11/05/2011

Surprenante gravité

podcast-50x47.pnglogo_rsr.gifLes prestidigitateurs gagnent leur vie en faisant jaillir un lapin d’un chapeau ou en remplaçant subrepticement un sept de pique par une dame de cœur. Certains d’entre eux procèdent à la lévitation d’une personne jeune et jolie, un phénomène en contradiction flagrante avec les lois de la gravitation. Les prestidigitateurs agissent même à distance. Ils font disparaître la Tour Eiffel ou tordent des cuillers placées hors de leur portée. Les spectateurs ont beau être ravis de leurs pirouettes, ils ne croient pas un instant que les illusionnistes soient de véritables sorciers doués de pouvoir occultes. Mais ils adorent prendre les vessies pour des lanternes et d’habiles escamoteurs pour de véritables magiciens.



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A l’école, nous avons tous appris l’existence de la force de gravitation. La plupart du temps, nous ne nous sommes posé aucune question à ce propos, nous n’avons manifesté aucun étonnement. La gravitation, pourtant, est contraire à l’intuition. Elle implique qu’un monceau de roches – la Terre – ou une boule de gaz – le Soleil – a connaissance de la présence des astres qui l’entourent, qu’il est capable d’en mesurer les distances et les masses respectives et que, par-delà l’espace qui les sépare, il exerce sur chacun d’eux une force correspondant exactement aux données recueillies. Les corps célestes feraient-ils mieux que les plus habiles prestidigitateurs ? Pour la raison, c’est un véritable défi, un postulat inacceptable.

Galilée rejetait violemment la notion d’action ou de force à distance. Il avait pourtant sous les yeux la chute des corps dont il avait établi la loi. Mais il n’y voyait pas l’action d’une force ; il se contentait de mesurer l’accélération prise par le mobile ou le projectile2. Il observait, il décrivait ce qu’il voyait sans chercher l’origine de l’accélération, une donnée immédiate de l’expérience. Quant à l’influence de la Lune sur les marées, Galilée n’y croyait tout simplement pas. Lorsque Newton introduisit la notion de force gravifique comme modèle de force à distance, il n’entraîna pas immédiatement l’adhésion générale. L’astronome genevois Georges-Louis Lesage (1724-1803), notamment, approuvait sans réserve la théorie de Newton, mais il rejetait l’idée de force à distance. Il se mit en devoir d’éliminer celle-ci tout en conservant celle-là.

Science et spéculation

Contrairement à ce que l’étymologie suggère, un «corpuscule ultramondain » ne consacre pas ses soirées à la haute société. Il s’agit en réalité d’une particule invisible, née dans l’imagination de Georges-Louis Lesage. Pour son créateur, cet étrange corpuscule devait être à l’origine de la force gravifique, et expliquer sa dépendance en fonction de la distance et de la masse des corps concernés. Quant au choix de l’adjectif «ultramondain», il se réfère à l’origine supposée de ces corpuscules. Lesage la situait aux confins de l’univers, au-delà des limites du monde connu.

Par sa grand-mère, Lesage descendait en droite ligne du poète huguenot Agrippa d’Aubigné (1552-1630), aussi vaillant guerrier que farouche calviniste. Attaché à la cause du futur Henri IV, d’Aubigné l’avait abandonné au moment où le prétendant abjura le protestantisme pour monter sur le trône de France. Henri IV, cependant, n’oublia pas ses anciens coreligionnaires. Il leur accorda en 1598 une série de privilèges énumérés dans l’édit de Nantes. En 1685, quand Louis XIV en signa la révocation, plus de 200 000 huguenots choisirent l’exil plutôt que la soumission et l’abjuration. Le père de Georges-Louis se réfugia à Genève. Lui-même y passa la majeure partie de sa vie qu’il voua à la physique. On lui doit l’invention d’un télégraphe électrique aux performances peu convaincantes. Mais on lui doit surtout une théorie de la gravitation qui reconnaissait l’existence d’une force analogue à la force gravifique tout en bannissant l’action à distance. Ce faisant, il s’éloigne du domaine strictement scientifique pour se livrer à la spéculation.

