Définir la théorie scientifique

- complète et sans exception
Pour durer, une théorie scientifique doit être complète, et ne comporte aucune exception. Par exemple, il est impossible d’accepter la loi de la gravité de Newton si, de temps en temps, des blocs de pierre flottent dans l’air.

- valeur prédictive
Le pouvoir prédictif est important : la théorie doit pouvoir être testée. Par exemple, la conception de l'aile d'un avion signifie qu'une fois que l'avion atteint une certaine vitesse, nous prédisons qu'il s'élèvera dans les airs, comme cela se produit à chaque occasion observée.

- appel aux mathématiques sauf exception
Les théories les plus logiques sont celles qui font appel aux mathématiques. À partir des lois du mouvement et de la gravité de Newton, nous pouvons, par le biais de calculs mathématiques, faire des déductions (aller du général au particulier) sur une série de phénomènes, du balancement d'un pendule au moment de la prochaine éclipse solaire.
Mais certaines théories n'utilisent pas des concepts mathématiques : la théorie de l'évolution de Darwin, par exemple, possède un certain pouvoir explicatif sans recourir aux mathématiques. Les théories relatives à la biologie et aux sciences médicales n’utilisent pas toujours les mathématiques.

Les mathématiques

Les mathématiques sont l'étude des nombres, des quantités, des formes et de l'espace, ainsi que de leurs interactions.
Les mathématiques appliquées utilisent des techniques mathématiques pour nous aider à comprendre les processus physiques et technologiques. Les mathématiques pures sont entièrement abstraites : elles ne dépendent pas de ce qui se passe dans le monde physique, ni même de quoi que ce soit d'extérieur à elles.

La vérité d'une théorie mathématique dépend de la logique et d'une preuve formelle rigoureuse, et non de l'expérience.

Une théorie mathématique est présentée sous la forme d'une série d'axiomes (un axiome est une proposition non démontrée, utilisée comme fondement d’un raisonnement ou d’une théorie mathématique) et à partir desquels l'ensemble de la théorie peut être déduit. Au début du vingtième siècle, les mathématiciens pensaient qu'il était possible de démontrer que leur sujet était un système complet et autorégulé. Cependant, en 1931, l’Autrichien Kurt Gödel a démoli cet espoir en prouvant que dans un système mathématique basé sur un nombre fini d'axiomes, il y aura toujours des propositions qui sont vraies, mais qui ne peuvent pas être prouvées à partir des axiomes.

Changement de paradigme

Le philosophe français Gaston Bachelard introduit le concept de rupture épistémologique pour décrire comment la science doit changer de théorie et de méthode en cas d’échec.

Dans son ouvrage de 1962 intitulé « La structure des révolutions scientifiques », le philosophe épistémologiste, l’américain Thomas S. Kuhn a suggéré que:

la science ne se développe pas de manière continue et linéaire, mais plutôt par une série de "changements de paradigmes".

En philosophie des sciences, un paradigme est une vision très générale du monde, un cadre conceptuel dans lequel les scientifiques opèrent, et dans lequel toute investigation particulière est entreprise. Dans le cadre d'un paradigme donné, les chercheurs poursuivent une "science normale", résolvant les problèmes posés selon la vision connue du monde, sans chercher à la remettre en question.

Un changement de paradigme est une rupture, une révolution scientifique au cours de laquelle un paradigme en remplace un autre. Cela conduit à une période de "science révolutionnaire" au cours de laquelle de nouvelles perspectives s'ouvrent, de nouvelles pistes de recherche se présentent et de nouvelles questions sont posées sur les anciennes données et sur les anciennes hypothèses. Les changements de paradigme se produisent lorsque des incohérences et des énigmes insolubles du paradigme existant s'accumulent.

L'exemple classique d'un changement de paradigme est la prise de conscience par Nicolas Copernic (1473-1543) que l'ancien modèle ptolémaïque de l'univers centré sur la terre ne pouvait pas expliquer les observations accumulées sur les planètes. En émettant l'hypothèse que la Terre tournait autour du Soleil, et non l'inverse, il a constaté que son nouveau modèle correspondait mieux aux données. Le modèle de Copernic centré sur le Soleil a été dénoncé par l'Église catholique romaine, car il éloignait la Terre, et donc l'humanité, du centre de l'univers.

Un autre changement spectaculaire de paradigme, citons le renversement de la mécanique newtonienne par la physique quantique et la relativité au début du vingtième siècle.
En mettant en lumière les changements de paradigme, Kuhn a montré que la science est en fait une activité humaine. En tant que telle, la science est dans une certaine mesure subjective, façonnée par des facteurs sociaux, culturels et historiques.

Espace

L'espace est l'étendue sans limites dans laquelle tous les objets sont situés. Dans le cadre de l'espace, les positions des objets, les uns par rapport aux autres, peuvent être données par la distance et la direction. L'espace, l'une des grandeurs fondamentales de la science, est mesuré par le mètre.
Selon la mécanique newtonienne, l'espace a trois dimensions linéaires et est absolu, existant indépendamment de toute matière.
Selon la théorie de la relativité, l'espace fait partie du continuum espace-temps, le temps étant la quatrième dimension. La relativité nous dit que l'espace-temps n'est pas absolu et ses deux aspects peuvent être déformés par les champs gravitationnels autour des objets massifs.
La théorie du Big Bang postule que l'espace-temps est apparu il y a 13,7 milliards d'années et que, depuis cet événement, il n'a cessé de s'étendre. Dans l'abstrait, l'espace est conçu comme illimité, mais la question de savoir si l'univers lui-même est infini, continue de préoccuper les cosmologistes.

Selon la théorie générale de la relativité, l'espace-temps agit comme une "feuille de caoutchouc" ou un « drap » qui peut être déformée par la présence de grandes masses.

Temps

Le temps est l'une des dimensions fondamentales de la physique. Il mesure la durée, en relation avec un processus périodique régulier tel que la rotation de la Terre ou l'émission de radiations par des atomes de césium (utilisé comme base pour la définition moderne de la seconde, l'unité fondamentale du temps).

Notre expérience subjective du temps suggère qu'il n'est pas absolu, le temps est long lorsque nous nous ennuyons et s’accélère lorsque nous nous amusons. De notre point de vue, le passé, le présent et le futur se chevauchent.

Contrairement à cette expérience, la mécanique classique newtonienne insiste sur le fait que le temps s'écoule à une vitesse uniforme. Mais les théories de la relativité d'Einstein nous apprennent que le temps n'est pas absolu et qu'aux vitesses approchant celle de la lumière (par rapport à l'observateur), le temps est dilaté. Avec l'espace, le temps forme le continuum quadridimensionnel appelé espace-temps.

Le temps peut être défini comme le cadre dans lequel le changement se produit. Il semble également avoir une direction : bien que la plupart des lois de la physique permettent aux processus d'aller dans les deux sens, certaines ne le permettent pas.

C'est le cas de la deuxième loi de la thermodynamique, formulée au XIXe siècle, qui stipule que l'entropie (désordre ou chaos) de tout système augmente avec le temps. Les roches s'effritent, les voitures rouillent, les êtres vivants meurent et se décomposent - autant de processus irréversibles.

Selon la théorie du Big Bang, l'univers a commencé il y a 13,7 milliards d'années. Si le temps existait avant cela, alors ce qui s'est passé dans cette période antérieure n'a pu avoir aucun effet sur la période actuelle.

La deuxième loi de la thermodynamique suggère que tout mouvement et tout changement, et que le temps lui-même finira par cesser. Les cosmologistes rappellent que notre univers n'est qu'un univers parmi une myriade d'autres, et que la fin de notre univers n’est pas la fin de tout.

L'infini

L’infini est une quantité, grande ou petite, sans fin ni limite. C'est l'un de ces concepts que l'esprit humain a du mal à appréhender, notamment en ce qui concerne le temps et l'espace.
Il est presque impossible d'imaginer "l'éternité", et pourtant la notion de limite de l'espace ou de fin du temps est tout aussi problématique : on finit toujours par se demander ce qu'il y a au-delà de la limite ou ce qui se passe après la fin du temps. Les physiciens n'ont pas encore apporté de réponses concluantes.

En mathématiques, le concept d'infinitésimaux (quantités infiniment petites, mais supérieures à zéro) est essentiel.

Deux siècles plus tard, le mathématicien allemand Georg Cantor (1845-1918) a développé une arithmétique de l'infini, c'est-à-dire une extension, aux nombres qui lui servent à mesurer l'infini, des règles de calcul qu'on applique aux nombres entiers, servant à mesurer le fini. Il a montré qu’il existe différents infinis, dont certains sont plus grands que d'autres.

Matière

La matière est toute substance, solide, liquide ou gazeuse, qui occupe de l'espace et possède une masse. La théorie atomique moderne a vu le jour au début du XIXe siècle lorsque le chimiste anglais John Dalton (1766-1844) a proposé que les substances homogènes soient constituées de minuscules particules identiques appelées atomes.

Ces derniers sont essentiellement indivisibles et restent inchangés au cours des réactions chimiques.
Dalton ne faisait pas de distinction entre les atomes et les molécules. Les atomes sont les unités de base des éléments (hydrogène, oxygène, fer, or, uranium, etc.), et diffèrent en masse et en propriétés chimiques selon l'élément concerné. Les molécules sont composées de plus d'un atome, généralement d'éléments différents et sont les unités de base des composés chimiques. Par exemple, une molécule d'eau comporte deux atomes d'hydrogène et un d'oxygène.

À la fin du XIXe siècle, le physicien Thomson (1856-1940) a découvert l'électron, une minuscule particule chargée négativement au sein de l'atome. Cette découverte a montré que les atomes sont divisibles et a déclenché des recherches intensives sur la structure atomique.

Le modèle qui a émergé décrit l'atome comme un espace vide, dans lequel un minuscule noyau est entouré de "nuages" d'électrons chargés négativement. Le noyau contient la majeure partie de la masse de l'atome et se compose de protons (particules à charge positive) et de neutrons (qui n'ont pas de charge).

D'autres recherches sur les particules fondamentales ont conduit au "modèle standard" de la physique des particules.

Nos hypothèses sur la nature de la matière ont été troublées par la théorie quantique, qui introduit l'idée que les électrons et diverses autres particules peuvent se comporter comme des ondes.

Une autre hypothèse, selon laquelle la matière ne peut être ni créée ni détruite, a été démolie lorsqu'Einstein a proposé sa formule E = mc2 qui montre que la matière peut être convertie en énergie et vice versa, comme le démontrent la fission et la fusion nucléaires, à la base des armes et de l'énergie nucléaires.

Théorie des ondes

Nous considérons les vagues comme des ondulations dans un plan d'eau. De nombreux phénomènes physiques, son, lumière, et rayons X sont constitués d'ondes.
Une onde est un changement périodique ou une oscillation qui se propage dans un milieu ou un espace. La plupart transportent de l'énergie d'un endroit à un autre.

Les ondes sonores transfèrent de l'énergie mécanique, tandis que les ondes lumineuses transfèrent de l'énergie électromagnétique.

Dans les ondes transversales, les oscillations sont perpendiculaires à la direction du déplacement, tandis que dans les ondes longitudinales, elles sont parallèles à la direction du déplacement.

Les ondes ont trois caractéristiques en commun : l'amplitude, la longueur et la fréquence. Les ondes peuvent être réfléchies, où elles rebondissent sur une surface, réfractées où elles sont déviées par le passage dans un autre milieu et diffractées quand elles s'étalent après avoir traversé un petit espace. Elles peuvent interférer entre elles. Quel que soit le type d'onde, ces caractéristiques peuvent être décrites à l'aide de formules mathématiques.

La mécanique newtonienne

La mécanique est la branche de la physique qui décrit le mouvement des objets, que ce soit à l'échelle galactique ou subatomique. La plupart des types de mouvement, de l'orbite d'une planète à la trajectoire d'un boulet de canon, peuvent être décrits par les trois lois du mouvement et la loi de la gravitation formulées par Isaac Newton (1642-1727).

Le concept de force est sous-jacent aux lois de Newton. Une force est tout ce qui modifie le taux de changement de la vitesse d'un corps. Ce taux de changement peut impliquer une accélération ou une décélération dans une direction uniforme, ou un changement dans la direction du mouvement.

