À l’aube de la physique de l’énergie
Helmholtz rénovateur de la dynamique

par Bernard Pourprix et Jacqueline Lubet
Collection " Inflexions "
ISBN 2-909680-62-2, septembre 2004, 176 pages, 20 euros franco de port
coédition Adapt-Snes/Vuibert

      Dans la première moitié du XIXe siècle, on se rend compte que la dynamique newtonienne, sur laquelle on croyait pouvoir s’appuyer pour expliquer l’ensemble des phénomènes de la nature, présente des défauts irrémédiables. Des questions simples restent sans réponses : que devient le mouvement lorsqu’il paraît s’annihiler lors d’un choc ? comment expliquer l’échauffement des corps qui sont entrés en collision ? De toute évidence, la dynamique newtonienne n’offre, pour ce genre de questions, rien de comparable à ce qu’elle a apporté dans l’explication des mouvements célestes. C’est dans la perspective ouverte par ce vide théorique qu’apparaissent l’originalité et l’intérêt des recherches d’Helmholtz au milieu du XIXe siècle. Renouant avec la tradition leibnizienne, Helmholtz propose une explication dynamique nouvelle des phénomènes, qui ouvre la voie à la physique de l’énergie. Il publie son travail en 1847 sous le titre Über die Erhaltung der Kraft (Sur la conservation de la Force). Ce mémoire est considéré aujourd'hui comme une étape importante dans la découverte du principe de la conservation de l'énergie. Ce principe, exprimé sous une forme ou sous une autre, est un des piliers de la physique. Il n'a pas été découvert, un beau jour, par un savant génial, mais il a lentement émergé au travers de multiples travaux dans des domaines divers menés par des chercheurs de cultures et de traditions différentes, qui souvent ne percevaient pas de liens entre leurs recherches respectives.

Ce livre fait revivre un chercheur travaillant à la charnière de deux époques bien différentes, celle de la physique de la force d’inspiration newtonienne (Laplace, par exemple) et celle de la physique de l’énergie (Thomson et Maxwell, par exemple). Il fait découvrir le " chantier de construction " du concept d’énergie et apporte ainsi un nouvel éclairage sur un grand tournant de l’histoire de la physique. Le lecteur est convié à une sorte de visite guidée d’une partie du " laboratoire épistémologique ". Il voit la science se faire, il observe un scientifique au travail et pénètre dans les détails de sa pratique : conceptualisation, mathématisation, expérimentation, trois opérations coordonnées, mises en cohérence par l’intermédiaire de ses conceptions du monde et de la science (conceptions d’inspiration kantienne, dans le cas présent). Il voit aussi comment la réception du travail d’un scientifique par ses contemporains, les débats et controverses auxquels il donne lieu, peuvent faire évoluer ses idées, sa pratique et les principes philosophiques qui la sous-tendent. Ainsi le lecteur s’initie à une certaine manière de pratiquer l’histoire des sciences et l’épistémologie. Chemin faisant, il prend conscience du grand décalage entre la science qu’on lui a enseignée et la science qui se pratique dans les laboratoires. Ce livre peut l’aider à prendre du recul par rapport à certaines conceptions plus ou moins mythiques de la science et de l’activité scientifique.

Le public concerné

Les questions de physique traitées dans cet ouvrage correspondent aux programmes enseignés au lycée et à l’université. Le formalisme mathématique est réduit à sa plus simple expression. La réflexion épistémologique utilise un langage simple.

L’ouvrage s’adresse d’abord aux enseignants, et notamment ceux de sciences physiques (intéressés par l’histoire de leur discipline), ceux de mathématiques (intéressés par les liens entre mathématiques et sciences physiques, par exemple les animateurs des IREM), ceux de philosophie (intéressés par une réflexion sur des cas concrets).

Bien entendu les enseignants en formation sont concernés. L’histoire des sciences commence d’être enseignée dans les IUFM. La formation des futurs enseignants doit passer par une démystification du " savoir scientifique ", et une meilleure compréhension des modes de construction de ce savoir. Cet ouvrage peut y contribuer.

L’ouvrage s’adresse aussi aux étudiants de 2ème et 3ème cycles, car l’histoire des sciences est maintenant enseignée dans de nombreuses universités scientifiques.

Enfin les historiens des sciences trouveront dans cet ouvrage une synthèse des nombreuses analyses du mémoire d’Helmholtz Sur la Conservation de la Force, et peut-être un nouvel éclairage sur une œuvre considérée aujourd’hui comme une étape majeure dans la découverte du principe de la conservation de l’énergie.

