam), plus qu’à travers les navigateurs indiens peu nombreux, sauf beaucoup plus tard, au moment de la dynastie tamoul des Cholas (985~1110). Mais l’essentiel de l’activité de ces contrées était sous contrôle chinois. Le Nam Viet a été conquis par les Han, en 111 avant J.C., et divisé en 7 commanderies. Il s’agissait au départ d’un protectorat laissant en place l’aristocratie Lac, mais après la révolte des sœurs Trung (40~42), toutes les instances politiques locales sont éliminées et remplacées par des Chinois. Après la décadence Han, des royaumes indépendants (le Lam Ap, le Champa, le Fu Nan) se forment transitoirement avec une activité tournée vers la mer, mais les Sui, puis les Tang interviennent massivement à partir de 603 et il s’ensuit un très grand essor économique. Le bouddhisme chinois (le chan ou zen) pénètre largement à partir de 580 et diffuse vers Sumatra, en particulier à Palembang. Il est tout à fait clair que la numération dans les activités économiques est essentiellement chinoise dans toute la péninsule indochinoise, y compris au Cambodge qui prend à cette époque le nom de Zhen La et se tourne vers la Chine 7. Pourquoi dès lors refuser au génie des ethnies locales, sous le choc des civilisations indiennes et chinoises, d’avoir elles-mêmes inventé le zéro ?

Diffusion des connaissances indiennes vers les Arabes Dès la mort du Prophète (632), l’expansion arabe explose en Asie. La Mésopotamie (Kadasiya, 637), l’Iran (Nihavend, 642), puis Samarcande, en 712, sont conquis jusqu’au coup d’arrêt de la bataille de Talas avec les Chinois, en 751. Du côté de l’Inde, les conquérants occupent le Sindh en 712, mais ne franchissent pas le désert de Thar. En 750, les Omeyyades sont supplantés par les Abbassides qui fondent une nouvelle capitale à Bagdad, en 762. Les califes successifs, et surtout Al Mamun (813~833), vont financer et encourager une extraordinaire activité intellectuelle. Une Maison de la Sagesse (Bayt al hikma) va réunir, autour d’une grande bibliothèque, mathématiciens, astronomes, médecins et traducteurs. Tous les textes grecs sauvés par les nestoriens d’Edesse et de Nisibe sont traduits du syriaque en arabe. Des spécialistes du pelhvi et du sanscrit, comme Mohammed Al Fazari, traduisent Aryabhata et Brahmagupta, et introduisent ainsi à Bagdad la numération déci­male et l’usage du zéro. A côté de ce travail de compilation, des chercheurs arabes mènent des travaux complètement originaux dans tous les domaines. En mathématiques, Al Khwarizmi (780~850) pose les fondements de l’algèbre et popularise les notations indiennes. Son ouvrage fondamental est le Kitab al Jabr Wa'l muqâbala, le 7 C. Jacques, Chronologie du Pays Khmer, Dossiers d’Archéologie 221, 1997, p. 9. Lê Thank Khôi, Histoire du Vietnam, Sudestasie, 1987.

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Naissance et diffusion de la physique

livre de la restauration et de la réduction. C'est l'ouvrage fondateur d'une nouvelle discipline, l'algèbre, nom dérivé de Al Jabr. En astronomie, Thabit Ibn Qurra (836~901) et ses descendants développent l’astronomie à partir de traductions de l’Almageste de Ptolémée. Nasir Al Tusi réalise des tables astronomiques et, beaucoup plus tard, Al Kashi (1436) généralise la transformation chinoise de fractions en décimales. En physique, Ibn Al Haytham (965~1039) ouvre la voie à l’optique moderne. A travers l’usage qui s’en répand, les chiffres indiens se modifient, se simplifient ou changent leur orientation par rotation dans le plan (phénomène relativement fréquent comme celui qui, vers 2800 avant J.C., voit tourner les pictogrammes sumériens de π/2 vers la gauche, masquant ainsi leur sens primitif). On obtient deux séries différentes, l’une qui reste au Proche-Orient et donne les chiffres arabes modernes, l’autre qui se généralise dans le Maghreb (chiffres ghubars) où l’Europe ira les chercher 8. Nagari On aura par exemple :

arabe ghubar 2

Nagari

arabe ghubar 3

Et, au total, on aboutit aux deux séries  : arabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ghubar

Introduction des chiffres « ghubars » en Europe L’Europe du Moyen Âge conserve la numération latine, numération de superposition compliquée de soustraction : si LX représente 50 + 10, XL représente 50 – 10 et permet d’éviter d’écrire XXXX, et ainsi de suite. La première apparition de la numération décimale (sans le zéro) se trouve dans un manuscrit, le Codex Vigilanus, écrit en 976 dans un monastère du Nord de l’Espagne, le couvent d’Albelda. Cet ouvrage utilise les chiffres ghubars. Ce travail est remarqué par le moine Gerbert d’Aurillac qui devint le pape de l’an 1000, Sylvestre II. La reconquête de l’Espagne n’interrompt pas la communication entre les Arabes et les Européens, au contraire. Dès la prise de Tolède en 1085 par Alphonse VI de León, l’évêque Raimond organise dans la ville un centre de traduction très actif entre les langues arabe, hébraïque et latine. L’Anglais Adélard de Bath publie, en 1130, Algoritmi de numero Indorum, et une traduction d’Al Khwarizmi. Il explicite l’ori­gine indienne de la méthode. Gérard de Crémone (1114~1187) traduit Ibn Al Haytham, l’Almageste, et plus de 80 textes à Tolède. La Sicile est reconquise par les Normands et Palerme prise en 1072. Pendant plus d’un siècle, les Hauteville font régner un ordre féodal teinté de coutumes musulmanes et 8 G. Ifrah, Histoire universelle des chiffres, tome 1, Laffont, 1994, p. 879-887.

III - La numération et le calcul

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s’emparent de Djerba, de Sousse et de Sfax. Ils font de la Sicile un lieu de civilisation mixte arabo-normande où les idées circulent librement 9. Parmi les nombreux marchands qui traversent fréquemment la Méditerranée, Leonardo Fibonacci de Pise rédige un traité d’arithmétique, le Liber Abacci, en 1202. Cet ouvrage, qui jouera un rôle moteur pendant tout le xiiie siècle, décrit les Novem figurae Indorum avec le signe 0 que les Arabes appellent zephyrum. A la fin du xiie siècle, tous les grands maîtres arabes et leurs traductions des auteurs grecs sont disponibles en latin, mais cette masse de connaissances reste pour l’essentiel totalement inexploitée.

Les maîtres de calcul au début de la Renaissance La croissance de la production agricole, à la fin du xiie siècle, ouvre un marché qui dépasse le cercle restreint du troc local. La diffusion de la monnaie métallique, les progrès de la navigation, ouvrent un marché aux produits de luxe comme la soie ou les épices. L’Italie, grâce à sa position géographique, prend une place centrale dans les échanges à travers la Méditerranée vers l’Orient ou l’Afrique. Venise, Gênes, Pise et Florence s’organisent en fonction des besoins considérables en capitaux qu’exige le commerce maritime. Des associés fondent une compagnie qui investit dans des succursales extérieures à l’Italie et dans des navires de commerce. Les bénéfices, les amortissements du capital, les risques et les pertes doivent être calculés et cette activité bancaire demande de bons comptables. Pour former ceux-ci, des écoles privées s’ouvrent dans toute l’Italie : en 1338, Florence compte 1200 élèves en comptabilité. De nouvelles méthodes de calcul sur papier vont remplacer les jetons, les bouliers et les écrits sur planchettes à pous­ sière. Les professeurs font fortune. On connaît, par exemple, le détail de la succession de maître Paolo dell'Abaco, propriétaire d’une école vers 1350 : il possède deux maisons en ville et une à la campagne. Il a, en outre, un capital de 1000 florins (salaire annuel d’un domestique : 10 florins). Mais à partir de 1348, depuis Marseille, la peste noire ravage l’Europe, les banques s’effondrent : à Florence, les Bardi et les Perruzi font faillite, victimes de leurs prêts. Les équipages meurent comme des mouches et tout va s’arrêter pour ne reprendre qu’un siècle après. Au début du xve siècle, tout redémarre et, cette fois-ci, c’est la Renaissance pour de bon. Cosme de Médicis constitue un empire (1389~1464) à Florence, les Fugger un autre à Augsbourg. Les fils de famille vont suivre les cours de calcul des maîtres qualifiés et ceux-ci vont être épaulés par une technique toute nouvelle : l’imprimerie. Nicolas Chuquet est écrivain (professeur) à Lyon. Il publie, en 1484, le Triparty en la science des nombres. Pour gagner une large audience, le latin a été abandonné pour la langue vernaculaire locale : le français. 9 J.M. Pesez, La Sicile arabe et normande, Dossiers d’Archéologie 225, 1997, p. 118.

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Naissance et diffusion de la physique

Jehan Certain publie, en 1485, le Kadran aux marchans. Comme son nom l’indique, cet ouvrage comprend 4 parties : uu la première partie enseigne l’usage des chiffres arabes et les 4 opérations, ainsi que l’usage des fractions, uu la deuxième partie est relative à la règle de trois et son emploi dans les poids et mesures, uu la troisième partie parle des métaux précieux, des monnaies et des taux de change, uu la quatrième partie, plus physique, est consacrée aux alliages et essais. En 1495, Luca Pacioli publie, à Venise, la très célèbre Summa de arithmetica. Au total, retenons de ces publications qu’à la fin du xve siècle, il était nécessaire d’enseigner à « haut niveau » la numération décimale de position et les opérations élémentaires. La règle de trois est laborieuse, la division des fractions mal maîtrisée et l’usage des décimales inconnu.

La naissance du calcul Le calcul est lié au développement de l’économie et son utilisation est bien connue grâce aux tablettes d’argile de Mésopotamie, quasiment indestructibles tandis que les papyrus égyptiens sont plus fragiles. Vers 2000 avant J.C., ces deux cultures avaient mis en place des mathématiques correspondant à leurs besoins. Les principaux documents que nous connaissons sont des manuels scolaires destinés aux scribes et qui renferment des collections de problèmes et des tables de calcul. Les problèmes, exemples de procédure, sont exprimés de façon rhétorique à la 2e personne (l’enseignant s’adresse à l’élève) et sur un exemple numérique. Tout tourne autour d’un exemple chiffré et chaque étape sous forme d’algorithme est une instruction détaillée et non justifiée, chaque résultat étant réintroduit dans l’étape suivante.

En Egypte 10 L’addition et la soustraction ne posent pas de problème. Ensuite, les papyrus donnent une procédure explicite que l’on trouve en particulier dans le papyrus Rhind (trouvé en 1858) qui date d’Ahmosis (– 1607~– 1566), vainqueur des Hyksos, et n’est que la copie d’un texte plus ancien. uu La multiplication se fait par doublement, décuplement et addition. Ainsi, si je veux

faire A×24, je fais (A×10×2) + (A×2×2). uu La division et les fractions sont bien plus délicates, car les valeurs décimales ne sont pas

connues et seuls sont utilisés les quantièmes de la forme 1/N (exception faite pour 2/3).

10 Article de J. Ritter in M. Serres et al., Eléments d’histoire des sciences, Bordas, 1989, p. 39 et suivantes.

III - La numération et le calcul

57

Il faut donc décomposer le résultat en une somme de 1/N portant chacun un nom différent. Ces décompositions sont données par une table. Ainsi, si je veux diviser 8 par 9, la table me donne 8/9 = 2/3 + 1/6 + 1/18. uu Le simple doublement d’une fraction pose un problème si le quantième est impair et

une table donne les doubles fractions de 1/5 à 1/101. Ainsi, 2×1/5 = 1/3 + 1/15. uu La division par 2 ne pose pas de problème puisqu’il suffit de multiplier par 2 le déno-

minateur, et que l’on reste toujours sous la forme I/N’. Les équations du 1er degré sont résolues par la méthode de la fausse position, en vigueur jusqu’au Moyen Âge en Europe. Le 24e problème du papyrus Rhind est ainsi rédigé : « la quantité cherchée et son septième ajouté on obtient 19 ». A l’heure actuelle on écrira : x+x/7 = 19 Pour résoudre par la fausse position, on prêche le faux pour connaître le vrai (énoncé du Moyen Âge : 1540), ce qui revient à une interpolation linéaire. On essaiera par exemple la solution x1 = 7, ce qui donne 8 et non 19. Il suffit alors de corriger x1 dans le rapport 19/8 et l’on a x = 7×19/8, et le calcul en Egypte se fera ainsi : x = (1 + 2 + 4)

(2 × 8) +

( 14

× 8) + 8

( 18

× 8)

En Mésopotamie Comme en Egypte, l’addition et la soustraction ne semblent pas poser de problème, mais on en est réduit aux hypothèses pour les autres opérations. Il semble certain qu’on utilisait des tables préétablies : multiplications, carrés et racines carrées. De même, la division est faite à l’aide d’une table d’inversion. La base 60 facilite les divisions par 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30 mais il y a des trous : comment diviser par 7, 11… ? Cependant, l’équivalent des décimales existe, ce sont des sexagésimales : 1/3 = 0,20 ; 1/5 = 0,12… Lorsque nous écrivons en base 10 le nombre 642, cela veut dire : 6×100+4×10+2. Dans la base 60, la même écriture vaut 6×(60)2 + 4×60+2 = 21 842, c’est comme lorsque nous convertissons en secondes 6 h 4 min 2 s. Beaucoup de problèmes sont résolus par des formules de conversion apprises par cœur, les igigubbû ; ainsi on obtient le volume (dans une unité sans rapport avec l’unité de longueur), la charge d’un panier, la mesure de graines. Une tablette de Babylone, datée de 1700 avant J.C., expose 24 problèmes numériques du 2e degré, traités en base 60, mais donnant seulement la racine supérieure.

58

Naissance et diffusion de la physique

Les mathématiques grecques et hellénistiques Le fond de la pensée grecque est contraire à la notion de continu d’infiniment grand ou petit. Ainsi Archimède (– 287~– 212), après un hommage à Démocrite (l’atome), se déclare prêt à calculer le nombre de grains de sable (la plus petite particule connue) susceptible de remplir la sphère de l’univers (plus grand volume connu) dans l’Arénaire. Les nombres entiers comme les fractions rationnelles (m/n) sont bien assimilés 1 mais l’existence de nombres irrationnels est repoussée ; c’est ainsi que l’on ne a peut pas exprimer la diagonale a d’un carré de côté 1 11. Le théorème de 1 Pythagore donne : a2 = 1+1 = 2 Si a était un nombre rationnel, on pourrait trouver a = m/n, ce qui est impossible. En effet, m2/n2 = a2 = 2. Si m est pair, n doit être impair, sinon m/n ne serait par irréductible et pourrait être simplifié. Mais m est pair, m2 est multiple de 4, or n2 = m2/2, donc n2 est multiple de 2, mais un carré n’est multiple que de nombres au carré, donc il faut que n2 soit multiple de 4, donc n pair : n ne peut pas être à la fois pair et impair, donc c’est impossible. Que faut-il faire dans ce cas ? Platon nous le dit : « ce que tu ne peux pas calculer, montre-le ». Dans le dialogue de Socrate et de Ménon, il est demandé à un esclave de donner la valeur du côté d’un carré dont la surface sera double de celle d’un carré de côté 2. Après avoir proposé 4 puis 3, l’esclave est conduit vers la construction du carré sur la diagonale du précédent. Le résultat est ainsi montré : les 5 triangles de la figure sont égaux : il y en a 2 dans le carré primitif et 4 dans celui construit.

2 2

La notation grecque ou romaine est très malcommode pour les calculs qui sont essentiellement faits par table : essayez par exemple de diviser CXLIV par XXIV ! Quant aux nombres négatifs, ils sont rejetés pour absurdité, par exemple avec Diophante (325~410).

Les mathématiques chinoises Un premier ouvrage fondamental d’algèbre 12 paraît entre 165 et 49 avant J.C. C’est le Jiu Zhàng Suàn Shù (   ). Ce travail sera repris et étendu par le grand mathématicien du iiie siècle, Liu Hui. Il donne les règles de calcul des opérations sur les fractions, des règles de trois. Il résout les équations du 1er degré par la méthode de la fausse position. Il traite des nombres négatifs qui sont inscrits en rouge pour les distinguer des positifs

11 Raisonnement tiré du livre X d’Euclide (en appendice). 12 J. Needham, Science and Civilisation in China, vol. 3, Cambridge University Press, 1979, p. 26.

III - La numération et le calcul

59

normalement en noir. Cette notation sera abandonnée par Liu Hui au profit d’une barre en travers du chiffre : – 2 : . L’extraction des racines carrées (par une méthode analogue à celle de Horner, en 1819) et des racines cubiques est détaillée. Une notation matricielle des systèmes d’équations linéaires est développée. On trouve également chez Liu Hui la réduction des fractions en décimales, la notation des nombres élevés en utilisant les puissances de 10, l’étude des nombres irrationnels et la résolution des équations du 2e degré. Plus tard, les équations algébriques jusqu’en x9 sont étudiées par Qin Jiu Shao (1202~1262). De même, les combinaisons et les coefficients du binôme avec le triangle numérique sont donnés par Jia Xian (1100).

Les mathématiques indiennes Le premier grand mathématicien indien est Aryabhata (476~550), auteur des Suryasiddhanta. Il calcule les racines carrées et cubiques mais surtout donne la première table connue des sinus et cosinus qu’il définit. Un siècle après, Brahmagupta énonce la solution générale de l’équation du 2e degré et en donne l’expression générale de la racine supérieure. Il faudra attendre le xiie siècle où, sous l’influence « rétroactive » des mathématiciens arabes, Bhaskara tiendra compte des deux racines de l’équation du 2e degré.

Les mathématiques de l’Islam Nous avons vu plus haut comment les Abbassides, et particulièrement Al Mamun, ont sauvé une partie des connaissances gréco-latines. L’astronomie fut un des moteurs de ce renouveau avec Thabit Ibn Qurra et des travaux originaux furent effectués, comme la généralisation à la sphère de la trigonométrie indienne par Al Battani puis, bien plus tard, la conversion des fractions en décimales par Al Kashi (?~1429). Mais la contribution essentielle de cette époque est l’introduction de l’algèbre moderne par Al Khwarizmi (780~850) à partir des notations indiennes. Son ouvrage, le Kitab al Jabr (restauration) Wa'l muqâbala (réduction) donne les règles de changement du signe dans une équation (restauration du signe+) et celui du regroupement des termes de même puissance (réduction). Il discute également toutes les formes de l’équation du 2e degré suivant les signes des coefficients. Un peu plus tard, le poète Omar Khayyam (1048~1122) écrit des commentaires d’Euclide et étudie les équations de degrés élevés (jusqu’au 6e) en s’inspirant des travaux chinois. Pour l’Islam, les mathématiques jouent un rôle spirituel et religieux essentiel selon le principe du Tawhid, tout est dans un, et un est dans tout.

60

Naissance et diffusion de la physique

L’essor des mathématiques européennes après 1500 En 1500, les mathématiques restent élémentaires et utilitaires, calculs mercantiles, géométrie pratique (la perspective dans la peinture de Piero Della Francesca en 1480). Le formalisme est encore à peu près absent, malgré un effort de Nicolas Chuquet qui écrit par exemple « 12 − p 31 égaulx à 42 » pour « 12  +  3x = 4x2 ». Mais dès le premier tiers du xvie siècle, tout s’accélère. Christoff Rudolff, dans Exempel Buchlin, en 1530, présente la transformation des fractions en décimales, telle que l’employaient les astronomes arabes depuis un siècle (Al Kashi, 1436) et Gemma Frisius expose les mesures de terrain par triangulation en 1533. Un médecin mathématicien, Jérôme Cardan (1501~1576), publie en 1545 Ars Magna, où il présente une véritable théorie des équations algébriques en insistant sur celles en x3, qui font également les délices de Tartaglia (1500~1577) et de Bombelli, auquel on doit dans son Algebra d’avoir ressuscité le mathématicien du crépuscule d’Alexandrie : Diophante (325 ~ 410). C’est encore Jérôme Cardan qui introduit pour la première fois en Europe les nombres négatifs qu’il appelle debitum. Ceux-ci étaient, comme nous l’avons vu, couramment employés par les Chinois depuis le iie siècle avant J.C. (Jiu Zhang Suan Shu). Enfin il invente les nombres imaginaires et leur emploi. François  Viete (1540~1603), juriste mathématicien originaire de la Vendée, introduit la notation moderne représentant les inconnues par des lettres. Il propose également des méthodes de résolution graphique et établit les relations liant les différentes lignes trigonométriques entre elles. Son travail reste initialement peu connu et n’est vraiment largement diffusé qu’en 1646 à travers Les Travaux mathématiques de Viete, publiés par un Hollandais. Les mouvements des planètes dans le système de Ptolémée ont été très finement calculés par Peuerbach et son élève Regiomontanus (1436~1476) dès avant cette période, et Mercator en 1569 invente la projection cylindrique du globe terrestre. Un des plus grands mathématiciens de cette époque est un Flamand de langue française, Simon Stevin (1548~1620), qui étudie les polygones et les fractions décimales. Bon connaisseur des mathématiques chinoises, il tenta sans succès d’introduire le système décimal dans la monnaie. Enfin, un peu plus tard, vient Pierre de Fermat (1601~1665), juriste, précurseur des travaux de Newton sur les différentielles, spécialiste de la théorie des nombres, dont le dernier théorème n’a été démontré qu’en 1995 par Andrew Wiles.

Chapitre IV La mesure et la précision Dès que les échanges commerciaux ont dépassé le stade du troc élémentaire, la mesure des produits, faisant l’objet de la transaction, s’est révélée indispensable à l’équilibre des sociétés et, avant tout, l’évaluation des dimensions et de la masse.

Mesures de longueur Histoire Les références choisies au Moyen-Orient sont anthropomorphiques et cette solution gagne l’Occident. Sumer prend comme unité de longueur l’avant-bras : la coudée sumérienne vaut 495 mm et les sous-multiples sont obtenus en divisant par 12 ou 60, ce qui est cohérent avec le système de base de la numération. Pour éviter les contestations, des étalons sont déposés dans les lieux publics et, en particulier, le roi Gudea de Lagash (2300 avant J.C.) fait graver l’unité sur un socle de basalte porté par des centaines de statues (exposé au Musée du Louvre).

32 - Gudea et la règle étalon

L’Egypte adopte une coudée royale un peu plus longue : 524 mm, mais prend des sous-multiples également liés au corps humain, en divisant la coudée en 7 paumes et 28 doigts, ce qui ne facilite pas les calculs. La Grèce préfère se référer au pied mais, pour faciliter les échanges avec l’Egypte, elle fixe sa valeur aux 3/5 de la coudée royale, soit 316 mm. C’est cette valeur que l’on retrouve dans toute l’Europe du Moyen Âge avec de très faibles variations : 316,75 mm en GrandeBretagne, 314 mm en Allemagne. Les étalons sont alors la propriété des seigneurs locaux :

62

Naissance et diffusion de la physique

ils leur confèrent l’autorité d’arbitres et la possibilité de toutes les tricheries, si bien que la demande de systèmes de mesure clairs et unifiés est présente dans la plupart des cahiers de doléances aux Etats Généraux de 1789. A cette époque, en effet, les unités de longueur s’étaient diversifiées suivant les régions : les pieds différaient entre la Franche-Comté, le Maine ou le Perche. Quant au pied de Bordeaux, pour l’arpentage, 5 pieds faisaient la canne de Toulouse et la verge de Norai. La canne de Marseille dépendait de la matière mesurée et il y avait ainsi plusieurs centaines de noms et de valeurs. En Chine, le souci de rigueur est beaucoup plus grand et l’étalon fondamental est lié au son de la cloche jaune : c’est la longueur du tuyau sonore, lu˘, accordé sur cette fréquence (d’après le Mo Jing déjà cité). Les divisions qui serviront de référence secondaire conduisent à identifier cette longueur à celle de 90 fois la largeur d’un grain de millet noir. Des subdivisions décimales sont le ch˘ı (   ) et le cùn (   ) que, pour des raisons de convenance, on traduit souvent par pied et pouce, bien que cette image humaine ne corresponde ici à rien. On trouve des règles étalons en bronze, en jade ou en ivoire, datant de toutes les périodes depuis les Zhou. Dynastie ZHOU – 1027 ~ – 221 Dynastie ZHOU Dynastie ZHOU Période du Grand Empereur – 221 ~ – 210 Période HAN règle en bronze datée de 81 Période HAN règle datée de 78 à 83 Royaume de SHU Période des 3 royaumes 223 ~ 237 Période TANG 618 ~ 907 règle datée de 731 Période SONG 960 ~ 1278 mesure de vêtements en soie Période MING 1368 ~ 1644 ministère de l’Industrie 33 - Règles étalons du musée historique de Beijing depuis la dynastie Zhou (en haut) jusqu’à la dynastie Ming (en bas)

IV - La mesure et la précision

63

Pour les mesures intermédiaires, les Chinois inventent le pied à coulisse, dont on connaît un exemplaire daté de l'an 9, alors que cet instrument est inventé en Europe par Pierre Vernier, en 1631.

34 - Pied à coulisse chinois An 9

Les Japonais utilisent au début le pied coréen de 356 mm mais, par décret de l’an 713, ils adoptent, sous le nom de shaku, le ch˘ı chinois.

La recherche d’un étalon universel L’Assemblée Législative décida, en 1792, de faire mesurer la longueur du méridien terrestre entre Dunkerque et Barcelone, et d’indexer une nouvelle unité, le mètre, sur cette longueur. La préoccupation de l’Assemblée était de proposer au monde entier une unité indépendante de toute référence à un pays. C’est pourquoi, l’une quelconque des unités en vigueur avait été écartée, ainsi que l’usage d’un phénomène exigeant une référence en un lieu donné (longueur du pendule battant la seconde, par exemple). La mesure, effectuée par Delambre et Méchain, fut longue et diffi­cile 1 mais, dès le 18 germinal an III (7 avril 1795), la loi définit le mètre comme la quarante millionième partie du méridien terrestre. C’est « une mesure universelle, pour tous les temps, pour tous les hommes » (Condorcet). Le 4 messidor an VII (22 juin 1799), l’étalon du mètre est déposé aux archives de la République : c’est une règle plate à section droite rectangulaire (25,3 mm × 4mm), en platine. C’est un étalon à bouts (la longueur est définie par la distance entre les deux faces terminales). Abandonné sous l’Empire, le mètre fut ressuscité le 1er janvier 1840. Un peu plus tard, un nouvel étalon fut réalisé en platine iridié, à section en X, de manière à matérialiser la fibre neutre, et la longueur est lue entre deux traits gravés, pointés par des microscopes. L’erreur de lecture est de l’ordre de 10–8. Ce nouvel étalon, réalisé en 1889, a été en service jusqu’en 1960. Puis, de 1960 à 1983, le mètre a été défini à partir de la longueur d’onde de la raie orangée du krypton-86, ce qui permettait une définition de l’ordre de 10–9.

1 D. Guedj, La Mesure du monde, Robert Laffont, 1997.

64

Naissance et diffusion de la physique

Maintenant, la référence internationale n’est plus une mesure de longueur mais de temps. En effet, l’étalon choisi est la vitesse de la lumière dans le vide : c. Cette quantité, à laquelle la théorie de la relativité attribue une valeur absolue, a été fixée par définition à la valeur approximative (à 10–9 près) mesurée dans l’ancien sys­tème. Elle devient alors une référence suivie d’autant de zéros que nécessaire. Ainsi, c = 299 795 458,000… m/s. Le mètre est donc la distance parcourue dans le vide par la lumière en un temps t = 1/c, en secondes. Cette définition est alors liée à la mesure d’un temps, beaucoup plus précise (10–12 ou plus), avec les techniques actuelles, qu’une longueur. L’idée de définir l’unité de longueur à partir du méridien terrestre n’est pas une idée française. Elle a été proposée par Liu  Quo, en 604, et appliquée en 723 par le moine taoïste Yi Xing. Celui-ci a mesuré en deux points du même méridien, au s­olstice d’été à midi, l’ombre d’un gnomon, ce qui permet d’obtenir la différence de latitude. Les deux points choisis étaient l’un à Hué (Vietnam), soit à 17° 4’ de latitude et l’autre à Weizhou à 40° de latitude, ce qui représente une distance de plus de 2500 km. La mesure de cette distance prouve la très grande avance des Chinois de cette époque en cartographie. Dès cette époque, ils savaient découper le terrain en coordonnées de référence rectangulaires et rapporter à celles-ci les détails par leurs projections, mais cette connaissance considérée comme secret militaire ne diffusa pas hors de Chine. La mesure de Yi Xing, reprise en 1001, conduisit à une longueur de 333 li pour 1° de méridien. Beaucoup plus tard, en 1702, l’empereur Qing Kang Xi chargea un jésuite représentant le Portugal, mais d’origine belge, Antoine Thomas, de reprendre le problème, et la valeur de la li fut ajustée à une nouvelle définition: soit le 1/200 d’un arc de méridien de 1° (ce qui correspond à 556 m). Maintenant, la Chine utilise la gong li (li universelle) qui est le kilomètre.