La première loi du mouvement de Newton stipule qu'un corps reste au repos ou se déplace en ligne droite et à une vitesse constante, à moins qu'il ne soit soumis à une force extérieure. La tendance d'un corps à rester au repos ou à se déplacer à une vitesse constante est nommée son inertie. Celle-ci dépend de la masse du corps.

La deuxième loi de Newton stipule que la force agissant sur un corps est égale au changement créé dans son élan.

La troisième loi stipule que toute force d'action est modérée par une réaction égale et opposée.

La loi de la gravitation de Newton stipule que toute masse dans l'univers exerce une force sur toute autre masse, et que cette force est directement proportionnelle à la masse. La gravitation elle-même est l'une des forces fondamentales de la nature et n'est que partiellement comprise.

Les lois de Newton ont fait preuve d’un étonnant pouvoir de prédiction et d’applications pratiques. Cependant, la relativité et la théorie quantique montrent que les lois de Newton ne s'appliquent ni à des vitesses proches de celle de la lumière, ni à l'échelle subatomique.

Électromagnétisme

Le magnétisme et l'électricité étaient mal compris jusqu'au début du XIXe siècle, lorsqu'une série d'expériences a montré qu'un courant électrique circulant dans un fil de cuivre affectait les aiguilles de boussoles magnétiques situées à proximité. Il devint évident que le magnétisme et l'électricité étaient des forces qui pouvaient agir l'une sur l'autre à distance. En 1831, Michael Faraday (1791-1867) a démontré qu'un courant électrique apparait dans un fil s'il est soumis à un champ magnétique variable.
Ce phénomène est à la base du générateur électrique, tandis que le processus inverse est à la base du moteur électrique.

Plus tard au XIXe siècle, le physicien James Clerk Maxwell (1831-79) a proposé que l'électricité et le magnétisme soient des manifestations d'une seule force électromagnétique et que les oscillations électriques génèrent des ondes électromagnétiques.

D'autres recherches ont validé ses théories et ont permis de découvrir que les ondes radio, les rayons X, en passant par la lumière visible, sont de nature électromagnétique.

Théorie quantique

Vers la fin du XIXe siècle, l'observation de divers phénomènes liés au rayonnement électromagnétique a soulevé des questions auxquelles la physique classique semblait incapable de répondre. Puis, en 1900, le physicien Max Planck a suggéré que le rayonnement électromagnétique - y compris la lumière - n'est pas émis sous forme d'onde continue, mais sous forme de petits paquets d'énergie appelés quanta. Planck a lié l'énergie (E) de chaque quantum à la fréquence de l'onde (f) dans l'équation E = hf, où h est la constante de Planck.

L'effet photoélectrique, dans lequel des électrons sont émis lorsque la lumière ou d'autres formes de rayonnement électromagnétique frappent certains métaux est resté sans explication. En 1905, Albert Einstein a proposé que cet effet ne pût être expliqué que si la théorie quantique de la lumière de Planck était validée. Dans le cas de l'effet photoélectrique, la lumière ne se comporte pas comme une onde, mais comme un flux de particules (photons). Deux décennies plus tard, le physicien français Louis Victor de Broglie (1892-1987) a suggéré que les électrons présentaient une "dualité onde-particule" similaire.

L'idée de Planck a incité le physicien danois Niels Bohr à suggérer en 1913 qu'à l'intérieur de l'atome, les électrons ne peuvent se déplacer que sur certaines orbites autorisées, chacune ayant son propre niveau d'énergie. Lorsqu'un électron saute d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur, un rayonnement est libéré sous forme de quanta.
En 1927, le physicien allemand Heisenberg a élaboré son célèbre principe d'incertitude. La mécanique newtonienne suppose que la position et la quantité de mouvement d'un corps peuvent être mesurées simultanément avec une précision infinie. Le principe d'incertitude stipule qu'à l'échelle atomique et subatomique, cela n'est pas possible, car l'acte même d'observer modifie le résultat.

La théorie quantique, qui ébranle de nombreux cadres conceptuels tels que la causalité, peut sembler contraire au bon sens. Mais elle a trouvé d'innombrables applications pratiques, notamment dans notre compréhension des semi-conducteurs, la base de la technologie informatique moderne.

Relativité

La mécanique newtonienne considère que la masse, l'espace et le temps sont tous absolus. Ces hypothèses fonctionnent parfaitement bien, mais la théorie spéciale (1905) et la théorie générale (1915) de la relativité d'Albert Einstein ont proposé que, dans certaines circonstances, la mécanique newtonienne ne s'applique plus.

La théorie spéciale de la relativité stipule que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière, qui, dans le vide, est constante, quel que soit le mouvement de l'observateur. Si un objet passe rapidement devant un observateur, il semblera être devenu plus court et plus massif, bien que cet effet ne soit significatif qu'à des vitesses proches de celle de la lumière. De même, une horloge passant à des vitesses similaires par rapport à l'observateur semblera fonctionner plus lentement que lorsqu'elle est au repos.

La théorie générale propose l'idée d'espace-temps, et affirme que la masse peut "courber" à la fois l'espace et la lumière via la gravité. Des expériences ont par la suite validé les théories d'Einstein.

La théorie des cordes

Ce modèle de la physique concerne trois des quatre forces fondamentales de la nature et utilise la mécanique quantique pour décrire la manière dont ces forces affectent les particules subatomiques.
S'appuyant sur des modèles antérieurs de l'atome, les physiciens théoriques ont proposé, à partir du milieu du XXe siècle, un large éventail de particules subatomiques. Ces propositions ont permis d'expliquer divers résultats expérimentaux, et l'existence de nombre de ces particules hypothétiques a été établie par la suite. Par exemple, en 1964, le physicien américain Murray Gell-Mann a proposé que les protons et les neutrons présents dans les noyaux atomiques soient chacun constitués de trois particules encore plus petites, qu'il a appelées quarks. Ceux-ci ont été découverts depuis.

Les quarks sont une catégorie de particules élémentaires. Ils sont maintenus ensemble par la force nucléaire par échange de particules appelées gluons.

Les gluons sont un type de boson, une catégorie de particule élémentaire qui sert de médiateur aux forces fondamentales. La force nucléaire impliquée dans certains types de radioactivité est médiée par les bosons W et Z, tandis que la force électromagnétique est médiée par les photons.

La force électromagnétique provoque l'interaction entre des particules chargées électriquement, comme les protons et les électrons. Les électrons appartiennent à la troisième classe de particules élémentaires, les leptons. Parmi les autres leptons figure le neutrino, qui n'a aucune charge et pratiquement aucune masse.

Ce modèle standard ne tient pas compte de la quatrième force fondamentale, la gravitation, qui est régie par la relativité générale.

Une tentative de réconciliation de la mécanique quantique et de la relativité générale en une "théorie du tout" est la théorie des cordes, qui suggère que les électrons et les quarks sont des "cordes" unidimensionnelles oscillantes. La théorie des cordes reste controversée, car elle nécessite des dimensions supplémentaires non observées et n'a pas encore fait de prédictions vérifiables.

Le Big Bang

En 1929, l'astronome américain Hubble observe que diverses galaxies
s'éloignent. Cela a donné naissance à l'idée que l'univers est en expansion. L’idée du Big Bang est née.
Au début, l'univers était petit, très dense et très chaud, il était composé des particules élémentaires simples. L'expansion a été rapide et, en quelques minutes, les protons et les neutrons se sont assemblés pour former les noyaux d'hydrogène et d'hélium, qui ont commencé à fusionner pour former des étoiles, au sein desquelles d'autres éléments ont rapidement été créés.
L'expansion s'est poursuivie, mais on ignore si elle se poursuivra éternellement. Si l'univers a une masse suffisante, sa gravité peut finir par le ramener dans un "Big Crunch", ce qui pourrait conduire à un autre Big Bang. Dans le cas contraire, l'expansion se poursuivra éternellement et l'univers connaîtra une longue mort froide.

La théorie du chaos

La théorie du chaos est un domaine des mathématiques qui étudie comment de petites différences dans les conditions initiales au sein de systèmes dynamiques complexes peuvent aboutir à des résultats différents. La théorie du chaos a été appliquée à des systèmes dans de nombreux domaines, comme la météorologie, la biologie et la physique. Bien que ces systèmes soient déterministes, sans éléments aléatoires, la façon apparemment chaotique dont ils se comportent rend la prédiction très difficile.

Un des premiers pionniers de la théorie du chaos fut le mathématicien américain Edward Lorenz. En 1961, Lorenz utilisait un modèle informatique pour prédire le temps. Il a commencé par saisir des données relatives à des variables interdépendantes telles que la température, l'humidité, la pression atmosphérique, la force et la direction du vent. La première fois qu'il a lancé le programme, il a tapé un chiffre de 0,506127 pour l'une des variables. Puis, lorsqu'il a relancé le programme, il a pris un raccourci en tapant le chiffre arrondi de 0,506. Le scénario météorologique qui en a résulté la deuxième fois était complètement différent du premier. L'infime disparité de 0.000127 avait eu un effet énorme.

En 1963, un collègue de Lorenz a fait remarquer que s'il avait raison, "un seul battement d'ailes d'une mouette suffirait à modifier le temps pour toujours". En 1972, dans le titre d'un article, Lorenz demandait : "Le battement d'ailes d'un papillon au Brésil déclenche-t-il une tornade au Texas ?» Ainsi, la théorie du chaos a trouvé son nom populaire : l'effet papillon.
Le battement d'ailes d'un seul papillon ne provoque pas une tornade, de nombreux autres facteurs entrent en jeu. Mais ce seul battement d'ailes peut être la goutte d'eau qui fait déborder le vase.

Malgré son nom, la théorie du chaos est rigoureusement mathématique et a permis d'élucider l'ordre caché qui régie une multitude de systèmes apparemment aléatoires, de facteurs qui précipitent les crises d'épilepsie, turbulences de l'air qui provoquent la traînée des véhicules en mouvement, fluctuations des populations d'animaux sauvages au flux de circulation dans les rues encombrées des villes, et les mouvements financiers.

Intelligence artificielle

En 1950, le mathématicien Alan Turin propose un test pour établir si une machine peut être qualifiée d'intelligente. Un humain assis dans une pièce pose des questions à un autre humain dans une deuxième pièce, et à un ordinateur dans une troisième pièce. Si l'humain dans la première pièce ne peut pas juger s'il parle à un humain ou à une machine, alors l'ordinateur a réussi le "test de Turing".

Des doutes ont été émis sur la validité de ce test. Dans une célèbre expérience de pensée, un homme est assis dans une pièce pendant que des personnes à l'extérieur de la pièce glissent des questions en chinois sous la porte. L'homme ne comprend pas le chinois, mais suit un ensemble d'instructions qui lui indiquent quels morceaux de papier il doit repousser sous la porte. Par conséquent, les personnes à l'extérieur de la pièce ne peuvent pas dire qu'il n'est pas de langue maternelle chinoise. La conclusion est que même si les ordinateurs donnent les bonnes réponses, ils ne pourront jamais être des esprits conscients et intelligents. Cependant, ils pourraient être plus performants que les humains quand il s’agit de la gestion des systèmes complexes.

La théorie des bactéries et germes

C’est une théorie sans mathématiques.
Pendant des siècles, les causes de nombreuses maladies sont restées un mystère. Certains attribuaient la maladie au poison, d'autres au mauvais air, d'autres encore au mécontentement de Dieu.

Dans les années 1840, Ignaz Semmelweiss, un obstétricien hongrois travaillant à Vienne, a remarqué que les femmes en travail suivies par des médecins étaient beaucoup plus susceptibles de succomber à la fièvre puerpérale que celles suivies par des sages-femmes. Il a fait le rapprochement avec le fait que les médecins venaient souvent directement d'autopsies sans se laver les mains, et a insisté pour que les médecins se désinfectent avant d'examiner leurs patients. Les idées de Semmelweiss ont suscité beaucoup d'hostilité et ont été généralement ignorées à l'époque.