Comme nous la comprenons aujourd’hui, la mission de la science consiste à décrire les phénomènes reproductibles, ceux que l’on observe chaque fois que sont réalisées certaines conditions prescrites. La collision de deux boules de billard, la réflexion de la lumière, la solidification de l’eau à basse température, tous ces phénomènes sont reproductibles. La science commence par les décrire, puis elle tente de les expliquer en établissant une relation causale. Si la pomme tombe de l’arbre, c’est qu’elle attirée par la Terre. Si la Terre attire la pomme, c’est qu’elle obéit à la loi de la gravitation universelle. Si la loi de la gravitation a la forme que nous lui connaissons, c’est que… Là, le scientifique reste bouche bée. S’il va plus loin, il est accusé de s’abandonner à des spéculations, peut-être même à des spéculations métaphysiques, une activité politiquement incorrecte aux yeux de ses collègues. Si l’on invite un scientifique à se livrer à des spéculations dépassant les frontières de la science, il est probable qu’il réponde comme le gendarme à qui l’on offre un verre : « Jamais pendant le service ! » En cas de transgression, il est vrai, les sanctions sont légères ; elles ne dépassent guère le haussement de sourcils.

Comme Galilée, Newton se méfiait des spéculations. Dans les Principia, il écrit : « Je n’ai pu encore parvenir à déduire des phénomènes la raison de ces propriétés de la gravité, je n’imagine point d’hypothèses. Car tout ce qui ne se déduit point des phénomènes est une hypothèse: & les hypothèses, soit métaphysiques, soit physiques, soit mécaniques, soit celles des qualités occultes, ne doivent pas être reçues dans la philosophie expérimentale. [...] Et il suffit que la gravité existe, qu’elle agisse selon les lois que nous avons exposées, qu’elle puisse expliquer tous les mouvements des corps célestes & ceux de la mer. » 
En énonçant la loi de la gravitation, Newton affirme que tout se passe comme si les masses exerçaient une action à distance les unes sur les autres. Il précise les modalités de cette interaction (sa dépendance en fonction des masses et des distances), mais il s’arrête là. Il a découvert le comment, mais il ne dit rien du pourquoi. C’est le grand paradoxe du scientifique. En fin de compte, il voudrait toujours connaître le pourquoi, mais il doit toujours se limiter au comment. Newton le dit lui-même: «Hypotheses non fingo». Il donne le nom d’«hypothèses» à ce que nous appelons «spéculations».

Bien entendu, il n’existe pas de limite claire et prédéterminée entre ce qui se déduit des observations et ce qui n’est que pure spéculation. Une nouvelle théorie appartient à la première catégorie si elle permet d’expliquer des observations jusqu’ici incomprises, ou si elle prédit l’existence de faits nouveaux, inconnus à ce jour. En découvrant la loi de la gravitation universelle, Newton a créé une théorie nouvelle permettant notamment d’expliquer les lois de Kepler et de les étendre aux satellites de Jupiter et de Saturne.

Éloge d’une théorie fausse

Dans L’esprit de sel, Jean-Marc Lévy-Leblond se livre à l’éloge des théories fausses. Par ordre de distance croissante à la vérité reçue, il distingue les théories adhérentes, différentes, aberrantes et sidérantes. Les premières ont été vraies dans le passé et constituent aujourd’hui encore d’excellentes approximations. Les deuxièmes n’entrent pas dans le cadre théorique en vigueur mais possèdent une cohérence et une logique interne rendant leur réfutation difficile. Les deux derniers types de théories ne méritent ni analyse ni réfutation, même si Lévy-Leblond fait la distinction entre les théories aberrantes, que l’on peut espérer réfuter, et les théories sidérantes pour lesquelles il n’y faut pas songer. Elle se situent dans un cadre si insensé qu’on ne peut les combattre en faisant appel aux méthodes de la science. On ne peut que hocher tristement la tête.