Mesures de surface et de volume La surface du rectangle ne pose pas de problème mais, par contre, celle du cercle a donné lieu à des évaluations extrêmement variées dont voici quelques exemples :

Le modèle égyptien 2 A partir de la mesure D du diamètre, la procédure est la suivante : uu première étape : D × 1/9 uu deuxième étape : D – D/9 uu troisième étape : [D – D/9]2, c’est la surface S. On vérifiera aisément que cela revient à prendre π = 4(8/9)2 = 3,16. Cette excellente valeur semble tomber du ciel.

2 M. Serres et al., Eléments d’histoire des sciences, Bordas, 1989, p. 44.

IV - La mesure et la précision

65

Le modèle mésopotamien C’est également une suite d’algorithmes à partir du diamètre D : uu première étape : D × 3, c’est le périmètre, uu deuxième étape : (3 D)2, uu troisième étape : (3 D)2 × 1/12, c’est la surface S. Cela revient tout simplement à prendre π = 3.

Le modèle des Vedas indiens 3 On prend le diamètre D qui est multiplié par 13/15 et on construit un carré sur cette dimension : il a la surface du cercle S. Donc S = (13/15) D2. Cela revient à π = 3,002.

Le modèle des textes Jaïn (– ii e siècle ~ ii e siècle) On prend tout simplement π =  10 , soit π = 3,162.

Le calcul d’Archimède (– 269 ~ – 212) Il inscrit dans le cercle un polygone régulier, décomposé en une série de triangles isocèles dont on connaît la surface. La surface du polygone représente une estimation inférieure à celle du cercle, qui tend vers celle du cercle lorsque le nombre de côtés du polygone croît. On répète l’opération avec un polygone exinscrit et on encadre ainsi la valeur cherchée par une estimation inférieure et une estimation supérieure. Archimède estime ainsi la valeur de π comprise entre 3 + 10/71 et 3 + 10/70, c’est-à-dire 3,140 H

synchro

synchro injection

purge

injection condenseur pompe

106 - Pompes à vapeur de Newcomen (à gauche) et de Watt (à droite)

Watt et la machine à vapeur Watt (1736~1819) apporte deux modifications fondamentales à la machine précédente. Au lieu de refroidir à chaque temps le cylindre principal, il se borne à le mettre en relation par un robinet avec un condenseur, récipient maintenu à basse température et qui impose

164

Naissance et diffusion de la physique

son vide : à elle seule, cette modification apporte 75% d’économie de combustible. Puis il injecte la vapeur non plus à la pression atmosphérique, mais sous forte pression pour pousser le piston. Enfin, il introduit alternativement la vapeur sur les deux faces du piston. Il suffit alors de transformer le mouvement alternatif en rotation continue, grâce à un système bielle-manivelle, pour que toute la partie hydraulique devienne inutile. En 1785, la filature Robinson s’équipe et, en 1802, plus de 65 grosses machines sont en service, remplaçant les manufactures par les usines et entraînant la révolution industrielle. A cette époque, il n’y a que 5 machines à vapeur en France qui n’a encore rien compris, Napoléon en tête (« l’Angleterre est une nation de boutiquiers »), et pourtant il y eut autant de savants célèbres en France qu’en Angleterre au xviiie siècle, mais l’économie attendait ses directives d’en haut et le haut n’avait d’autre souci que le maintien de ses privilèges. Les systèmes de wagonnets sur rail étaient très utilisés dans les mines anglaises, aussi George  Stephenson (1781~1848) eut l’idée d’utiliser une machine à vapeur pour tirer des voitures sur une voie ferrée, d’où la locomotive Rocket en 1829 et le chemin de fer de Liverpool à Manchester en 1830.

Le régulateur à boule Une invention de Watt qui, à première vue, peut passer pour secondaire, est celle du régulateur à boule. La figure 107-a montre le principe de l’appareil monté sur un axe Oz qui tourne avec la machine. A partir d’une certaine vitesse angulaire  ω0 , les boules décollent sous l’action de la force centrifuge, soulevant la masse  M qui peut commander un des paramètres de la machine ralentissant sa rotation. La figure  107-b montre que la régulation est efficace entre ω0 et 2ω0 . L’importance de ce dispositif réside dans son caractère auto-régulateur tout à fait innovant à l’époque. Il est l’ancêtre d’une formidable génération de dispositifs de régulation intervenant à tous les niveaux de la physique à la biologie.

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107 - Principe du régulateur à boules

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X - La production d'énergie et sa transmission

165

Le charbon et la vapeur en France Au xviiie siècle, la situation en France était très différente de celle de l’Angleterre. Il y avait peu de gisements de houille exploités et peu de besoins, le bois étant en quantité considérable. Un essai de cokéfier la houille du Creusot, en 1785, fut un échec et les tenants de la sidérurgie au charbon de bois triomphèrent. La première ligne de chemin de fer, réservée au transport de la houille, fut inaugurée en 1826 entre Lyon et Saint-Etienne où un excellent charbon était extrait. Le premier essai de transport de voyageurs eut lieu entre Paris et Saint -Germain (15 km), en 1837, malgré une très forte opposition politique qui arguait de la mise en danger de la santé par les grandes vitesses (40 km/h). Puis l’Assemblée nationale vota en 1840 une loi interdisant aux locomotives de faire de la fumée. Cette idée, d’inspiration écologiste, créa un grave problème économique car seul le coke répondait à la question et il n’y en avait pas en France. D’où la nécessité d’installer les premières lignes importantes dans le Nord, à partir de Lille, pour se fournir en coke belge, puis de prospecter le bassin du Nord-Pas-de-Calais et d’ouvrir les mines françaises de cette région. Plus tard, le raccordement de Grenoble au réseau ferroviaire PLM (Paris-Lyon-Méditerranée), en 1858, fut en grande partie favorisé par l’existence d’une mine à La Mure (Isère), produisant un excellent anthracite n’exigeant pas d’être cokéfié. Ce ne fut d’ailleurs pas avant cette date que la sidérurgie française abandonna le bois. Le ravage de la forêt française fut cependant poursuivi par la fourniture de traverses pour les voies ferrées. A cette époque, les locomotives s’essoufflaient très vite dans les côtes, d’où la nécessité d’un profil de voies ferrées très doux qui se révéla très efficace lorsque, à partir de 1950, les grandes lignes furent électrifiées, remplaçant les locomotives de 1500 CV (1104 kW) par des motrices de 5 000 kW permettant les vitesses de 140 km/h de la période pré-TGV.

La thermodynamique L’existence de dispositifs importants transformant la chaleur en travail pose de nouveaux problèmes théoriques sur ce qu’est le calorique. Il faut également calculer les performances maximales que l’on peut espérer dans les cas les plus favorables, où les imperfections mécaniques sont négligeables. uu Sadi  Carnot analyse une machine thermique en

trois constituants : une source de chaleur, un fluide transmetteur, un récepteur de chaleur.

p

T’ T

adiabatique adiabatique isotherme

108 - Le cycle de Carnot Les échanges de chaleur se font le long des isothermes et l’on passe de l’une à l’autre sans échange de chaleur.

isotherme v

166

Naissance et diffusion de la physique

Il décompose le travail élémentaire suivant un cycle limité par deux isothermes (les sources) et deux adiabatiques (trajets sans échange de chaleur), et conclut que dans une machine sans frottements le calorique ne s’échappe pas et que le travail ne provient que de la chute de température. La chaleur n’est autre que du mouvement qui modifie sa forme. Ces résultats sont publiés en 1824 et Carnot meurt du choléra en 1832. uu James  Joule détermine en 1847 la quantité de travail nécessaire pour produire une

quantité donnée de chaleur : c’est l’équivalent mécanique de la chaleur J. Est-ce la même chaleur que le calorique de Carnot ? uu Rudolf Clausius (1822~1898) réalise que Carnot s’est mal exprimé et que le calorique

s’est transformé en travail mécanique dans la machine, le montant total d’énergie (et non de calorique) restant constant : c’est la première loi de la thermodynamique. uu Herman  von Helmholtz (1821~1894) généralise les notions de chaleur et de travail

en montrant qu’il s’agit de formes différentes d’une même réalité, l’énergie, dont la quantité totale reste invariable. Il généralise ainsi, dès 1847, le principe d’équivalence. Mais la chaleur ne peut passer d’elle-même, sans cause externe, d’une source froide à une source chaude : pour cela le flux de chaleur seul est irréversible, ce que l’on traduit par une fonction, l’entropie, qui croît avec la dégradation de l’énergie dans les transformations irréversibles. C’est la deuxième loi de la thermodynamique. uu William Thomson, qui deviendra Lord Kelvin (1824~1907), définit alors une échelle de

température à partir du rendement d’une machine thermique réversible (sans pertes). Puisque ce rendement ne dépend que des températures des deux sources, il permet de définir une échelle de température indépendante de tout fluide et de sortir des systèmes de repère arbitraires utilisés jusqu’alors. Cette échelle est ainsi définie à une constante multiplicative près et Kelvin fixe celle-ci de manière qu’il y ait 100 °C de différence entre la glace fondante et l’eau bouil­lante. L’échelle de Kelvin coïncide alors avec l’échelle Celsius à une translation près de 273,1 °C.

Remarques sur la puissance motrice du feu Il y a autour de la naissance de ce chapitre fondamental de la physique, la thermodynamique, un mélange indissociable de préoccupations théoriques et pratiques : uu la puissance industrielle de l’Europe est née de la machine à vapeur, uu le principe de la conservation de l’énergie et celui de l’irréversibilité de certaines transformations ont envahi tous les autres chapitres de la physique. Si dans bien des cas des découvertes scientifiques ont eu des prolongements techniques, c’est ici les nécessités techniques qui ont piqué au vif les savants. Lorsque Carnot cherche à assimiler une machine thermique à une chute d’eau, il dit : « la puissance motrice d’une chute d’eau dépend de sa hauteur et de la quan­tité du liquide ; la puissance motrice de la chaleur dépend aussi de la quantité de calorique employée et de ce qu’on pourrait nommer, de ce que nous appellerons en effet la hauteur de sa

X - La production d'énergie et sa transmission

167

chute, c’est-à-dire la différence de température des corps entre lesquels se fait l’échange de calorique ». Il met ainsi l’accent sur l’importance de la source froide, tant au point de vue théorique que dans la pratique industrielle.

Naissance de l’énergie électrique Toutes les lois de l’électricité découvertes dans la première moitié du xixe siècle sont obtenues avec des sources de faible puissance, dérivées de la pile de Volta.

L’essor de l’électricité L’expérience de Marcel Deprez est répétée en 1882 à l’exposition de Munich, sur 54 km et en 1883 entre Vizille et Grenoble, sur 14 km : dans ce dernier cas la puissance reçue est de 5 kW et le rendement de la transmission 62%. L’industrie papetière, installée aux pieds de la chaîne de Belledonne (à côté de Grenoble), utilise pour le défibrage du bois une turbine hydraulique, au pied d’une conduite forcée de 200 m de dénivelé (Aristide Bergès, 1869). Elle électrifie cette source d’énergie pour pouvoir déplacer l’usine et, en 1880, Deprez et Matussière installent 2 000 CV (1472  kW) à Domène (banlieue de Grenoble). En 1888, Paul Héroult équipe une chute à côté de la précédente, à Froges, pour la nouvelle technique de fabrication de l’aluminium par électrolyse. Le courant continu à basse tension, produit par les dynamos, est particulièrement bien adapté à cette technique et, en 1889, il fabrique 2,95 tonnes d’aluminium à un prix d’ailleurs prohibitif mais, en 1900, il en fabriquera 1 500 tonnes avec un prix divisé par 30. Cependant, tous ces utilisateurs sont au voisinage immédiat de la source électrique et le rendement déplorable de la liaison Vizille-Grenoble fait douter de la rentabilité d’un transport à distance. 4 Le débat fait rage jusqu’aux expériences de l’Américain Nikola Tesla, en 1892, qui profite de l’étude des transformateurs par Galileo Ferraris, en 1886, pour montrer que la solution réside dans le transport sous haute tension alternative (donc faible courant et peu de pertes par chauffage Joule). En outre, Tesla réalise un alternateur asynchrone et montre que les moteurs alternatifs sont plus faciles à réaliser que les dynamos, puisqu’ils n’ont pas de bague de commutation. 4 Cette fois-ci, le mouvement est lancé ; la course à la haute tension et à l’équipement de chutes d’eau commence et le congrès international de Grenoble, animé par Auguste Bouchayer en 1902, prend le nom de Congrès de la houille blanche. A côté de la fourniture de puissance motrice, la mise au point de la lampe à incandescence aux Etats-Unis, par Thomas Edison en 1878, offre dans l’éclairage un débouché considérable aux producteurs de courant et Aristide  Bergès, dès 1897, éclaire depuis Lancey l’est de Grenoble par une ligne à 12  000  volts. Pendant la construction, les poteaux de cette ligne sont systématiquement sabotés par des défenseurs de l’environnement qui estiment que l’électricité est nuisible à la santé.

Or les lois de Faraday permettent de créer un courant électrique à l’aide d’un champ magnétique variable, par exemple rotatif, et c’est ainsi que Zénobe Gramme (1826~1901), inventeur belge travaillant à Paris, met au point en 1871 la machine qui porte son nom. Cette fois-ci, les ordres de grandeur changent ; la dynamo Gramme fournit un courant

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Naissance et diffusion de la physique

électrique continu sous une tension d’une centaine de volts et peut produire plusieurs kilowatts. Mais son intérêt réside dans sa réversibilité, démontrée par Hippolyte Fontaine, en 1873, à l’exposition de Vienne. Une dynamo entraînée par un moteur fournit de l’électri­ cité et celle-ci appliquée à une autre dynamo la fait tourner. On a ainsi transporté de l’énergie par des fils électriques et Marcel Deprez réalise à l’exposition de Paris, en 1881, un transport d’énergie sur 1 800 m (voir encart p. 167).

109 - Dynamo Gramme

Dispositifs divers de transmission Alors que l’Occident utilise essentiellement l’énergie pour moudre le grain ou pomper l’eau jusqu’à l’avènement de l’ère industrielle, les Chinois ont diversifié cette utilisation vers la métallurgie, la céramique, le tissage voire une culture plus intensive, et ils ont dû pour cela imaginer des liaisons mécaniques souples et adaptées que nous avons utilisées souvent beaucoup plus tard.

Engrenages Des mécanismes comportant des roues dentées sont déjà décrits en Grèce par Ctésibios (vers 250 avant J.C.), et sont employés dans une grande variété de dispositifs. En Chine, on trouve quantité d’engrenages en bronze ou en fer dans des tombes, depuis la période Qin (vers 230 avant J.C.). On trouve également à partir de 100 avant J.C. des cliquets avec rochets utilisés dans des cabestans ou des arbalètes, alors que ces systèmes ne sont connus en Occident que d’après le travail d’Oribasius, en 350. On a également découvert dans une tombe Han (50) un engrenage cylindrique de bronze avec des dents hélicoïdales en chevrons. Cependant, la plupart des engrenages de cette époque sont des roues à dents triangulaires (approximativement équilatérales) et les dents arrondies n’apparaissent qu’en 1027 en Chine, et au xive siècle en Europe.

Paliers et roulements Dans des tombes du Shanxi du iie siècle avant J.C. ont été trouvés des objets de bronze annulaires en forme de gouttières, cloisonnées à l’intérieur, dans lesquelles des restes de rouleaux ou de billes en fer semblent prouver leur usage comme roulements à bille ou à rouleaux.

X - La production d'énergie et sa transmission

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L’usage de tels roulements dans des chariots celtes, découverts au Danemark et datés du er i  siècle avant J.C., reste controversé mais leur découverte dans les cabestans des navires romains, retrouvés dans le lac Nemi au sud de Rome et datés d’environ 50, semble incontestée. On les retrouve dans des véhicules impériaux chinois des viie et communs en Europe à partir du xviie siècle.

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Transmission par courroies et chaînes La transmission par courroie apparaît au ier siècle avant J.C., en Chine, dans des machines à bobiner la soie décrites en 15 avant J.C. La grande roue était constituée de deux flasques en bambous, reliées par un réseau de fibres qui formaient la jante et constituaient une sorte de poulie à gorge. De telles machines apparaissent en Europe, représentées pour la première fois sur un vitrail de la cathédrale de Chartres (1240). Il en découle la première référence à un rouet faite en Allemagne autour de 1280. Il semble que la transmission estouest ait été faite par des voyageurs italiens dans la Chine des Mongols. Mais les courroies de transmission, hormis le rouet, sont restées très rares en Europe jusqu’au xviiie siècle. Les pompes à godets carrés (voir plus loin) utilisent, dès le ier siècle, une transmission par chaîne et pignon en bois qui se généralise et devient métallique sous les Tang. En 976, Zhang Si Xun adapte le système au moteur de son horloge et Su Song utilise une chaîne de transmission de 6 m de long dans sa fameuse horloge (voir chapitre VI). Ensuite, de nombreux métiers à tisser utilisent cette transmission. En Occident, il faut attendre 1770 pour que Jacques de Vaucanson introduise ce système dans un métier à soie, puis 1869 pour l’application à la bicyclette par Jean François Tretz. Sous cette dernière forme, l’invention retourne en Chine où son usage est intensif.

Excentrique, manivelle et bielle Pour faire tourner une roue à la main, le plus simple est d’enfoncer un taquet de bois dans le flan de la roue en position très excentrée. Les Chinois ont utilisé cette méthode dès le e ii  siècle avant J.C., et un modèle en poterie de cour de ferme Han montre un ventilateur à vanner muni d’une telle manivelle. Celle-ci se trouve largement répandue dans des treuils, des moulins à bras, des machines à tisser. Et cependant la première manivelle européenne n’apparaît qu’en 830, décrite dans le Psautier d’Utrecht, pour entraîner une meule à aiguiser. En utilisant le système à l’envers et en munissant la manivelle d’un bras de levier, on peut transformer un mouvement rotatif en mouvement longitudinal alternatif, ce qui permet très rapidement aux Chinois d’actionner des souffleries à partir de roues à aubes. Le perfectionnement apporté par une bielle guidée est décrit dans le traité de Wang Zhen, consacré en 1313 aux machines métallurgiques. Un dessin de Léonard de Vinci propose vers 1490 le même système.

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Naissance et diffusion de la physique

La pompe à palettes Cette pompe, inventée au ive siècle avant J.C., est destinée à élever l’eau pour alimenter à partir d’un canal les tranchées d’irrigation des champs. Elle consiste en une gouttière de bois en U dans laquelle des palettes plates de bois grossièrement ajustées sont entraînées vers le haut par une chaîne sans fin, initialement en bois. Le mouvement de la chaîne est obtenu par des pédaliers actionnés par les paysans. Pour un angle avec l’horizontale de l’ordre de 25 degrés, la hauteur de pompage atteint 4,5 m (voir fig. 95). Ces pompes furent standardisées sous l’administration Tang (en 828) et construites en très grande série avec stock de pièces détachées. L’introduction au Moyen Âge de ces pompes en Corée et en Annam révolutionne l’agriculture de ces pays. A la fin du xviie siècle, la marine anglaise adopte ces pompes comme pompes de cale.

L’hodomètre Il s’agit d’un véhicule qui enregistre la distance parcourue. Cet appareil apparaît à peu près au même moment à l’Est et à l’Ouest. En Chine, une charrette comportant une figurine de bois frappant un tambour pour chaque li parcourue, et une autre figurine jouant sur un gong pour chaque dix li, est mentionnée dans des processions en 110 et 80 avant J.C. En Europe, Héron d’Alexandrie décrit un chariot déjà bien connu en 60, avec lequel la distance est enregistrée par l’accumulation de balles dans un réceptacle. L’essentiel du système est constitué d’engrenages réducteurs, entraînés par une roue du véhicule et il est intéressant de suivre en Chine, où l’appareil est utilisé de façon continue, l’évolution du profil des dents de l’engrenage. En Europe, l’appareil tombe dans l’oubli jusqu’à Léonard de Vinci, en 1490. Jérôme Cardan discutera la forme mathématique à donner aux dents en 1557, et Philippe de La Hire leur appliquera en 1694 sa théorie des épicycloïdes. Nous avons déjà signalé la très haute qualité de la cartographie chinoise dès la dynastie Tang. L’hodomètre a certainement contribué notablement à la précision des relevés.

La suspension à la Cardan Il s’agit d’un type de suspension articulée permettant de maintenir horizontal un appareil quels que soient les mouvements du support. On peut également appliquer ce système à la transmission d’un couple, à partir d’un axe de direction fixe vers un axe de direction variable (cardans des voitures à traction avant). Jérôme Cardan donne de cette suspension une description détaillée dans De subtilitate, en 1550. Mais il n’en revendique nullement la paternité. De fait, le dispositif est connu en Europe depuis longtemps : il a été dessiné en 1237 par Villard de Honnecourt et on en trouve des traces au ixe siècle dans des textes arabes ou latins.

X - La production d'énergie et sa transmission

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Cependant son origine est incontestablement chinoise, pays où la mise au point de cet appareil est attribuée à un dénommé Ting Huan, en 180. Des traces encore plus anciennes de la pratique de cette suspension apparaissent dans la littérature. C’est ainsi que dans le Mei Ren Fu (Ode aux jolies femmes), vers 140 avant J.C., Si Ma Xiang Ru décrit une scène d’amour agitée au cours de laquelle le brûle-parfum, fixé au lit par une suspension à plusieurs cercles métalliques, reste parfaitement immobile. Il est possible que cette technique soit venue en Europe à travers le Tibet où de nombreux brûle-parfums processionnaires sont montés ainsi, puis transmise par des marchands juifs du royaume Khazar au ixe siècle (voir encart p. 172).

Le différentiel Au iiie siècle, un engin très curieux est mis au point par l’ingénieur Ma Jun. Il s’agit du chariot montrant le sud. Ce chariot porte une statue montée sur un axe vertical et montrant du bras une direction. Lorsque le chariot tourne, la statue pivote d’un angle égal et opposé si bien que la direction initiale, par exemple le sud, reste toujours indiquée et permet à une armée de se repérer dans le désert.

Axe portant la statue

110 - Le chariot montrant le sud

En l’absence de dessins précis, plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer ce fonctionnement. L’une d’elles, à base de ficelles commandées par les mouvements du timon et provoquant l’embrayage d’un grand pignon sur le mouvement d’une roue ou de l’autre, n’est pas très plausible. Celles à base de magnétisme sont carrément absurdes. La reconstitution la plus probable a été proposée par George Lanchester : lorsque tourne le véhicule, les deux roues ne décrivent pas la même courbe et leur rotation n’a pas la même vitesse. Elles actionnent un différentiel qui tourne de la différence entre les deux rotations, et après démultiplication convenable commande l’axe de la statue. C’est exactement le fonctionnement inverse du différentiel d’une voiture moderne : l’arbre moteur, à la place de la statue, entraîne le système qui permet aux deux roues motrices une différence de vitesse de rotation dans les courbes. Cependant, pour être à l’abri de décalages systématiques, la précision sur l’égalité des diamètres des deux roues et celle concernant les engrenages devraient atteindre des valeurs qui laissent perplexes. Les Chinois ne sont pas les inventeurs du différentiel : Derek Price, dans Gears from the greeks, cite parmi une quantité de configurations d’engrenages, dont les Grecs avaient le génie, un différentiel construit en 80 avant J.C. Il semble bien que l’idée cette fois soit passée d’Ouest en Est.

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Naissance et diffusion de la physique

Le royaume Khazar Au milieu du viie siècle, un peuple turc nomade, les Khazars, s’installe à l’ouest de la mer Caspienne et occupe la steppe entre Volga et Don jusqu’au Caucase. Il contrôle la route de la soie passant par le nord de la Caspienne et une des deux grandes routes entre la Scandinavie et le Moyen-Orient, par le lac Ladoga et la Volga, utilisée par les nordiques appelés Rus’. L’autre route, par Novgorod (le lac Ilmen) et le Dniepr, est directement utilisée par les Vikings qui, sous le nom de Varègues, dominent les slaves et fondent Kiev. La capitale khazar, Itil, se développe sur la côte nord-ouest de la Mer Caspienne et, en 740, tout le peuple khazar se convertit au judaïsme. Malgré des difficultés de voisinage, avec les Arabes Omeyyades sur le Caucase, l’em­pire byzantin en Crimée et les Varègues sur le Donetz, les Khazars et les Rus’ se livrent à un intense trafic commercial avec la Chine et la Scandinavie*. On leur attribue l’introduction en Europe de la porcelaine, des puits artésiens, du collier du cheval, de l’arbalète, de la suspension à cardan. A partir de 900, le transit se décale au nord de la Caspienne et la richesse khazar diminue. En 969, le royaume est écrasé par Sviatoslav, grand duc de Kiev et père de Vladimir I le Saint qui se convertit au christianisme byzantin en 988.

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* T.S. Noonan, Dossiers d’Archéologie 256, 2000, p. 82.

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111 - Le royaume Khazar

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X - La production d'énergie et sa transmission

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Conclusion Nous retrouvons dans ce chapitre la supériorité technique des Chinois et la maî­trise théorique des Européens. Lorsque des idées innovantes apparaissent à peu près en même temps à l’Est et à l’Ouest, comme le moulin à eau ou les engrenages, la diversité des applications et leur usage intensif donnent très vite une avance technique considérable à la Chine qui remplace la force de l’homme par des machines plus puissantes et moins coûteuses. Notons cependant le mouvement de va-et-vient d’une idée chinoise, la chaîne de transmission métallique, qui ne pénètre que très tardivement en Europe mais retourne alors en Chine, sous la forme d’une invention occidentale qui va y remporter un énorme succès : la bicyclette. A la longue cependant, l’approche théorique va conduire l’Europe à maîtriser une puissance énergétique considérable avec la machine à vapeur puis l’électricité et, tardivement, l’économie occidentale fera un formidable bond en avant, et l’avantage passera à l’Ouest.

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Chapitre XI Les transports L’essentiel de notre civilisation s’est établi grâce à la communication : communication des idées philosophiques, scientifiques, religieuses et de leurs conséquences techniques. C’est la technique qui a favorisé ces échanges en permettant aux personnes de se déplacer et de faire ainsi circuler leurs connaissances, bien plus par leur présence que par des écrits souvent rares ou fragmentaires. Les moyens de transport ont donc été un des moteurs du progrès scientifique, tout en étant la conséquence de celui-ci. Nous allons passer en revue ces moyens de transport en soulignant tous les problèmes de physique qu’ils ont soulevés : la roue et son articulation, les frottements solide contre solide, l’action du vent sur une voile et le régime météorologique qui le gouverne, la résistance des matériaux et leur usure, les moyens de se repérer sur mer grâce à la cartographie et aux pointés des astres, enfin le rôle essentiel de la mesure du temps dans le calcul de la longitude. Les premiers déplacements, et les transports de marchandises correspondants, se sont faits à pied et à dos d’homme, comme cela se pratique encore en terrain très accidenté (Himalaya) ou dans les régions très pauvres.