Dans les années 1850, lors d'une épidémie de choléra à Londres, le médecin John Snow a montré que la plus forte densité de l’épidémie se trouvait chez les personnes qui utilisaient une pompe pour obtenir de l'eau potable. Snow a retiré la poignée de la pompe et le nombre de cas a diminué de façon spectaculaire. Ces liens ont permis de montrer comment les maladies se propagent. Certains avaient commencé à suggérer que les agents responsables pouvaient être des germes, des micro-organismes visibles uniquement au microscope. C'est au microbiologiste français Louis Pasteur (1822-95) qu'il revient de trouver des moyens de prévenir et de traiter les maladies causées par des micro-organismes. Il a utilisé la chaleur pour détruire les micro-organismes nuisibles dans le lait et a développé des vaccins pour guérir la rage et l'anthrax.

Le médecin allemand Robert Koch (1843-1910) a identifié les bactéries à l'origine de maladies telles que le choléra et la tuberculose, et en définissant les critères permettant de déterminer si une maladie est causée par un micro-organisme. Ces maladies sont nommées les maladies infectieuses.

Dans les années 1870, le chirurgien britannique Joseph Lister a été le premier à pratiquer une chirurgie antiseptique. La prochaine grande avancée a été la découverte de la pénicilline par le microbiologiste écossais Alexander Fleming en 1928. Ce fut le premier d'une longue série d'antibiotiques, médicaments qui se sont avérés efficaces contre un grand nombre de maladies bactériennes. Les vaccins et les antibiotiques ont sauvé beaucoup de vies et ont inauguré l’efficacité de la médecine moderne.

Évolution

La théorie de l'évolution par la sélection naturelle exposée par le naturaliste anglais Charles Darwin dans son livre « L'origine des espèces » (1859) est une théorie simple, facile et efficace n’utilisant pas les mathématiques.

Darwin a passé des décennies à collecter et classer des preuves avant de publier sa théorie. Les géologues avaient montré que la Terre était beaucoup plus ancienne qu'on ne l'imaginait et que les roches anciennes conservaient les fossiles de nombreux animaux disparus. En comparant ces fossiles entre eux et avec des espèces vivantes similaires, mais différentes, Darwin a suggéré que des groupes d'espèces modernes similaires avaient évolué par petites étapes à partir d'ancêtres communs. Le mécanisme qu'il a suggéré était la sélection naturelle. De temps à autre, une mutation fortuite se produit chez un individu, qui le rend mieux adapté à son environnement. Ces individus ont donc plus de chances de se reproduire avec succès et de transmettre l'adaptation. C'est ainsi que de nouvelles espèces dont nous faisons partie sont apparues.

Nature ou culture

Du vivant de Darwin, un Autrichien, un moine du nom de Gregor Mendel (1822-84) a découvert certaines lois de l'hérédité. Grâce à ses expériences sur des générations de plants de pois, Mendel a démontré qu'une caractéristique, telle que la couleur des fleurs, est héritée soit du parent mâle, soit du parent femelle. L'unité qui transmet cette caractéristique s'appelle un gène.

En 1953, l'Américain James Watson et l'Anglais Francis Crick ont démontré comment les gènes transmettent les caractéristiques. La clé est une molécule complexe appelée ADN, présente dans chaque cellule de chaque organisme vivant. L'ADN de chaque organisme est unique et contient le code de la manière dont cet individu particulier va croître et se développer.

Est-ce que l'ADN détermine le comportement d'un organisme ? Si tel est le cas, cela soulève d'autres questions relatives au déterminisme, au libre arbitre et à l'existence de la nature humaine. Les psychologues évolutionnistes affirment que la plupart des comportements sont déterminés par les gènes et l’hérédité, les psychologues cognitifs soulignent le rôle important de l'apprentissage, les sociologues et les anthropologues insistent sur le rôle de la société et la culture dans la détermination du devenir des individus.

Il n’existe aucune réponse valable à ces questions, mais le consensus scientifique occidental accepte l'héritage génétique et l'environnement, donc la nature et la culture façonnent notre nature.

L’établissement de la philosophie des sciences (épistémologie) au XIXe siècle à négligé la vision historique de la science; dans la seconde moitié du XXe siècle, la conscience historique de la philosophie des sciences s'est développée grâce aux travaux de «Karl Popper» et «Gaston Bachelard» et d'autres, qui ont enrichi la compréhension et l’analyse du phénomène scientifique.
La première question dans la recherche historique de la science est : Quelle est la nature du progrès scientifique ?

Les réponses des philosophes des sciences (peuvent être divisées en quatre :
1. Le progrès scientifique ne s'explique pas parce que les événements qui s'y déroulent n'y suivent pas le même chemin.
2. Le progrès scientifique suit une ligne ininterrompue, cumulative et continue avec les connaissances scientifiques antérieures.
3. La science fonctionne dans une certaine mesure en ligne cumulative, puis émerge comme une rupture ou une révolution pour ouvrir une voie différente.
4. Le progrès scientifique procède sous la forme de ruptures avec le passé, la science parcourt un chemin complètement différent des connaissances scientifiques antérieures, et cela peut être appelé une rupture épistémologique.

La pensée de Bachelard

Gaston Bachelard est né le 27 juin 1884 à Bar- sur-Aube, en Champagne.
Comme d'autres philosophes de la science durant la première moitié du vingtième siècle, Bachelard a réfléchi aux bouleversements provoqués par l'introduction de la théorie de la relativité et de la mécanique quantique.

- Nouveau rationalisme

L'originalité de la pensée de Bachelard découle de sa conception particulière du rationalisme. Le point de vue standard, pourrait-on dire, est que le rationalisme est un effort pour décrire la nature de la réalité ou pour trouver des critères permettant d'établir des vérités à son sujet, grâce au pouvoir de la raison. Selon Bachelard, la force du rationalisme réside dans sa capacité à transcender la réalité telle qu'elle se présente ; le rationalisme est une quête ouverte qui crée de nouvelles réalités.

Selon lui, la pensée scientifique est le rationalisme à l'œuvre ; les nouvelles inventions modifient et multiplient le terrain matériel et épistémologique sur lequel opèrent les scientifiques ;

"Il n'y a guère de pensée plus philosophiquement variée que la pensée scientifique" (Rationalisme appliqué', 1949).

- Les mathématiques : indispensable langage

Suivant la tradition de la philosophie des sciences françaises (Poincaré, Meyerson), les analyses de Bachelard s'inscrivent dans un contexte historique. Il utilise comme exemple le passage de la mécanique classique à la théorie de la relativité puis à la physique quantique pour expliquer son point de vue (Le Nouvel esprit scientifique, 1934). La clé de son argumentation réside dans le rôle spécifique qu'il assigne aux mathématiques dans les nouveaux développements scientifiques.

La physique quantique étant basée sur des constructions mathématiques produit également une réalité nouvelle, tangible et jusqu'alors inconnue, qui n'est pas seulement le domaine des physiciens, mais qui est également entrée dans la vie quotidienne. Ces développements démontrent la capacité des mathématiques,

"Le pouvoir des mathématiques est de créer la réalité" (Le Nouvel esprit scientifique, 1934).

- Nouvelle science : nouvelle épistémologie

Les opinions auxquelles il est parvenu, étaient différentes de celles de ses contemporains. Selon lui, la nouvelle science exigeait une nouvelle épistémologie, non cartésienne, une épistémologie qui s'adapte aux discontinuités (ruptures) dans le développement de la science.

Les scientifiques ne traitent pas avec des ensembles de faits donnés insérés dans la "nature" qui sont progressivement découverts et compris. Au contraire,
"Nous quittons la nature pour entrer dans une fabrique de phénomènes" (L'Activité' rationaliste de la physique contemporaine, 1951).

Pour un scientifique, les faits sont des constructions, ils commencent par une organisation des objets de la pensée, et progressent vers une "phénoménotechnique" collective qui crée des effets, fabriquant de nouvelles matières comme les isotopes artificiels, par exemple.

- la science n’est pas une explication du réel limité

Dans son évolution, la science se détache de plus en plus du monde tel qu'il est communément compris. La théorie de la relativité et la physique quantique se sont développées indépendamment d'une telle compréhension et finissent par contredire, violer notre compréhension.

Selon Bachelard, la marque de la raison qui gagne son autonomie, est sa capacité de se libérer du monde limité que nous apercevons. La science n'est plus une accumulation de "connaissances objectives", mais se développe à travers des ruptures, des corrections d'erreurs, qui sont le plus souvent induites par des habitudes, qui ont leurs racines dans les connaissances communes.

Pour que la science progresse, elle doit se séparer du savoir commun. L'esprit scientifique doit subir une opération de purification. Il est nécessaire de se soumettre à un processus qui, à l'instar de la psychanalyse, découvre et éradique toutes les connaissances scientifiques. Quand la séparation entre les deux types de connaissances sera complète,

Les "intérêts de la vie sont remplacés par les intérêts de l'esprit" (La Formation de l'esprit scientifique, 1938).

Gaston Bachelard : la rupture épistémologique

Gaston Bachelard estime que l'histoire des sciences ne peut être considérée comme une transition de problèmes plus simples vers des problèmes plus complexes, et qu'il n'est pas possible de rechercher des origines historiques pour les théories et les concepts scientifiques.
En mathématiques, on appelle géométrie non euclidienne une théorie géométrique ayant recours à tous les axiomes et postulats posés par Euclide dans les Éléments, sauf le postulat des parallèles. En d’autres termes, c’est la géométrie sans parallélisme.

Bachelard souligne que ces constructions n'ont rien à voir avec " la réalité", elles commencent comme hypothèses mathématiques. Si des événements devaient se produire dans les espaces suggérés par les nouvelles géométries, ils violeraient les lois newtoniennes. Tel est en effet le monde tel que le conçoit la relativité d'Einstein, qui ne peut être compris dans le cadre de ces lois.
La physique d'Einstein ne trouve pas ses racines dans la physique de Newton, la physique de Newton ne trouve pas ses racines dans la physique de Galilée, chacune d'elles procède de différentes perceptions du monde et des approches différentes : « Les sciences naturelles nous conduisent vers de nouveaux domaines avec de nouvelles méthodes.
Bachelard dénonçait la vision du savoir scientifique comme un prolongement historique du savoir et comparait les anciennes lampes basées sur la combustion à l'ampoule d'Edison en disant : « L'ancienne technologie est une technologie de combustion et la nouvelle technologie est une non combustion".
Si technologie est une extension de la connaissance, Bachelard considère que le savoir ne peut pas se développer sans sortir de son expérience première. Il place le concept de première expérience parmi les obstacles épistémologiques qui empêchent le transfert des connaissances vers des connaissances scientifiques.

Quant aux autres obstacles, ce sont selon lui:
- la connaissance générale ou la tendance à généraliser,
- l'obstacle verbal,
- l'obstacle de la connaissance unifiée (comme rendre tous les acquis à principe unique),
- l'empêchement biologique,
- et l'obstacle intrinsèque.
La rupture épistémologique selon Bachelard s'oppose à l'obstacle épistémologique. La transformation s'opère par le conflit avec l'ancien, c’est le conflit de la chimie lavoisienne, la mécanique non newtonienne, et la géométrie non euclidienne, Selon lui "L'histoire de la science est l'histoire des erreurs scientifiques."
Bachelard estime que pour suivre le rythme du développement scientifique, il faut abandonner l'adhésion à une méthode, car chaque méthode doit être prouvée correcte et tout doit être clarifié.

Thomas Kuhn

Bachelard a mis en avant l'idée que la science ne s'occupe pas de la "nature", mais qu'elle crée son propre sujet dans un contexte collectif. Il a anticipé certains aspects des philosophes des sciences anglo-saxons, orientés vers l'histoire comme Kuhn, Feyerabend.
Thomas Samuel Kuhn, né le 18 juillet 1922 à Cincinnati, dans l'Ohio et mort le 17 juin 1996 à Cambridge, dans le Massachusetts, est un philosophe des sciences et historien des sciences, américain.
Kuhn estime que l'une des difficultés auxquelles sont confrontés les historiens est la distinction entre les connaissances scientifiques et ce qui a précédé, ou ce que nous pouvons appeler les mythes non scientifiques, comme la comparaison entre la science de Newton et la science d'Aristote, si les connaissances dépassées sont considérées comme des mythes, cela signifie que les mythes peuvent être produits par les mêmes méthodes et qu'ils ont été respectés pour les mêmes raisons.