Accessible sur cette page :

  Sommaire    Les auteurs

Sommaire

Introduction

Encart : La conservation de la force vive

Chapitre 1 : Le contexte, l’origine et la structure du mémoire

1. Le modèle de science en Allemagne dans les années 1840

La philosophie dynamique de Kant et la physique des essences - Encart : Dynamisme, dynamique - Encart : La Naturphilosophie - Le renouvellement de la physique et de la physiologie à partir des années 1820 - Encart : La physique théorique d’Ohm - Encart : La philosophie mécanique de Laplace - Encart : La physique mathématique de Fourier - L’introduction du travail de laboratoire dans la formation des physiciens

2. La formation d’Helmholtz

La richesse culturelle des années de jeunesse - Les études de médecine et la rencontre avec Johannes Müller - Encart : Müller et ses élèves - Les liens avec Magnus. La Société de physique de Berlin. La formation du groupe des biophysiciens - Encart : Du Bois-Reymond et l’électricité animale

3. L’origine du mémoire Sur la Conservation de la Force

La question de la force vitale - Encart : Le mouvement perpétuel - Les travaux d’Helmholtz sur l’action musculaire et la chaleur animale - Encart : L’équivalent mécanique de la chaleur au sens de Joule

4. La structure du mémoire

Chapitre 2 : Les conceptions du monde et de la science d’Helmholtz

1. L’utilité pratique et sociale de la connaissance de la nature - Encart : Goethe, un Naturphilosoph

2. Une forme de réductionnisme physicaliste - Encart : Physique et mécanique kantiennes

3. Une introduction d’inspiration kantienne

4. L’unité fondamentale des forces de la nature

5. Physique des forces centrales et physique de l’énergie

Chapitre 3 : La conceptualisation de la force

1. Les concepts métaphysiques : matière et force

2. Les concepts scientifiques

Le point matériel et les forces centrales - La force vive et le travail - La force de tension, ébauche de l’énergie potentielle

La chaleur - Encart : Les conceptions statiques de la physique laplacienne

Chapitre 4 : La mathématisation de la conservation de la force

1. La mathématisation, c’est-à-dire la mécanisation - Encart : Seguin et les machines thermiques

2. Le réductionnisme au sens d’Helmholtz

3. Autres modes de mathématisation. Le contenu physique des constructions mathématiques

Helmholtz vs Lagrange : Lagrange a-t-il établi le principe de la conservation de l’énergie ? - Helmholtz vs Clausius : la théorie mécanique de la chaleur de Clausius - Encart : Clausius et la théorie mécanique de la chaleur

4. Une erreur de calcul féconde

Chapitre 5 : La place et la fonction de l’expérience

1. La physiologie du muscle comme banc d’essai d’un programme physicaliste - Encart : La thermoélectricité

2. Le principe de conservation de la force comme généralisation des lois de l’expérience

Chapitre 6 : La réception du mémoire

1. La réception du mémoire immédiatement après 1847

La réception en Allemagne : un mémoire bien déconcertant - Encart : Stahl, le vitalisme et le phlogistique - Encart : Fick, un kantien tardif - La réception en Grande-Bretagne. L’énergie au sens de Thomson - Encart : Le Traité de philosophie naturelle de Thomson et Tait

2. Les controverses

Les querelles de priorité - Encart : Rankine, la thermodynamique et l’énergétique - La controverse avec Rudolf Clausius - Le potentiel - La réduction de toutes les actions à des forces centrales - La controverse avec Wilhelm Weber - Encart : La théorie électrodynamique de Weber - Encart : La théorie électromagnétique de Maxwell

Chapitre 7 : L’évolution des idées d’Helmholtz sur la force

1. Les comptes rendus d’Helmholtz dans les Fortschritte der Physik, signes et facteurs de son évolution - Encart : L’énergétique à la fin du xixe siècle

2. La loi de la conservation de la force dans les conférences d’Helmholtz

3. Helmholtz et l’énergie vers 1870 - Encart : Helmholtz et le principe de moindre action - Encart : L’œuvre d’Helmholtz

Chapitre 8 : Les figures d’Helmholtz

1. Helmholtz kantien

Le kantisme comme racine du renouvellement de la physique au cours du xixe siècle (I. Prigogine et I. Stengers) - Les fondements métaphysiques du mémoire d’Helmholtz (P. M. Heimann) - Un physicien philosophe qui reste fidèle à Kant (C. Chevalley)

2. Helmholtz chercheur scientifique

Helmholtz physicien théoricien (F. Bevilacqua) - L’ " helmholtzianisme ", une manière de faire de la physique (J. Z. Buchwald) - L’alliance entre une pratique scientifique et une philosophie idéaliste (M. Heidelberger)

3. Helmholtz scientifique engagé (E. Jurkowitz)

Conclusion

Annexes :

Traduction de l’introduction du mémoire d’Helmholtz Sur la Conservation de la Force

Index des noms de personnes - Source illustrations

Les auteurs

Jacqueline Lubet, agrégée de sciences physiques, professeur honoraire au lycée V. Labbé de La Madeleine (Nord). Animatrice à l'IREM de Lille.

Bernard Pourprix, agrégé de physique appliquée, professeur des universités honoraires en épistémologie et histoire des sciences. A enseigné à l'université de Lille 1 et à l'IUFM du Nord-Pas-de-Calais. Membre de l'UMR Savoirs et Textes (CNRS, Lille 3, Lille1).

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