112 - Hotte avec bandeau frontal Femme déménageant près de Gorepani - Népal

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Naissance et diffusion de la physique

113 - Ambulance dans l’Himalaya

114 - Porteuse d’eau au Huang Shan - Chinel

La roue et l’attelage Les débuts Pour utiliser des véhicules, il faut disposer de routes, sauf sur les voies d’eau où des radeaux sont utilisés très précocement. Mais, sur terre, les premiers moyens de transport sont des traîneaux qui glissent sur l’herbe, sur l’argile et sur les terrains un peu marécageux et c’est vers cette époque que l’on observe l’apparition de chemins. Des pictogrammes d’Ur montrent au iiie millénaire avant J.C. des traîneaux tirés par des hommes. Khéops, en 2700 avant J.C., construit sa pyramide avec des blocs de pierre extraits à Tura, sur la rive est du Nil, qui descendent le fleuve sur des radeaux, et sont ensuite transportés du Nil jusqu’à Gizeh par des traîneaux glissant sur une avenue de plus de 1 kilomètre de long, faite de pierres polies revêtues d’argile humidifiée. Des routes pavées datant de 2000 avant J.C. ont également été découvertes en Crète, à Cnossos. En Chine, dès la dynastie Zhou (vers 1000 avant J.C.), les routes sont systématiquement entretenues, les dimensions des véhicules sont normalisées et un code de bonne conduite promulgué. Les routes sont classées en cinq catégories depuis le sentier piétonnier jusqu’à la route à trois voies par le premier empereur Qin Shi Huang Di (221~210 avant J.C.).

XI - Les transports

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La roue La mise au point de la roue pose deux problèmes : la réalisation de la roue proprement dite, solide et pas trop lourde, et celle du mécanisme d’articulation de la roue mobile à la caisse fixe. Les premières roues sont de petites dimensions et constituées de 2 ou 3 planches accolées (diamètre de l’ordre de 60 cm). Elles apparaissent à Sumer vers 3500 avant J.C. et semblent diffuser à partir de la basse Mésopotamie. On les trouve ensuite en Elam et Assyrie vers 3000 avant J.C., dans la vallée de l’Indus vers 2500 avant J.C., en Crète et Russie méridionale en 2000 avant J.C., en Anatolie en 1800 avant J.C., en Egypte en 1600 avant J.C., en Grèce en 1500 avant J.C. et en Chine du Nord en 1400 avant J.C. Elles équipent des charrettes à 2 roues ou des chariots à 4 roues. L’essieu est fixe par rapport aux roues, ce qui gène les virages serrés. Il roule sous le châssis en glissant, tenu en place de chaque côté par 2 ergots, ce qui conduit à un frottement bois sur bois considérable et très bruyant. De telles structures ont cependant l’avantage d’être immédiatement démontables en soulevant la caisse si la route vient à manquer : les uns portent le châssis, les autres le système essieu-roues ; un bas-relief de l’époque néo-assyrienne de Sennacherib (700 avant J.C.) montre des soldats traversant ainsi une rivière avec des chariots démontés. Et même à l’heure actuelle, on trouve encore ce type de chariots, nécessitant une énorme force de traction, dans certains pays du tiers-monde (la photo 115 a été prise en 1961, au Brésil, à la limite du Mato Grosso).

115 - Roue et essieu en bois - Mato Grosso

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Naissance et diffusion de la physique

Une constante de tous ces véhicules est l’existence d’un timon central permettant d’atteler les animaux par paire. Les premiers animaux utilisés ont été les bœufs puis les onagres. Les Sumériens ont été les premiers à utiliser des chariots de guerre montés par plusieurs hommes et, malgré leur lourdeur et leur lenteur, ils représentèrent en plaine un avantage décisif. Progressivement, les roues sont renforcées par des clous en cuivre sur le chemin de roulement (à Ur et Kish à partir de 3000 avant J.C.), ou même par une bande continue de cuivre (à Suse vers 2000 avant J.C.). La grande révolution s’est faite avec l’apparition de la roue à rayons, infiniment plus légère, et de moyeux en bronze dans lesquels tourne un élément d’essieu en bronze également. Le frottement métal sur métal est bien plus faible qu’avec le bois, et l’on a pu alors construire des chars de guerre légers et les atteler à des animaux plus rapides : les chevaux. Cet animal est originaire d’Asie centrale où Prjevalski 1, en 1870, a reconnu quelques spécimens de la souche sauvage d’origine. Il est d’abord utilisé comme animal de selle par les Indo-Européens, puis les chars rapides de ceux-ci apparaissent vers 1900 avant J.C., au nord de l’Inde et au nord de l’Asie Mineure (sceaux-cylindres de Perse et de Cappadoce les représentant à cette époque). Le succès de cette arme est partout immédiat : il explique en particulier la défaite égyptienne du Moyen-Empire devant les Hyksos, qui occuperont l’Egypte de 1750 avant J.C. à la restauration d’Ahmosis (Nouvel-Empire) en 1590 avant J.C.. Mais l’usage de ces chars sera très vite assimilé par les Egyptiens et l’on connaît les innombrables représentations de Ramsès  II sur son char, à la bataille de Qadesh (1290 avant J.C. environ) contre les Hittites. Les chars de ce type apparaissent en Chine vers 1300 avant J.C., où ils sont l’apanage des nobles qui en décorent leur tombe (fosses cruciformes à chars d’An Yang). La roue à rayons reste cependant fragile tant qu’elle est construite dans un plan. Elle devient beaucoup plus solide avec l’invention en Chine, en 400 avant J.C., de l’écuanteur : les rayons sont alternativement inclinés dans un sens et dans l’autre par rapport au plan de la jante (voir la roue de bicyclette actuelle).

L’attelage Les premiers animaux attelés ont été les bœufs et, d’emblée, le système utilisé a été le joug, fixé pour une paire de bêtes sur le timon central convenablement relevé pour atteindre le niveau voulu. Lorsque le bœuf a été remplacé par l’onagre, on s’est borné à relier le cou de l’animal, par une sangle, au joug inutilisable. Lorsque le cheval fait son apparition, le même système de harnachement par un joug puis par une sangle de gorge est naturellement utilisé, ce qui a pour effet d’étrangler le cheval dès que la charge devient importante. C’est pourquoi il est longtemps considéré comme

1 Prjevalski est un officier du tsar chargé d’atteindre Lhassa à partir de la Sibérie. Il mena plusieurs expéditions dont l’une échoua à quelques kilomètres du but.

XI - Les transports

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un animal de faible puissance, utilisable uniquement pour la cavalerie, ou pour des chars 2 très légers auxquels il apporte sa plus grande qualité : sa vitesse. Mais les Chinois remplacent, à l’époque des Royaumes Combattants, cet attelage par un harnais de poitrail qui améliore considérablement les performances de l’ensemble. Cette solution n’atteindra l’Europe que vers le viiie siècle. Enfin, c’est également en Chine que le collier est inventé et sa première manifestation connue est reproduite sur une peinture de Dun Huang, datée de 851. Ce type moderne d’attelage, qui permet au cheval de donner toute sa puissance, ne se généralisera en Europe qu’à partir du xiie siècle (voir l'énergie animale et l'homme, chap. X).

La navigation L’usage des fleuves Les premières civilisations urbaines du Moyen-Orient se sont développées près de grands fleuves et grâce à ces grands fleuves. Ceux-ci (Indus, Tigre et Euphrate d’une part, Nil de l’autre) ont eu un double rôle : uu permettre l’irrigation de terres insuffisamment arrosées, uu servir de grandes voies d’accès pour la circulation des marchandises. Nous nous intéresserons ici à ce deuxième aspect.

En Mésopotamie Les cités sumériennes sont installées dans une zone où règnent l’argile, les palmiers et les roseaux. Elles manquent de produits essentiels comme le bois, la pierre, les métaux qui se trouvent sur le rebord anatolien où les deux fleuves ont leur origine. Le bois est particulièrement facile à transporter puisqu’il suffit d’en faire des radeaux, par assemblage élémentaire ou montés sur des outres. Pour les déplacements locaux, il suffit d’outres (pêcheurs à califourchon sur une outre, représentés dans le palais de Sennacherib 3, fig. 116) ou d’embarcations rondes en armature de bambous recouverte de peaux. Dès 3000 avant J.C., Ur et Mari se livrent à un intense trafic de cuivre et d’étain, en provenance d’Anatolie. Des barques de roseaux (comme il en existe aujourd’hui sur le lac Titicaca, fig. 117) d’assez grande dimension existent dès le début, puis des embarcations en bois de 20 GUR, soit 6 tonnes de jauge sont couramment utilisées dès la période historique (allant exceptionnellement jusqu’à 300 GUR).

2 Homère dans L’Iliade : « Automédon et Alkimoos lièrent les chevaux au joug avec de belles courroies ; ils leur mirent les freins dans la bouche et ils raidirent les rênes vers le siège du char. », Dossiers d’Archéologie 246, septembre 1999, p. 34. 3 J.C. Margueron, Les Mésopotamiens, tome 1, Armand Colin, 1991, p. 149.

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Naissance et diffusion de la physique

116 - Navigation avec barque en peau et outre - Palais de Sennacherib

117 - Barque de roseaux Lac Titicaca - 1968

En Egypte Le Nil est la seule communication normale entre les deux terres, le Nord et le Sud. Le courant permet de le descendre, le vent du nord (très fréquent) de le remonter, aussi c’est sans doute là que l’usage de la voile est apparu pour la première fois. Ainsi, à côté des barques en papyrus ou de radeaux, sont apparus précocement de vrais navires en bois, gréés d’un mât et d’une voile carrée. La grande embarcation royale enterrée près de la pyramide de Khéops (vers 2500 avant J.C.) a 43,63 m de longueur. La construction procède de la technique du bordé d’abord qui sera utilisée jusqu’au Moyen Âge.

118 - Schéma de la coque cousue du navire de Khéops

XI - Les transports Les virures du bordé sont cousues et les couples de la membrure rapportés ensuite. Il n’y a pas de quille mais les planches sont ajustées à franc-bord. La propulsion de base est la rame et ce sont des rames latérales qui servent de gouvernail (voir l'encart Glossaire maritime pour les termes techniques). Ce sont des embarcations de ce type qui seront, 1 000 ans plus tard, utilisées sur la Mer Rouge dans l’expé­dition au Punt de la pharaonne Hatshepsout.

La conquête de la mer Les premiers temps La Méditerranée est un vase clos particulièrement propice à une expé­rience maritime, malgré le danger non-négligeable qu’elle représente. Elle a d’abord été explorée au niveau de sous-bassins plus ou moins indépendants. La découverte dans des sites néolithiques grecs d’outils en obsidienne, matière qui n’existe que dans les îles volcaniques, montre que des traversées avaient eu lieu dès cette époque, sans doute sur des barques de roseaux. A partir du iiie millénaire s’instal­ lèrent des rapports réguliers entre l’Egypte et Byblos puis, à partir de 2000 avant J.C., la Crète devint une puissance maritime qui céda ultérieurement la place à la flotte achéenne de l’Iliade. Au xie siècle avant J.C., les Phéni­ ciens sont les maîtres de la Médi­ terranée et fondent Carthage en 825 avant J.C. Les Grecs installent ensuite des colonies en Grande-Grèce (Italie du Sud) à partir de 750 avant J.C.

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Glossaire maritime Balancine : cordage partant de la tête du mât et soutenant une vergue. Bordage : planche constitutive du bordé. Bordé : ensemble de planches formant l’enveloppe extérieure du navire. Bordé premier : construction antique qui consiste à assembler le bordé avant de mettre en place la membrure. Carène : partie immergée de la coque en charge. Cargue : manœuvre servant à replier une voile sur elle-même pour réduire sa surface ; cordage servant à cette manœuvre. Clin à : les bordages se recouvrent partiellement sur toute leur longueur. Couple : pièces courbes de la charpente transversale, fixées sur la quille et remontant jusqu’au plat-bord (haut du bordé). Etambot : pièce de charpente transversale formant l’arrière du navire. Franc-bord : les bordages sont jointifs tout le long de leur longueur. Lof – aller au lof : se rapprocher de la direction d’où vient le vent. Membrure : ensemble des pièces courbes transversales de la charpente formant l’ossature du navire et recouvertes du bordé. Préceinte : suite de planches du bordé formant une virure plus épaisse et destinée à renforcer la coque ou à fixer un rostre. Quille : pièce maîtresse longitudinale sur laquelle vient se fixer la membrure. Tolet : tige plantée dans le plat-bord et articulant l’aviron pendant la nage. Varangue : pièce de membrure implantée symétriquement à cheval sur la quille et constituant la partie centrale du couple. Vergue : espar supportant une voile. Virure : file de bordages successifs s’étendant sur toute la longueur de la coque. Voile latine : voile triangulaire articulée sur le mât et portée par une vergue inclinée (l’antenne).

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Naissance et diffusion de la physique

Au cours de la période suivante les incursions hors de la Méditerranée sont rares : uu les Phéniciens au xe siècle avant J.C. vont jusqu’en Cornouailles, uu ils font le tour de l’Afrique pour le pharaon Néchao III, vers 600 avant J.C., uu au ve siècle avant J.C., le Carthaginois Hannon aurait atteint le Sénégal avec trente mille hommes, uu enfin, le Marseillais Pythéas, vers 350 avant J.C., explore le Nord jusqu’à Thulé (Irlande ou mer Baltique), étudie la position de l’étoile Polaire et l’influence de la lune sur les marées. Il s’émerveille de la durée variable du jour suivant la latitude.

Les navires en Méditerranée Les premiers navires qui sillonnent la Méditerranée sont des barques non-pontées, de profil symétrique en croissant, propulsées à la rame. La navigation est côtière et le fond plat permet de tirer l’embarcation sur la plage le soir, ou au terme du voyage (pas de port). D’après Thucydide, la première marine nationale est celle du roi Minos. Une fresque de Santorin, datée de 1600 avant J.C., représente une procession navale. La coque est déjà dissymétrique et le navire possède une voile de type égyptien : plus large que haute, tendue entre deux vergues horizontales équilibrées par de nombreuses balancines ; le système ne sert que vent arrière. La direction est obtenue par le jeu des rames et par deux rames latérales verticales à la poupe (ce système est constant depuis les navires de l’Indus, 2500 avant J.C., jusqu’au Moyen Âge). La force motrice est celle des rameurs. Ainsi Ulysse dit dans L’Odyssée (chant IX, vers 560 et suivants, traduction Philippe Jaccottet) : Lorsque parut, naissant dans le matin, l’aube aux doigts de rose, d’un ton pressant, j’enjoignis à mes gens d’embarquer à leur tour et de larguer l’amarre. Embarqués promptement, ils prirent place à leur tolet en bon ordre et frappèrent de leur rame la mer grise.

Les navires de combat A partir du viiie siècle avant J.C., on voit apparaître de puissants navires, élancés, munis d’un éperon en forme de tête de sanglier et propulsés par 25 rameurs sur chaque bord : ce sont les pentecontores. Vers 550 avant J.C. apparaît un deuxième mât incliné à l’avant et muni d’une petite voile carrée. Enfin entre en scène le navire de combat par excellence : la trière arthénienne. C’est le navire, vainqueur à Salamine (480 avant J.C.) sur les Perses et les Phéniciens, construit d’après le décret de Thémistocle. Le bâtiment est fin : 37 à 38 m de long pour une largeur maximum de 5,5 m. Il est propulsé par 3 rangs de rameurs superposés : en tout 170 hommes. Il n’est pas ponté, simplement équipé de 2 gaillards, plates-formes à l’avant et à l’arrière, avec un équipage de 16 marins et 14 combattants (10 hoplites, 4 archers) ; son armement principal est un rostre trilame en bronze fixé à la proue.

XI - Les transports

183

Contrairement à certains clichés, tous les rameurs sont des citoyens libres et cela persistera à l’époque romaine dans la marine de guerre, où l’ensemble de l’équipage aura un statut analogue à celui du légionnaire pédestre. Le navire est gouverné par 2 rames arrière et muni de 1 ou 2 mâts équipés d’une voile sensiblement carrée, fixée à une vergue par le haut. La construction est soignée : le bordé en bois est ajusté à franc-bord par des tenons et des mortaises bloquées par des chevilles. L’éperon est fixé sur des préceintes qui ceinturent la carène. Ce travail délicat offre peu de résistance à l’avancement. Le modèle identique construit par les Anglais en 1987, Olympias, a pu atteindre une allure moyenne de 7,5 nœuds pendant 24 heures, mais chaque rameur doit boire au moins 1 litre d’eau à l’heure et disposer d’un coussin.

Construction de la coque - Système bordé première

Schéma des bancs de nage 119 - Une trière athénienne

Pendant la mauvaise saison et pour le radoubage, le navire est tiré par l’arrière au sec, sur une rampe de pierres et de traverses de bois inclinée d’environ 10% et protégée par un toit. On trouve des restes de ces installations au Pirée (port de Zea), à Kition (Chypre) et surtout dans le gigantesque port de Carthage 4 (220 cales sèches), détruit par Scipion Emilien lors de la 3e guerre punique, en 146 avant J.C.

4 Dossiers archéo-marine antique 183, juin 1993, p. 42.

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Naissance et diffusion de la physique

En période hellénistique, l’accent est mis sur de plus grosses unités : toujours 3 rangs de rameurs mais plus d’un homme par rame (hexères, heptères…). Ces gros vaisseaux sont utiles à Pompée (67 avant J.C.), dans sa lutte contre les pirates qui infestent la Méditerranée après la chute de Carthage, lorsque Rome a conquis la mare nostrum et cessé son effort maritime. Ces mastodontes ne sont cependant guère utilisables dans les batailles rangées : ainsi à la fameuse bataille d’Actium (2 septembre 31 avant J.C.), les navires de Marc Antoine et Cléopâtre (500 unités) acculés dans une baie ne purent jamais prendre assez d’élan pour écraser les bateaux plus petits et plus mobiles de la flotte d’Octave qui les incendièrent.

Les navires de commerce Ces bateaux plus larges et plus profonds que les précédents sont parfois propulsés uniquement à la voile. Ils exigent donc une quille et des dérives bien nettes, ainsi qu’un gréement plus sophistiqué. Ils ne peuvent plus être tirés au sec sur les plages et exigent des ports aménagés. Les voiles sont décomposées en petits carrés commandés chacun par une cargue (fig. 121). Des balancines peuvent permettre d’incliner la vergue. Un petit caboteur grec du ive siècle avant J.C., naufragé par 30 m de fond au nord-ouest de Chypre, le Kyrenia, a été fouillé et reconstitué en Grèce en 1985 (Kyrenia II). Ce navire fait 20 tonnes de port en lourd et il y avait à l’époque 3 classes de bateaux :  130 t.

120 - Le Kyrenia II - 1986

L’épave de la Madrague de Giens 5 fouillée à partir de 1972, coulée vers 60 avant J.C., a 40 m de long et 9 m de large, ce qui donne 400 tonnes de port en lourd (soit 10 000 amphores de vin). La carène se caractérise par un double bordé et des fonds pincés. Elle est revêtue de feuilles de plomb (étanchéité, protection mécanique et poison biologique pour les coquillages parasites).

5 P. Pomey, La Navigation dans l’Antiquité, Edisud, 1997, p. 98.

XI - Les transports

a - Voile de portant avec vergue brassée en pointe Toile maximum

185

b - Voilure de transition portant-près Toile réduite de moitié

121 - Réduction de la voilure par le système de cargues

Les ports uu En Méditerranée orientale, le plus grand port est celui d’Alexandrie fondé par Alexandre

en 331 avant J.C., dans un cirque protégé par une longue île est-ouest, située à l’ouest du delta du Nil. Sur cette île, Pharos, Ptolémée Philadelphe fait construire, de 297 à 280 avant J.C., une grande tour qui éclaire à plus de 50 km.

122 - Le port d’Alexandrie - Bassin principal et phare - Le sud est en haut.

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Naissance et diffusion de la physique

uu Des ports moins importants se développent à Ephèse et Antioche, mais surtout à Délos

qui est érigé en port franc en 166 avant J.C., et sert de plaque tournante à tout le trafic grec. A Rhodes, le colosse qui marque l’entrée du port est détruit par un tremblement de terre en 227 avant J.C., et Rhodes est ruiné par Délos. uu En Occident, le plus grand port est celui de Carthage jusqu’à sa destruction. Ensuite

le développement de Rome pose de redoutables problèmes de ravitaillement parce que la production de l’arrière-pays ne suffit plus. Les deux ports d’importation sont alors Pouzzoles et Ostie. C’est ainsi que lorsque Zénobie, reine de Palmyre, veut porter un coup décisif à Rome, elle s’empare d’Alexandrie en 269 pour réduire la ville à la famine. Notons aussi que Coumes a été fondé au viiie siècle avant J.C. par les Eubéens, un peu après Pithécoussaï (Ischia), et Massilia au vie siècle avant J.C. par les Phocéens.

Les difficultés du voyage Les tempêtes sont violentes et brutales. La navigation est fermée pendant les quatre mois d’hiver (mare clausum). Cicéron, qui cherche à rejoindre Pompée après que César ait franchi le Rubicon (12 janvier 49 avant J.C.), ne peut le faire et manifeste dans ses lettres sa peur de la mer (il s’embarqua le 16 avril). Saint-Paul, arrêté en Palestine et conduit à Rome pour être jugé, dérive pendant 14 jours à partir de la Crète et fait naufrage à Malte (en octobre 60) (Actes des Apôtres, Saint-Luc). Les pirates sont nombreux et les captifs se vendent bien comme esclaves.

Les navires à l’assaut de l’océan La marine celte A l’époque de La Tène, à partir de 400 avant J.C., les Celtes utilisèrent comme vecteurs de leur expansion les fleuves de l’Europe (hors Italie) et, au contact de la civilisation des mégalithes du Morbihan, adaptèrent leurs péniches à la mer. Ce sont les Vénètes, qui furent écrasés par César dans la grande bataille du Morbihan (sur la commune d’Arzon), en 56 avant J.C. Les bateaux vénètes étaient à fond plat, sans quille, mais construits sur membrures et le bordé cloué sur celles-ci avec des clous de fer. Le bordé était très haut, permettant aux archers de se dissimuler et la construction résistait aux éperons de trirèmes que César avait fait construire sur la Loire (épave du Blackfriars I, fouillée en 1993). Le bordé était à franc-bord ou à clin. Il existe un programme pour essayer de retrouver l’un des 200 navires coulés par César 6.

La navigation dans l’Europe du Nord L’Europe du Nord utilise des bâtiments à un seul mât, avec des coques frustes et solides faites de planches de bois se recouvrant les unes les autres, clouées en déboîté : c’est le bordage à clins. Cette méthode n’exige pas d’ajustage fin, elle est facile à calfater, mais 6 D. Auffray, Archéologia 347, juillet 1998, p. 28.

XI - Les transports

187

demande plus de bois et offre plus de résistance à l’avancement ; le modèle initial est celui des drakkars. Les dimensions de ces navires qui sillonnent l’espace baltique, la mer du Nord et la Manche, sont très variables. La membrure est peu liée au bordé, ce qui donne de la souplesse et permet pour de petites unités de mieux résister aux mers fortes.

L’évolution des flottes du

e xiii

au

e xvi

siècle

Cette évolution s’effectue en deux temps. Le premier correspond à l’établissement des liaisons Méditerranée-Europe du Nord. Les premiers voyages marchands entre Gênes, ou Venise, et Bruges datent de 1295 environ. Ce sont de gros navires pansus qui mettent 3 mois, escales comprises, pour relier Venise à Bruges 7, alors que la liaison terrestre se fait en 15 jours. Aussi ce sont essentiellement des matières pondéreuses qui sont transportées. Mais il s’opère une symbiose entre les deux aires géographiques : les voiles latines passent en mer du Nord, le bordage à clins en Médi­terranée, tandis que se généralise le gouvernail d’étambot (1316) dont nous reparlerons. Les Basques jouent, semble-t-il, un rôle essentiel par leurs transports de blé et de sel. 123 - Une voile latine sur le Nil

La deuxième évolution, au xve siècle, est le passage systématique de la galère à rames aux nefs à voiles pour le transport de marchandises. La raison de ce changement est controversée, mais il semble bien que la grande peste (1346~1450) y soit pour beaucoup, les équipages devenant rares et coûteux et la nef permettant de diviser par 2 ou 3 le nombre d’hommes nécessaires. En 1450, la nave génoise atteint 1 000 tonnes métriques. A 3 mâts et très haut bord, elle représente une véritable citadelle avec ses 2 châteaux (poupe et proue) et une puissante artillerie. Elle transporte des produits lourds : vin, blé de la mer du Nord, pastel, sel, huile, savon, bois, goudrons et alun turc (pour le mordançage 8 des tissus). Venise utilise des nefs plus petites, 300 tonnes, et aussi des galères de commerce pour les produits précieux et peu volumineux (épices, en particulier, dont la Sérénissime a pratiquement le monopole). 7 M. Vergé-Franceschi, Henri le Navigateur, Editions du Félin, 1994, p. 192. 8 Le mordançage consiste en une modification superficielle des fibres textiles qui les rend aptes à fixer solidement les colorants.

188

Naissance et diffusion de la physique

La caravelle portugaise Elle naît vers 1435 au Portugal, au lendemain de la conquête du cap Bojador. Pour l’exploration des côtes d’Afrique, il faut un bâtiment facile à manœuvrer : voiles carrée à l’avant et latine en artimon, carène 7 à 8 fois plus longue que large, bordé à franc-bord (à carvel) plutôt qu’à clins mais, avant tout, petit navire pas trop cher pour expéditions pas très rentables. Sa construction exigeait peu de bois (il fallait souvent faire venir le bois depuis le Dauphiné). Un faible équipage (15 à 30 personnes) permettait une durée d’action, sans ravitaillement, de 2 à 3 mois. Grâce au financement public et à l’immense fortune de l’ordre du Christ dont Dom Henrique est le grand maître, toute la découverte de l’Afrique va être la chasse gardée du Portugal et devenir rentable par le trafic des esclaves.

La traversée de Christophe Colomb Le projet de C. Colomb était fondé sur un calcul doublement faux. Il prenait pour diamètre de la terre une valeur calculée par les Arabes, très inférieure à la réalité (dont pourtant Eratosthène, vers 200 avant J.C., avait donné une bonne estimation), et une évaluation de l’étendue ouest-est de l’Eurasie très surestimée par les explorateurs du type Marco  Polo, si bien qu’il trouvait 4 400  km pour la distance entre les Canaries et le Japon que la mappemonde de Martin  Benhaïm plaçait à la même latitude. Cette valeur était très compatible avec le rayon d’action d’une caravelle de l’ordre de 6 000 km. En réalité, la valeur exacte est 22 200 km et, sans l’Amérique, C. Colomb n’avait aucune chance de s’en tirer. Le calcul de C. Colomb était loin d’être admis par tous et son projet, soumis successivement par le Portugal puis par l’Espagne à des commissions de spécialistes très correctement constituées (ce qui préfigure la méthode moderne), avait été rejeté. Son seul défenseur a finalement été un banquier, Santangel, parfaitement incompétent mais assoiffé de profits. Les deux caravelles de Palos, confisquées pour piraterie et la nef, gréée en caravelle, lourde et peu manœuvrante, qui constituent son escadre, sont en mauvais état (réparation nécessaire aux Canaries) et l’équipage pas très recommandable. Partie de Palos le 3  août  1492, puis des Canaries le 6  septembre, l’expédition atteint les Bahamas le 12 octobre 1492. Au cours du voyage, le seul repère sérieux est l’étoile Polaire qui permet de maintenir la latitude, d’environ 28° N. L’usage de la boussole est presque impossible, compte tenu d’une déclinaison inconnue et éminemment variable d’un point à l’autre. Pour estimer la longitude, on se fie surtout à un calcul de la vitesse d’après le sillage et, éventuellement, à un calcul du temps grâce à des ampoulettes, sabliers que l’on retourne à la suite. Seuls C.  Colomb et les pilotes connais­ sent ces calculs et le journal de bord sous-estime fortement la distance (par exemple, 20  miles ramenés à 15  miles), afin de ne pas exciter l’impatience de l’équipage (qui pourtant sera plusieurs fois au bord de la mutinerie).