Selon Kuhn, Il n'est donc pas possible de différencier historiquement ce qui est une pratique scientifique ou non scientifique, et il n'est pas possible de les comparer.
Kuhn considère l'histoire des sciences comme l'histoire de l'art, de la politique et de la religion ; une histoire de changements, et de ruptures, et pas une histoire de progrès ou de retard. Les changements qui se produisent sous la forme d'une révolution contre un ancien paradigme scientifique vers un nouveau paradigme. Kuhn définit le terme paradigme par "l'ensemble de lois, de techniques et d'outils associés à une théorie scientifique, qui les guident, et par lesquels les chercheurs pratiquent leur travail, s'avèrent se transformer en science ordinaire. »
Si une erreur survient, elle est renvoyée soit à l'exécuteur, soit à l'outil, ou une solution est trouvée sous le même paradigme. Si l'échec persiste, c'est la période de crise qui finit par inventer un nouveau paradigme.
De nouveaux paradigmes commencent à apparaître pour résoudre le problème. A ce stade, il y a deux paradigmes concurrents jusqu'à ce que le nouveau paradigme se transforme en une science normale prouvée.
Kuhn prévient qu'il n'est pas nécessaire que le nouveau paradigme soit plus correct ou qu'il explique plus, mais qu'il peut être le produit de nouveaux problèmes qui nécessitent une explication qui n'était pas nécessaire dans l'ancien paradigme, et donne un exemple de la gravitation de Newton par rapport à la physique d'Aristote.

« La connaissance scientifique, comme le langage, dit Kuhn, est le bien commun profond d'un groupe ou de rien ; Pour le comprendre, nous aurons besoin de connaître les caractéristiques particulières des groupes qui existent. » C'est un indice important de la nécessité d'étudier la sociologie des sociétés savantes pour comprendre et évaluer le phénomène scientifique.
Kuhn refuse de considérer sa théorie du développement de la science comme une invitation au relativisme dans la connaissance scientifique ; Il voit que les membres de chaque communauté scientifique dans des environnements différents sont exposés à des problèmes différents, alors il compare sa théorie du développement de la science à la théorie de l'évolution biologique.

Feyerabend

Dans ses livres "La science dans une société libre », Feyerabend a défendu l'idée qu'il n'existe pas de règles méthodologiques immuables dont les scientifiques devraient se servir, et qui garantiraient la validité des. Selon lui, une "dose" d'anarchisme méthodologique ne pourrait être que profitable à la science.
Selon lui, la philosophie ne parviendra jamais à définir la science ni à distinguer entre le scientifique et le non scientifique, et que les prescriptions philosophiques doivent être ignorées par les scientifiques, s'ils visent le progrès en science.
Feyerabend attaque la compatibilité dans l'évaluation des théories scientifiques. Selon lui, une nouvelle théorie compatible avec une autre couvrant le même champ de recherche n'augmente pas sa validité.

Feyerabend rappelle qu'aucune théorie intéressante ne serait jamais en accord avec tous les faits. Il décrit la renormalisation en mécanique quantique : « Cette procédure consiste à rayer les résultats de certains calculs et à les remplacer par une description de ce qui est observé empiriquement. On admet ainsi, que la théorie est sujette à caution, en la formulant d'une manière qui implique qu'un nouveau principe a été découvert ».
La théorie de Copernic a été réfutée par le fait que les objets tombent verticalement sur terre. Il a fallu réinterpréter cette observation pour la rendre compatible avec la théorie de Copernic. Si Galilée a réussi à le faire, ce n'est qu'en se servant d'hypothèses et en procédant contre-inductivement. Les hypothèses ont de fait chez Feyerabend un rôle positif: elles permettent de rendre une théorie temporairement compatible avec les faits, en attendant que la théorie à défendre puisse être soutenue par d'autres théories.

Karl Popper

Karl Raimund Popper, né le 28 juillet 1902 à Vienne, en Autriche, et mort le 17 septembre 1994 à Londres, au Royaume-Uni, est un enseignant et philosophe des sciences du XXᵉ siècle. C'est un penseur anticonformiste qui, dans toutes ses œuvres, a invité à la réflexion, au dialogue et à la confrontation des idées.
Si Gaston Bachelard, khun et Feyeraband sont parmi les théoriciens les plus éminents de la rupture épistémologique. Tout cela soulève la question : Qu'est-ce que la science ?
Si les sciences, comme l'a dit Bachelard, « nous conduisent vers de nouveaux domaines avec de nouvelles méthodes », alors qu'est-ce qui distingue ce qu'on appelle la science ?
"Karl Popper", bien qu'il ne soit pas partisan d'une rupture épistémologique avec la science, ni partisan de l'accumulation quantitative, il voit que la science progresse cumulativement dans rejeter les erreurs les unes après les autres.

La vision de Popper peut représenter l'esprit de notre époque, une période de bouleversement scientifique ; Popper est mathématicien et physicien et une personne logique, il estime que la caractéristique logique des questions et des lois scientifiques est la possibilité de falsifier leurs énoncés et leur capacité à confronter des faits nouveaux. Les problèmes scientifiques sont des problèmes universels, pas des problèmes existentiels. Par exemple, tous les corbeaux sont noirs, il suffit à trouver un corbeau qui ne soit pas noir pour le réfuter.
Quant aux enjeux existentiels, ils sont comme « il y a un corbeau blanc ». Il décrit les enjeux existentiels comme non sujets au refus ou à l'expérimentation et les enjeux métaphysiques ; Mais la science évolue-t-elle ainsi ?

Conclusion

Gaston Bachelard est le fondateur du concept de rupture épistémologique, et il croit que l'histoire des sciences est fondée sur la rupture avec les anciens pour établir une voie nouvelle et différente.
Kuhn est d'accord avec lui, mais va plus; Bachelard explique le rôle des facteurs psychologiques dans la formation d'un nouvel esprit scientifique, Kuhn alerte sur le rôle des sociétés savantes dans le rejet ou l'acceptation des révolutions puis dans leur adhésion, et appelle à l'étude de la sociologie de la communauté scientifique. Feyeraband adopte le relativisme dans sa vision de la science et pense qu’il est impossible de décréter ce qui scientifique ou non scientifique .
Karl Popper considère la nature de la science, dont la forme diffère par une rupture épistémologique, pour trouver que la possibilité de falsification est le trait distinctif.

Références

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Chimisso, Cristina, Gaston Bachelard: Critic of Science and the Imagination, London: Routledge, 2001
Dagognet, Francois, Gaston Bachelard, sa vie, son oeuvre, avec un expose´ de sa philosophie, Paris: PUF, 1965
Lecourt, Dominique, Pour une critique de l’épistémologie (Bachelard, Canguilhem, Foucault), Paris: François Maspero, 1972
McAllester Jones, Mary, Gaston Bachelard, Subversive Humanist: Texts and Readings, Madison Wisconsin: University of Wisconsin Press, 1991
Therrien, Vincent, La Revolution de Gaston Bachelard, en critique littéraire, Paris: Klincksieck, 1970
Tiles, Mary, Bachelard: Science and Objectivity, Cambridge: Cambridge University Press, 1984

Le monde observable par les sens humains apparaît lisse, continu et bien défini.
En revanche, le monde quantique est discontinu, aléatoire et incertain. La physique quantique est le domaine qui décrit le comportement et l’activité à l’échelle des atomes.
Le physicien allemand Max Planck a proposé le concept de quanta d’énergie au début du 20e siècle. Sa découverte a jeté les bases de la théorie de la physique quantique et a révolutionné le domaine de la physique traditionnelle.

La physique à la fin du 19e siècle

À cette époque, les lois de la physique dite classique expliquent la majorité des phénomènes terrestres. Cette physique bâtie durant des millénaires par des générations de savants renommés, et selon des expériences de plus en plus sophistiquées, est confirmée par des concepts et des outils mathématiques parfaitement maîtrisés. Elle comporte trois grands courants qui expliquent l’ensemble des phénomènes perçus sur Terre et dans son environnement proche.
— Le premier concerne l’étude des corps en mouvement et celle des forces qui en sont à
l’origine.
— Le deuxième traite des phénomènes ondulatoires auxquels sont théoriquement assujettis l’électricité, le son, la lumière.
— Le troisième, initié par la machine à vapeur, implique tous les phénomènes physiques liés à la chaleur, d’où son nom de « thermodynamique » (chaleur en mouvement).

La physique classique s’appuie essentiellement sur deux piliers de raisonnement : d’une part la théorie de Newton de la gravitation (publiée 1687), qui a permis de calculer les différentes trajectoires des planètes les plus proches de la Terre ; d’autre part celle de James Clerk Maxwell (publiée en 1865) sur l’électromagnétisme, unifiant le magnétisme et l’électricité.

En 1900, cette physique semble tellement solide qu’aucun scientifique ne songe à la remettre en cause. La communauté scientifique déplore même qu’il n’y ait plus de théories à découvrir : tout nouveau phénomène est parfaitement expliqué par la physique classique, sûre d’elle et de son déterminisme.

Pourtant, des faits étranges apparaissent peu à peu. Les savants s’aperçoivent que la trajectoire de la planète Mercure n’est pas tout à fait conforme à la loi de Newton et que, sur Terre, il se passe des choses très étranges ; ainsi, la vitesse de la lumière, que tout le monde croyait instantanée, semble être limitée.

Encore plus extraordinaire, certaines expériences démontrent que l’on ne peut pas la dépasser, aussi n’aime-t-elle pas être additionnée à une autre vitesse.

Si, dans un TGV qui roule à la vitesse de la lumière (C), vous vous déplacez dans le sens de
la marche à une vitesse V, votre vitesse réelle ne sera jamais égale à (v+c), mais restera toujours égale à C.
Certains indices montrent que la lumière se propage non pas d’une façon continue, comme une onde, mais discontinue, par petits paquets.

Par ailleurs, les savants découvrent, grâce à des outils d’observation plus modernes, des phénomènes inexplicables impliquant de petites particules microscopiques, non perceptibles par nos sens, se déplaçant à une très grande vitesse sur des distances très petites. Si les lois de la physique classique expliquent les phénomènes du monde macroscopique où interagissent des corps dotés d’une masse conséquente, elles sont incapables d’expliquer certains phénomènes de l’infiniment petit (phénomènes photoélectriques, électromagnétiques)

Planck choisit la thermodynamique

Max Karl Ernst Ludwig Planck est né de Johann Julius Wilhelm von Planck et d’Emma Patzig le 23 avril 1858 à Kiel, en Allemagne. Johann avait déjà deux filles de son premier mariage, Max était son quatrième enfant de son second mariage.
Max a rejoint l’école primaire à Kiel, puis à Munich en 1867, lorsque son père accepta un poste de professeur de droit à l’université de l’université de Munich.
Max était un pianiste talentueux, il allait choisir une carrière dans la musique lorsqu’un musicien professionnel lui dit qu’il n’était pas assez doué. Il a gardé deux passions pour les loisirs : jouer du piano et escalader les montagnes.

La physique est finie

Planck est né dans la société conservatrice de la Prusse du 19e siècle, et à sa manière formelle et disciplinée. Il est resté toute sa vue attaché aux traditions prussiennes.
Sa foi en la physique, sa force et son intégrité intellectuelle, nous dit Einstein, sont nées d’un « état émotionnel » plus proche de celui d’un homme religieux ou d’un homme amoureux.
Dans une de ces ironies qui semblent faire partie d’un roman banal, Planck a été conseillé en 1875, alors qu’il avait 17 ans, de ne pas faire carrière dans la physique, en particulier la physique théorique, parce que les travaux significatifs étaient désormais finis. Il obtient son diplôme en 1874 et s’inscrit à l’université de Munich à l’automne pour commencer des études en mathématiques, mais il est plus intéressé par la physique.

Il se rend à l’université de Berlin pour passer deux trimestres en 1877 et en 1878. Planck va suivi son propre chemin, et a finalement étudié sous la direction de deux des plus célèbres physiciens allemands de l’époque, Hermann Helmholtz et Gustav Kirchhoff. Ces grands scientifiques ne sont pas très inspirants dans l’amphithéâtre : les cours d’Helmholtz sont mal préparés et ceux de Kirchhoff sont « secs » sur le sujet de la thermodynamique, mais Planck trouve ce qu’il cherche, « quelque chose d’absolu ».

Max a étudié la thermodynamique, science qui traite des relations physiques entre la chaleur et l’énergie.
Deux grandes lois naturelles régissent les transformations énergétiques de toute matière. La loi de la thermodynamique stipule que l’énergie est conservée ; l’énergie peut être transférée et transformée, mais elle ne peut ni être créée ni être détruite.