Les théories fausses peuvent nous divertir, tel le «principe de dilution», une théorie sidérante selon laquelle une substance en solution ne perd rien de son pouvoir actif, même si la dilution est telle que cette substance a complètement disparu. Selon les zélateurs de la théorie, l’eau garderait la « mémoire » du corps chimique présent avant dilution. Comme exemple de théorie sidérante, Lévy-Leblond cite la «théorie de la Terre creuse». Son auteur affirme que l’intérieur de la Terre – dépourvu de substance – communique avec l’extérieur par deux vastes ouvertures situées aux pôles. Sur sa surface intérieure vivrait une civilisation avancée nous rendant fréquemment visite à bord de « soucoupes volantes ». La première de ces élucubrations s’abrite derrière un langage scientifique tandis que la seconde avance à visage découvert, mais toutes deux ne sont que pures divagations.
Pour Lévy-Leblond, c’est parmi les théories différentes qu’il convient de classer la théorie de Lesage. Le physicien genevois imagine que l’espace est parcouru d’un flux abondant de corpuscules ultramondains dont il situe l’origine au-delà du système solaire. Nos sens sont incapables de les percevoir parce qu’ils sont trop petits. Quand l’un d’eux entre en collision avec un corps céleste, il lui communique une impulsion à la mesure de sa taille et de sa vitesse, que Lesage suppose très élevée. Ces chocs continuels n’ont pas d’effet perceptible sur un corps sphérique isolé, qu’ils se contentent de comprimer légèrement sans que nous en soyons conscients. La situation ne devient piquante que lorsque deux corps célestes sont proches, car ils s’abritent mutuellement d’une partie du flux de corpuscules. Pour eux, la pluie ultramondaine cesse de se répartir uniformément sur la surface. Il apparaît alors une force dirigée vers l’autre corps céleste. Pour Lesage, les corps célestes ne s’attirent pas, mais ils sont poussés l’un vers l’autre ! La géométrie veut que ces forces décroissent comme l’inverse du carré de la distance entre les deux corps5. La théorie de Lesage reproduit correctement la dépendance de la force de la gravitation en fonction de la distance. Reste à comprendre pourquoi l’attraction dépend de la masse des corps. Après tout, de deux parapluies imperméables ayant même forme et même dimension, le plus lourd n’a pas de raison d’être plus efficace !

Face à cette objection, Lesage trouve la parade. Il affirme que les corps célestes sont poreux, à l’image de la matière ordinaire qui, pense-t-il, est constituée d’un amoncellement d’atomes ou de molécules. Chaque atome ressemble à une «cage» – ce peut être un cube ou un octaèdre. Quand les corpuscules ultramondains parviennent à la surface d’un corps céleste, ils poursuivent leur course en pénétrant à l’intérieur de l’astre poreux où ils voyagent à l’aise, à moins qu’ils ne viennent frapper un barreau de la cage, ce qui ne se produit que rarement. Dans ces conditions, à la sortie du corps céleste, le flux ultramondain est presque aussi dense qu’à l’entrée. Une telle hypothèse est indispensable. Elle assure que les rares sites susceptibles d’intercepter un corpuscule se répartissent uniformément à l’intérieur du corps céleste si bien que plus l’astre est massif, plus nombreux seront les sites d’interception. Lesage estime que la Terre capture à peine un corpuscule sur dix millions6. Par cet artifice bienvenu, Lesage façonne à sa guise les propriétés de la poussée qui, dans sa théorie, tend à rapprocher deux corps célestes : elle devient proportionnelle au produit des masses des corps considérés, comme le veut la loi de la gravitation de Newton.

Il n’y a pas lieu de rire de la porosité supposée de la matière. Nous savons aujourd’hui que la masse de l’atome est concentrée dans un noyau minuscule. Son diamètre n’atteint guère que le cent millionième de celui de l’atome. Lesage, bien sûr, ignore ce point. Il se livre à la spéculation. Et il répond d’avance à une question que ses lecteurs ne vont pas manquer de lui poser. Que se passe-t-il quand un troisième corps céleste s’interpose entre deux astres? En d’autres termes, à quoi devons-nous nous attendre lors d’une éclipse de Soleil, quand la Lune s’interpose entre le Soleil et la Terre ? Sur ce point, la théorie de Newton est très claire. Les forces d’attraction que le Soleil et la Lune exercent sur la Terre dépendent des distances respectives à notre planète, que les trois astres soient alignés ou non. Or la théorie de Lesage passe parfaitement le test des éclipses. Parce que son auteur a postulé la porosité et même la transparence presque parfaite des corps célestes vis-à-vis des corpuscules, l’interposition de la Lune ne modifie que de manière négligeable l’action du Soleil sur la Terre…

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 Extrait du titre Surprenante gravité
François Rothen
Publié aux Presses polytechniques et universitaires romandes

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