124 - Caravelles de C. Colomb

XI - Les transports

189

La marine chinoise En Chine, la situation est profondément différente car l’esclavage est peu répandu et limité aux activités domestiques. Aussi le recours à la force du vent y est beaucoup plus précoce. Cela exige des progrès significatifs permettant de naviguer avec vent de travers et de remonter au mieux au vent. Cela entraîne des coques plus profondes, munies de dérives, des voiles articulées et surtout le gouvernail axial dit d’étambot. Ce dernier dispositif, en évidence sur une poterie de Canton datée du ier siècle, ne fera son apparition en Europe qu’en 1180.

a - Amulette de l’Indus 2500 avant J.C.

b - Procession de la barque sacrée Karnak - 1300 avant J.C.

c - Bateau Bugi Ujung Pandang (Sulawesi) - 1981 125 - Exemples de gouvernail par deux rames

L’augmentation des dimensions des jonques conduit, par sécurité, à l’invention des cloisons étanches transversales, évitant le naufrage en cas de voie d’eau. Au début du e xv  siècle, sous l’empereur Ming Yong Le, l’amiral Zheng He conduit de vastes expéditions dans l’océan Indien, avec une escadre de jonques de 100 m de long, munies de 5 à 6 mâts et transportant chacune de l’ordre de 1 000 passagers. Le navire amiral de ZHENG HE La Santa Maria de C. COLOMB

126 - Le navire amiral de Zheng He à côté, à la même échelle, la caravelle de Christophe Colomb (100 ans plus tard)

190

Naissance et diffusion de la physique Au cours de la quatrième expédition, la flotte part de Sumatra et atteint Mogadiscio sans escale soit, en 1413, une traversée de 6 000 km. En parallèle, la Chine utilise très largement les transports fluviaux, soit sur les fleuves dont la direction générale est ouest-est, soit sur des canaux nord-sud tels que le Grand Canal, commencé vers 610 et muni d’écluses à sas à partir de 984 (invention de Qiao Wei Yue) 9.

127 - Jonque dans le port de Shanghai - 1979

Sur ces voies d’eau naviguent des embarcations de conceptions très variées, mais on doit noter l’apparition de navires à aubes à partir de 418. Sous les Song, à partir de 1126, le Chang Jiang forme la frontière vis-à-vis des envahisseurs Jin, et il est patrouillé par une armada de navires de guerre à aubes offrant toute la maniabilité de ce type de propulsion. 128 - Navire à aubes Dynastie Song - 1161

Notons la grande compétence maritime des Coréens, mise à contribution par les Mongols (encart p. 191) dans leurs deux tentatives d’invasion du Japon (1274 et 1281).

Les techniques de navigation La navigation à l’estime et aux étoiles Les premières navigations en Méditerranée sont évidemment du cabotage le long des côtes mais les traversées directes, n’excédant pas quelques jours par beau temps, se généralisent rapidement, grâce à l’expérience de capitaines qui se dirigent à partir de repères conventionnels et de quelques étoiles. 9 La première écluse à sas européenne a été construite aux Pays-Bas, à Vreeswijk, en 1373.

XI - Les transports

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Les Mongols et la mer Avant même d’avoir donné le coup de grâce à la dynastie chinoise des Song du Sud, par la prise de Hangzhou en 1278, Kubilai  Khan veut mettre la main sur le Japon, à partir de la Corée déjà conquise. Mais les redoutables cavaliers mongols ne sont pas des marins et la construction des navires de débarquement est imposée aux Coréens. Le débarquement dans l’île du sud de l’archipel japonais, Kyushu, est tenté en 1274 et échoue à cause de mauvaises conditions atmosphériques. En 1281, les Mongols récidivent : une flotte de 3 500 navires, avec plus de 100 000 hommes, part de Chine et fait sa jonction avec 900 navires et 40 000 hommes venus de Corée. La ligne de défense construite à la hâte par les Japonais, instruits par la première tentative, résiste péniblement pendant 3  semaines, et survient alors un épouvantable typhon qui disperse la flotte de débarquement et noie plus d’un tiers des assaillants. C’est ce que les Japonais appellent le vent (Kaze) des dieux (Kami) : le Kamikaze, qui devint le symbole de l’action miraculeuse commanditée par le ciel.

La sphère armillaire, modèle réduit de la terre et des trajectoires autour d’elle des planètes et de quelques étoiles, est connue au moins depuis Hipparcos (iie siècle avant J.C.). Mais même un modèle plus simple, l’astrolabe, n’est probablement pas employé sur mer à cause de la difficulté des pointés à bord. Ce n’est que beaucoup plus tard que les Arabes utilisent cet instrument, ou un quadrant simplifié tel celui représenté sur une carte du musée du Vatican et datée de 1529.

Les cartes À Alexandrie, Eratosthène 10 (– 284 ~– 192), auteur d’une bonne mesure du rayon de la terre, relève très soigneusement les latitudes des principales villes de la Méditerranée, grâce à la hauteur des étoiles et du soleil au méridien. Il y inclut les observations de Pythéas jusqu’à la mer Baltique et décrit ainsi l’œcoumène (monde connu), depuis Thulé au nord (63°) jusque vers 16° au sud. Les longitudes sont beaucoup moins connues et les distances est-ouest surestimées. Malgré tout, le monde connu, entouré d’eau, n’occupe qu’un petit quart de la surface du globe… Les cartes de Claude Ptolémée (100~170) présentent le même défaut, bien que beaucoup plus précises. Elles utilisent un réseau de coordonnées orthogonales, graduées en degrés et correspondent à une projection conique de la terre sur un cône tangent, le long de la latitude de Rhodes. Ces cartes resteront ignorées au Moyen Âge jusqu’à la traduction latine de Manuel Chrysoloras et Jacopo Angiolo, imprimée à Bologne en 1477. Pendant cette période, les seuls documents sérieux sont les portulans, présentant les abords d’un port et les directions de départ pour telle ou telle destination, avec une estimation de la distance. La première carte sérieuse est déployée par l’amiral génois Pietro Doria sous les yeux de Saint-Louis, appareillant d’Aigues-Mortes pour la croisade à bord du Paradis, en 1270.

10 J. Blamont, Le Chiffre et le Songe, Odile Jacob, 1993, p. 104.

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Naissance et diffusion de la physique

129 - Carte d’Eratosthène du monde connu au iiie siècle avant J.C.

En 1313, un autre Génois Pietro Vesconte publie un atlas général. Puis les Major­quins vont bientôt s’imposer en face des Génois. En effet, Majorque est libérée des Arabes par Jacques I, en 1235 et le reste des Baléares par Alphonse III d’Aragon en 1291. Les juifs majorquins sont rejoints par ceux qui ont dû quitter Avignon, le Roussillon et la Catalogne, à la suite de pogroms. Certains vont alors se spécia­liser en cartographie et, profitant de la culture arabe, vont réaliser des chefs-d’œuvre.

La distance et le citron Le rayon d’action des caravelles n’était pas limité par les quantités d’eau et de vivres embarquées, mais par les carences en vitamines que ne suffisaient pas à combattre les citrouilles et les oignons du bord. Le scorbut se déclarait au bout de 65 à 70 jours et certains succombaient au bout de 80 jours (hémorragies). En tout cas, tout l’équipage était mort au-delà de 110 jours. La découverte de l’efficacité du jus de citron pour lutter contre le scorbut, carence en vitamine C, est le fait d’un médecin de marine anglais, le docteur James Lind, en 1753. Conservé longtemps secret, ce traitement participa à la suprématie de la marine anglaise de façon non-négligeable. Certains affirment même que lors de la rencontre, le 21 octobre 1805, des marines française et anglaise au large du cap Trafalgar, les marins anglais, grâce à leurs citrons, étaient en parfaite santé, au contraire des Français, très affectés par un long séjour en mer. C’est là encore un exemple flagrant de l’importance de la science dans le déroulement de l’histoire.

En 1339 apparaît le planisphère d’Angelino Dulcert puis, en 1375, l’Atlas catalan d’Abraham Cresques et sa mappemonde. Ce dernier devient maître des boussoles du roi d’Aragon. Son fils Jaffruda lui succède mais doit quitter l’Espagne, siège de pogroms de plus en plus

XI - Les transports violents ; il s’embauche vers 1420 auprès d’Henri de Jaime Ribes.

193 le Navigateur,

au Portugal, sous le nom

Gerhard Kremer (1512~1594), qui se fait appeler Gerardus Mercator, publie en 1568 la première carte à projection cylindrique ; le principe est le même que celui de Ptolémée, mais le sommet du cône est rejeté à l’infini et le contact est le long de l’équateur. La déformation n’est pas trop grande pour les zones tempérées qui seules intéressent à cette époque. Une carte sur ce même principe a été publiée en Chine en 940 pour décrire le ciel, et se trouve à la British Library.

130 - Carte en projection cylindrique de Mercator - 1595

La trigonométrie Le calcul des angles par les cordes d’un cercle est familier aux Grecs, mais l’inventeur des lignes trigonométriques est le mathématicien indien Aryabhata (476~550), dans les Surya-siddhanta traduits par Mohammed Al Fazari de l’Ecole de Bagdad, puis elles ont été généralisées à la trigonométrie sphérique par l’astro­nome Al  Battani. Les premières tables marines apparaissent, sans qu’on connaisse leur histoire, dans un document génois de 1390.

194

Naissance et diffusion de la physique

Le régime des vents En Méditerranée Les vents en Méditerranée sont d’une extrême complexité et différents d’un bassin à l’autre. L’Odyssée en donne une bonne description. Pendant les quatre mois d’hiver, toute navigation cesse dans l’Antiquité, mais les tempêtes d’été ne sont pas moins redoutables. Le mistral qui sort de la vallée du Rhône ou le meltem, vent du nord déferlant sur la mer Egée, sévissent souvent en été.

Dans l'océan Atlantique Les vents de l’océan Atlantique sont plus réguliers. Portugais et Espagnols ont reconnu, dès leur occupation des Canaries et des Açores, l’anticyclone à l’origine de la volta de l’Atlantique nord, qui tourne d’est en ouest le long de l’équateur et revient dans l’autre sens plus au nord : c’est le trajet qu’utilise Christophe Colomb. Le génie de Bartolomeo Dias est d’avoir compris que dans l’hémisphère sud la rotation se fait en sens inverse : il ne faut pas chercher à descendre le long de l’Afrique au-delà du golfe de Guinée, mais piquer vers l’ouest pour revenir au niveau du Cap. C’est d’ailleurs en suivant ce chemin et même en l’exagérant que Pedro Alvares Cabral découvre le Brésil, le 22 avril 1500.

Dans l’océan Indien Les alizés de l’océan Indien sont, d’après la légende, découverts par le Grec Hippale vers 100 avant J.C. Ils apportent la mousson en Inde de juin à octobre et soufflent en sens inverse ensuite. Ils permettent dès l’île de Dioscoride 11 de piquer droit vers l’est et non de suivre la côte arabe et iranienne qui est très hostile. C’est ce régime qu’utilise plus tard, en 1498, Vasco de Gama pour découvrir la voie de l’Inde, depuis Malindi jusqu’à Calicut.

La localisation sur mer : le point La position est définie par deux coordonnées angulaires : la latitude et la longitude. uu La latitude 12 s’obtient en mesurant la hauteur sur l’horizon de diverses étoiles ou du

soleil à midi, et en consultant des tables qui, bien sûr, n’avaient été établies que pour l’hémisphère nord. Cette mesure, faite depuis l’Antiquité sur des sites à terre, reste très délicate sur un navire et la précision s’en ressent. Dans l’Antiquité, cette hauteur se mesurait avec le doigt ou avec une lance. Puis les Arabes dans l’océan Indien utilisent le Kamal : planchette avec une ficelle attachée en son centre ; en étendant plus ou moins le bras, on fait coïncider un bord de la planchette avec l’horizon et l’autre avec l’étoile, on tend alors la ficelle jusqu’à la bouche dans laquelle on prend un des nœuds que comporte celle-ci. Chaque nœud correspond à la latitude d’un port usuel. Les Portugais utilisèrent une version améliorée de ce système : le bâton de Jacob ou arbalestrille, dû à l’astronome Lévi Ibn Gerson (1288~1344). 11 Cette grande île, au sud de la péninsule arabique, s’appelle maintenant Socotra. 12 J. Blamont, Le Chiffre et le Songe, Odile Jacob, 1993, p. 239.

XI - Les transports

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Cet instrument est constitué d’une planchette de 150 cm de long sur 10 cm de large, sur laquelle coulissent une ou plusieurs branches perpendiculaires, dont on fait coïncider les extrémités avec l’horizon et l’étoile. La distance est lue sur la planchette qui est graduée très finement par des traits longitudinaux recoupant des diagonales en zigzag. Cette sorte de vernier permet de définir la position de la branche latérale à une minute d’angle, du moins théoriquement. Ce système est resté utilisé jusqu’au étoile e xviii  siècle où les sextants munis d’optique en verre se généralisent. 131 - Arbalestrille ou bâton de Jacob La plupart possédait 2 ou 3 bras latéraux de longueur différente.

horizon uu La longitude pose des problèmes beaucoup plus difficiles, au point que la méthode de

navigation arabe, dans l’océan Indien, consiste à descendre droit au sud jusqu’à l’obtention de la latitude du port indien souhaité, puis à faire cap à l’est jusqu’à l’arrivée, vaille que vaille, en évaluant le trajet effectué par la forme du sillage ou le nombre de nœuds sur une corde immergée. La méthode standard consiste à repérer le midi de l’endroit où on se trouve, grâce au soleil, et à comparer à l’heure qu’il est en un lieu de référence, pris pour longitude 0. Pour cela, il faut emmener une mesure de cette heure de référence, donc posséder un chronomètre extrêmement stable. Or les horloges à pendule sont inutilisables en mer et les chronomètres à ressort sont sensibles à la pression, à la température, à la tension du ressort. C’est pourquoi l’Angleterre et la France, prétendants à la suprématie maritime, engagent toutes deux des efforts nationaux en vue de la réalisation d’un chronomètre de marine 13, dès le xviie siècle. En 1713, le parlement de Londres offre un grand prix qui est décerné en 1765 à John Harrison, dont l’horloge H4 avait estimé la différence d’heure entre Portsmouth et la Barbade avec une erreur de 39 secondes (soit une erreur de 9,75 minutes de longitude). 132 - Le premier chronomètre de marine H1 (1735) de Harrison et les suivants. H4 (1761) est au centre. 13 D.S. Landès, L’Heure qu’il est, Gallimard, 1987, p. 223.

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Naissance et diffusion de la physique

En France, l’Académie des sciences couronne Pierre Le Roy en 1769. Louis Berthoud, à partir de 1780, produit de l’ordre de 150 excellents appareils. On sait que maintenant les systèmes GPS 14, à l’aide des satellites et d’horloges lasers, permettent de positionner un mobile n’importe où avec une erreur infé­rieure à 20 m dans les applications standards et beaucoup mieux en utilisant un réseau de points de référence. Christophe Colomb, quant à lui, conservait l’heure en retournant des ampoulettes, sabliers dérisoires qui lui permettaient de falsifier ses résultats.

Les moyens modernes de déplacement et leurs conséquences Ceux-ci, voitures à essence, TGV, avions, n’ont été popularisés qu’au xxe siècle où ils ont profondément changé les relations entre peuples. Cependant, la plupart des prototypes de ces véhicules ont été mis au point dès la fin du xixe siècle. La première voiture à essence, une Daimler, a fonctionné dès 1886 en utilisant le moteur à quatre-temps qui est toujours en usage. Un des premiers trains à traction électrique a été le métro de Paris, dont la première ligne a été inaugurée dès 1900 en courant continu à 500 volts. Le premier avion (avis, oiseau), piloté par Clément  Ader, a décollé de quelques mètres, en 1890, prouvant qu’un véhicule plus lourd que l’air pouvait voler. En 1904, Wilbur Wright effectua le premier vol en circuit fermé, et la première traversée de la Manche date de 1909 (Louis Blériot). La plupart de ces moyens de transport ne deviendront populaires (métro excepté) que dans la deuxième partie du siècle, ce qui caractérise le temps de passage d’une innovation dans la pratique courante d’une société. Dès lors se posera un nouveau problème d’équilibre mondial qui est loin d’être résolu. Au xixe  siècle, la terre était peuplée de communautés de niveau très divers en développement et richesse, très peu couplées entre elles sauf par des rapports étatiques rares et bien contrôlés. La diffusion des communications par la radio et la télévision, la mise en contact physique par un immense volume de transports disponibles à bas prix changent complètement les mentalités et mettent en rapport étroit des pays de potentiels très différents. Or nous avons appris de la thermodynamique que le flux de chaleur entre deux sources va obligatoirement dans un seul sens, jusqu’à l’équilibre des températures. Il est impossible d’empêcher ce mouvement et toutes les barrières sont illusoires. Il en est tout à fait de même pour les migrations de population. La seule solution pour freiner ces flux est d’augmenter le potentiel des plus pauvres. Ce n’est pas une question de charité, c’est une question de thermodynamique.

14 Ground Positionning System.

Chapitre XII La physique et le pouvoir Nous avons souligné, dès l’avant-propos, que la physique n’avait jamais été une aventure purement intellectuelle de type idéaliste mais avait joué, dès son origine, par le biais des applications, un rôle économique et politique fondamental. Cette influence n’est pas à sens unique et, réciproquement, le pouvoir politique a joué un rôle crucial dans le développement de cette science, soit pour des raisons économiques et militaires, soit simplement pour manifester le prestige de l’Etat. Nous allons suivre ici, sur quelques exemples, ces interférences qui ont pu parfois même être négatives, comme lorsque le premier grand empereur de Chine, Qin Shi Huang Di, adepte forcené de la philosophie légiste, fit brûler tous les écrits de Mo Zi (et ses adeptes avec), ou lorsque la Révolution française guillotina Lavoisier.

La science grecque, la cité et son équivalent chinois La physique grecque n’est pas née en Grèce continentale. Elle s’est développée sur le rivage oriental de la mer Egée (Ionie) ou en Grande-Grèce (Sicile ou Italie du Sud). Thalès (– 625 ~ – 547) et son école (Anaximandre, Anaximène) vivaient en Ionie, à Milet. Pythagore (– 570~– 480), né dans l’île de Samos, dut quitter celle-ci à la suite d’un différend avec le tyran local. Il partit s’installer à Crotone, au sud de l’Italie, dans le golfe de Tarente. Au départ, ces écoles philosophiques ont été fortement influencées par l’empire néo-assyrien, qui s’étendait dans tout le Moyen-Orient et avait conquis l’Egypte en 667 avant J.C. et l’Elam en 646 avant J.C. L’astronomie y avait été institutionnalisée par l’Etat dès 730 avant J.C., sous le règne de Tiglath  Phalasar  III (– 744~– 727). Empédocle (– 460~– 400), dont nous avons vu la théorie des 4 éléments, a vécu à Agrigente en Sicile, et le mécanicien Archytas  de Tarente était le gouverneur de sa ville, tandis que Parménide et Zénon (– 490~ – 430) vivaient en Italie du Sud, à Elée. La philosophie grecque ne brille à Athènes qu’après les guerres médiques, et lorsque la ville exerce sa suprématie sur presque toute la Grèce grâce à la ligue de Délos (478 avant J.C.). A part Aristote qui enseigne au Lycée d’Athènes et vit des libéralités de son élève, Alexandre le Grand, les autres « physiciens » sont des gens aisés dont les moyens personnels suffisent à assurer la subsistance et les élèves à améliorer l’ordinaire.

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Naissance et diffusion de la physique

A la même époque, en Chine, le morcellement du pouvoir (la période dite des Printemps et des Automnes) de 722 à 481 avant J.C. ne favorise pas la réflexion scientifique, mais celle-ci va se développer lorsque la période des Royaumes Combattants (– 481~– 221) concentre le pouvoir en sept grands états suffisamment stables et centralisés : c’est Mo Zi (– 480 ~ – 390) et Zou Yan (– 305~– 240) avec les grandes théories mécaniques et optiques, ainsi que les classifications naturelles dans le Yi Jing (Livre des mutations).

La science hellénistique et Alexandre Dès la mort d’Alexandre en 323 avant J.C., un de ses meilleurs généraux, le Macédonien Ptolémée, surnommé Sôter, fils de Lagos, s’empare de l’Egypte, un des plus riches pays du monde sur le plan agricole, mais sans rayonnement international depuis sa conquête par les Perses. Il en fait une puissance maritime et un phare intellectuel grâce à un organisme d’Etat. Le musée et sa bibliothèque sont construits dans son propre palais, sur le plan du Rames­séion. Démétrios de Phalère (– 350 ~– 283), le premier responsable de l’institution, fait rechercher dans tout le monde connu tous les ouvrages existants et en réunit, durant sa vie, au moins 54 000. Cette politique est continuée par les successeurs de Sôter, Philadelphe (– 285 ~– 246) qui fit construire le phare, Evergète (– 247~– 222) et Philopator (– 221~– 203). Même après le déclin de la puissance maritime des Lagides, puis la conquête romaine (mort de Cléopâtre  VII en 30 avant J.C.), le musée concentre toute la recherche scientifique et technique du monde méditerranéen depuis Euclide (~300 avant J.C.) jusqu’à Claude  Ptolémée (l’Almageste) (100~178) et même Diophante, un arithméticien du e iii  siècle. Tous les chercheurs de ces périodes le fréquentent peu ou prou. Archimède y fait de nombreux séjours. Eratosthène, Philon  de  Byzance et Hipparque y travaillent.

133 - Maquette du phare d’Alexandrie

XII - La physique et le pouvoir

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Bien que les Lagides aient profité d’inventions utiles aux militaires, comme celles de Ctésibios (– 283~– 247) ou de Philon  de  Byzance (~225 avant J.C.), le but essentiel qu’ils ont recherché était de faire d’Alexandrie une capitale intellectuelle et les Romains, qui n’avaient aucune prétention de ce type, laissèrent l’entreprise continuer sur son erre après l’annexion de l’Egypte. L’arrêt définitif est signé par les émeutes chrétiennes de 415 provoquées par l’évêque Cyrille, l’incendie de la bibliothèque et l’assassinat de la mathématicienne Hypatie.

La Chine unifiée des dynasties Qin et Han (– 221~ 190) Le développement industriel va de pair avec l’organisation du territoire. La métallurgie fait des progrès considérables et l’armée s’équipe d’arbalètes qui sont construites dans des arsenaux, véritables complexes militaro-industriels. L’historien Si Ma  Qian (– 145~– 90) rapporte, nous l’avons vu, qu’en 157 avant J.C. la dynastie Han possédait des stocks de plusieurs centaines de milliers d’arbalètes, dont les pièces étaient usinées de manière à être interchangeables. En 117 avant J.C., l’industrie du fer est nationalisée, de même que celle du sel produit dans les installations pétrolières du Si Chuan (fig. 134). L’usage de la brouette à une roue (charge utile de 150 kg) se généralise. Les recherches mathématiques se multiplient autour de la cour. Il s’agit dans la plupart des cas de recherches appliquées et rien d’équivalent à l’action des Lagides à Alexandrie ne peut être signalée. Cependant, la découverte du magnétisme, à travers la boussole, par les taoïstes, au iiie siècle avant J.C., marque une étape importante de la connaissance.

La Maison de la sagesse à Bagdad Lorsque le calife Al Mamun (813~833) fonde la Bayt al hikma, il précise, nous l’avons dit, qu’il souhaite « accroître le prestige et le rayonnement de l’Islam et apporter à travers la science de nouvelles confirmations de la grandeur de Dieu ». Le travail se déroule autour d’une grande bibliothèque où de nombreux ouvrages venant de tous les horizons sont traduits en arabe 1. Les uns proviennent des traductions nestoriennes dont nous avons déjà parlé, d’autres sont achetés à Byzance ou proviennent des bibliothèques sassanides, ou encore viennent de l’Inde. Ainsi Hunayn Ibn Ishaq, chrétien nestorien, traduit Platon, Aristote, Hippocrate, Ptolémée, Galien. Mohammed Al Fazari traduit Aryabhata (les Suryasiddhanta) et Brahmagupta du pelhvi et du sanscrit et ainsi, pour la première fois, se trouvent confrontés les travaux de l’Orient et de l’Occident. Ces ouvrages bénéficient d’un support solide et bon marché, le papier dont le secret a été arraché aux Chinois à la bataille de Talas (751), et qui fait l’objet d’une fabrication officielle. 1 L’arabe est devenu la langue officielle de l’Etat sous le règne du calife Abd Al Malik (685~705), de la dynastie de Omeyyades.

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Naissance et diffusion de la physique

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TAIWAN

exploitation du sel Xi Jiang Panyu (Canton) exploitation du fer industries diverses autres régies d'état principal centre économique MER DE CHINE ORIENTALE principal centre commercial (ville de marché) principales voies de communications commerciales ville importante 134 - Les industries du fer et du sel dans la Chine des Han de l’Ouest

Mais à côté de cette activité essentielle de compilation et de conservation, de très grands savants développent de nouvelles recherches : uu Al Khwarizmi (780~850) ouvre une nouvelle discipline de calcul avec inconnues,

fondée sur la numération décimale et les chiffres indiens. Le raisonnement est systématisé et les différents types d’équations sont regroupés en équations canoniques. Son ouvrage le plus connu est le Kitab Al Jabr wa-l muqâbala, qui a donné son nom à

XII - La physique et le pouvoir

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l’algèbre. Al Jabr signifie restauration (du signe +) et muqâbala réduction (regroupement des termes de même puissance). Parmi ses nombreux successeurs, signalons Omar Khayyam (1048~1122) poète et astronome d’origine iranienne, commentateur d’Euclide. uu Thabit  Ibn  Qurra (836~901), astronome, commente et traduit Archimède et Euclide,

améliore le système de Ptolémée (l’Almageste) en complétant ses observations. uu Al  Battani (858~929) généralise la trigonométrie plane de Aryabhata à la sphère et

laisse un grand traité, Le Zidj. Les successeurs de ces astronomes profitent plus tard de l’engouement des Mongols pour l’astronomie et construisent en Asie centrale les premiers grands observatoires mondiaux. Ainsi celui de Maragha où Nasir Al Tusi réalise, au xiiie siècle, les meilleures tables astronomiques avant celle de Tycho Brahé, 3 siècles plus tard. De même, à l’observatoire de Samarcande, Al Kashi popularise en 1436 la méthode de transformation chinoise des fractions en décimales.

135 - La grande place de Samarcande uu Jabir Ibn Hayyan (Geber en Occident) (autour de 800) est un alchimiste qui tire d’Aristote

sa conception de la matière, et cherche à réduire tout phénomène naturel à des lois de quantités et de mesures dans Les Livres des balances. uu Ibn Sina (Avicenne en Occident) (980~1037), médecin, interprète d’Aristote et de

Galien, est très influent en Europe au

e xvii  siècle.

uu Ibn Al Haytham (Alhazin en Occident) (965~1039) est le physicien de l’œil et de la

lumière dont nous avons déjà parlé (voir chapitre V).

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Naissance et diffusion de la physique

uu La tendance rationaliste et scientifique de l’Ecole de Bagdad est violemment combattue

par les tenants d’une perception intuitive de la pensée islamique. La prise du pouvoir politique à Bagdad, en 1058, par Tughril-Bey, chef des Turcs seldjoukides et sunnite virulent, marque la fin de cette prodigieuse épopée.

La Chine des Tang et des Song On a souvent comparé l’époque de la dynastie Tang (618~906) au Moyen Âge européen et celle des Song (960~1278) à la Renaissance. En ce qui concerne notre propos, ces assimilations n’ont aucun sens. Dans les deux cas, le pouvoir central a été le moteur de toute recherche, à travers des académies centralisées auxquelles on accédait par nominations ou concours (purement littéraires). On n’échappe donc pas, dans certains domaines, à l’ingérence d’une doctrine officielle, par exemple en histoire. Mais même dans ce domaine et dès l’empereur Xuan Zong (712~756), on trouve des esprits indépendants tel Liu Zhiji dont le Shitong (généralités sur l’histoire), en 710, marque une réflexion sur l’histoire et sa philosophie que l’on retrouvera bien plus tard chez Hegel.

136 - Les étrangers en visite en Chine sous les Tang Tombe de Chang Huai à Chang'an

Le début de la période Tang correspond à une expansion considérable de la Chine, non seulement en Asie du Sud-Est et en Corée, mais à l’ouest jusqu’au Pamir. Elle s’accompagne d’une grande curiosité pour tout ce qui est étranger. Cela conduit à un grand brassage de connaissances depuis le Moyen-Orient jusqu’à l’Est extrême, à travers l’Asie centrale. De très nombreux commerçants véhiculent les idées et les découvertes avec leurs marchandises.