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que les transferts ou les transformations d’énergie augmentent l’entropie. L’entropie est une mesure du désordre (trouble)du système qui reçoit la chaleur ou l’énergie.

La thermodynamique statique a signalé que plus l’entropie du système est élevée, moins ses éléments sont ordonnés, liés entre eux, capables de produire des effets mécaniques.
Par exemple, si vous mettez un glaçon dans un bol de soupe chaude, la chaleur de la soupe va passer au glaçon. L’énergie est transférée des molécules de la soupe chaude aux molécules d’eau du glaçon. Les molécules d’eau commencent à se déplacer davantage et le glaçon fond. L’énergie serait encore conservée si la chaleur était transférée du glaçon à la soupe, mais un glaçon ne resterait jamais congelé lorsqu’il est placé dans un bol de soupe chaude, car cela violerait la deuxième loi de la thermodynamique.

Max a été attiré par la généralité de ces principes et a choisi d’écrire sa thèse de doctorat sur la seconde loi de la thermodynamique. Le premier livre de Planck était une extension de ces études. Publié en 1897, Vorlesungen über Thermodynamik (Traité de la thermodynamique) comprenait des études des principes thermodynamiques et des concepts de pression osmotique, du point d’ébullition et du point de congélation.

Après avoir obtenu son doctorat à l’université de Munich en 1879, Planck y est resté en tant que maître de conférences de 1880 à 1885. Cependant, le salaire ne lui permettait pas de fonder sa propre famille et lorsqu’on lui proposa un poste de professeur associé de physique théorique à l’université de Kiel, il accepta.

Disposant de revenus suffisants pour fonder une famille, il se maria avec son amour de jeunesse, Mlle Marie Merck. Ils ont eu quatre enfants ensemble. A l’automne 1888, le professeur Kirchhoff meurt, l’université de Berlin invite Planck à lui succéder.
Nommé professeur adjoint et premier directeur du nouvel institut de physique théorique en novembre 1888, il est promu professeur titulaire en 1892. Planck reste à Berlin jusqu’à sa retraite en 1926.

Le professeur Planck

Avec son complet sombre, sa chemise blanche empesée et son nœud papillon noir, Planck évoquait le fonctionnaire prussien modèle de la fin du XIXe siècle, n’eût été « le regard pénétrant sous le dôme immense de sa tête chauve. Il se montrait d’une extrême prudence avant de s’engager sur des questions scientifiques ou sur quelque autre sujet que ce soit. Planck n’était pas homme à changer d’avis facilement.

De son propre aveu, il était d’un naturel pacifique et évitait toutes les aventures. Il admit qu’il manquait de réactivité face à la stimulation intellectuelle.
Planck, ardent défenseur de la physique classique, savant très conservateur, est totalement hermétique à la notion d’atome. C’est dire que pour lui, à cette époque, toute idée scientifique nouvelle revêt un caractère sacrilège.

Il lui fallut des années pour réconcilier des idées nouvelles avec son conservatisme, or ce fut Planck qui, à l’âge de quarante-deux ans, déclencha sans le vouloir la révolution quantique en 1900 quand il découvrit l’équation donnant la répartition du rayonnement émis par un corps noir.

Le four du boulanger qui explose selon Kirchhoff

Planck a pu entrer au panthéon de l’histoire de la recherche scientifique en démontrant que les échanges entre la matière et l’énergie qui en est issue se déroulent non pas de façon homogène et continue, mais de façon discontinue par petits paquets (ou quanta).

Dans les années 1860, la marche vers la découverte des quanta de lumière (ou photons) est ouverte, à son insu, par le physicien allemand Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887).
Un soir d’hiver, devant sa cheminée, il s’interroge sur le fait que les braises émettent des lumières de couleur différente selon leur température. Pourtant c’est un phénomène bien connu des potiers, des verriers, des forgerons et des boulangers qui, depuis l’Antiquité, vérifient la température de leur four grâce à sa couleur : 750 °C pour le rouge vif, 1000 °C pour le jaune, 1200 °C pour le blanc.

Tous les objets, s’ils sont suffisamment chauds, émettent un mélange de chaleur et de lumière dont l’intensité et la couleur changent avec la température. Le bout d’un tisonnier en fer qu’on a laissé dans le feu commence à briller faiblement d’un éclat rouge terne ; quand sa
température augmente, il passe au rouge cerise, puis au jaune orangé vif et enfin au blanc bleuté. Une fois retiré du feu, le tisonnier se refroidit en redescendant la gamme de ces couleurs jusqu’à ce qu’il ne soit plus assez chaud pour émettre la moindre lumière visible. Même à ce stade, il émet encore un rayonnement thermique invisible. Au bout d’un certain temps,
ce dernier cesse lui aussi lorsque le tisonnier, en continuant de se refroidir, devient finalement assez tiède pour qu’on puisse le toucher.

Pour comprendre ce phénomène, Kirchhoff imagine le concept du “corps noir”. Celui-ci ressemble à un four idéal ayant la forme d’une boîte fermée absorbant la totalité du rayonnement qu’elle reçoit (d’où le terme “corps noir). En le chauffant progressivement, Kirchhoff peut analyser les fréquences du rayonnement électromagnétique, visible ou pas, qui sort d’un petit trou percé dans l’une des parois.

Au début du XIXe siècle, ce rayonnement se résumait à la lumière visible.
Peu à peu, les physiciens découvrent d’autres rayonnements de même nature, mais non perceptibles à l’œil humain (l’ultraviolet, l’infrarouge) puis à la fin de ce même siècle, la plupart des autres rayonnements (micro-ondes, ondes radio, rayons X et gamma). À la même époque, en 1864, Maxwell démontre qu’un rayonnement électromagnétique est composé d’une onde électrique et d’une onde magnétique se propageant à la vitesse de la lumière.

L’expérience de Kirchhoff confirme que les températures sont toujours liées aux mêmes rayonnements électromagnétiques (donc aux mêmes couleurs quand ils sont visibles), ce qui reste vrai, quelles que soient la matière brûlée (verre, charbon, bois...), la consistance des parois (brique, fer...) et la forme du corps noir.
Il en déduit que l’intensité du rayonnement est liée à la fréquence de ce dernier et à la température du four.

Il ne reste plus qu’à trouver la formule mathématique. C’est alors que les choses se gâtent : ni Kirchhoff ni aucun chercheur de l’époque n’y parviennent.

La catastrophe ultraviolette

Pendant son séjour à Berlin, Planck a commencé à analyser les corps noirs, objets théoriques qui absorbent le rayonnement électromagnétique. Les charbons noirs dans un barbecue deviennent rouge orange, la couleur change avec la température.

Planck a étudié la relation entre l’énergie électromagnétique émise par des corps noirs, et les températures pour conclure que ces phénomènes dépendent de la température uniquement. A des températures basses, l’intensité du rayonnement émis diminue. Les rayons rouges possèdent de plus grandes longueurs d’onde ; lorsqu’un objet est initialement chauffé, il devient rouge.

Au fur et à mesure que le corps se réchauffe, la couleur passe à l’orange ou au jaune et finalement au bleu.
Ainsi, lorsque le corps noir absorbe de plus en plus de chaleur, le pic d’intensité du rayonnement qu’il émet se déplace à travers le spectre électromagnétique vers des longueurs d’onde de plus en plus courtes, c’est-à-dire des fréquences de plus en plus élevées. La région des hautes fréquences du spectre correspond aux ondes courtes de la lumière ultraviolette. Les physiciens ont appelé cette énigme la catastrophe ultraviolette. Les formules mathématiques prédisent que l’intensité du rayonnement électromagnétique émis par le “corps noir”, au lieu de décroître, devient infinie lorsque les fréquences se situent au niveau de l’ultraviolet. Le boulanger qui regarde son four aurait les yeux brûlés, la cheminée risque d’exploser.

Planck invente le quanta d’énergie

Les lois de la thermodynamique sont prises en défaut ? Aucune formule mathématique n’arrive, pour une température donnée, à reconstituer totalement l’ensemble de la courbe obtenue par l’analyse empirique de tout le spectre des fréquences du rayonnement électromagnétique (et plus particulièrement de la lumière : de l’infrarouge à l’ultraviolet) sortant par le trou du corps noir.

Planck s’intéresse à cette anomalie. Peu avant 1900, il se met à rechercher la formule qui doit corroborer toutes les observations de Kirchhoff, et notamment être indépendante de toute contingence matérielle du corps noir (volume, forme, matière brûlée...). En tâtonnant, il trouve finalement une formule mathématique qui permet de calculer, pour une température déterminée, l’énergie totale E dégagée par un rayonnement électromagnétique. A présent, il lui faut étayer par une théorie scientifique adéquate, cette formule découverte empiriquement. Bien qu’il soit un expert des lois de la thermodynamique, il n’arrive pas à élaborer de théorie convaincante.

Un génial physicien et mathématicien autrichien Ludwig Boltzmann (1844-1906) va le tirer de ce mauvais pas.

En effet, à la fin du XIX siècle, lui vient l’idée étonnante d’expliquer le comportement général d’un gaz enfermé dans une enceinte en tentant d’étudier celui de chacune des molécules le constituant. Il s’aperçoit que cela est impossible : il existe des milliards de molécules dans un simple centimètre cube de gaz. Il fait donc appel aux probabilités en prenant en considération la valeur moyenne de multiples paramètres attachés à une molécule (sa vitesse, la longueur et la direction de sa trajectoire, le nombre de collisions par seconde avec d’autres molécules ou contre les parois du récipient, le nombre de fois où il n’y a  aucune collision...) à partir desquels il peut expliquer le comportement d’un gaz.

Grâce à cette démarche innovante, Boltzmann réussit, en partant d’une étude effectuée au niveau microscopique (chaque molécule de gaz), à déterminer au niveau macroscopique les propriétés générales d’un gaz (pression, température, chaleur) et surtout à définir leurs valeurs de façon certaine.

Pour Planck, il s’agit d’un blasphème, une approche moléculaire et probabiliste !!
Quoi d’autre pour profaner encore les lois classiques de la thermodynamique.

Ludwig Boltzmann a interprété la deuxième loi de la thermodynamique comme une “loi de probabilité”. Si la probabilité relative ou le désordre de l’état d’un système est W, il conclut que l’entropie S du système dans cet état, est proportionnelle à la valeur de l’entropie.
Planck avait consacré des années à l’étude de l’entropie et de la seconde loi de la thermodynamique, et une relation fondamentale entre l’entropie et l’énergie a été cruciale dans la dérivation de la loi de la thermodynamique.

Les conclusions de Boltzmann semblaient fantastiques pour Planck, mais en 1900 il était de plus en plus désespéré, dans sa recherche d’un moyen acceptable pour calculer l’entropie du corps noir. Il avait pris plusieurs fois de mauvaises directions, fait une erreur fondamentale d’interprétation et épuisé son répertoire théorique.

Aucun des chemins théoriques qu’il avait connus jusqu’alors ne menait où il était certain de devoir arriver un jour.

Pour Planck, c’était un “acte de désespoir”, comme il l’a écrit plus tard à un collègue. « Par nature, je suis enclin à la paix et je rejette toute aventure douteuse », écrit-il, « mais à ce moment-là, j’avais lutté sans succès pendant six ans (depuis 1894) avec ce problème de l’équilibre entre le rayonnement et la matière et je savais que ce problème était d’une importance fondamentale pour la physique ; je connaissais également la formule qui exprime la distribution de l’énergie dans les spectres normaux (sa loi empirique du rayonnement). Il fallait trouver une interprétation théorique à n’importe quel prix, aussi élevé soit-il. »
La procédure de comptage utilisée par Planck pour calculer le désordre W dans l’équation a été empruntée à une autre technique théorique de Boltzmann. Il considérait — au moins à titre temporaire — que l’énergie totale des résonateurs était constituée de petits « éléments » indivisibles.

Son argumentation n’aboutirait pas à moins qu’il ne suppose que l’énergie des éléments était proportionnelle à la fréquence des ondes. Planck pouvait dériver sa loi de radiation et utiliser les données du corps noir pour calculer des valeurs numériques précises en joutant une constante théorique h.

La meilleure preuve de l’intelligence et de l’intégrité de Planck est qu’il a réussi contre lui-même, contre sa foi dans la physique classique.

Voulant démontrer le bien-fondé de sa formule, il teste la démarche probabiliste de Boltzmann. Tout comme lui, Planck applique sur les ondes ce que Boltzmann applique sur les Gaz. Il divise l’énergie E du rayonnement électromagnétique issu du corps noir en de très nombreuses quantités n très petites. Chacune d’elles étant dotée d’une quantité d’énergie e.
Il aboutit alors à la formule e = hf (i)
où f (i) représente les différentes fréquences du rayonnement correspondant, en partie, aux différentes couleurs composant la lumière visible et h est un facteur de proportionnalité dont la valeur, infiniment petite, est exprimée en joules/seconde : 6,55x 10-34 (très proche de la valeur connue de nos jours : 6,62 x 10 -34)

Cette constante sera appelée « constante h de Planck » et deviendra rapidement la clé de voûte de la physique quantique.

Planck vient donc de démontrer que les échanges d’énergie entre la matière incandescente (par exemple du bois qui brûle) et le rayonnement sous forme de chaleur (l’énergie) qui s’en échappe se font par petites quantités d’énergie, qu’il appela au début « quantité élémentaire d’action », qui seront baptisées « quanta d’énergie ».

Non seulement la formule était simple et précise, utile pour vérifier et corréler les données spectrales, et était, dans l’esprit de Planck, quelque chose de plus que cela. Ce n’était pas seulement une formule de radiation, c’était la formule de radiation, la loi finale faisant autorité, la loi régissant le rayonnement du corps noir. Et en tant que telle, elle pouvait être utilisée comme base d’une théorie et même, comme il s’est avéré, une théorie révolutionnaire. Sans hésitation, Planck s’est lancé à la poursuite de cette théorie.

Quand vous insérez une bûche dans la cheminée, les autres bûches qui brûlent déjà dégagent une énergie qui fait vibrer les atomes de la nouvelle bûche suivant une certaine fréquence. Cela permet à la matière (le bois qui brûle) de restituer une certaine quantité d’énergie sous la forme d’un rayonnement électromagnétique quantifié (c’est-à-dire discontinu) dont, on l’a vu, seule une très petite partie est visible.

A l’époque, il considérait les quanta simplement comme un dispositif mathématique pour compléter les calculs et obtenir les résultats que les expériences avaient montrés. Mais le concept quantique s’est avéré être une découverte révolutionnaire en soi. Non seulement les oscillations électromagnétiques dans le corps noir, ou n’importe quel corps sont quantifiées, comme Planck l’a proposé, mais Albert Einstein montre plus tard qu’un corps absorbe et émet aussi des ondes électromagnétiques en quanta d’énergie qui obéissent à cette règle.

Finalement cette idée conduit à la fondation d’une nouvelle branche de la physique, appelée la physique quantique, et à sa réalisation en tant que mécanique quantique. Ce nouveau concept a résolu le problème de la catastrophe des ultraviolets. Les corps noirs pouvaient facilement contenir (et émettre) des ondes rouges de basse fréquence puisque seule une petite quantité d’énergie est nécessaire pour former un quantum de basse fréquence.

Quand la température augmente, des quanta de plus haute énergie peuvent être créés comme les ultraviolets (ondes courtes), mais il sera difficile d’obtenir suffisamment d’énergie.

Le concept des quanta était radical, car il allait à l’encontre du thème séculaire de la continuité. L’énergie avait toujours été supposée exister transmise comme une onde selon les lois classiques de la thermodynamique affirmant que cette restitution d’énergie doit s’effectuer de façon continue.

Malgré la grande perplexité de Planck, tous ses calculs confirment que son résultat était juste. Il le démontre à Berlin, le 14 décembre 1900, devant ses pairs troublés de la Société allemande de physique.

Planck a initialement proposé sa solution au problème du rayonnement du corps noir lors du séminaire de Berlin en octobre 1900, mais n’a pas présenté de justification théorique qu’en décembre. L’article qui en résulte a été publié dans les Annalen der Physik est l’un des plus articles les plus importants de la physique du siècle Il a admis plus tard qu’il avait trouvé la formule correcte par chance. Un compte-rendu plus complet de ses idées a été publié dans son livre de 1906, Theorie der Wärmestrahlung (Théorie du rayonnement thermique).

L’extraordinaire découverte de Planck

Planck vient donc malgré lui de découvrir la constante universelle h (certes très petite, mais non nulle, qu’il appela h par dérision pour rappeler la première lettre de Hilfe !, « au secours » en allemand).

Planck fut totalement effondré par sa découverte révolutionnaire, qu’il qualifia même d’« acte de désespoir » ! De fait, il s’est senti devenir un hérétique scientifique : il venait de démontrer la réalité d’un phénomène physique (le transfert d’énergie ne se fait pas de façon continue, sous forme d’onde, mais discontinue, par quanta, et la quantité d’énergie transportée par ces derniers ne peut absolument pas dépasser un certain seuil) par des arguments qu’il a toujours rejetés comme contraires à ses plus profondes convictions, et il a toujours conseillé ses étudiants de ne pas les admettre. Il ne pensait pas aboutir à cette conclusion mettant en échec les lois classiques de la thermodynamique, qu’il avait passé sa vie à enseigner et à approfondir.
Indirectement, il cautionnait aussi l’idée que la matière, à son niveau le plus intime, est constituée d’atomes, ce qu’il avait toujours combattu avec fougue.

Durant une grande partie de sa vie, il considérera avoir sciemment utilisé un artifice mathématique auquel il ne croyait pas, uniquement pour valider sa formule, qu’il savait exacte. Cela tenait pour lui plus de la supercherie scientifique que d’un véritable travail de chercheur.

Une décennie après la découverte de l’action quantique par Planck, l’application de cette découverte a conduit à résoudre de nombreux paradoxes entre la théorie de la physique classique et la physique expérimentale.

Einstein va étendre les idées de Planck à la dualité onde-particule, proposant que la lumière émise soit sous la forme de quanta individuels d’énergie, appelés photons. Plus tard, le physicien danois Niels Bohr a développé les liens entre la physique quantique et l’atome.

En 1918, Planck a été récompensé par le prix Nobel de physique pour sa découverte.

La vie personnelle de Max Planck

Planck était un père de famille dévoué, un conférencier compétent, un musicien talentueux, un alpiniste infatigable, un administrateur formidable, un mentor par ses jeunes collègues, et une source d’inspiration pour tous. Einstein, qui, par sa personnalité et ses antécédents, semblait être presque un anti-Planck énumère pour Max Born les plaisirs de son séjour à Berlin, concluant par : « Mais en premier, être près de Planck est une joie. »

Planck était le plus heureux des hommes en compagnie de sa famille. Comme c’est merveilleux de mettre tout le reste de côté, et de vivre sein de la famille, écrivit — il. « Sa seconde épouse, Marga, remarque : “Il ne montrait toutes ses qualités humaines qu’en famille.” Avec sa première épouse, Marie, qui décède en 1909, il eut deux fils, Karl et Erwin, et des filles jumelles, Emma et Grete.

Lise Meitner, une jeune femme talentueuse, déterminée et timide qui se rend à Berlin en 1907 pour faire carrière dans la physique, objectif quasi impossible pour une femme à l’époque, s’est liée d’amitié avec Planck, qui l’a accueillie au sein de sa famille.

Dans un souvenir de Planck, elle écrit : “Planck aimait la compagnie joyeuse, sa maison était un centre de rassemblements sociaux. Les étudiants les plus avancés et les assistants en physique étaient régulièrement invités dans la Wangenheimstrasse. Si les invitations tombaient pendant le semestre d’été, on jouait au chat dans le jardin, un jeu auquel Planck participait avec une joie enfantine et une grande agilité. Il était presque impossible de ne pas être attrapé par le professeur”.

Karl, le fils aîné, meurt de blessures à Verdun lors de la Première Guerre mondiale.
En 1917, Grete meurt peu de temps après un accouchement. Le bébé survit. Emma aide à s’occuper de l’enfant nouveau-né, et épouse son beau-frère veuf, mais elle meurt elle aussi en couches.

Planck est dévasté par ces pertes. Après la mort des jumelles, il écrit dans une lettre à Hendrik Lorentz :

“Maintenant je pleure mes deux enfants chèrement aimés dans un chagrin amer et je me sens dépouillé et appauvri. Parfois, je doute de la valeur de la vie elle-même.”

Mais il avait d’immenses ressources. Il s’évadait dans son travail, non seulement dans les études solitaires de la physique théorique, mais aussi dans la vie universitaire.
Pendant des décennies, Planck a influencé l’Académie de Berlin, et la Société allemande de physique, gardienne de la principale revue de physique, Annalen der Physik. En 1930, trois ans après sa “retraite”, Planck est élu à la présidence de la Société Kaiser-Wilhelm et à la tête de ses instituts de recherche.

Il était connu comme la voie de la recherche scientifique allemande. En même temps, il restait actif dans la Société de physique, et donnait des conférences à l’université.
D’une manière ou d’une autre, Planck trouve le temps de se divertir, mais rien de frivole. Il est un excellent pianiste et préfère les romantiques, Schubert, Schumann, et Brahms, à la musique intellectuelle de Bach.

Planck accompagnait parfois le célèbre violoniste Joseph Joachim, et une fois ils ont joué en trio : Joseph Joachim, Einstein et Planck.
Planck a été témoin des deux guerres mondiales. Il a vu l’apogée de la recherche scientifique allemande en physique qu’il avait aidé à construire, détruite par les politiques nazies raciales et antisémites. Il fut le témoin de la fuite des cerveaux européens chassés par le régime nazi, vers les USA qui allait offrir aux américains, les fruits d’une longue tradition scientifique de la physique.

En février 1944, sa maison est bombardée, détruite avec sa bibliothèque, sa correspondance, et ses journaux intimes. Un an plus tard, le dernier fils de Planck issu de son premier mariage, Erwin, est exécuté en tant que conspirateur dans un complot contre Hitler.
“Il était une partie précieuse de mon être”. Planck a écrit à une nièce et un neveu. “Il était mon rayon de soleil, ma fierté, mon espoir. Aucun mot ne peut décrire ce que j’ai perdu avec lui.”

Tard dans sa vie, Planck a écrit : “La seule chose que nous pouvons revendiquer pour nous avec une assurance absolue, le plus grand bien qu’aucun pouvoir au monde ne peut nous prendre c’est l’intégrité de l’âme.”

Des années après la mort de Planck à l’âge de quatre-vingt-neuf ans, son collègue et ancien étudiant James Franck se souvint d’avoir observé sa lutte désespérée “pour éviter la théorie des quanta, et s’il ne pourrait pas au moins, réduire son influence dans toute la mesure du possible”. Pour Franck, il était clair que Planck “était un révolutionnaire malgré lui” qui “était finalement arrivé à la conclusion : ‘Ça ne sert à rien. Nous allons être obligés de vivre avec la théorie des quanta. Et, croyez-moi, elle se répandra.”.

Références

Gamow, George. The Great Physicists from Galileo to Einstein. mineola, n.Y. : Dover, 1961.
Planck, max. The Philosophy of Physics. new York : norton, 1936.
———. The Theory of Heat Radiation. mineola, n.Y. : Dover, 1959.
———. Treatise on Thermodynamics. mineola, n.Y. : Dover, 1990.
segrè, emilio. From X-Rays to Quarks : Modern Physicists and Their Discoveries. San Francisco : W. h. Freeman, 1980.
Etienne Klein : Il était sept fois la révolution : Albert Einstein et les autres. Flammarion, 2005.
Manjit Kumar : Le grand roman de la physique quantique, Einstein, Bohr… et le débat sur la nature de la réalité, éditions Jean-Claude Lattès, 2011,

« Zénon a sur le mouvement quatre raisonnements, qui ne laissent que d'embarrasser ceux qui tentent de les réfuter » écrivait Aristote il y a approximativement vingt-cinq siècles.
(La Physique VI:9, 239b10).

Zénon et les paradoxes

Quelques siècles avant Jésus-Christ, des philosophes grecs comme Héraclite, Parménide ou Zénon d'Elée s'interrogeaient déjà sur la nature du temps, de l'espace et du mouvement.