XII - La physique et le pouvoir

203

La fin de la période Tang est marquée par l’explosion de l’imprimerie sous forme xylographique. Au début, il s’agit d’ouvrages religieux ou philosophiques : c’est ainsi que le premier ministre Feng Dao consacre 22 ans à la publication des 9 classiques, de 930 à 952. Puis sous les Song, une multitude d’académies locales privées apparaissent, qui publient à faible tirage, mais souvent à composition très soignée, les ouvrages de leurs adhérents.

Xylographie et typographie La xylographie consiste à graver chaque page du texte sur une tablette de bois qui, enduite d’encre, permet l’impression sur un support papier. Le premier ouvrage connu ainsi reproduit est un Sutra du Diamant trouvé à Dun Huang, sur la route de la soie, et imprimé en 868. C’est un rouleau de 27 cm de haut et 530 cm de long. La matrice est gravée sur un bois de grande dureté (buis ou robinier) si l’on désire effectuer un important tirage (certains traités bouddhiques au xe siècle ont été édités à plus de 400 000 exemplaires), ou sur un bois à grain très fin (poirier ou jujubier) si on vise une édition d’art avec illustrations. De toute manière, le format rouleau se prête mal à cette impression et la transition est très rapide vers les feuillets indépendants aux dimensions de la tablette et cousus ensemble. Le succès considérable de cette méthode vient de son faible coût, de sa rapidité d’exécution et de son adaptation à l’écriture chinoise. Elle permet d’introduire des figures compliquées ou non dans le texte, et favorise ainsi la diffusion de publications scientifiques. La typographie consiste dans l’usage des caractères indépendants et amovibles que l’on récupère après l’impression. D’après Shen Gua déjà cité, l’invention de cette solution est due à Bi Sheng, entre 1040 et 1048 : les caractères étaient alors en argile cuite et la composition se faisait en les collant sur une plaque de fer avec de la résine. Ce procédé n’eut au début que peu de succès en Chine, où le nombre élevé de caractères usuels rend la composition difficile, mais il commence à se développer sous la dynastie mongole Yuan (1278~1368), dont la langue s’écrit avec un alphabet dérivé de l’araméen, et surtout en Corée après le lancement, en 1449, de l’alphabet Han’Gul par le roi Li Se Jong. C’est dans ce contexte que Gutenberg réalisa son premier essai avec sa Bible à 42 lignes, publiée à Mainz en 1455. Il avait mis au point la fabrication des caractères avec des joailliers de Strasbourg. Le succès fut foudroyant puisque dès 1491, il y avait en Europe occidentale 236 villes possédant une imprimerie. Le succès, comme quelques siècles auparavant en Chine, eut pour conséquence une très grande diffusion de la connaissance qui s’échappait ainsi des bibliothèques de monastères pour se mettre à la portée de la bourgeoisie commerçante, dans la langue vernaculaire et non plus dans une langue, le latin, réservée à une élite très restreinte. Mais la contrepartie de cette ouverture vers le savoir a été la surveillance accrue de l’orthodoxie. Paul iii, le pape organisateur du concile de Trente (le concile de la Contre-Réforme), créa en 1543 l’Index général des livres interdits. Paul  iv établit en 1557 la Congrégation de l’Index, qui promulgua une longue liste de livres à brûler. Toutes les œuvres, même non-religieuses, d’écrivains suspects sont interdites. En 1558, l’interdit remonte aux éditeurs et 61 imprimeurs voient toute leur production prohibée. A Venise, le jour des Rameaux, 10 000 livres sont brûlés. Certains protestants sont encore plus radicaux que l’Eglise romaine : au xviiie siècle, une loi de Caroline du Sud (en vigueur jusqu’au milieu de xixe siècle) interdit d’apprendre à lire à tous les Noirs, qu’ils soient esclaves ou libres.

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Naissance et diffusion de la physique

La xylographie permet sans problème des illustrations dans le texte et se prête ainsi très bien à des textes scientifiques, mathématiques, biologiques ou géographiques. Ce passage de la sphère officielle à la sphère privée est un mouvement plutôt inverse de celui qu’on observe en Europe, à la Renaissance, sous l’influence de l’imprimerie (600 ans plus tard) mais il n’empêche pas la constitution de grandes bibliothèques d’Etat. Celle du palais impérial, à Kai Feng, fondée en 978, comportait, au recensement de 1034, plus de 80 000 volumes.

137 - Un imprimeur itinérant dans l’Himalaya

La mise au point d’armes à feu, avec une âme de section constante servant à propulser un projectile, se développe de façon accélérée à partir de 1132. Elle ne modifie en rien la structure sociale chinoise marquée par le recours à des armées de mercenaires centralisées 2, tandis qu’elle accélèrera, 300 ans plus tard, la disparition en Europe des seigneurs féodaux, incapables de se payer une artillerie privée.

L’académie de Sagres Après la bataille d’Aljubarrota (1385), gagnée par les Anglo-Portugais sur les Espagnols, le roi Joao I  d’Aviz, marié à une Lancastre, va régner sur le Portugal jusqu’en 1433. Son troisième fils, Dom Henrique (1394~1460), animé du double objectif de rivaliser dans l’Atlantique avec la Castille qui a occupé les Canaries dès 1404, et d’ouvrir un chemin maritime le long des côtes d’Afrique pour aller chercher l’or du Mali, s’installe à Sagres, port de l’extrême sud du Portugal. Dom Henrique, Henri  le Navigateur, organise un pôle culturel et scientifique axé sur la connaissance de l’Océan et y attire une foule de spécialistes, créant un observatoire, accueillant des astronomes, des cartographes comme Jaffruda Cresques et faisant mettre au point la caravelle (voir chap. XI). 2 Mais dont les révoltes peuvent être très graves, comme celle de An Lu Shan, en 755.

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La science et l’argent noir Les découvertes scientifiques n’ont pas toujours été financées par d’honnêtes impôts payés par les contribuables. La découverte du monde par les Portugais avait pour motivation morale le désir de prendre à revers les Arabes afin de reconquérir les lieux saints, et l’objectif implicite était de rejoindre les sources africaines de l’or. Aucun de ces buts ne fut atteint, mais dès les premières expéditions, vers 1450, la rentabilité fut assurée par des cargaisons de Noirs, achetés pour la plupart à leurs congénères. En effet, le Portugal manquait de population agricole et ces esclaves étaient très appréciés à Lisbonne. Cet exemple fut, plus tard, suivi par l’Es­pagne quand elle dut faire face, en Amérique centrale, à un grave déficit de main-d’œuvre, 75 millions d’Amé­rindiens ayant été exterminés et remplacés seulement par 240 000 Espagnols. 138 - La maison des esclaves à Gorée - Sénégal Après le contournement de l’Afrique, les Portugais tirèrent le plus gros de leurs revenus du commerce des épices d’Inde et d’Indonésie. En raison du blocus méditerranéen exercé par les Turcs après la chute de Byzance (1453), le poivre revenait à Venise 40 fois plus cher que celui amené directement de Calicut (Inde du Sud) à Bruges par les flottes portugaises.

Ses moyens financiers sont considérables car, à côté de l’aide gouvernementale, Henrique est promu par bulle papale gouverneur de l’ordre du Christ, richissime héritier des Templiers. Il participe à la mise en valeur de Madère (à partir de 1419) puis des Açores (1427), et envoie vers le sud plusieurs expéditions infructueuses jusqu’à ce que l’écuyer Gil Eanès réussisse à doubler le cap Bojador, en 1434. Des Italiens en mal de finances – un Génois, Usodimare, un Vénitien, Cà Da Mosto – dépassent le Cap-Vert (Sénégal) et atteignent la Guinée, grâce à des caravelles de 100 à 120 tonneaux. Le gouvernement portugais, après la mort d’Henri, poursuit son œuvre et établit en 1482 une forteresse au Ghana, Sao Jorge da Mina, pour interdire le tour de l’Afrique à tous les étrangers.

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Enfin Bartolomeo Dias, comprenant que l’anticyclone sud tourne à l’opposé de celui des Açores et qu’il faut d’abord piquer à l’ouest puis revenir vers le sud de l’Afrique, double le cap de Bonne-Espérance le 16 août 1488. C’est donc une action gouvernementale délibérée, poursuivie pendant presque un siècle, qui ouvre le monde aux Européens.

Le détonateur de la révolution scientifique : Uraniborg Sur une île d’environ 1000 hectares, l’île de Hveen, située au milieu du Sund, le roi du Danemark 3 Frédéric II (1559~1588) fait construire le premier grand observatoire européen dont la première pierre est posée le 8 août 1576. Il octroie au directeur de cette institution, Tycho Brahé (1546~1601), un nombre important de fiefs dont les revenus assurent les frais de fonctionnement, et participe directement à l’équipement de l’observatoire où Tycho Brahé, enragé de mécanique, construit une vingtaine d’instruments. En vingt ans, jusqu’en 1597, la couronne du Danemark (Frédéric II puis son successeur Christian  IV) dépense pour Uraniborg, chaque année, 0,75% des revenus du royaume, ce qui peut être comparé aux 0,9% des revenus des USA consacrés, pendant 16 ans, au programme Apollo de conquête de la lune. C’est là un effort colossal et le résultat est à la hauteur de l’investissement. 139 - Plan de Uraniborg

Les trois parties du programme initial de Tycho Brahé uu établir un système de références à partir de 9 étoiles fixes, uu déterminer à partir de ce système la position d’environ 1000 étoiles, c’est-à-dire

reprendre le catalogue d’Hipparcos-Ptolémée, avec la précision de 1 minute d’angle au lieu de 10 minutes, uu mesurer continuellement les positions du soleil, de la lune et des 5 planètes connues à cette époque. 3 Le roi portait aussi la couronne de Norvège, possédait le sud de la Suède et les duchés de Schleswig et de Holstein. Sa douane de Elseneur imposait un péage au passage dans la Baltique (5200 bâtiments dans l’année 1600).

XII - La physique et le pouvoir

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Les résultats uu Grâce à une prise en compte très étudiée de la réfraction atmosphérique, la précision

recherchée est atteinte et elle infirme le système de Ptolémée universellement accepté à cette époque. Mais elle ne vérifie nullement le système héliocentrique de Copernic (1543), dont les planètes décrivaient des cercles autour du soleil. Kepler (1571~1630), adoptant l’hypothèse héliocentrique et cherchant inlassablement à exprimer par une loi mathématique les observations de la planète Mars par Tycho Brahé, finit par trouver l’ellipse et énonce ses deux premières lois. On sait dès lors comment les planètes tournent autour du soleil, mais il faudra attendre Newton pour savoir le pourquoi de ce mouvement. uu Une conséquence fondamentale de l’observation régulière et attentive du ciel se mani-

feste dans deux découvertes fortuites : ww La supernova de 1572, du fait de l’absence de parallaxe 4 mesurable, est certainement située très au-delà de la lune et contredit complètement le dogme aristotélien de l’immuabilité des cieux. ww La comète de 1577, puis ensuite celles de 1580, 1582, 1585, sans parallaxe non plus, infirment toutes les théories d’Aristote sur la matière puisque celles-ci sont fondées sur la distinction entre le monde sub-lunaire, susceptible de changement et dont les comètes sont issues, et le monde supra-lunaire immuable, tout passage entre les deux étant impossible. Tycho Brahé écrit à ce sujet : « Si seulement les émules des académiciens pouvaient, grâce à cette étoile, ouvrir les yeux, et tirer du livre même de la nature la conscience du nombre et de la grossièreté des erreurs dont depuis tant de siècles les fascine la magie d’Aristote, ils comprendraient que bien des choses qu’ils proclament quotidiennement comme vraies et indubitables sont en réalité tout à fait différentes » 5. Et cependant, 100 ans après, en 1671, la Sorbonne exigeait que seul l’ensei­gnement d’Aristote soit professé et, en 1680, le jésuite Valois demandait à l’assemblée des évêques de condamner Descartes. Il est vrai que l’on n’était pas loin de la révocation de l’édit de Nantes (1685).

La naissance des académies officielles Le cardinal  de Richelieu avait créé en 1635 l’Académie française destinée à tenir en laisse les écrivains. Colbert, qui dirige la France de Louis XIV de 1663 à 1683, met en place plusieurs académies, dont l’Académie royale des sciences en 1666, destinées à « promouvoir la gloire du roi » et à éclairer certains sujets intéressant le gouvernement.

4 C’est-à-dire trop loin pour qu’on puisse apprécier la distance. 5 Astronomiae instauratae progymnasmata, 1588.

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Naissance et diffusion de la physique

L’Académie des sciences comprend au début sept mathématiciens ou physiciens, dont Christiaan Huygens et l’abbé Picard, et sept naturalistes ou médecins. D’autre part, JeanDominique Cassini vient en 1669 diriger le nouvel observatoire de Paris. Aucun de ces savants n’a de fortune personnelle et ils reçoivent une pension du gouvernement. Les préoccupations de Colbert portent en particulier sur la création d’une flotte française. Aussi, dès le début, une partie des travaux est consacrée à la localisation en mer, avec ceux de Huygens sur les horloges et de très nombreuses mesures astronomiques ou terrestres, comme celle du méridien par l’abbé Picard. L’Académie n’hésite pas à envoyer des expéditions sous l’équateur, à Cayenne, pour faire des observations au zénith sans problème de réfraction, et pour mesurer la longueur du pendule battant la seconde 6. En 1665, Colbert crée, sous la direction de l’abbé Gallois, le Journal des Sçavans, premier journal scientifique imité deux mois après par les Anglais avec les Philosophical Transactions. Bientôt d’autres journaux apparaissent en Hollande, en Italie, en Suisse, inaugurant une liberté de la presse qui n’avait pas cours dans d’autres domaines. En Italie, le prince Léopold de Médicis, élève de Galilée, structure, en 1657, une activité de recherches purement expérimentale, sous forme d’une académie : l’Academia del Cimento. Subventionnée par le prince qui participe directement au travail, cette association se consacre à la création d’instruments, à l’établissement de standards de mesure, à la thermométrie, à l’hygrométrie, au pendule. Elle montre que dans le vide la fumée ne monte pas, contrairement au mouvement des éléments légers prévu par Aristote. Elle répète les expériences de Galilée et vérifie sa cinématique. Son esprit est tout à fait celui de la physique expérimentale moderne. Le pape la fait supprimer en 1667. En Angleterre, la démarche est toute autre et procède d’une initiative privée. John Wilkins (1614~1672), adepte des idées de Francis Bacon sur les applications de la science (voir encart ci-contre), fonde à Oxford, vers 1650, un club regroupant des amis des sciences déjà célèbres dont Robert Boyle, John Wallis, Jonathan Goddard, Christopher Wren. Wilkins dispose d’une certaine influence en tant que mari de la sœur de Cromwell mais, peu après, la restauration de Charles II en 1660, disperse provisoirement le groupe. Puis celui-ci se reforme rapidement en incorporant quelques amis du nouveau roi. Le 28 novembre 1660, onze d’entre eux créent une société pour la promotion de la philosophie expérimentale, rapidement approuvée par le roi. En 1667, le groupe atteint 191 personnes et chaque membre paye une cotisation de 1 shilling par semaine, mais les finances de l’entreprise restent toujours chancelantes. Le roi octroie cependant une charte à la société, en 1663, et elle prend le nom de Royal Society of London for promoting natural knowledge 7. Le conseil de la société nomme des spécialistes de toutes tendances politiques et libres de tout préjugé religieux, ce qui n’était pas facile à cette époque. Voltaire écrit à ce sujet : « quand on 6 C’est avec cette mesure de la pesanteur, jointe à celle de la longueur du méridien terrestre, que Newton obtient en 1685 la preuve de la gravité universelle : la force d’attraction de la terre sur la lune est de même nature que sur un caillou qui tombe. 7 Société royale de Londres pour promouvoir la connaissance de la nature.

XII - La physique et le pouvoir

209

considère que Newton, Locke, Clark, Leibniz auraient été persécutés en France, emprisonnés à Rome, brûlés à Lisbonne, que faut-il penser de la raison humaine ? Elle est née dans ce siècle en Angleterre ». Les académies anglaise et française ont depuis le xviiie siècle joué un rôle considérable dans le développement scientifique fondamental, malgré quelques éclipses temporaires. Curieusement, une des périodes de léthargie de la société anglaise coïncide avec la présidence de Newton, élu en 1703. Ce personnage génial et atrabilaire ne se préoccupait que de problèmes administratifs et personnels. Pendant la Convention, la Révolution française, dissout l’Académie le 8 août 1793, mais elle est promptement rétablie et Bonaparte est élu, dans la section des mathématiques, à son retour d’Italie, en 1797. L’état d’esprit qui présida à la fondation de ces deux académies est fort différent : née spontanément de la base en Angleterre et, alors seulement, reconnue par l’Etat, l’Académie, en France, est une pure construction du pouvoir absolu qui en assure le fonctionnement.

Francis Bacon (1561~1626) Francis Bacon est le fils d’un des proches de la reine Elizabeth  ire, qui a été son Lord gardien du sceau et son conseiller en matière religieuse (on connaît les démêlés de l’Angleterre et de la Papauté à cette époque). Il a lui-même une brillante activité politique jusqu’en 1621, date à laquelle une accusation de corruption l’oblige à quitter ses fonctions. Il passe le reste de sa vie à publier des réflexions philosophiques sur la science. Bannissant la méthode, classique à cette époque, qui part des théories les plus générales pour descendre aux cas particuliers, il prône l’étude initiale des phénomènes pour monter progressivement jusqu’aux constructions les plus générales, dans une réflexion inductive qui, par amplification, dépasse l’acquis pour entrevoir l’avenir. La science devient ainsi conquérante et active, et elle permet de dominer la nature. Et finalement, revenant à une réflexion politique, il dit : « le savoir est pouvoir ». Ses principaux ouvrages sont Novum organum (1620) et Instauratio magna (1623).

Depuis, l’Etat a toujours conservé l’initiative en France à travers des agences d’objectifs ou de grands commissariats. C’est sans doute à cette particularité que nous devons d’être le pays industrialisé le moins pollueur en CO2.

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Synthèse et conclusion Unicité du problème Dans les chapitres précédents, la physique et ses applications ont été découpées en tranches exposées de façon indépendante. Il s’agit là d’une option simplificatrice qui ne doit pas masquer la profonde unité de la discipline. Chacun aura remarqué que la plupart des acteurs, dès les premiers d’entre eux, interviennent dans plusieurs chapitres et que des écoles de pensée, aussi bien celle d’Aristote que celle de Mo Zi, ont la prétention de couvrir toute la discipline, sans compter le Dao qui déborde largement le domaine. La manière d’appréhender la nature n’est pas la même en Occident et en Orient. Entre la conception purement théorique de ce que doit être le monde et son observation purement phénoménologique, la différence est énorme et pourtant bien des applications qui en sont déduites des deux côtés sont très voisines, voire identiques.

La théorie et l’expérience Dès le début des réflexions sur la Nature, les motivations sont différentes à l’Est et à l’Ouest. Les Grecs, à la pointe des réflexions philosophiques et de la négation du pouvoir occulte des Dieux avec Thalès (– 625 ~– 545) cherchent à percer le « pourquoi » des phénomènes et la raison de leur existence. Les Chinois, guidés par le Dao de Lao Zi, veulent seulement connaître l’existence des phénomènes naturels pour les admirer, s’en imprégner ou les utiliser à des fins pratiques, mais peu importe leur raison d’être.

En Occident Par la pensée, les Grecs cherchent à percer l’origine de l’univers et le mécanisme des phénomènes naturels. Il n’est pas utile de vérifier par des expériences ces théories, car l’expérience est trompeuse : on ne connaît pas son degré d’exactitude et l’on a aucune idée de la grandeur des erreurs de mesure. Au contraire, une construction de l’esprit peut être argumentée, débattue en public et validée par la logique. Et c’est ainsi qu’Aristote, grand philosophe s’il en fut, accumule en physique des erreurs qui survivront jusqu’à la fin du Moyen Âge. Un exemple du caractère secondaire de l’expérience est celui de la mesure de la réfraction de la lumière par Claude Ptolémée : si l’on étudie le passage de

212

Naissance et diffusion de la physique

la lumière sous l’incidence i dans l’air et l’angle r réfracté dans l’eau, il est évident que r n’est pas proportionnel à i, mais, à l’époque, les lignes trigonométriques sont inconnues, aussi Ptolémée pense à une dépendance quadratique du type r = ai + bi 2. Il vérifie alors que cette loi est exacte en manipulant les mesures !

En Chine Ce qui importe, c’est l’utilisation que l’on peut obtenir à partir d’un phénomène donné. La formidable découverte du magnétisme et des actions à distance (dont l’existence est niée en Occident depuis Aristote jusqu’à Descartes compris) ne donne lieu à aucun essai de théorie, mais à une application pratique celle de la boussole avec l’étude expérimentale de la déclinaison. Le fourmillement de ces inventions pratiques va, pour un temps, propulser la Chine bien en avance sur l’Europe.

Emergence de l’expérience en Europe En sortant de son immobilisme moyenâgeux, l’Europe va joindre l’expérience à la théorie et traiter mathématiquement cette dernière (le monde est mathématique dit Galilée), Le jeu va alors être bouleversé et conduire à la révolution scientifique. Le prince de l’expérience s’appelle Tycho Brahé (1546~1601). En inaugurant, le 8 Août 1576 le premier observatoire astronomique européen, Uraniborg, au Danemark, il va doter la science d’instruments extraordinaires qui augmentent la précision du pointé des étoiles d'un facteur 10. Et alors, toutes les théories sont pulvérisées : celle des épicycles de Ptolémée (acceptée par tous depuis 165 après J.C.) aussi bien que celle des trajectoires circulaires héliocentriques de Copernic (très contestées depuis 1543). Tycho Brahé ne donne aucune théorie de ses mesures. C‘est Johannes Képler qui, en 1609, après un travail forcené sur ces nouveaux chiffres relatifs à la planète Mars, aboutira aux trajectoires elliptiques décrites suivant la loi des aires avec le soleil à un foyer. Lorsque Galilée, le plus grand physicien de tous les temps, comprendra que la chute des corps est fonction de deux phénomènes, la gravitation et le frottement de l’air, qu’il réussira à individualiser le premier effet et qu’il l’étudiera en ralentissant l’effet de la pesanteur par le plan incliné, il pourra exprimer le mouvement sous forme mathématique : v 2 = ke (le carré de la vitesse est proportionnel à la hauteur de chute e). Alors, une impulsion irrésistible sera lancée et balaiera toute l’Europe.

Les mathématiques et l’expérience L‘avantage décisif qu’apporte la formulation mathématique des lois de la physique peut être illustré par l’exemple de la propulsion des fusées. Très tôt, les Chinois fabriquent des mélanges de poudre fusantes et non explosives, munissant des pétards d’ailettes afin de les stabiliser et de les propulser dans l’atmosphère pour agrémenter les réunions festives. Les premières fusées simples et bien équilibrées

Synthèse et conclusion

213

apparaissent vers 1150 et les fusées à deux étages vers 1300. Leur usage militaire sera limité par le défaut de guidage (comme pour les V1 de la dernière guerre). Cependant, pour accroître la portée, l’expérience montre aux Chinois qu’en rétrécissant par un étranglement suivi d’une jupe la sortie des gaz on obtient une amélioration notable. En Europe, la théorie de l’écoulement des gaz est faite mathématiquement par Bernouilli (1738) et une des conséquences de ce théorème en est déduite par Giovani Battista Venturi (1820), qui invente le dispositif en usage dans nos fusées sous le nom de « venturi ». L’Europe a 500 ans de retard sur le bricolage chinois, mais son avantage est considérable, car le théorème de Bernouilli a bien d’autres conséquences que la méthode chinoise ne permet pas de découvrir (par exemple, la trompe à eau pour faire le vide).

La divergence est-ouest Mais est-ce cependant la différence entre ces deux visions, théorique et expérimentale, de la physique et leurs conséquences qui ont été la cause de la divergence très sensible des niveaux de développement, observables entre la Chine et l’Europe au début du xxe siècle ? Rien n’est moins sûr. Prenons comme point de départ de notre comparaison la fin du Des références précises au niveau de vie en 1780 montrent, nous l’avons dit, que le paysan français est moins bien nourri et moins bien éduqué que le paysan chinois.

e xviii  siècle.

Mais il est vrai aussi que rien d’équivalent à l’Encyclopédie n’existe en Chine. A partir de cette époque, une divergence de plus en plus accentuée va se faire jour sous l’influence de deux grands facteurs. uu Le premier concerne la politique intérieure de la dynastie Qing (dynastie étrangère

mandchoue). Celle-ci privilégie systématiquement l’agriculture et le petit artisanat par méfiance envers les capitaux purement chinois nécessaires à une industrie lourde. En Europe, au contraire, la maîtrise de la puissance motrice du feu conduit à la thermodynamique et toutes ses conséquences. Grâce à cela, l’émergence du capitalisme industriel est favorisée et s’envole à partir du tissage et des filatures. Les Etats, au tout premier rang desquels l’Angleterre, s’impliquent dans la recherche scientifique dès le début des guerres napoléoniennes et confirment le rôle essentiel de la politique dans le développement scientifique et technique. uu Le second facteur concerne l’ingérence militaire et économique de l’Europe dans les

affaires chinoises. Après avoir contraint les Chinois à fumer l’opium par la guerre de l’opium suivie du traité de Nankin (1842), les Anglais récidivent, avec cette fois la complicité des Français. Le traité de Pékin (1860), parmi de nombreuses conditions coûteuses et humiliantes, renferme un article particulièrement pernicieux : il confie aux Anglais la gestion de la douane chinoise. Ceux-ci s’empressent de supprimer les droits sur les importations des tissus anglais et, en outre, introduisent des taxes sur les tissus chinois. L’industrie chinoise naissante s’effondre et avec elle toute motivation à la recherche appliquée. La situation est encore aggravée par de grandes révoltes

214

Naissance et diffusion de la physique

populaires et xénophobes attisées par les exactions des étrangers  1 : révolte des Taiping (1847~1864), révolte des Boxeurs (1900). Enfin, les agressions japonaises qui commencent en 1894 (traité de Shiminoseki) couronnent le tout et se poursuivront jusqu’en 1945.

Ces rappels ne semblent pas en relation directe avec la physique. Ils montrent cependant que l’histoire des sciences n’est qu’un élément de l’histoire universelle et ne peut être déconnectée de cette dernière et réciproquement. Depuis la bibliothèque d’Alexandrie, la Maison de la Sagesse de Bagdad, Uraniborg au Danemark ou le mécénat des Médicis, jusqu’aux grandes académies anglaise et française, le rôle de l’Etat a été déterminant dans le développement scientifique et technique. La physique joue alors un rôle clé en se développant grâce à l’action du pouvoir et, en retour, en favorisant, par le biais des techniques induites, le développement économique de toute la nation.

Evolution de la formulation des résultats Les idées grecques sur la proportionnalité des causes et des effets ont permis à l’Occident de développer les règles mathématiques simples qui ont conduit aux équations différentielles linéaires, permettant de mathématiser les phénomènes dans lesquels les linéarités sont significatives, au moins au premier ordre. En revanche, l’Ouest n’a guère été distancé dans les cas plus complexes comme les phénomènes météorologiques. Les phénomènes mécaniques ont, les premiers, permis des développements analytiques importants et le calcul de Newton, démontrant les lois de Kepler à partir de l’attraction gravitationnelle en 1/r 2, grâce à l’invention des différentielles, est le début d’une pléiade de travaux fondamentaux dans lesquels vont s’illustrer en particulier Laplace et Lagrange. Ensuite, la prise en compte par Joseph Fourier dans l’équation de diffusion de la chaleur de quantités différentes marque un nouveau tournant qui conduira à l’analyse dimensionnelle. Enfin, il me semble que la mise en place définitive de la physique occidentale, avec sa formulation moderne, est due à James Clerck Maxwell. A partir de l’examen des propriétés locales des champs magnétique et électrique, il a réalisé la première grande unification de la physique moderne, entre lumière et électromagnétisme.

1 Le Japon, partant lui aussi de très bas, réagit différemment. Chassant ses responsables, les Shoguns Tokugawa, par la révolution Meiji (1868), il décide de copier au plus près l’Occident et, dans un prodigieux rétablissement, le rattrape et l’écrase (combat naval de Tsushima, en 1905, où la flotte russe est anéantie).