L’auteur présocratique Zénon d’Élée (c. -490 – c. -4301) est l’introducteur en philosophie de ce que l’on peut appeler « l’horizon infini des opérations ».
Zénon est connu pour deux choses :
1. Un livre d’arguments contre la pluralité, entreprenant de prouver que l’hypothèse de la pluralité oblige à affirmer ensemble des paradoxes, et dont Platon porte témoignage dans le Parménide (LM D4)

2. Un groupe de 4 arguments contre le mouvement, qui sont paraphrasés et réfutés avec soin et génie dans la Physique d’Aristote (LM D14-16, 18 ; BK A25).

Chez son maître Parménide (c. -515 – c. -440), on trouve la première utilisation philosophique rigoureuse du raisonnement par l’absurde ; mais Zénon utilise le raisonnement par l‘absurde systématiquement, non seulement dans la philosophie, mais aussi dans les mathématiques.
Pourrions-nous compter jusqu’à l’infini ? Comment raisonner en face d’une série d’événements qui ne prend jamais fin ?

Il applique ce raisonnement par l’absurde pour étudier la possibilité d’itérer sans fin des opérations.

Partant de l’hypothèse que la matière comme le temps constitue une grandeur continue, que toute grandeur continue se divise en d’autres grandeurs continues, hypothèse partagée par la géométrie grecque, il a produit un certain nombre d’arguments visant à prouver qu’il est impossible qu’il y ait du mouvement.

Les arguments de Zénon ont un sens bien déterminé, précisément. Il s’agit de
de bons arguments, concluant qui prennent la forme de preuves par l’absurde, et qui réfutent par l’absurde un avis contraire.

Il formule des paradoxes portant sur le mouvement, en particulier le paradoxe d’Achille » et le paradoxe de la Dichotomie : division en deux moitiés égales.

Ils nous enseignent que pour qu’un mouvement s’accomplisse, il faut que s’achève une série d’étapes théoriquement inachevables. Le mouvement est donc prouvé impossible.

La forme de ces paradoxes est bien connue, par exemple, pour qu’un objet accomplisse un mouvement, il doit parcourir la moitié d‘une distance, puis la moitié de la distance restante, puis la moitié de ce qui reste, etc. Ainsi, un objet mobile ne peut jamais arriver à sa destination, car il lui reste toujours une distance restante à parcourir.

Paradoxe d’Achille et la tortue

Dans le livre II de la Physique, Aristote rapporte ainsi l'explication donnée par Zénon :
« Le plus lent à la course ne sera jamais rattrapé par le plus rapide, car celui qui poursuit doit toujours commencer par atteindre le point d'où est parti de sorte que le plus lent a toujours quelque avance.»

Le paradoxe d’Achille est célèbre. Dans ce paradoxe formulé par Zénon d’ Elée, il est dit qu’un jour le héros grec Achille a disputé une course à pied avec une tortue. Comme Achille était réputé être un coureur très rapide, beau joueur, il accorde gracieusement à la tortue une avance de cent mètres.
Zénon énonce que le rapide Achille n’a jamais pu rattraper la tortue, comme le cite Aristote.

Achille ne saurait rattraper une tortue à la course, si la tortue a de l’avance. Car supposons qu’elle se trouve au début de la course au point P. Achille ne saurait la rattraper sans d’abord parvenir jusqu’au point P. Mais le temps qu’Achille y parvienne, la tortue aura continué d’avancer.
Achille ne peut donc pas rattraper la tortue.
Le temps qu’Achille parcoure les 100 mètres ; la torture parcourt elle 50 m
Achille parcourt les 50 m restant, mais la tortue parcourt 25 m.
Achille parcourt les 25 m restant, mais la tortue parcourt 12.5 m
Etc

Plus concrètement, le temps qu’Achille comble son retard de cent mètres, la tortue aura parcouru, disons 10 mètres. Achille doit, pour rattraper la tortue, parcourir ce nouveau mètre, mais une fois ce mètre atteint, la tortue aura encore une fois pris un peu d’avance, et ainsi de suite. Ainsi, Achille aux pieds rapides n’aura jamais pu rattraper la tortue. Le raisonnement de Zénon paraît impeccable et irréfutable; pourtant, nous savons tous que c’est Achille qui a gagné la fameuse course !

Selon la philosophie de Parménide, la réalité est une et immuable, sans changement, et tout changement ou mouvement ne sont que des illusions de nos sens.
En tant que disciple, Zénon a écrit un livre plein de paradoxes qui défendent la philosophie de Parménide. Ce livre a toutefois disparu, tout ce que l’on connait de ces arguments à l’encontre du mouvement nous est reporté par Aristote (IVe siècle avant J.-C.) dans le Livre VI de La Physique.

Dans cet ouvrage, Aristote dévoile ses propres arguments dans le but d’expliquer pourquoi « Zénon fait un faux raisonnement » et en quoi « constitue l'erreur de raisonnement de Zénon». Il ne présente pas les arguments de Zénon contre le mouvement comme étant des « paradoxes ». Et ce point de vue d’Aristote fut largement accepté jusqu’à la fin du XIXe.

Entre temps, des grands philosophes comme Descartes ont tenté de résoudre le paradoxe.
Au 19e siècle, on présente les arguments de Zénon en tant que « paradoxes », on valide la contradiction et on cherche de vraies solutions. Ces paradoxes continuent à être le sujet de plusieurs livres et thèses. Durant ces dernières décennies, ils ont été régulièrement le sujet de discussion dans des revues ou ouvrages académiques.

Le paradoxe de la flèche

Si toute chose, disait-il, doit toujours être en mouvement ou en repos, et si elle est au repos quand elle est dans un espace égal à elle-même, tout corps qui se déplace étant à chaque instant dans un espace égal à sa longueur, la flèche qui nous semble voler, est immobile.

Disons-le autrement : nous imaginons une flèche en vol. À chaque instant, la flèche se trouve à une position précise. Si l’instant est trop court, alors la flèche n’a pas le temps de se déplacer et reste au repos pendant cet instant. Maintenant, pendant les instants suivants, elle va rester immobile pour la même raison. La flèche est toujours immobile et ne peut se déplacer : le mouvement est impossible.
Ce paradoxe a connu un regain de popularité avec la physique quantique, qui montre une incompatibilité entre la détermination du mouvement et la détermination de la position des objets qu’elle étudie.

Selon Aristote :
Mais Zénon a fait un raisonnement faux : « (a) Si toute chose, dit-il, doit toujours être soit en mouvement, soit en repos quand elle est dans un espace égal à elle- même, et (b) si tout corps qui se déplace est toujours pendant chaque instant dans un espace égal (c) il s'ensuit que la flèche qui vole est immobile. » (d), Mais c'est là une erreur, attendu que le
temps n'est pas un composé d'instants, c'est-à-dire d'indivisibles. »

[Aristote, La Physique (fragments VI:9, 239b5 et 239b30); traduit par Barthélémy Saint-Hilaire (1862) : Tome 2, Livre VI: Chapitre XIV].

L’argument d’Aristote repose sur un concept du temps comme un élément indivisible.

Le paradoxe de la pierre lancée sur un arbre

Le premier paradoxe de Zénon, et peut-être bien le plus connu, concerne l’impossibilité qu’une pierre lancée contre un arbre puisse atteindre cet arbre. Il est exposé et commenté dans La Physique d’Aristote. Zénon se tient à huit mètres d’un arbre, tenant une pierre. Il lance sa pierre dans la direction de l’arbre. Avant que la pierre ne puisse atteindre l’arbre, il doit traverser la moitié des huit mètres qui le séparent de l’arrivée, en un temps non nul. Une fois ce trajet effectué, elle doit parcourir la moitié du trajet restant, et ceci se fait encore une fois en un temps non nul. Et ainsi de suite : la pierre doit, au fil de sa progression, parcourir la moitié du trajet restant en un temps non nul, Zénon en conclut que la pierre ne pourra frapper l’arbre qu’au bout d’un temps infini, c’est-à-dire jamais.

Zénon dans le monde antique

Ces problèmes, dans l’Antiquité, ont entraîné deux réponses : la réponse atomiste et la réponse « potentialiste ».

La réponse atomiste était celle de Leucippe (c. -460 – -370), Démocrite (c. -460 – -370), Épicure (-341 – -270), et Diodore Cronos (c. -340 – -284). Cette réponse atomiste consiste à nier l’horizon infini de l’opération. Les atomistes affirment, que la grandeur totale est composée de plus petites grandeurs indivisibles (des « atomes », des choses qui ne peuvent être coupées), et donc, Zénon ne peut diviser les distances à l’infini. Il existe donc une dernière étape après laquelle Achille a rattrapé la tortue, et la pierre a touché l’arbre.
La réponse potentialiste développée chez Aristote (-384 – -322), consiste à admettre la possibilité d’une division possible à l’infini. On pourrait toujours diviser un continu sans trouver fin à cette division, mais nous ne saurions le diviser toujours qu’un nombre déterminé de fois.
La course d’Achille est une et non divisée, bien qu’elle soit divisible, ce qui signifie qu’on peut trouver en elle un nombre arbitraire, mais toujours déterminé en acte de divisions.

Il y en a eu bien sûr des philosophes comme Diogène de Sinope, qui se sont levés et ont dépassé les tortues pour réfuter l’argument.

Ces réponses ne sont pas satisfaisantes.

La réponse atomiste est de refuser les conditions de départ du problème. Si la réponse atomiste et la méthode atomiste sont la bonne réponse et la bonne méthode, devrons-nous penser alors qu’Aristote, Galilée, Descartes, Newton, et les inventeurs de l’Algèbre au moyen âge n’ont rien compris en cherchant à analyser ce paradoxe ?

La réponse atomiste abdique d’emblée, et abandonne la bataille et se montre indifférente à la question du mouvement, et du temps.

La réponse aristotélicienne est originale, et efficace, mais difficile à prouver, et demeure un point de vue philosophique. Cette réponse est tombée en désuétude bien sûr.

Zénon et les solutions de notre époque

Bien sûr, Zénon pouvait vérifier par lui-même qu’une pierre peut frapper un arbre, ou qu’une flèche se déplace. Il serait naïf de croire qu’il contestait que ce soit possible.
Si on en croit Aristote, Zénon nie fondamentalement le mouvement. Il ne nie pas son apparence, puisqu’on peut tous le constater par nous-mêmes, mais sa réalité.
La question devient : pourquoi, alors que je vous prouve par la logique que le mouvement n’est pas possible, on peut malgré tout l’expérimenter ?

On peut voir, dans ces paradoxes, un doute sur la façon de manipuler l’infini, et le divisible. Dans le cas du paradoxe d’Achille, c’est l’infiniment petit qui est en cause... Pensée également partagée par Démocrite, l’inventeur de la notion d’atome.
Depuis que les paradoxes de Zénon furent énoncés, beaucoup de solutions ont été proposées, mais aucune n’a réellement réussi à résoudre tous les aspects paradoxaux des arguments de Zénon : soit la solution proposée résout un (ou plusieurs) argument(s), mais en laisse toujours (au moins) un de côté, soit la solution proposée mène vers d’autres paradoxes.

En 1913, le philosophe britannique Bertrand Russel écrit :
« Dans ce monde capricieux, rien n'est plus capricieux que la gloire posthume. Une des victimes les plus notables du manque de jugement de la postérité a été Zénon d’Élée. Ayant conçu quatre arguments, tous immensément subtils et profonds, la crasse des philosophes qui ont suivi
n’a guère jugé qu'il ne valait pas mieux qu'un ingénieux jongleur, et que ses arguments était plus qu'une série de sophismes. »

Après deux mille ans de réfutation ininterrompue, ces sophismes furent rétablis, et placés au fondement d'une renaissance mathématique, par un professeur allemand qui ne pensait pas à Zénon. Weierstrass, en bannissant les infinitésimaux, a finalement montré que nous vivons dans un monde immuable, et que la flèche, à chaque instant de son vol, est véritablement au repos. La seule erreur que fit probablement Zénon est de conclure (si vraiment il en a conclu ainsi) que, puisqu'il n'y avait aucun changement, il fallait que le monde fût dans le même état d'un instant à un autre. Cette conséquence n'est pas du tout valide, et c'est en ce point que le professeur allemand est en progrès sur le Grec ingénieux. »

Dans son étude des paradoxes de Zénon, Bertrand Russell supposait que le temps est u ne succession non pas d'instants de durée nulle, mais de petits intervalles de temps indivisibles, des "atomes" de temps.