Synthèse et conclusion

215

Après lui, les physiciens n’auront de cesse d’unifier les divers types de forces dans un ensemble unique où la gravitation rechigne à entrer. Sans doute y arriveront-ils, mais comprendrons-nous pour autant la nature ? Tout dépend de ce qu’on nomme comprendre. S’il s’agit de percer à jour des régularités, rapports entre phénomènes, permettant de nouvelles applications au bénéfice de l’homme, alors certainement notre compréhension continuera-t-elle à progresser.

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Annexes

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Annexe I Chronologie de la philosophie scientifique grecque Auteurs

Repères historiques

Hésiode

Thalès

de

– 750

Milet

– 850 – 825 – 800

Colonies eubéennes : Al Mina (embouchure Oronte) Pithecoussai puis Coumes (Naples)

– 750

– 625 ~ – 547 Archontat de Solon à Athènes

Anaximandre

de

Anaximène

Milet

de

Cités eubéennes : Lefkandi Eretrie Chalcis

Milet

Pythagore (Samos et Crotone)

Héraclite d’Ephèse

Parménide d’Elée

Zénon d’Elée Empédocle d’Agrigente Anaxagore de Clazomène

– 750 – 594

– 555 – 535 – 525 Clisthène à Athènes

– 507

Destruction de Milet par les Perses

– 494

Bataille de Marathon (Darius)

– 490

Bataille de Salamine (Xerxès)

– 480

Ligue de Delos (suprématie athénienne)

– 478

– 500

– 480

– 445 – 445 – 445

Périclès

451 ~ – 429

220

Naissance et diffusion de la physique

Auteurs

Repères historiques

Leucippe de Milet

– 435

Hippocrate de Cos

– 425

Démocrite d’Abdère

– 410

Mort de Socrate

– 399

Archytas de Tarente

– 385

Platon Eudoxe de Cnide (cosmologie)

Aristote Théophraste d’Erèse Epicure

– 404

Décret d’Archinos (normalisation de l’alphabet)

– 403

Bataille de Chéronée (suprématie macédonienne)

– 338

– 428 ~ – 347 – 365

– 384 ~ – 322 Mort d’Alexandre – 320

Ptolémée Sôter en Egypte

– 341 ~ – 270 Ptolémée II Philadelphe

Aristarque de Samos

– 275

Ctésibios d’Alexandrie

– 270

Archimède

Fin de la guerre du Péloponnèse (suprématie de Sparte)

– 287 ~ – 212 Prise de Syracuse par les Romains

Eratosthène de Cyrène

– 225

Philon de Byzance

– 200

Euclide (géométrie)

– 250

Hipparque de Nicée

– 135

Lucrèce

– 60

– 323 – 305 – 285

– 212

Destruction de Carthage par les Romains

– 146

César franchit le Rubicon

– 49

Annexe I - Chronologie de la philosophie scientifique grecque Auteurs

Repères historiques

Vitruve

– 25

Strabon

10

Héron d’Alexandrie

50

Bataille d’Actium

– 31

Mort de Cléopatre VII

– 30

Destruction du temple de Jérusalem par Titus Ptolémée d’Alexandrie

150

Galien de Pergame

180 Constantin empereur

Diophante (arithmétique) Pappus (géométrie)

221

325 ~ 410 e iv siècle

Incendie de la bibliothèque d’Alexandrie

415

Boèce

500

70

306 ~ 337

Edit de Milan (liberté de culte)

313

Séparation des Empires d’Orient et d’Occident

395

Théodoric le Grand (Ostrogoths à Ravenne)

493

Justinien (empereur d’Orient)

527 ~ 565

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Annexe II Chronologie des avancées scientifiques et techniques chinoises Découvertes

Repères historiques Civilisation néolithique de Yang Shao

– 6000

Culture du riz

– 4500

Céramique en atmosphère contrôlée (oxydoréduction)

– 3000

Civilisation néolithique de Long Shan

– 3000

Tuyaux sonores (?)

– 2000

Empereur Jaune (?) dynastie Xia

– 2000

Système décimal

– 1500

Début de la dynastie Shang Capitale à An Yang Bataille de Mu Ye

– 1530 – 1350 – 1027

Début de la dynastie Zhou Printemps et Automnes Royaumes Combattants

– 1027 – 722 – 481

Culture du ver à soie Coulée de la fonte (T > 1245°C) Arbalète Boussole Principe d’inertie (Mo Zi)

– 490

Yi Jing

– 300

Pont suspendu (Li Bing) Harnais de cheval : bricole de poitrail Livre de calcul en 9 chapitres Nombres négatifs Circulation sanguine

– 250

Le Grand Empereur Qin Shi Huang Di

Semoir à rangs multiples Sphère armillaire (Geng Shou Chang) Transmission par courroie Fractions décimales

– 85 – 52

Début de la dynastie Han (Han de l’Ouest)

– 221 ~ – 210

– 200 ~ 9

224

Naissance et diffusion de la physique

Découvertes

Repères historiques

Pied à coulisse Gouvernail d’étambot Puits de pétrole au Si Chuan Fabrication du papier (Caï Lun) Sismographe de Zhang Heng

i

Etrier Navires à aubes Porcelaine Le grand canal

er

siècle siècle siècle 107 132

Han de l’Est

23 ~ 190

e iii

siècle

220 ~ 534

e ii

3 Royaumes 16 Royaumes et 5 barbares

siècle

er i er i

à partir de 600 Dynastie Sui

581 ~ 617

Pont à arc surbaissé (Li Chun) Déclinaison magnétique (Yi Xing) Mesure d’un arc de méridien Harnais de cheval à collier Xylographie (Sutra du Diamant)

675 720 720 800 868

Début de la dynastie Tang Bataille de Talas (contre les Arabes)

1re arme à poudre représentée (Thanka de Dun Huang) Transmission par chaîne (Zhang Si Xun) Ecluse à sas (Qiao Wei Yue) Billet de banque garanti par dépôt Typographie (Bi Sheng) Horloge du Su Song Fusée à poudre

950

Dynastie Song Song du Nord Song du Sud

960 ~ 1278 960 ~ 1126 1126 ~ 1278

Dynastie Yuan (mongole)

1278 ~ 1368

1368 ~ 1644

976

618 ~ 906 751

988 1020 1048 1080 1150

Observatoire de la Montagne Pourpre Premier canon Fusée à deux étages Grands navires de Zheng He

1405

Dynastie Ming

Inoculation de la variole (mélanges médicaux) Mesure de la li en fonction du méridien

1643

Dynastie Qing (mandchoue) 1644 ~ 1911 Ingérence des Européens, à partir de 1839

1705

La République La République populaire de Chine Mort de Mao

1/1/1912 1/10/1949 9/9/1976

Annexe III L’explosion scientifique arabe Auteurs Al Khwarizmi Jabir Ibn Hayyan (Geber) Al Kindi

Les traducteurs : Ibn Luqa Hunayn Ibn Ishaq Mohammed Al Fazari

Repères historiques 780 ~ 850 ~ 800 800 ~ 870

~ 850

Fuite de Mahomet à Médine : Hégire

622

Mort du Prophète

630

Bataille de Karbala (mort de Husayn, petit-fils du Prophète) - Chiisme

680

Prise de Tolède aux Wisigoths

716

Thabit Ibn Qurra le petit-fils

836 ~ 901 908 ~ 916

Les Abassides (califes à Bagdad)

750

Al Battani (publie le Zidj)

858 ~ 929

Al Mamoun calife

813

Ibn Al Haytham

965 ~ 1035 Les Fatimides au Caire (Chiites)

909 ~ 1171

Ibn Sina (Avicenne)

980 ~ 1037 Tughril Bey (sultan turc à Bagdad)

1055

Al Biruni

973 ~ 1048 Bataille de Manzikert (Byzance chassé d’Anatolie)

1071

Observatoire de Malikshah Omar Khayyam

1074 La reconquête : prise de 1048 ~ 1122 - Palerme par les Normands - Tolède par Alphonse vi

1072 1085

Médecins de Cordoue Abu Ibn Rushd (Averroès) Musa Ibn Heymun (Malmonide)

Prise de Jérusalem 1126 ~ 1198 par les Croisés 1138 ~ 1204

1099

Nasir Al Tusi

1200 ~ 1224 Reprise de Jérusalem : Salah Al Din

1187

226

Naissance et diffusion de la physique

Auteurs Observatoire de Maragha Jamal Al Din Ibn Battuta (voyageur)

Repères historiques 1263 1267

Bataille de Ain Jalut (arrêt des Mongols)

1258

1304 ~ 1377

1400 Les derniers Européens Observatoire de Samarcande quittent Saint-Jean-d’Acre Al Kashi ~ 1430 Ulugh Beg 1394 ~ 1449 Prise de Grenade

1291

1492

Annexe IV L’éveil de la science en europe occidentale avant Galilée Précurseurs Saint-Augustin

354 ~ 439

Les dangers de la curiosité scientifique

Bède le Vénérable

673 ~ 736

Moine anglais De temporum ratione Sciences de la nature

Gerbert d’Aurillac (Pape Sylvestre II)

940 ~ 1003

De multiplicatione et divisione

Constantin l’Africain moine à Monte Cassino

Collecte de nombreux textes

Adélard de Bath

1090 ~ 1142 Traduit à Tolède : Al Khwarizmi - Euclide

Gérard de Crémone

1114 ~ 1187 Traduit à Tolède l’Almageste et plus de 80 textes

Guillaume de Moerbeck

1215 ~ 1286 Traduit du grec en latin

Leonardo Fibonacci

1175 ~ 1240 Publie le Liber abbaci

Guillaume Budé

1467 ~ 1540 Lecteur royal de François Ier, promotion de l’étude du grec

Bartolomeo Zamberti Giordano Bruno

premier texte imprimé en grec Les Eléments d’Euclide 1548 ~ 1600 Hermétiste condamné au bûcher

1065 à 1085

1202

1535 1600

228

Naissance et diffusion de la physique

Universitaires à partir de 1200 Robert Grosseteste

1175 ~ 1253 Franciscain, chancelier de l’université d’Oxford

Roger Bacon

1220 ~ 1298 Franciscain, Opus majus

Albert le Grand

1193 ~ 1280 Dominicain, chaire de théologie à Paris

Bonaventure (G. di Fidanza)

1221 ~ 1274 Franciscain, chaire de théologie à Paris

Thomas d’Aquin

1225 ~ 1274 Dominicain, professeur à Paris, père du thomisme

Jean Buridan

1300 ~ 1358 Recteur de la Sorbonne

1327 à 1340

Explorateurs (Asie des Mongols) Giovanni di Pian Carpino

1182 ~ 1252 Franciscain, émissaire de Innocent IV à Karakorum 1245 à 1247

Guillaume de Rubruck

1220 ~ 1293 Franciscain, émissaire de Saint-Louis à Karakorum

Giovanni de Monte Corvino Odoric de Pordenone

1253 à 1255

Franciscain, évêque de Pékin

1311 à 1330

1265 ~ 1331 Franciscain, en Asie centrale, le premier à parler de Lhassa Descriptio terrarum

1318 à 1330

? ~ 1330

Astronomes Alphonse X

1221 ~ 1284 Roi de Castille : Tables alphonsines

Georg Peuerbach

1421 ~ 1461 Astronome et mathématicien

Johann Regiomontanus

1436 ~ 1476 Calculs fins dans le système de Ptolémée

Reiner Gemma Frisius

1508 ~ 1555 Triangulation, emploi de chronomètres en navigation

Gérardus Mercator (Gerhard Kremer)

1512 ~ 1594 Cartographie

Nicolas Copernic

1473 ~ 1543 De revolutionibus orbium celestium

Tycho Brahé

1546 ~ 1601 Maître d’Uraniborg

Johannes Kepler

1571 ~ 1630 Orbites elliptiques

1543

Annexe IV - L'éveil de la science en Europe occidentale avant Galilée 229 Mathématiciens Nicolas Chuquet Jehan Certain Luca Pacioli

1445 ~ 1500 Triparty en la science des nombres e xv

siècle

le Kadran aux marchans

1484 1485

1445 ~ 1510 Summa de arithmetica, à Venise

1494

Exempel Buchlin

1530

Rudolf Christoff Jérôme Cardan

1501 ~ 1576 Théorie des équations, nombres négatifs et imaginaires

Tartaglia

1500 ~ 1577 Equations d’ordres élevés

Simon Stevin

1548 ~ 1620 Fractions décimales, nombres irrationnels

Physiciens et ingénieurs Pierre de Maricourt Witelo Villard de Honnecourt Gutenberg Vannoccio Biringuccio

e xiii

siècle

Epistola de magnete

1269

1220 ~ 1275 Dominicain polonais Traducteur de Ibn Al Haytham e xiii

siècle

Bâtisseur de cathédrales

1400 ~ 1468 Bible à 42 lignes Pirotechnia

1455 1540

Léonard de Vinci

1452 ~ 1519 Carnets de dessins

Agricola (Georg Bauer)

1490 ~ 1555 De re metallica

Giambattista Della Porta

1535 ~ 1615 De refractione Spiritale

1593 1606

Agostino Ramelli

1531 ~ 1600 Diversi et artificiose machine Ingénieur militaire de Henri iii Machineries diverses

1588

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Une brève bibliographie Histoire générale et histoire des idées A.L. Basham La Civilisation de l’Inde ancienne – Arthaud 1976 R. Benewick et S. Donald Atlas de la Chine contemporaine – Autrement 1999 L. Canfora Une profession dangereuse : les penseurs grecs dans la cité – Desjonquères 2000 Fr. Cheng L’Ecriture poétique chinoise – Le Seuil 1977 Vide et Plein, le langage pictural chinois – Le Seuil 1979 Souffle Esprit – Le Seuil 1989 Shitao, 1642-1707. La Saveur du monde – Phébus 1998 F.M. Cornford Principium sapientiae – Cambridge University Press 1952 Y. Coppens Le Genou de Lucy – Odile Jacob 1999 J. Diamond De l’inégalité parmi les sociétés – Gallimard 2000 J.L. Domenach et P. Richer La Chine 1945 - 1985 – Imprimerie Nationale 1987 G. Dumezil Heur et Malheur du guerrier – Flammarion 1985 Mythe et Epopée (3 tomes) – Gallimard 1995 D. et V. Elisseeff La Civilisation japonaise – Arthaud 1974 La Civilisation de la Chine classique – Arthaud 1979 J. Gernet Le Monde chinois – Armand Colin 1972 M. Granet La Pensée chinoise – Albin Michel 1934 La Religion des Chinois – Imago 1989 M. Graulich Montezuma – Fayard 1994 J. Gravereau Le Japon au xxe siècle – Le Seuil 1993

232

Naissance et diffusion de la physique

L. Hambis et al. L’Asie centrale – Imprimerie Nationale 1977 Y. Inoué Confucius – Stock 1989 C. Jacques Chronologie du Pays Khmer – Dossiers d’Archéologie 221, 1997 Ch. Jaffrelot L’Inde contemporaine – Fayard 1996 F. Jullien De l’essence ou du nu – Le Seuil 2000 S. Kato Histoire de la littérature japonaise (3 tomes) – Fayard 1985 J. Le Goff La Civilisation de l’Occident médiéval – Arthaud 1984 D. Lelièvre Le Dragon de lumière – France Empire 1996 G.E.R. Lloyd Pour en finir avec les mentalités – La Découverte 1993 E. Le Roy Ladurie L’Historien, le chiffre et le texte – Fayard 1997 Lê Thank Khôi Histoire du Vietnam – Sudestasie 1987 S. Kato Histoire de la littérature japonaise (3 tomes) – Fayard 1986 S.N. Kramer L’Histoire commence à Sumer – Arthaud 1986 J.C. Margueron Les Mésopotamiens (2 tomes) – Armand Colin 1991 O. Murray La Grèce à l’époque archaïque – Presses Universitaires du Mirail 1995 J. Needham Dialogue des civilisations, Chine-Occident – La Découverte 1986 M. Otte Les Paléolithiques inférieur et moyen en Europe – Armand Colin 1996 J.M. Pesez La Sicile arabe et normande – Dossiers d’Archéologie 225, 1997 J. Pimpaneau Chine. Culture et traditions – Philippe Picquier 1988 Histoire de la littérature chinoise – Philippe Picquier 1989 P. Rawson et L. Legeza Le Tao – Le Seuil 1973 H.O. Rotermund et al. Asie orientale et méridionale aux xixe et xxe siècles – Nouvelle Clio - PUF 1999

Une brève bibliographie J.P. Roux L’Asie centrale – Fayard 1997 J.R. Roy L’Astronomie et son histoire – Masson 1982 R.A. Stein La Civilisation tibétaine – L’Asiathèque 1962 S. Subrahmanyam L’Empire portugais d’Asie 1500 - 1700 – Maisonneuve 1999 M. Vergé-Franceschi Henri le Navigateur – Editions du Félin 1994 J.P. Vernant Mythe et Pensée chez les Grecs – La Découverte 1996 L’Univers, les dieux, les hommes – Le Seuil 1999 P. Vidal Naquet Les Grecs, les historiens, la démocratie – La Découverte 2000 M. Weber Economie et Société dans l’Antiquité – La Découverte 1998 R.X. Zhu et al. Nature 413, 2001

Histoire de la physique et des techniques D. Auffray Archéologia 347, juillet 1998 J.D. Barrow Pourquoi le monde est-il mathématique ? – Odile Jacob 1996 J. Blamont Le Chiffre et le Songe – Odile Jacob 1993 J.L. Calvet Histoire de l’écriture – Plon 1996 A. Djebbar Une histoire de la science arabe – Le Seuil 2001 D.E. Duncan Le Temps conté – Nil Editions 1999 R.P. Feynman Leçons sur la physique – Odile Jacob 2000 J.C. Février Histoire de l’écriture – Payot 1984 A. Forti et al. La Mort de Newton – Maisonneuve et Larose 1996 J. Gimpel La Révolution industrielle du Moyen Âge – Le Seuil 1975 P. Guaydier Histoire de la physique – PUF 1964

233

234

Naissance et diffusion de la physique

D. Guedj La Mesure du monde – Laffont 1997 A.Y. Al Hassan et D.R. Hill Islamic Technology – Unesco 1991 G. Ifrah Histoire universelle des chiffres (2 tomes) – Bouquins, Robert Laffont 1994 A. Koyré Newtonian Studies – Harvard University Press 1965 Du monde clos à l’univers infini – Gallimard 1973 Fr. Jullien Traité de l’efficacité – Grasset 1996 J. Lamirand et H. Pariselle Cours de chimie, 2e partie : Métaux – Masson et Cie 1939 D.S. Landès L’Heure qu’il est – NRF, Gallimard 1987 B. Lelong Personne n’a découvert l’électron – La Recherche 303, 1997 Ch. Licoppe La Formation de la pratique scientifique – La Découverte 1996 G.E.R. Lloyd Les Débuts de la science grecque – La Découverte 1990 La Science grecque après Aristote – La Découverte 1990 R. Locqueneux Préhistoire et Histoire de la thermodynamique classique Cahiers d’histoire et de philosophie des sciences 45, SFHST, 1996 S. Nakayana et N. Sivin Chinese Science – MIT Press 1973 J. Needham La Science chinoise et l’Occident – Le Seuil 1973 Science and Civilisation in China (10 tomes) – Cambridge University Press 1960 -1965 O. Neugebauer Les Sciences exactes dans l’Antiquité – Actes Sud 1989 J. Perrin Comment naissent les techniques – Publisud 1988 P. Pomey et al. La Navigation dans l’Antiquité – Edisud 1997 C. Ronan Histoire mondiale des sciences – Le Seuil 1988 R. Rached Histoire des sciences arabes (3 tomes) – Le Seuil 1997 P. Rossi La Naissance de la science moderne en Europe – Le Seuil 1999 M. Serres et al. Eléments d’histoire des sciences – Bordas 1989

Une brève bibliographie S. Shapin La Révolution scientifique – Flammarion 1998 C. Singer et al. A History of Technology – Oxford University Press 1979 S. Singh Le Dernier Théorème de Fermat – J.C. Lattès 1998 N. Sivin Science and Technology in East Asia – SH Publications New York 1977 M. Soutif Vibrations - Propagation - Diffusion – Dunod 1970 L’Asie, source de sciences et de techniques – EDP Sciences 2008 R. Taton La Science antique et médiévale – PUF 1966 R.K.G. Temple Le Génie de la Chine – Philippe Picquier 2000 D. Terré Les Dérives de l’argumentation scientifique – PUF 1998 D. Tournès et al. L’Océan Indien au carrefour des mathématiques – IUFM de la Réunion 1998 R.F. Tylecote The early History of Metallurgy in Europe – Langman 1987

235

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Table des illustrations Les illustrations pour lesquelles aucune référence n’est indiquée sont extraites de la photothèque personnelle de l’auteur. Les clichés correspondants ont été réalisés avec l’aimable autorisation des responsables des musées ou des sites concernés.

A propos des méthodes physiques de datation 1

Courbe de correction des dates 14C en années réelles pour la fin des temps glaciaires et le début de l’Holocène D’après B. Kromer et R. Becker - Radiocarbon 35(1), 125-135, 1995.

2

Echelle magnétostatique pour les six derniers millions d’années D’après S.C. Cande et D.V. Kent - Revised calibration of the geomagnetic polarity timescale for thr late Cretaceous and Cenozoic: table of ages for Cande and Kent GPTS, J. Geophys. Res. 100, 6093-6095, 1995.

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes 3

a - Crâne de l’Homo erectus de Zhou Kou Dian b - Galet aménagé biface massif D’après J. Garanger et al. - La Préhistoire dans le monde Nouvelle Clio, Presses Universitaires de France, Paris, 1992 - Droits réservés.

4

Schémas de débitage Levallois D’après J. Garanger et al. - La Préhistoire dans le monde Nouvelle Clio, Presses Universitaires de France, Paris, 1992 - Droits réservés.

5

Principaux types de pointes solutréennes - 19 000 à 16 000 avant J.C. D’après J. Garanger et al. - La Préhistoire dans le monde Nouvelle Clio, Presses Universitaires de France, Paris, 1992 - Droits réservés.

6

Tour primitif du Rajasthan - village de Rohat près de Jodhpur a - Lancement de la dalle b - Montage du vase

7

Transport d’un lingot de cuivre - Relevé d’une tombe thébaine

8

Principales sources d’étain en Europe

9

Diagramme de fusibilité des alliages cuivre-étain D’après J. Lamirand et H. Pariselle - Cours de chimie, 2e partie : Métaux Masson & Cie, Paris, 1939.

238

Naissance et diffusion de la physique

10 Moule démontable pour vase de bronze - Dynastie Shang D'après H. Maryon. In C. Singer et al. - A History of Technology - Vol. I Oxford University Press, 1979 - Droits réservés. 11 Haches en bronze a - b : Chinoises - xe siècle avant J.C. c - d : Est de l’Oural, Karakevichevo. 12 Bronze Shang - 1400 avant J.C. Musée de Shanghai. 13 Schéma d’un bas fourneau 14 Cornue Bessemer D’après J. Lamirand et H. Pariselle - Cours de chimie, 2e partie : Métaux Masson & Cie, Paris, 1939. 15 Objets en fonte affinée pour un travail civil en Chine - 513 avant J.C. A partir de documents fournis par le Centre de documentation et de recherche sur la littérature chinoise. D’après J. Gernet - Le Monde chinois - Armand Colin, Paris, 1972 - Droits réservés. 16 Vue du canal de Li Bing au 1er plan devant la Du Jiang à Guan Xian, Si Chuan 17 Tombe n°43 à Varna - Bulgarie - 4500 avant J.C. - au total, plus de 1,5 kg d’or D’après Le Premier Or de l’humanité en Bulgarie. 5e millénaire Musée des antiquités nationales - Saint-Germain-en-Laye Editions de la Réunion des musées nationaux, Paris, 1989 Avec la permission du musée historique de Varna, Bulgarie. 18 Les routes de l’or au Moyen Âge 19 Figurine de Hasanoglou - Anatolie - 2200 avant J.C. - argent et bandeaux d’or Musée d’Ankara.

II - La raison et l’expérience 20 La boule tourne par réaction - Héron d’Alexandrie D’après g.e.r. Lloyd - La Science grecque après Aristote - La Découverte, Paris, 1990. 21 Quand on allume l’autel, les portes s’ouvrent - Héron d’Alexandrie D’après g.e.r. Lloyd - La Science grecque après Aristote - La Découverte, Paris, 1990. 22 Calcul d’Aristarque de Samos D’après P. Thuillier - La Recherche 217. 23 Expérience de Claude Ptolémée 24 Os oraculaire Plastron divinatoire trouvé à An Yang dans la fosse YH127. T’aipei, Academia Sinica, fragments n° 13.0.6827 et 13.0.15254. In D. et V. Elisseeff - La Civilisation de la Chine classique Arthaud, Paris, 1979 - Droits réservés. 25 Lao Zi sur son buffle D’après J. Pimpaneau - Chine. Culture et traditions Philippe Picquier, Arles, 1988 - Droits réservés.

Table des illustrations

239

III - La numération et le calcul 26 Fragment de bulle-enveloppe avec les calculi matérialisant les nombres Dossiers Histoire et Archéologie 138 - mai 1989 - Photo DAFI - Droits réservés. 27 Compte de chèvres et de moutons - Lagash - 2350 avant J.C. Argile cuite Tello - Période sumérienne - Règne d’Urukagina Musée du Louvre - Antiquités orientales - © Photo RMN - Ch. Larrieu. 28 Tablette mathématique de Babylone - 1800 avant J.C. D’après G. Ifrah - Histoire universelle des chiffres Bouquins, Robert Laffont, Paris, 1994. 29 Multiplication de 81 × 81 - D’après le Jiu Zhang Suan Shu 30 Discussion d’un problème difficile entre maître et élèves Frontispice du Traité d’arithmétique de Cheng Da Wei - 1593 D’après R. Temple - Le Génie de la Chine Philippe Picquier, Arles, 2000 - Droits réservés. 31 Le royaume Koushan

IV - La mesure et la précision 32 Gudea et la règle étalon Musée du Louvre, Paris - D'après une photographie de Vizzavona. D.E. Woogall. In C. Singer et al. - A History of Technology - Vol. I Oxford University Press, 1979 - Droits réservés. 33 Règles étalons du musée historique de Beijing depuis la dynastie Zhou (en haut) jusqu’à la dynastie Ming (en bas) A collection of standard length measures, wooden copies of bronze or ivory originals, made in Peking at the National Historical Museum for the late Professor W.P. Yetts. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(I) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 34 Pied à coulisse chinois - An 9 Comparative Tables of Scientific Technological and Scholarly Achievements in China and Europe. KHS, 1925, 10, 1 & J.C. Ferguson - The Chinese Foot Measure. MS, 1941, 6, 357. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 35 Calcul de π par Liu Hui - 264 D’après R. Temple - Le Génie de la Chine Philippe Picquier, Arles, 2000 - Droits réservés. 36 Balance et poids zoomorphes - El Amarna - Egypte - 1530 avant J.C. Science Museum, London - avec l'aimable autorisation du directeur D.E. Woogall. D’après C. Singer et al. - A History of Technology - Vol. I - Oxford University Press, 1979. 37 Balance dite romaine - Tian Ping - vers 1050 D’après J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(I) Cambridge University Press, 1977.

240

Naissance et diffusion de la physique

38 La pile de Charlemagne Photo Cnam-Mint/Pommier. In le Bulletin du bureau national de métrologie - Vol. 20 (76-77) - avril-juillet 1989. 39 Le Quadran mural de Tycho Brahé avec la graduation transverse d’Homilius Gravure de Astronomiae instauratae mechanica - 1598. In J. Blamont - Le Chiffre et le Songe - Odile Jacob, Paris, 1993 - Droits réservés. 40 Deuxième loi de Kepler - Les deux zones bleutées sont égales et décrites dans des temps égaux.