Les paradoxes qui portent le nom de Zénon se basent sur une notion mathématique que notre philosophe ne pouvait connaître : celle des séries convergentes.
En mathématiques, la notion de série permet de généraliser la notion de somme finie.

En mathématique moderne, le paradoxe est résolu en utilisant le fait qu’une série infinie de nombres strictement positifs peut converger vers un résultat fini.
Ce paradoxe fonctionne en découpant un événement d’une durée finie (Achille rattrape la tortue) en une infinité d’événements de plus en plus brefs (Achille fait 99 % de la distance manquante).

Ensuite, l’erreur mathématique introduite dans le paradoxe consiste à affirmer que la somme de cette infinité d’événements de plus en plus brefs tend vers l’infini, c’est-à-dire qu’Achille n’arrive jamais à rattraper la tortue.

Admettons que la première étape a pris 10 secondes. Alors, la suivante a pris 0,1 seconde, puis l’étape suivante a pris 0,001 seconde, etc.
On obtient la série suivante : 10 + 0,1 + 0,001 + 0,00001 = 10,10101 secondes. Ce paradoxe montre donc simplement qu’Achille ne peut pas rejoindre la tortue en moins de 10,100 secondes, et non pas qu’il ne peut jamais rejoindre la tortue.
Ce paradoxe peut être résolu en appliquant le principe de série convergente.

La physique quantique va elle aussi dans ce sens en admettant l’existence d’une unité de temps et d’une unité de taille toutes deux indivisible. Les effets quantiques imposent, dans la théorie des cordes une taille minimale de l'ordre de 10-34 mètres. Ce quantum irréductible de longueur est une nouvelle constante de la nature, aux côtés de la vitesse de la lumière et de la constante de Planck (le seuil d'énergie minimum que l'on puisse mesurer sur une particule). Le Temps de Planck = 10-43 secondes. C'est la plus petite mesure de temps à laquelle nous puissions avoir accès, au-delà de cette limite, les lois physiques cessent d'être valides.
Selon ces approches, Zénon ne peut pas découper à l’infini.

La science a bien avancé depuis Zénon, mais ces paradoxes demeurent, car nous n'avons toujours pas de réponse à la question cruciale : le temps est-il discontinu ou continu?

Références

Dumont, Jean-Paul (éd.), Les écoles présocratiques, trad. par Daniel Delattre, Jean- Paul Dumont et Jean-Louis Poirier, folio/essais, Gallimard, 1991.

Aristote, Catégories. Sur L’interprétation, Organon I-II, trad. du grec, annot. et introd. par Michel Crubellier, Catherine Dalimier et Pierre Pellegrin, GF Flammarion,2007.

Brochard, Victor, Études de philosophie ancienne et de philosophie moderne, éd. établie et introd. par Victor Delbos, Félix Alcan, Paris 1912.
— « Les arguments de Zénon d’Élée contre le mouvement », Compte rendu de l’Académie des sciences morales, 29 (1888), p. 555-568.

McKirahan, Richard, « La dichotomie de Zénon chez Aristote », in Qu’est-ce que la philosophie présocratique ?, What is Presocratic Philosophy ?, sous la dir. d’André Laks et Claire Louguet, trad. de l’anglais par Claire Louguet, Presses Universitaires du Septentrion, Lille 2002, p. 465-496.

Cajori, Florian, « The History of Zeno’s Arguments on Motion. Phases in the Development of the Theory of Limits », The American Mathematical Monthly, 22 (1915),p. 1-6, 38-47, 77-82, 109-15, 143-49, 179-86, 215-20, 253-58, 292-97.

Badiou, Alain, L’immanence des vérités, L’Être et l’événement. 3, Fayard, 2018.

 L'alimentation nous accompagne tout au long de notre vie, comme un acte vital et indispensable, influencé par l'éducation, le contexte social, la disponibilité alimentaire, le stress, l'ennui, les idées reçues, les rythmes, les saisons, l'activité physique, la solitude, la publicité, et par d’autres facteurs.

L’alimentation joue un rôle essentiel dans la vie, elle nourrit, et elle fait plaisir. L’alimentation en fait du bien en nourrissant, engendrant bien-être et satisfaction.

L’alimentation s’intéresse à l’effet nutritif et plaisant à la fois. En français, on utilise le terme alimentation pour désigner les aliments comme le pain, les viandes ou les légumes. Pour désigner une alimentation équilibrée, on parlait d’une alimentation saine.

De l’alimentation à la nutrition

Depuis la nuit du temps, on savait qu’un aliment peut être plaisant et non nourrissant et ce qui exige une alimentation variée, et composée de plusieurs aliments.

La définition la plus courte de la nutrition est : la science concernant les facteurs impliqués dans l'alimentation de notre corps. La survie des humains exige la disponibilité de l'alimentation et le bon fonctionnement du corps humain pour assimiler cette nourriture.

La nutrition est la science qui s’intéresse aux nutriments, et non pas aux aliments. Le pain en nutrition contient des nutriments : hydrate de carbone, vitamines, minéraux, etc.

La nutrition humaine est un domaine scientifique complexe, aux multiples facettes étudiant les substances présentes dans les aliments. D’autre part, la nutrition s’intéresse aux liens entre l’organisme et les nutriments : assimilation, rôle de nutriments dans la santé, et dans les maladies, les structures des nutriments, leurs caractéristiques chimiques et physiques, et leurs effets physiologiques et biochimiques.

La nutrition et joue un rôle préventif contre la malnutrition et contre les maladies, et dans la consolidation de la santé et de la sécurité alimentaire.

Les liens entre l’alimentation et la culture compliquent la tâche de la nutrition ;  l’approche scientifique de la nutrition doit s’armer d’éthique et de compréhension pour comprendre l’héritage culturel ou religieux qui régie l’alimentation dans une communauté.

D’autre part, en raison des enjeux financiers colossaux, la nutrition doit affronter des modes alimentaires encouragés ou par la publicité, et par l’évolution technologiques.

La nutrition est une science relativement jeune. La plupart des recherches sur la nutrition ont commencé au 19^e siècle.  

La première vitamine a été identifiée en 1897. La structure des protéines n'a pas été entièrement décrite avant le milieu des années 40. Parce que la science de la nutrition active, les résultats scientifiques semblent souvent se contredire ou font l'objet d'interprétations contradictoires.  

Les substances nourrissantes se nomment les nutriments ,et  comportent des produits chimiques utilisés par notre corps pour produire l'énergie et assurer le fonctionnement de l'organisme  ainsi que sa croissance, mouvement, immunité, réparation,  prévention des maladies et reproduction.

La nutrition humaine inclut l'étude des nutriments  et d'autres substances trouvées  dans la nourriture ; comment le corps humain emploie les aliments pour sa croissance, les liens entre les nourritures, ses composantes,  et la santé.

La science de la nutrition englobe de nombreux domaines relatifs à la gestion et à l'assimilation de l'alimentation et à l'adaptation de cette alimentation en cas de maladies, de troubles de l'organisme.

Dans un sens plus large, la nutrition inclut également les divers aspects psychologiques, sociologiques, culturels, les facteurs technologiques et économiques qui affectent les nourritures et les modèles diététiques.

La biochimie est utilisée dans la nutrition pour comprendre les structures chimiques des aliments, leur importance pour l'organisme, leur apport calorique et le processus de leur assimilation.

La physiologie joue également un rôle dans les sciences de la nutrition afin d'expliquer les processus relatifs à la digestion et à l'absorption des aliments et des nutriments.

La nutrition tente d'offrir des réponses adaptées aux personnes souffrant de maladies nécessitant des régimes particuliers : diabète, anémie, ou de formuler des réponses efficaces et adaptées à certaines situations : obésité, grossesse et maladies chroniques .

Les régimes alimentaires font partie de la nutrition.

Nutriment essentiel

Le nutriment essentiel est synonyme d'un élément nutritionnel indispensable à la vie ou à la bonne santé de l'organisme car l'organisme humain est incapable de le produire.

Le nutriment essentiel joue un rôle important dans le fonctionnement de l'organisme humain et animal,  sa présence  est indispensable  dans l'alimentation d'une façon régulière afin d'éviter certaines maladies.

Les nutriments essentiels sont nombreux ; un régime qui manque de protéines d'une façon prolongée, peut provoquer une maladie nommée kwashiorkor capable de mettre la vie en danger. Les personnes qui ne consomment pas suffisamment de vitamine C  (c'était le cas des marins par manque de fruits pendant les longs voyages) peuvent souffrir d'une maladie sérieuse liée à l'insuffisance de vitamine C, nommé scorbut.

Il est important de distinguer les nutriments en général qui englobent l'eau, protéines, glucides, et acides gras, présents généralement dans la plupart des régimes alimentaires selon des proportions variables et dont le rôle est d'assurer à l'organisme l'énergie nécessaire, des nutriments essentiels. Ces derniers ne sont pas présents dans la plupart des régimes alimentaires, et dont le rôle dépasse la simple production énergétique pour intervenir dans le fonctionnement des organes, et de la synthèse de certaines substances indispensables à la vie.

Les nutriments essentiels varient selon les espèces, les volailles n'ont pas besoin de protéines, leur organisme est capable de transformer les protéines végétales en protéines animales, et les chiens n'ont pas besoin de vitamine C car leur organisme est capable d'en produire.

Les nutriments essentiels chez les êtres humains incluent :  vitamines, éléments minéraux, certains acides aminés, et plusieurs acides gras.

Toute privation de ses éléments peut provoquer des troubles plus ou moins graves, et à plus ou moins long terme  mettre la vie en danger.

La nutrition : cette science

La nutrition humaine décrit les processus par lesquels les cellules, les tissus, les organes, les systèmes, et l’organisme dans son ensemble obtiennent et utilisent des substances nécessaires obtenues à partir des aliments (nutriments) pour maintenir l'intégrité structurelle et fonctionnelle.

Pour comprendre comment les humains obtiennent et utilisent les nutriments présents dans les aliments, du niveau moléculaire au niveau sociétal, et les facteurs qui déterminent et influencent ces processus.

L'étude et la pratique de la nutrition humaine impliquent un ensemble d’autres sciences : biologie moléculaire, génétique, biochimie, chimie, physique, microbiologie, physiologie, pathologie, immunologie, ainsi que les sciences humaines comme psychologie, sociologie, sciences politiques, anthropologie, communication, et l'économie. Les départements de nutrition sont souvent attachés aux facultés de médecine ou aux sciences sociales.
En réalité, la science de la nutrition est toujours multidisciplinaire se situe à la fois dans les domaines des sciences naturelles (biologiques) et des sciences sociales, exige la compréhension de nombreuses sciences et disciplines.

La science de nutrition en pratique

L'objectif principal des professionnels de la nutrition est d'appliquer les principes nutritionnels pour promouvoir la santé et le bien-être, prévenir ou traiter les maladies chez les individus, les familles, les communautés et la population.

Le nutritionniste clinique conseille les individus pour promouvoir la santé, prévenir la maladie ou la traiter.
Le nutritionniste clinique travaille principalement au sein établissements de santé

Le nutritionniste des groupes possède des compétences supplémentaires provenant des sciences psychosocio-comportementales. Il prend en compte la dynamique au sein de certains groupes responsables des problèmes nutritionnels. Il peut par exemple être consulté pour adapter le régime alimentaire d’une base militaire, d’un groupe de sportifs, un groupe d’enfant, ou une maison de retraite. Il s’intéresse à la sécurité alimentaire dans un contexte socio-économique donné, à la qualité d’eau, et aux indicateurs de qualité de vie.

Le nutritionniste en santé publique ou en nutrition publique s'intéresse à la sécurité alimentaire globale, aux questions environnementales, et économiques.

Il est responsable de la surveillance nutritionnelle, de la mise en œuvre et du suivi des directives qui traitent des problèmes de santé publique. Il a besoin de connaissances en économie, en agriculture, et en droit pour appliquer une politique nutritionnelle.

Références

Michael J Gibney, Susan A Lanham-New, Aedin Cassidy, Hester H Vorster: Introduction to Human Nutrition, edit: John Wiley & Sons Ltd, 2019