V - La matière et le vide 41 Illustration du théorème de Thalès 42 Synthèse de l’eau devant l’Académie des sciences par Lavoisier et Laplace en juin 1783 Gravure du xixe siècle. Ph. © Coll. C. Bailleux - Droits réservés. In M. Serres et al. - Eléments d’histoire des sciences - Bordas, Paris, 1989. 43 Gazomètre de Lavoisier utilisé pour l’étude de la composition de l’air D’après J.B. Dumas et E. Grimaux - Œuvres de Lavoisier - Imprimerie Nat., Paris, 1862-1893, t. 1 ; Bibl. nat., Paris. Cliché Bibliothèque nationale de France, Paris. 44 Le cylindre à vide équilibré par des poids - Otto von Guericke In J. Blamont - Le Chiffre et le Songe - Odile Jacob, Paris, 1993 - Droits réservés. 45 La pompe pneumatique - R. Boyle et R. Hooke - 1660 Extrait des New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air (1660) de Boyle. In C. Ronan - Histoire mondiale des sciences Le Seuil, 1988 - Droits réservés. 46 Shi tao - Au gré du fleuve Section d’un rouleau (hauteur : 29 cm ; longueur totale : 350 cm). Musée de Shanghai. In F. Cheng - Shitao, 1642-1707 - La Saveur du monde Phébus, Paris, 1998 - Droits réservés. 47 Shi tao - Barques à la Porte céleste 16,4 × 23 cm. Pékin, musée du Palai. In F. Cheng - Shitao, 1642-1707 - La Saveur du monde Phébus, Paris, 1998 - Droits réservés.

VI - Le calendrier et le temps 48 Précession des équinoxes - mouvement conique de l’axe terrestre 49 Le système solaire de Claude Ptolémée 50 Observatoire de Jaipur 51 Observatoire de Pékin 52 Observatoire de Chichen Itza vu de la Nonnerie Civilisation Toltéco-Maya - xiiie siècle. 53 Cadran solaire égyptien er i siècle - Deutsches Museum, Munich. Ph. © du musée/Photeb.

Table des illustrations

241

54 Clepsydre à écoulement d’eau D’après G.E.R. Lloyd - La Science grecque après Aristote - La Découverte, Paris, 1990. 55 Horloge de Su Song - 1092 Dessin original de John Christiansen. In J. Needham - Science and Civilisation in China Vol. 4(II) - Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 56 Echappement de l’horloge de Su Song D’après J.H. Combridge - The Celestial Balance; a Practical Reconstruction. HORY, 1962, 104, 82. Repr. Antiq. Horol. Soc., London, 1962. In J. Needham - Science and Civilisation in China Vol. 4(II) - Cambridge University Press, 1977. 57 Echappement à palettes Dessin de Drouard in F. Berthoud - Histoire de la mesure du temps - Paris, 1802. In D.S. Landès - L’Heure qu’il est - NRF, Gallimard, Paris 1987 - Droits réservés. 58 Contrôle de l’échappement par un pendule - Huygens - 1673 Dessin de F. Berthoud in F. Berthoud - Histoire de la mesure du temps - Paris, 1802. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés.

VII - La mécanique : l’équilibre et le mouvement 59 Le plan incliné de Galilée 60 Grue à cage d’écureuil Miniature d’après Histoire Universelle. Ms. 562, F°9, r°. Bibliothèque municipale de Dijon. In Les Bâtisseurs du Moyen Âge - Dossiers d’Archéologie 219. Droits réservés. 61 Explication du phénomène de marée par Newton 62 La composition des forces selon Simon Stevin - 1586 Frontispice In S. Stevin - De Weeghdaet beschreven duer Simon Stevin Van Brugghe, 1586 - Bibl. nat., Paris. Cliché Bibliothèque nationale de France, Paris. 63 Un chercheur dans son laboratoire - Gravure de 1547 Gravure In W.H. Ryff - …der Arkitektur, 1547. Bibl. nat., Paris. Cliché Bibliothèque nationale de France, Paris.

VIII - La lumière et l’optique 64 Représentation schématique de la réfraction par l’atmosphère 65 Le miroir magique 66 Schéma comparatif de la lunette de Galilée et de la lunette astronomique 67 Schéma d’un mirage - L’observateur voit le ciel comme réfléchi par l’eau. 68 télescopes : à gauche de Gregory - 1660 ; à droite de Newton - 1670 69 Le télescope de Herschel - 1780 Ouverture : 1,2 m ; distance focale : 12 m. In C. Ronan - Histoire mondiale des sciences - Le Seuil, Paris, 1988 - Droits réservés.

242

Naissance et diffusion de la physique

70 Microscope composé du début du xviiie siècle - Alexis Magny Kunsthistorisches Museum, Vienne. In H. Demoriane - L’art de reconnaître les instruments scientifiques du temps passé - Hachette, Paris, 1974 - Droits réservés. 71 Mesure de c, vitesse de la lumière, par Römer 72 Mesure de c - expérience de Fizeau 73 Raies du spectre de l’hydrogène - série de Balmer

IX - Les actions à distance 74 Opération de géomancie décrite dans le Shu Jing Détail d’une illustration montrant la façon de choisir le site de la construction d’une cité nouvelle. Extrait d’une édition impériale illustrée du Shujing. In R. Temple Le Génie de la Chine - Philippe Picquier, Arles, 2000 - Droits réservés. 75 Boussole Han (– 200 ~ + 200) - Cuillère en magnétite, plaque en bronze poli 76 Boussole flottante - 1086 D’après Wang Chen-To - Discovery and Application of Magnetic Phenomena in China, II. AS/CJA, 1950, 4, 185. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(I) Cambridge University Press, 1977. 77 Boussole sur pivot - 1150 D’après Wang Chen-To - Discovery and Application of Magnetic Phenomena in China, II. AS/CJA, 1950, 4, 185. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(I) Cambridge University Press, 1977. 78 Le bol de Damas Syrie. Vers 1516-1520. Céramique, décor peint sous glaçure. H : 3 cm ; D : 19 cm. Musée de Damas, inv. T. 123/A.1727 (8026). In Syrie - Mémoire et civilisation - Flammarion, Paris, 1993 - Droits réservés. 79 Positions du pôle Nord magnétique © Tontotwo, Wikimedia 80 Alidades entourant une aiguille flottante Le sud est en haut et le 2e cercle est décalé de 7,5° vers l’est suivant la déclinaison du système Feng Zhen. D’après Thu Shu Chi Chhêng - Imperial Encyclopedia. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(I) - Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 81 Joueur de harpe D’après A. Parot - Sumer - NRF, Paris, 1960. In J.C. Margueron - Les Mésopotamiens - Tome 2 : Le cadre de vie et la pensée Armand Colin, Paris, 1991 - Droits réservés. 82 Les 12 tuyaux sonores de la gamme chinoise A partir du 7e tuyau, il y a décalage d’une octave pour ne pas finir par des fréquences trop aiguës. D’après J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(I) Cambridge University Press, 1977. 83 Batterie de cloches de la tombe du Marquis Yi - Royaumes Combattants Musée de Wu Han. 84 Cloche plate du temple de Foshan - guang Dong

Table des illustrations

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85 Lettré jouant du gu qin D’après J. Pimpaneau - Histoire de la littérature chinoise Philippe Picquier, Arles, 1989 - Droits réservés. 86 Orchestre de chambre Selon une encyclopédie du xixe siècle. D’après J. Pimpaneau - Chine. Culture et traditions Philippe Picquier, Arles, 1988 - Droits réservés. 87 Schéma du sismographe de Zhang Heng 132 après J.C. D’après R. Temple - Le Génie de la Chine - Philippe Picquier, Arles, 2000. 88 Balance de torsion de Charles Coulomb Mémoire sur l’électricité et le magnétisme - 1785-1789 In C. Ronan - Histoire mondiale des sciences - Le Seuil, Paris, 1988 - Droits réservés. 89 Piles d’Alessandro Volta - 1799 Museo nationale della scienza e della technica, Milan. In C. Ronan - Histoire mondiale des sciences - Le Seuil, Paris, 1988 - Droits réservés.

X - La production d’énergie et sa transmission 90 Evolution de l’attelage du cheval D’après J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977. 91 Attelage par la bricole de poitrail - Bas-relief Han du ier siècle avant J.C. D’après R. Temple - Le Génie de la Chine Philippe Picquier, Arles, 2000 - Droits réservés. 92 La route de la soie 93 Une grotte Zhou du Nord 94 Un chadouf - Gravure de 1637 D’après Thien Kung Khai Wu - The Exploitation of the Works of Nature. Ming, 1637. Sung YingHsing. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 95 La pompe à palettes, normalisée dès la période Tang D’après Thien Kung Khai Wu - The Exploitation of the Works of Nature. Ming, 1637. Sung YingHsing. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 96 Moulin à roue verticale de Vitruve D’après J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977. 97 Soufflerie métallurgique actionnée par un moulin à eau Soufflet à double effet - Chine, ive siècle avant J.C. D’après J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977. 98 Une tatara, soufflet à double effet de la métallurgie japonaise D’après A. Ledebur - Über den japanischen Eisenhüttenbetrieb. SE, 1901, 21, 842. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés.

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Naissance et diffusion de la physique

99 Soufflerie à double effet de John Wilkinson - 1757 D’après H.W. Dickinson - John Wilkinson [engineer]. BGTI, 1911, 3, 215. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 100 Soufflerie métallurgique de Ramelli - 1588 D’après A. Ramelli - Le Diversi e Artifiose Machine del Capitano. A.R., Paris, 1588. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 101 Trois bateaux moulins à Lyon, près du pont de la Guillotière - 1550 D’après A. Marius - Les Vieux Moulins du Rhône. Lyon, 1919. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 102 Une saqiya arabe - Al Jazari - 1206 La source d’énergie peut être l’eau ou un animal. D’après E. Wiedermann & F. Hauser - Über Vorrichtungen zum Heben von Wasser in der Islamischen Welt. BGTI, 1918, 8, 121. In J. Needham - Science and Civilisation in China Vol. 4(II) - Cambridge University Press, 1977. 103 Derricks au Si Chuan D’après C. Beaton - Chinese Album (photographs). Batsford, London, 1945. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 4(II) Cambridge University Press, 1977 - Droits réservés. 104 Thermomètre d’amontons - 1702 Le tube est rempli de mercure jusqu’en A alors que la boule E, remplie d’air, est plongée dans l’eau bouillante. Il mesure ensuite les températures T < 100°C. 105 Calorimètre de Lavoisier et Laplace - publié à Londres en mars 1802 in C. Ronan - Histoire mondiale des sciences - Le Seuil, Paris, 1988 - Droits réservés. 106 Pompes à vapeur de Newcomen (à gauche) et de Watt (à droite) 107 Principe du régulateur à boules 108 Le cycle de Carnot - Les échanges de chaleur se font le long des isothermes et l’on passe de l’une à l’autre sans échange de chaleur. 109 Dynamo Gramme 110 Le chariot montrant le sud D’après G. Lanchester - The Yellow Emperor’s South-Pointing Chariot (with a note by A.C. Moule). China Society, London, 1947. In J. Needham - Science and Civilisation in China Vol. 4(II) - Cambridge University Press, 1977. 111 Le royaume Khazar Principales routes fluviales en Europe orientale aux ixe et xe siècles.

XI - Les Transports 112 Hotte avec bandeau frontal - Femme déménageant près de Gorepani - Népal 113 Ambulance dans l’Himalaya 114 Porteuse d’eau au Huang Shan - Chine

Table des illustrations

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115 Roue et essieu en bois - Mato Grosso 116 Navigation avec barque en peau et outre - Palais de Sennacherib D’après J.C. Margueron - Les Mésopotamiens - Tome 1 : Le temps et l’espace Armand Colin, Paris, 1991 - Droits réservés. 117 Barque de roseaux - Lac Titicaca - 1968 118 Schéma de la coque cousue du navire de Khéops D’après P. Schmid. In P. Pomey et al. - La Navigation dans l’Antiquité - Edisud, 1997. 119 Une trière athénienne Construction de la coque - Système bordé première Schéma des bancs de nage D’après les Dossiers d’Archéologie 183. 120 Le Kyrenia ii - 1986 In P. Pomey et al. - La Navigation dans l’Antiquité - Edisud, 1997 - Droits réservés. 121 Réduction de la voilure par le système de cargues a - Voile de portant avec vergue brassée en pointe - Toile maximum b - Voilure de transition portant-près - Toile réduite de moitié D’après R. Roman, CCJ-CNRS. In P. Pomey et al. - La Navigation dans l’Antiquité - Edisud, 1997. 122 Le port d’Alexandrie - Bassin principal et phare - Le sud est en haut. Aquarelle de J.Cl. Golvin. In Le Phare d’Alexandrie - Dossiers d’Archéologie 259 - Droits réservés. 123 Une voile latine sur le Nil 124 Caravelles de C. Colomb Carte postale commémorative en 1992. Sociedad quinto centario - Droits réservés. 125 Exemples de gouvernail par deux rames : a - Amulette de l’Indus - 2500 avant J.C. D’après Les Cités oubliées de l’Indus. Archéologie du Pakistan Musée national Guimet, 1988 - Droits réservés. b - Procession de la barque sacrée - Karnak - 1300 avant J.C. c - Bateau Bugi - Ujung Pandang (Sulawesi) - 1981 126 Le navire amiral de Zheng He - à côté, à la même échelle, la caravelle de Christophe Colomb (100 ans plus tard) 127 Jonque dans le port de Shanghai - 1979 128 Navire à aubes - dynastie Song - 1161 D’après Yü Chhang-Hui - Essentials of Coast Defence. 1822. In J. Needham - Science and Civilisation in China - Vol. 3 - Cambridge University Press, 1979 - Droits réservés. 129 Carte d’Eratosthène du monde connu au iiie siècle avant J.C. D’après P.F.J. Gosselin. In P. Pomey et al. - La Navigation dans l’Antiquité Edisud, 1997 - Droits réservés. 130 Carte en projection cylindrique de Mercator - 1595 D’après Gérard Mercator - Atlas sive cosmographicae mediationes de fabrica mundi et fabricati figura. Duisburgi, [Mercator], 1595. VH 14.348 C LP. In Le Cartographe Gérard Mercator Crédit Communal de Bruxelles, 1994 - Droits réservés.

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Naissance et diffusion de la physique

131 Arbalestrille ou bâton de Jacob La plupart possédait 2 ou 3 bras latéraux de longueur différente. 132 Le premier chronomètre de marine H1 (1735) de Harrison et les suivants H4 (1761) est au centre. Photo du National Maritime Museum, Greenwich, Londres. In D.S. Landès - L’heure qu’il est - NRF, Gallimard, 1987 - Droits réservés.

XII - La physique et le pouvoir 133 Maquette du phare d’Alexandrie D’après la reconstitution de H. Tiersch. Alexandrie. Musée maritime. © Sarapis/Alexandrie. In Dossiers d’Archéologie 201 - Droits réservés. 134 Les industries du fer et du sel dans la Chine des Han de l’Ouest 200 avant J.C. à 9 après J.C. D’après J. Gernet - Le Monde chinois - Armand Colin, 1972. 135 La grande place de Samarcande Reconstruite à l’identique par les Soviétiques. 136 Les étrangers en visite en Chine sous les Tang 137 Un imprimeur itinérant dans l’Himalaya 138 La maison des esclaves à Gorée - Sénégal 139 Plan de Uraniborg Joannes Blaeu - Atlas major sive cosmografia, Blaviana, 1662, Institut de France. In J. Blamont - Le Chiffre et le Songe - Odile Jacob, Paris, 1993 - Droits réservés.

Index des noms de personnes Paolo dell'Abaco 55 Abd Al Malik 199 Açoka 50 Adélard de Bath 35, 54 Clément Ader 196 Ahmôsis 56 Muhammed Al Awfi 134 Al Battani 59, 120, 193, 201 Al Biruni 158 Mohammed Al Fazari 53, 120, 193, 199 Al Kashi 54, 59, 66, 201 Al Khwarizmi 53-54, 59, 120, 200 Al Kindi 119-120 Al Mamun 35, 53, 59, 199 Amir Al Muminin (Omar I) 35 Nasir Al Tusi 54, 201 Alexandre le Grand 32, 185, 197 Alhazin (Ibn Al Haytham) 53-54, 119-120, 201 Durante Alighieri (Dante) 77 Alphonse III d’Aragon 192 Alphonse VI de León 35, 54 Altan Khan 36 Guillaume Amontons 159 André-Marie Ampère 145 Anaxagore de Clazomène 75 Anaximandre de Milet 31, 74, 100, 197 Anaximène de Milet 74, 100, 197 Thomas Andrews 161 Jacopo Angiolo 191 Adrien Anthoniszoon 66 François Arago 124 Archimède de Syracuse 46, 58, 67, 68, 102, 114, 118, 198, 201 Archytas de Tarente 32, 116-117, 197 Aristarque de Samos 33-34, 93 Aristote 32-35, 41, 69, 75-77, 102, 104-109, 118-120, 197, 199, 201, 207-208, 211, 212

Arjuna 50 François Marie Arouet (Voltaire) 78, 86, 102, 208 Artémis 102 Aryabhata 34, 50, 53, 59, 95, 120, 193, 199, 201 Averroès (Ibn Rushd) 34, 120 Avicenne (Abu Ibn Sina) 119, 201 Avogadro (Amedeo Di Quaregna e Ceretto, comte d') 80 Johann Sebastian Bach 141 Francis Bacon 208-209 Roger Bacon 35, 120, 134 Johann Jacob Balmer 129 Banu Musa 152 Evèque Bar Sauma 35 Famille Bardi 55 Isaac Barrow 103 Matsuo Basho 87 Alphonse Eugène Beau de Rochas 158 Graham Bell 146 Cardinal Bellarmin Martin Benhaïm Jacques Etienne Bérard Aristide Bergès Jacques Bernoulli Père Berthier Louis Berthoud Jöns Jacob Berzelius Friedrich Bessel Henry Bessemer Bhaskara II Bi Sheng Vannoccio Biringuccio Joseph Black Louis Blériot Boèce

122 188 161 167 110, 114 69 196 80 139 24 59 203 78,155 160 196 34

248 Niels Bohr 80, 129 Theophrast Bombast von Hohenheim (Paracelse) 77 Raffaele Bombelli 60 Napoléon Bonaparte 162-164, 209, 213 Auguste Bouchayer 167 Jacques Boucher de Perthes 1 38, 51, 88 Bouddha Robert Boyle 85, 160-162, 208 James Bradley 128 Thomas Bradwardine 108 Tycho Brahé 69-71, 96, 108, 201, 206-207, 212 Brahmagupta 50, 53, 59, 199 Edouard Branly 146 Fernand Braudel 24 Bernard Brunhes 4 Robert Wilhelm Bunsen 129 Jost Burgi 99 Jean Buridan 106-107 Alvise Cà Da Mosto 205 Pedro Alvares Cabral 194 Caï Lun 44 Jérôme Cardan 60, 170-172 Sadi Carnot 165-166 Isaac Casaubon 77 Nicolas Cassegrain 125 Jean Dominique Cassini 144 Cassiodore 103 Henry Cavendish 71, 79, 144 Anders Celsius 159, 166 Jehan Certain 56 Jules César 96 Charlemagne 67 Charles II d'Angleterre 208 Charles Quint 30 Cheng Da Wei 49 Dynastie Cholas 53 Christian IV de Danemark 206 Manuel Chrysoloras 191 Nicolas Chuquet 55, 60 Cicéron 186 Erazmus Cioler (Witetelo) 120 Rudolf Clausius 166 Nicolas Clément 99, 161

Naissance et diffusion de la physique Cléopâtre VII 35, 184, 198 Jean-Baptiste Colbert 207 Christophe Colomb 136, 188, 189, 194, 196 Abbé de Condillac 86 Condorcet (Marie Jean Antoine de Caritat, marquis de) 63 Confucius (Kong Fu Zi - Kong Zi) 39, 41, 87 120 Constantin l’Africain Nicolas Copernic 69, 77, 84, 207, 212 Charles de Coulomb 144-145 Abraham Cresques 192 Jaffruda Cresques 204 Oliver Cromwell 208 Ctésibios d’Alexandrie 111, 168, 199 Marie et Pierre Curie 81 Evêque Cyrille 35, 199 John Dalton 80, 161 Dante (Durante Alighieri) 77 Clinton Davisson 125 Humphrey Davy 80, 145 Jean-Baptiste Delambre 63 François Delaroche 161 Piero Della Francesca 60 Giambattista Della Porta 120-121, 159 Démétrios de Phalère 198 Démocrite d’Abdère 58, 75-77, 84 Marcel Deprez 167-168 René Descartes 36, 78, 84-85, 103, 106-107, 109, 122, 141, 207, 212 Charles Desormes 161 Bartolomeo Dias 194, 206 Rudolf Diesel 158 Dioclétien 103 Diophante d’Alexandrie 58-60, 123, 198 Pietro Doria 191 Edwin Laurentine Drake 158 Stillman Drake 107 Pierre Duhem 107 Angelino Dulcert 192 Pierre Louis Dulong 161 Armand Jean Duplessis, cardinal de Richelieu 207 Du Yu 153 Gil Eanès 205 Thomas Edison 167 Albert Einstein 125, 129

Index des noms de personnes Elizabeth I d'Angleterre 209 Empédocle d’Agrigente 74, 101, 127, 197 Enki 31 Enlil 31 Epicure 76, 84 Eratosthène de Cyrène 93, 188, 191, 198 Euclide 58, 59, 103, 118-120, 198, 201 Leonhard Euler 109-110 Dyonisius Exiguus 103 Fa Xian 51 Giovanni Fabbroni 67 Daniel Gabriel Fahrenheit 159 Michel Faraday 146, 161, 167 Feng Dao 203 Adam Ferguson 102 Pierre de Fermat 60, 123 Galileo Ferraris 167 Leonardo Fibonacci 55 Marsilio Ficin 77 Hippolyte Fizeau 128 Hippolyte Fontaine 168 Niccolo Fontana (Tartaglia) 60 Bernard le Boivier de Fontenelle 126 Henry Ford 158 Jean-Nicolas Fortin 67 Léon Foucault 128-129 Joseph Fourier 129, 137, 145, 161, 214 William Henry Fox Talbot 129 Benjamin Franklin 144 Joseph von Frauenhofer 129 Frédéric II de Danemark 206 Thierry de Freiberg 120 Nicolas Fresnel 124, 128 Jean Froissart 99 Famille Fugger 55 Gaïa 74 Galien de Pergame 117, 119-120, 199, 201 Galilée (Galileo Galilei) 35-36, 68-69, 78, 85, 102, 107-110, 113, 120-122, 125-127, 129, 208, 212 Abbé Gallois 208 Vasco de Gama 194 Gao 23, 153 Louis Joseph Gay-Lussac 80, 161 Geber (Jabir Ibn Hayyan) 201

249 Reiner Gemma Frisius 60 Gérard de Crémone 35, 54, 120 Gerbert d’Aurillac (Sylvestre II) 54 Lester Halbert Germer 125 William Gilbert 136 Jonathan Goddard 208 Zénobe Gramme 145, 167 Stephen Gray 144 Grégoire XIII 96 James Gregory 125-126 Robert Grosseteste 35, 120, 122 Gudea 61 Otto von Guericke 85, 144, 161 Gutenberg (Johannes Genfleisch) 203 Guyot de Provins 134 Louis Guyton de Morveau 79 Hadès 74 Edmund Halley 109-110 Dynastie Han 27, 38, 53, 62, 66, 82, 86, 97, 132, 143, 148, 153, 168, 199, 200 Han Fei 40, 132 Hannon 182 John Harrison 195 Hatshepsout 181 Abbé de Hautefeuille 143 Tancrède de Hauteville 54 René Just Haüy 67 Georg Hegel 202 Hermann von Helmholtz 137, 166 Henri le Navigateur (Dom Henrique) 187-188, 193, 205 Héraclite d’Ephèse 101 Hermès 77, 79 Hérode le Grand 103 Hérodote 143 Héron d’Alexandrie 33, 111, 152, 170 William Herschel 125 Heinrich Hertz 146 Paul Héroult 167 Hésiode 31 Hiéron II de Syracuse 68, 114 Hippale 194 Hipparque de Nicée 93, 191, 198, 206 Hippocrate de Cos 199 Homilius (Johann Hommel) 69, 70

250 Sungmin Hong 16 Robert Hooke 85, 109, 127 William Horner 16 Hou Han Shu 153 Huai Bing 114 Huai Nan Zi 23, 86 Huai Zi 68 37 Huang Di Jan Hus 77 Christiaan Huygens 99, 123-124, 162, 208 Hypatie d’Alexandrie 199 Ibn Al Haytham (Alhazin) 53-54, 119-120, 201 Jabir Ibn Hayyan (Geber) 201 Hunayn Ibn Ishaq 120, 199 Ibn Luqa 119 Thabit Ibn Qurra 59, 201 Abu Ibn Rushd (Averroès) 34, 120 Ibn Sahl 119 Ibn Sina (Avicenne) 119-120, 201 Imbert 158 Inanna 31 William Irvine 160 Philippe Jaccottet 182 Jésus 103 Jia Xian 59 Jin 190 Joao I d’Aviz 204 James Joule 166-167 Justinien 35 Kanischka 51 Kankan Moussa 28 Jacques de Vitry 134 John Keill 110 Lord Kelvin (William Thomson) 146, 166 Johannes Kepler 71, 85, 103, 108, 113, 122, 207, 212, 214 Omar Khayyam 59, 201 Khazar 171-172 Khéops 94, 176, 180 Gustav Robert Kirchhoff 129 Kong Fu Zi (Kong Zi - Confucius) 39, 41, 87 Kou Qian Zhi 39 Koushan 50-52 Alexandre Koyré 78, 84, 107 Gerhard Kremer (Gerardus Mercator) 60, 193

Naissance et diffusion de la physique Krishna 50 Kubilai Khan 191 Kumarajiva 51 Philippe de La Hire 170 Aristocratie Lac 53 Lagos 198 Joseph Louis Lagrange 110, 214 Maître Lai 135 Famille de Lancastre 204 George Lanchester 171 Langdarma 36 Lao Zi 38, 86, 211 Pierre Simon de Laplace 79, 110, 160-161, 214 Antoine Laurent de Lavoisier 68, 71, 76, 79-80, 144,160, 197, 199 Pierre Le Roy 196 Antoine Van Leeuwenhoek 130 Louis Lefèvre-Gineau 67 Gottfried Wilhelm Leibniz 103, 107-110, 162 Léonard de Vinci 99, 111, 120, 169-170 Léopold de Médicis 208 André Leroi-Gourhan 7 Leucippe de Milet 73 Lévi Ibn Gerson 194 Jean de Leyde 144 Li Bai 87 Willard Frank Libby 1 Li Bing 26 Li Se Jong 203 Li Shi Chen 83 Libavius 78 James Lind 192 Ling Lun 138 Liu Hui 58 Liu Quo 64 Liu Zhiji 202 Lo Xia Hong 113 Louis XIV 207 Jean André de Luc 144 Lucrèce 76, 84, 118 Martin Luther 77 Théodore Lyman 129 Ma Jun 171 Pierre Joseph Macquer 79 Alexis Magny 127

Index des noms de personnes Mahavira 51 Marc Antoine 35, 184 Marcellus 102 Guglielmo Marconi 146 Marduk 31 Pierre de Maricourt 35-36, 134 Abbé Edme Mariotte 160 36-37 Marpa Pierre Martin 24 Amable Matussière 167 Motonori Matuyama 4 Dynastie Maurya 50 James Clerck Maxwell 124, 145-146, 214 Mécène 111 Pierre Méchain 63 Famille de Médicis 214 Cosme de Médicis 55, 77 Dimitri Ivanovitch Mendeleïev 80 Meng Yuan Lao 133 Meng Zi 41 Ménon 58 Gerardus Mercator (Gerhard Kremer) 60, 193 Marin Mersenne 141 Méton d'Athènes 93, 95 Mi Fu 83 Albert Michelson 128 Milarepa 36-37 Dynastie Ming 13, 62 Ming Di 38 Ming Yong Le 189 Minos 182 Mithridate 153 Mo Zi 40, 111, 197-198, 211 Moïse 77 Henry de Montmort 110 Henry More 85 Edward Williams Morley 129 Johann Müller (Regiomontanus) 60, 96 Napoléon I 162-164, 209, 213 Néchao II 182 Alexander Neckham 134 Joseph Needham 132-135 Néron 84 Nestorius 35 Thomas Newcomen 162-163

251 Isaac Newton 36, 60, 78, 85, 103, 108-110, 113, 123-125, 129, 146, 207-209, 214 Abbé Nollet 144 Guillaume d’Ockham 77 Octave 184 Hans Christian Oersted 145 Georg Ohm 145, 161 Sergei Oldenburg 149 Omar I (Amir Al Muminin) 35 Nicolas Oresme 106 Oribasius 168 Orphée 137 Luca Pacioli 56 Denis Papin 162 Paracelse (Theophrast Bombast von Hohenheim) 77 Parménide d’Elée 101, 197 Blaise Pascal 36, 85 Paul III 203 Paul IV 203 Paul Pelliot 149 Famille Perruzi 55 Alexis Petit 161 Petronius 103 Georg Peuerbach 60 Phédon 117 Phidias 114 Philippe le Bel 27 Philon de Byzance 111, 198 Jean Philopon 75 Abbé Picard 208 Max Planck 124 Platon 32, 58, 101-102, 143, 199 Pline l’Ancien 120, 143 Plutarque 102, 114, 118, 143 Denis Poisson 161 Marco Polo 188 Pompée 184, 186 Poséidon 73 Poseidonius d’Apamée 113 Derek John de Solla Price 171 Joseph Priestley 71, 79, 144 Nicolaï Mikhaïlovitch Prjevalski 148, 178 Ptolémée Claude 34, 54, 60, 69, 71, 93, 118, 120, 185, 191-193,198-201, 211-212

252 Ptolémée Evergète 198 Ptolémée Philadelphe 198 Ptolémée Philopator 198 Ptolémée Sôter 198 Pythagore de Samos 32, 58, 74, 93, 101, 138, 197 Pythéas 113, 182, 191 190 Qiao Wei Yue Dynastie Qin 27, 48-49,168, 199 Qin Jiu Shao 59 Qin Shi Huang Di 40, 176, 197 Dynastie Qing 213 Qing Kang Xi 64 Evêque Raimond 35, 54 Agostino Ramelli 155 Ramsès II 94, 178 René Antoine Ferchault de Réaumur 159 Regiomontanus (Johann Müller) 60, 96 Henri Victor Regnault 161 Louis Renault 158 Jaime Ribes 193 Matteo Ricci 98 César Pierre Richelet 111 Richelieu (Armand Jean Duplessis, cardinal de) 207 Rikyu 88 Robert Robinson 164 Ole Römer 123, 127-128, 139 Christoff Rudolff 60 Benjamin Thomson, comte de Rumford 160 Ernest Rutherford 80 Saint-Augustin 76, 120 Saint-Benoît 24 Saint-Louis 28, 191 Saint-Luc 186 Saint-Matthieu 103 Saint-Paul 186 Salomon 1 Louis de Santangel 188 Santorio (Sanctorius de Padoue) 159 Thomas Savery 162-163 Scipion Emilien 28, 183 Selim 134 Sénèque 84 Sennacherib 177, 179

Naissance et diffusion de la physique Ere Shaka 50-52 Dynastie Shang 15, 37, 48, 53 Shen Gua 113, 119, 132, 136, 203 Shi Tao 88-89 William Hamilton Shortt 100 Si Ma Qian 27, 139, 199 Si Ma Xiang Ru 171 25 Siegfried Wilhem von Siemens 24 Willebord Snell 122 Socrate 58 Dynastie Song 17, 27, 41, 62, 83, 136, 170, 190-191, 202-203, 206 Sosigène d'Alexandrie 96 Songtsen Gampo 36 Georg Ernst Stahl 79 Aurel Stein 149 George Stephenson 164 Simon Stevin 60, 115 Strabon d'Amassée 153 Su Song 98, 169 Dynastie Sui 53 Maître Sun 49 Sviatoslav I 172 Sylvestre II (Gerbert d’Aurillac) 54 Tan Qiao 119, 142 Dynastie Tang 27, 36, 53, 62, 87, 149, 151, 169-170, 202-203 Tartaglia (Niccolo Fontana) 60 Evêque Tempier 106 Nikola Tesla 167 Thalès de Milet 29-30, 31-32, 73, 100, 197, 211 Théophraste d’Erèse 75 Antoine Thomas 64 Thomas d’Aquin 34, 41, 77, 102, 106 William Thomson (lord Kelvin) 146, 166 Christiaan Thomsen 7 Thot 77 Thoutmosis III 97 Thucydide 182 Thysong Detsen 36 Tiamat 31 Tiglath Phalasar III 73, 197 Timothée I 35 Ting Huan 171, 172

Index des noms de personnes Evangelista Torricelli 85, 152 John Sealy Edward Townsend 80 Trajan 28 Jean François Tretz 169 Trac et Nhi Trung 53 Tsongkhapa 36 Tughril-Bey 202 22 Tukulti-Ninurta Ulysse 182 Antoniotto Usodimare 205 Valois 207 Jacques de Vaucanson 169 Giovani Battista Venturi 114, 213 Ferdinand Verbiest 68 Pierre Vernier 63 Pietro Vesconte 192 François Viete 60 Ere Vikrama 52 Villard de Honnecourt 111, 170 Vishnu 52 Vitruve 111, 153 Vladimir I le Saint 172 Alessandro Volta 144, 167 Voltaire (François Marie Arouet) 78, 86, 208 John Wallis 208 Wang Chong 82-83, 119, 143 Wang Zhen 169 James Watt 163-164 Dynastie Wei 39, 49, 51, 88 Wen Cheng 36 Andrew Wiles 60 John Wilkins 208 John Wilkinson 155 Witelo (Erazmus Ciolek) 120

253 William Hyde Wollaston Christopher Wren Wilbur Wright John Wycliffe Xuan Zong Xun Zi Maître Yang Yao Marquis Yi Yi Hi Yi Xing Thomas Young Yu le Grand Dynastie Yuan Zarlin (Gioseffo Zarlino) Jacob Zech Zeng Gong Liang Zénobie Zénon d’Elée Zénon de Kition Zeus Zhang Heng Zhang Si Xun Zheng He Dynastie Zhou Zhu Fu Zhu Xi Zhu Zai Gu Zhuang Zhou Zigong Zilu Zou Yan Zu Chong Zhi

129 109, 208 196 77 202 82, 88 135 37 140 96 64, 98, 135 124 37 95, 149, 203 138, 141 99 133 33, 186 101, 197 84 73 86, 142 98, 169 189 20, 37, 48, 62, 97, 139, 149, 177 133 41 140 38 39 39 40, 82, 198 66

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Index géographique Abbeville 1 Abdère 75 Mont Abu 51 Açores 205 Actium 184 Agrigente 197 Aigues-Mortes 191 Albelda 54 Alexandrie 35, 95, 111, 185-186, 191, 198-199, 214 Aljubarrota 204 Allevard 23 An Yang 16, 21, 37, 48 Anatolie 15, 17 Annam 170 Antioche 186 Apamée 157 Arzon 186 Assouan 93 Désert d’Atacama 126 Athènes 29, 30, 32, 35, 93, 197 Augsbourg 30, 55 Avignon 192 Babylone 31-32, 57, 92 Bagdad 35, 44, 53, 119, 202, 214 Bahamas 188 Baléares 192 Bali 52 Baltimore 146 Barcelone 63 Bassorah 119 Barrage de Bazacle 156 Bohème 29, 77 Cap Bojador 188, 205 Bologne 144, 191 Cap de Bonne-Espérance 206 Bordeaux 63

Bhoutan 36 Brassempouy 11 Bruges 187, 205 Byblos 181 Byzance 27, 35, 150, 199, 205 Cafer Hoyük 12 Calicut 194, 205 Cambodge 53 Cambridge 103, 146 Canaries 188 Canton 133-134, 141, 188 Cantorbery 152 Caroline du Sud 203 Carpathes 27, 28 Carthage 28, 181, 183-184, 186 Mer Caspienne 172 Çatal Höyük 15 Catalogne 192 Caucase 21, 172 Cayenne 208 Ceuta 29 Champa 53 Chang Jiang 190 Chang’an 135 Changsha 118 Chartres 77, 169 Grottes Chauvet 11, 136 Chichen Itza 95 Chypre 16, 183 Cluny 24 Cnossos 176 Cornouailles 182 Coumes 186 Crotone 32, 197 Dacie 28 Damas 134 Délos 186,197

256

Delphes 118 Derby 163 Dioscoride 194 Djerba 55 Dmanisi 8 Dniepr 172 Dolni Vestonicé 11 Domène 167 Donetz 172 Drepung 36 Dun Huang 148-149, 179, 203 Dunkerque 63, 136 Edesse 35, 53 Elam 197 Elée 101, 197 Elseneur 206 Ephèse 35, 101, 186 Eurasie 7 Les Eyzies 10 Florence 55 Foshan 141 Franche-Comté 63 Froges 167 Fu Nan 53 Gafzeh 10 Gansu 157 Gao Ling 12 Gênes 27, 55, 187 Géser 1 Ghana 205 Gibraltar 9 Giens 184 Gizeh 176 Désert de Gobi 132,149 Gorepani 175 Grande-Grèce 32, 197 Greenwich 127 Grenade 29 Grenoble 162, 165, 167 Groenland 16 Guang Xi 10 Gwalior 52 Haçor 1 Hallstatt 23 Hangzhou 191

Naissance et diffusion de la physique

Harappa 13 Hasanoglou 29 Himalaya 175 Hohmichele 24 Holstein 206 Hotan 36, 51 Huang Shan 176 Hué 64 Hveen 206 Ienisseï 150 Lac Ilmen 172 Indus 189 Ionie 197 Issoudun 155 Java 8 Jiang Su 13 Jiroft 12 Jumièges 152 Kadasiya 53 Kai Feng 136, 204 Kanesh 20 Karnak 189 Kham 36 Col de Khyber 51 Kish 17, 178 Kition 183 Monts Kun Lun 38 Kuqa 51 Kyushu 191 La Barbade 195 La Caille 15 La Haye 114 La Mecque 28, 134 La Mure 165 La Tène 24, 186 Ladakh 36 Lagash 61 Lam Ap 53 Lancey 167 Le Caire 28, 119 Le Cap 194 Le Creusot 165 Le Laurion 30 Le Moustier 10 Le Pirée 183

Index géographique

Le Punt 181 Le Vallonet 8 Les Eyzies 10 Levallois-Perret 9 Leyde 144 Lhassa 36 Lille 165 Lillers 158 Lisbonne 205 Liverpool 164 Luoyang 157 Lyon 55, 67, 156, 165 Madère 205 Magdeburg 144 Maghreb 54 Maine 62 Mainz 203 Majorque 192 Malindi 194 Malte 186 Manchester 164 Maragha 201 Mari 22, 179 Marseille 55, 62 Massilia 186 Mato Grosso 177 Mauer 9 Mawangdui 118 Meggido 1 Mehrgarh 12, 13 Mésopotamie 15, 17, 56, 137, 179 Milet 73,197 Mogadiscio 190 Mogao 149 Morbihan 186 Nam Viet 53 Nankin 213 Nantes 207 Nanyang 153 Nara 132 Lac Nemi 169 Newcastle 162 Niani 28 Nihavend 53 Nisibe 35, 53

257

Norai 62 Northumberland 162 Novgorod 172 Oil Creek 158 Ostie 186 Oxford 35, 109, 110, 120, 134, 208 Padoue 34 24 Lac de Paladru Palembang 52 Palerme 54 Palmyre 186 Palos 188 Paris 34-35, 106, 126, 136, 165, 167, 196, 208 Parme 121 Pays de Galles 162 Pékin 95, 98, 140, 213 Perche 62 Pergame 35 Pharos 185 Pise 55, 108 Pithécoussaï 186 Portsmouth 195 Potosi 30 Pouzzoles 186 Prague 99 Puy-de-Dôme 85 Qadesh 178 Ranakpur 51 Ratisbonne 85 Ravenne 34 Rhodes 186, 191 28, 32, 85, 184, 186 Rome Roussillon 192 Sagres 204 Saint-Albans 152 Saint-Etienne 165 Saint-Germain 165 Saint-Pétersbourg 81 Saint-Romain de Jalionas 24 Salamine 182 Samarcande 53, 66, 201 32, 74, 197 Samos Samye 36 Santorin 182

258

Sao Jorge da Mina 205 Schleswig 206 Sera 36 Sfax 55 Shanghai 190 Shanxi 162 Shiminoseki 214 26, 157, 199 Si Chuan 54, 199 Sicile Sinaï 16 Sindh 53 Désert de Sistan 152 Socotra 194 Sousse 55 Sparte 30 Spiti 36 Strasbourg 203 Lac Suigetsu 3 Sumatra 52 Sumer 13, 16 Suse 17, 178 Syracuse 68, 102, 114 149 Désert de Taklamakan Talas 44, 53, 199 Tarente 197 Tautavel 9 Tépé Sialk 15 Terra Amata 9 Désert de Thar 53 Thulé 113, 182, 191

Naissance et diffusion de la physique

Lac Titicaca 179 Tolède 35, 54 Toulouse 62, 123 Trapeang Prei 52 Trente 77, 203 Tsushima 214 Tura 176 189 Ujung Pandang Ur 13, 17, 47, 176, 178 Uraniborg 69, 214 Uruk 16 Varna 27 Vendée 60 Venise 55-56, 121, 187, 203, 205 Vienne 168 Vix 24 Vizille 167 Vreeswijk 190 Washington 146 Weizhou 64 Westminster 110 Wu Yue 13 Xiao Chang Liang 8 Yangshao 15 Yerkes 126 Zacatecas 30 Zakros 12 Zhe Jiang 13 Zhen La 53 Zhou Kou Dian 8

Table des matières Note à la deuxième édition............................................................................ V Avant-propos................................................................................................ VII Sommaire....................................................................................................... IX A propos des méthodes physiques de datation.............................................. 1 Dosage par le carbone-14 (14C).................................................................................................................................1 Dosage par la méthode uranium-thorium (U-Th)..............................................................................................3 Dosage par la méthode potassium-argon (K-Ar)................................................................................................3 Dosage de défauts de réseaux (non radioactifs)................................................................................................3 La thermoluminescence (TL)............................................................................................................................................................4 La résonance paramagnétique électronique (RPE)............................................................................................................4 Dosage par paléomagnétisme .................................................................................................................................4

I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes..... 7 Les débuts de l’outillage lithique en Eurasie............................................................... 7 Phase initiale en Eurasie ..............................................................................................................................................8 De 0,7 Ma à 0,5 Ma.........................................................................................................................................................9 La crise de 0,5 Ma à 0,3 Ma­.........................................................................................................................................9 De 0,3 Ma à 0,1 Ma.........................................................................................................................................................9 De 100 000 à 30 000 ans............................................................................................................................................ 10 Relations interespèces........................................................................................................................................................................ 10

La poterie et la céramique........................................................................................ 11 Apparition...................................................................................................................................................................... 11 La matière....................................................................................................................................................................... 12 Le tour.............................................................................................................................................................................. 13 Le four ............................................................................................................................................................................. 14

Les débuts de l’outillage métallique......................................................................... 15 Le cuivre.......................................................................................................................................................................... 16 Les minerais de cuivre et leur traitement.............................................................................................................................. 16 Usages du cuivre................................................................................................................................................................................... 17 Le bronze........................................................................................................................................................................ 17 Usages du bronze................................................................................................................................................................................. 17 Influence de l’usage du bronze sur la société.................................................................................................................... 19 Le bronze en Chine.............................................................................................................................................................................. 20

260

Naissance et diffusion de la physique

Apparition du fer......................................................................................................................................................... 22 Le minerai et son traitement.......................................................................................................................................................... 22 Le fer en Occident................................................................................................................................................................................ 23 Le fer en Chine........................................................................................................................................................................................ 25 Influence de l’usage du fer sur la société en Chine..................................................................................................... 26

Les métaux précieux.................................................................................................. 27 L’or..................................................................................................................................................................................... 27 L’argent............................................................................................................................................................................ 29 Métallurgie de l’argent....................................................................................................................................................................... 30 A partir du plomb argentifère................................................................................................................................................... 30 A partir du cuivre argentifère..................................................................................................................................................... 30

II - La raison et l’expérience.......................................................................... 31 La tradition grecque.................................................................................................. 31 Le prolongement en Occident................................................................................... 34 La pratique chinoise................................................................................................. 36 Les origines.................................................................................................................................................................... 36 La voie de la sagesse.................................................................................................................................................. 38 Confucius et le confucianisme - Kong Fu Zi (– 551 ~ – 479)............................................................................. 39 Le canon des mohistes.............................................................................................................................................. 40 L’Ecole des légistes (Fa Jia)....................................................................................................................................... 40 L’Ecole des logiciens (Ming Jia).............................................................................................................................. 40 Evolution et diffusion................................................................................................................................................. 41

Conclusion................................................................................................................. 41

III - La numération et le calcul........................................................................ 43 La numération – les deux procédés........................................................................... 44 Le procédé de superposition.................................................................................................................................. 45 La notation égyptienne..................................................................................................................................................................... 45 La notation grecque............................................................................................................................................................................ 45 La notation latine.................................................................................................................................................................................. 46 La notation mésopotamienne...................................................................................................................................................... 46 La notation décimale de position.......................................................................................................................... 48 Les chiffres en Chine........................................................................................................................................................................... 48 Les chiffres en Inde.............................................................................................................................................................................. 50 L’apparition du zéro............................................................................................................................................................................. 52 Diffusion des connaissances indiennes vers les Arabes............................................................................................... 53 Introduction des chiffres « ghubars » en Europe............................................................................................................... 54 Les maîtres de calcul au début de la Renaissance........................................................................................................... 55

La naissance du calcul............................................................................................... 56 En Egypte ....................................................................................................................................................................... 56 En Mésopotamie.......................................................................................................................................................... 57 Les mathématiques grecques et hellénistiques............................................................................................... 58

Table des matières

261

Les mathématiques chinoises................................................................................................................................. 58 Les mathématiques indiennes................................................................................................................................ 59 Les mathématiques de l’Islam................................................................................................................................ 59 L’essor des mathématiques européennes après 1500................................................................................... 60

IV - La mesure et la précision........................................................................ 61 Mesures de longueur................................................................................................ 61 Histoire............................................................................................................................................................................ 61 La recherche d’un étalon universel....................................................................................................................... 63

Mesures de surface et de volume............................................................................. 64 Le modèle égyptien.................................................................................................................................................... 64 Le modèle mésopotamien....................................................................................................................................... 65 Le modèle des Vedas indiens.................................................................................................................................. 65 Le modèle des textes Jaïn (– iie siècle ~ iie siècle).............................................................................................. 65 Le calcul d’Archimède (– 269 ~ – 212)...................................................................................................................... 65 Le calcul de Liu Hui (iiie siècle)................................................................................................................................... 65 Les calculs ultérieurs................................................................................................................................................... 66

Mesures de masse.................................................................................................... 66 La balance...................................................................................................................................................................... 66 La recherche d’un étalon de masse...................................................................................................................... 67

Mesures de temps.................................................................................................... 68 Autres mesures......................................................................................................... 68 La précision des mesures et la notion d’erreur.......................................................... 69

V - La matière et le vide............................................................................... 73 La matière................................................................................................................ 73 La physique grecque.................................................................................................................................................. 73 La suite en Europe....................................................................................................................................................... 76 La physique de la matière en Chine..................................................................................................................... 82

Le vide et le plein..................................................................................................... 83 En Occident.................................................................................................................................................................... 83 En Chine.......................................................................................................................................................................... 86 Conclusion...................................................................................................................................................................... 90

VI - Le calendrier et le temps........................................................................ 91 La notion primitive.................................................................................................... 91 Le calendrier............................................................................................................. 92 Le calendrier mésopotamien.................................................................................................................................. 92 Le système grec............................................................................................................................................................ 93 Le calendrier égyptien............................................................................................................................................... 94 Le calendrier indien.................................................................................................................................................... 94 Le calendrier chinois................................................................................................................................................... 95 Le calendrier aztèque ................................................................................................................................................ 96 Le temps dans le monde occidental.................................................................................................................... 96

262

Naissance et diffusion de la physique

La mesure du temps.................................................................................................. 97 Définition de l’unité de temps..............................................................................................................................100

Le temps, variable indépendante........................................................................... 100 Le temps chez Platon (– 427~ – 348)..................................................................................................................101 Le temps après Platon..............................................................................................................................................102 L’apparition du temps absolu...............................................................................................................................102 L’origine de l’ère chrétienne : notre zéro de référence.................................................................................103

VII - La mécanique : l'équilibre et le mouvement......................................... 105 L’étude du mouvement............................................................................................ 105 La mécanique d’Aristote en Grèce et au Moyen Âge....................................................................................105 La mécanique de Galilée. ........................................................................................................................................107 La mécanique de Newton........................................................................................................................................108 La mécanique utilitaire............................................................................................................................................111 La mécanique chinoise............................................................................................................................................111

Le cas particulier de la statique.............................................................................. 114 Archimède. ......................................................................................................................................................................114 La statique en Occident..........................................................................................................................................115

VIII - La lumière et l’optique........................................................................ 117 La perception lumineuse......................................................................................... 117 La lumière selon les Grecs......................................................................................................................................117 La lumière selon les Chinois..................................................................................................................................118 La contribution arabe..............................................................................................................................................119 Le Moyen Âge occidental et l’optique arabe ..................................................................................................120 Galilée.............................................................................................................................................................................120

Les théories de la lumière....................................................................................... 122 L’expression mathématique de la réfraction...................................................................................................122 L’hypothèse sur la nature de la lumière au xviie siècle..................................................................................122 La solution Fermat (1601~1665)............................................................................................................................123 L’optique ondulatoire au xixe siècle.....................................................................................................................124 La crise du corps noir...............................................................................................................................................124

Les applications...................................................................................................... 125 Les instruments d’optique......................................................................................................................................125 Lunettes et télescopes.................................................................................................................................................................... 125 Microscopes........................................................................................................................................................................................... 127 La vitesse de la lumière.................................................................................................................................................................. 127 La spectroscopie........................................................................................................................................................129

IX - Les actions à distance.......................................................................... 131 Le magnétisme....................................................................................................... 131 Le magnétisme terrestre et la Chine..................................................................................................................131 Le magnétisme en Europe.....................................................................................................................................134 La déclinaison.............................................................................................................................................................134

Table des matières

263

Les vibrations mécaniques...................................................................................... 136 Généralités sur la musique.....................................................................................................................................136 La musique grecque et mésopotamienne.......................................................................................................137 La musique chinoise.................................................................................................................................................138 Les instruments de musique chinois..................................................................................................................................... 139 Le tempérament........................................................................................................................................................140 La propagation des ondes.....................................................................................................................................142

L’électromagnétisme............................................................................................... 143 Les lois de l’électricité..............................................................................................................................................143 Les ondes électromagnétiques............................................................................................................................146

X - La production d’énergie et sa transmission............................................ 147 L’animal, le vent, l’eau et le gaz.............................................................................. 147 L’énergie animale et l’homme...............................................................................................................................147 Le vent...........................................................................................................................................................................152 L’eau................................................................................................................................................................................152 Le pétrole, le gaz et l’eau salée.............................................................................................................................157

La chaleur et le travail............................................................................................ 158 La notion de température et sa mesure............................................................................................................158 Qu’est-ce que la chaleur ?.......................................................................................................................................160 La dilatation des gaz.................................................................................................................................................160 La loi de Dulong et Petit (1819)..............................................................................................................................161 La diffusion de la chaleur selon Joseph Fourier (1768~1830)..................................................................161

Le charbon et la vapeur.......................................................................................... 162 Le charbon et l’industrie.........................................................................................................................................162 Watt et la machine à vapeur..................................................................................................................................163 Le charbon et la vapeur en France......................................................................................................................165

La thermodynamique.............................................................................................. 165 Remarques sur la puissance motrice du feu....................................................................................................166

Naissance de l’énergie électrique........................................................................... 167 Dispositifs divers de transmission........................................................................... 168 Engrenages..................................................................................................................................................................168 Paliers et roulements................................................................................................................................................168 Transmission par courroies et chaînes...............................................................................................................169 Excentrique, manivelle et bielle...........................................................................................................................169 La pompe à palettes.................................................................................................................................................170 L’hodomètre................................................................................................................................................................170 La suspension à la Cardan.......................................................................................................................................170 Le différentiel..............................................................................................................................................................171

Conclusion............................................................................................................... 173

264

Naissance et diffusion de la physique

XI - Les transports....................................................................................... 175 La roue et l’attelage............................................................................................... 176 Les débuts....................................................................................................................................................................176 La roue...........................................................................................................................................................................177 L’attelage.......................................................................................................................................................................178

La navigation.......................................................................................................... 179 L’usage des fleuves....................................................................................................................................................179 En Mésopotamie................................................................................................................................................................................. 179 En Egypte................................................................................................................................................................................................ 180 La conquête de la mer.............................................................................................................................................181 Les premiers temps........................................................................................................................................................................... 181 Les navires en Méditerranée....................................................................................................................................................... 182 Les navires de combat................................................................................................................................................................. 182 Les navires de commerce.......................................................................................................................................................... 184 Les ports............................................................................................................................................................................................... 185 Les difficultés du voyage............................................................................................................................................................ 186 Les navires à l’assaut de l’océan................................................................................................................................................ 186 La marine celte................................................................................................................................................................................. 186 La navigation dans l’Europe du Nord................................................................................................................................ 186 L’évolution des flottes du xiiie au xvie siècle...................................................................................................................... 187 La caravelle portugaise............................................................................................................................................................... 188 La marine chinoise............................................................................................................................................................................ 189 Les techniques de navigation...............................................................................................................................190 La navigation à l’estime et aux étoiles.................................................................................................................................. 190 Les cartes................................................................................................................................................................................................. 191 La trigonométrie................................................................................................................................................................................. 193 Le régime des vents.......................................................................................................................................................................... 194 En Méditerranée.............................................................................................................................................................................. 194 Dans l'océan Atlantique............................................................................................................................................................. 194 Dans l’océan Indien....................................................................................................................................................................... 194 La localisation sur mer : le point............................................................................................................................................... 194

XII - La physique et le pouvoir..................................................................... 197 La science grecque, la cité et son équivalent chinois.............................................. 197 La science hellénistique et Alexandre. ...................................................................... 198 La Chine unifiée des dynasties Qin et Han (– 221~190)......................................... 199 La Maison de la sagesse à Bagdad........................................................................ 199 La Chine des Tang et des Song................................................................................ 202 L’académie de Sagres............................................................................................. 204 Le détonateur de la révolution scientifique : Uraniborg........................................... 206 Les trois parties du programme initial de Tycho Brahé................................................................................206 Les résultats.................................................................................................................................................................207

La naissance des académies officielles................................................................... 207

Table des matières

265

Synthèse et conclusion................................................................................ 211 Unicité du problème................................................................................................ 211 La théorie et l’expérience....................................................................................... 211 En Occident............................................................................................................................................................................................ 211 En Chine................................................................................................................................................................................................... 212 Emergence de l’expérience en Europe..............................................................................................................212 Les mathématiques et l’expérience....................................................................................................................212

La divergence est-ouest.......................................................................................... 213 Evolution de la formulation des résultats................................................................ 214

Annexes...................................................................................................... 217 Annexe Annexe Annexe Annexe

I - Chronologie de la philosophie scientifique grecque................................ 219 II - Chronologie des avancées scientifiques et techniques chinoises........... 223 III - L’explosion scientifique arabe............................................................... 225 IV - L’éveil de la science en europe occidentale avant Galilée...................... 227

Une brève bibliographie............................................................................. 231 Histoire générale et histoire des idées.................................................................. 231 Histoire de la physique et des techniques.............................................................. 233

Table des illustrations................................................................................. 237 A propos des méthodes physiques de datation............................................................................................237 I - Les premiers essais d’intervention sur la nature : les outils et les armes.........................................237 II - La raison et l’expérience...................................................................................................................................238 III - La numération et le calcul...............................................................................................................................239 IV - La mesure et la précision................................................................................................................................239 V - La matière et le vide...........................................................................................................................................240 VI - Le calendrier et le temps.................................................................................................................................240 VII - La mécanique : l’équilibre et le mouvement..........................................................................................241 VIII - La lumière et l’optique...................................................................................................................................241 IX - Les actions a distance.......................................................................................................................................242 X - La production d’énergie et sa transmission..............................................................................................243 XI - Les Transports.....................................................................................................................................................244 XII - La physique et le pouvoir..............................................................................................................................246

Index des noms de personnes..................................................................... 247 Index géographique.................................................................................... 255 Table des matières..................................................................................... 259

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