CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
RECHERCHES EPISTEMOLOGIQUES ET HISTORIQUES
SUR LES SCIENCES EXACTES ET LES INSTITUTIONS SCIENTIFIQUES

SEMINAIRE D'HISTOIRE ET PHILOSOPHIE
DE LA PHYSIQUE

HISTOIRE ET PHILOSOPHIE DE LA MESURE




OTTO SIBUM
(Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte, Berlin)
" Exploring the margins of precision. Fieldwork of a modern physicist "

Compte rendu de la séance du 9 octobre 2001


Otto Sibum a inauguré le séminaire d' " Histoire et philosophie de la mesure " en nous brossant un état des lieux de la " culture de la précision " telle qu'elle pouvait se présenter dans la physique des années 1875-76. Il l'a fait en suivant les pas de Henri Rowland qui effectuait, en ces années-là, un voyage à travers les grands laboratoires d'Europe.
Rowland - que nous connaissons aujourd'hui pour ses travaux de spectroscopiste et ses réseaux de diffraction - était alors un jeune américain de 27 ans, possédant une double formation de physicien et d'ingénieur, qui partait se nourrir de l'expérience européenne pour fonder, à son retour, un nouveau laboratoire de physique à l'université John Hopkins de Baltimore.
En adoptant la forme du roman d'initiation, Otto Sibum a mis en avant les facteurs théoriques, pratiques et sociaux qui conduisaient à faire des mesures de précision une exigence majeure de la physique de l'époque et, dans le même temps, le vecteur d'une transformation profonde dans la manière de pratiquer la physique. Ces trois facteurs se font jour tour à tour dans les trois phases du parcours de Rowland :

1. La prise de conscience des enjeux théoriques et pratiques que pouvaient représenter des mesures de précision et l'adoption d'un système d'unités absolues.
2. La décision de Rowland de s'engager dans de telles mesures en reprenant avec une précision accrue la détermination de l'équivalent mécanique de la chaleur J effectuée par Joule. Cette décision conduit le jeune physicien-ingénieur à réfléchir sur les conditions matérielles et institutionnelles dont dépendent la mise en place concrète d'une " culture de la précision " et la nouvelle manière de faire la physique qu'elle suppose.
3. Le retour au pays et l'organisation par Rowland de son propre laboratoire à John Hopkins ; la réalisation de son projet de mesure de J et ses suites.

1 - Importance capitale des mesures de précision dans le développement de la théorie physique à la fin du 19e siècle : les deux faces de l'activité métrologique

Les problèmes auxquels se trouvait confrontée la science de l'époque, et plus particulièrement la théorie des phénomènes électromagnétiques, étaient propres à convaincre un jeune esprit comme celui de Rowland de ce que les progrès de la théorie physique étaient désormais indissolublement attachés à l'introduction et à la généralisation des mesures de précision.
Les problèmes qui appelaient le développement des mesures de précision révélaient parfaitement les deux "faces" de l'activité métrologique. L'une œuvrant, par le biais du contrôle, à l'unification des théories, à la meilleure communication des scientifiques entre eux ; l'autre semant au contraire conflits et dissensions par la remise en cause des résultats et des modes de pensées admis, et jouant par là un rôle libérateur.
Au cours de sa visite en Angleterre, Rowland découvrait les enjeux tout à la fois pratiques et théoriques qui venaient se combiner dans le projet du " Comité pour les étalons électriques " nommé par la British Association en 1861. Ce Comité avait pour mission de mettre de l'ordre dans le foisonnement des unités et des étalons utilisés dans les mesures électriques en sélectionnant le meilleur système d'unités. Il adopta le système d'unités absolues électromagnétiques de Weber, dans lequel les unités électriques étaient rapportées à des mesures purement mécaniques (avec, pour unités de base le mètre, le gramme et la seconde).
Cependant, la nouveauté par rapport au système de Weber était la position clé attribuée au concept de travail, qui, selon W. Thomson, constituait le lien essentiel entre toutes les mesures physiques. La connection entre grandeurs électriques et mécaniques était donc assurée, non seulement par le biais de la force exercée par un courant électrique sur un aimant, mais aussi par la loi de Joule (W = RI2t, où W désigne le travail, R, la résistance, I, le courant et t le temps). La tâche essentielle du Comité était de réaliser matériellement l'unité de résistance définie dans ce système (l' " Ohm ", qui avait, dans ce système, la dimension d'une vitesse). Les mesures de résistance en unités absolues donneraient alors accès à toutes les autres grandeurs électriques exprimées en unités absolues (au travers des lois d'Ohm : E = RI, et de Faraday : Q = It, où E désigne la force électromotrice et Q, la quantité d'électricité). L'enjeu immédiat de la réalisation d'un tel étalon et de l'élaboration parallèle d'instruments (galvanomètres de précision) et de méthodes de mesure était double :
D'une part, la réalisation d'un étalon de résistance fiable était d'une importance pratique (technique et économique) capitale pour le contrôle des matériaux utilisés dans la construction du câble télégraphique sub-Atlantique dont la première mise en place en 1858 s'était soldée par un désastre et l'appel aux services de W. Thomson (futur Lord Kelvin).
D'autre part, disposer d'un étalon précis de résistance apparaissait indispensable à Maxwell pour mener à bien les mesures de résistance par lesquelles il cherchait à mesurer de façon précise le rapport de l'unité de charge définie dans le système d'unités électromagnétique à l'unité de charge définie dans le système d'unités électrostatique de Weber. Maxwell avait en effet établi que ce rapport pouvait être identifié à la vitesse de propagation d'une perturbation électromagnétique dans l'air, et la première détermination expérimentale de ce rapport (par Weber et Kohlrausch en 1857) semblait indiquer que sa valeur était fort proche de celle de la vitesse de la lumière (mesurée par Fizeau). Si bien qu'aux yeux de Maxwell la question de l'unification de l'électromagnétisme et de l'optique semblait, du moins en ces années-là, suspendue à la possibilité d'effectuer des mesures précises de résistance !
Cependant, ces mêmes travaux révélaient aussi l'autre face du travail métrologique. Une de leurs conséquences était en effet de remettre sérieusement en cause la valeur de l'équivalent mécanique de la chaleur J obtenue par Joule en 1842. L'essor de la métrologie électrique mettait ainsi en difficulté la science de l'énergie et jetait le doute sur l'extension de cette dernière hors du domaine de la Mécanique. De fait, les travaux du Comité conduisaient à déterminer la résistance en unités absolues via la loi d'induction électromagnétique (qui se rapporte à la force électromotrice engendrée dans un circuit en mouvement dans un champ magnétique). Grâce au lien établi entre chaleur et travail mécanique, ces mesures de résistance fournissaient le moyen d'effectuer une mesure indirecte très précise de J par le biais d'une mesure de résistance (le travail mécanique équivalent à la quantité de chaleur Q dégagée en 1seconde par un courant I traversant une résistance R étant : JQ = RI2 (t=1s)). Or, ce contrôle indirect de la valeur de J, mené par Joule lui-même, se révélait en désaccord avec la valeur initiale établie par mesure directe ! Le travail métrologique générait ainsi une situation de conflit susceptible de mettre en question non seulement la crédibilité des expériences (l'évaluation directe de J par Joule ou la mesure de l'Ohm par Maxwell), mais aussi la possibilité de faire du concept d'énergie un concept transversal à tous les domaines de la physique (certains allant jusqu'à mettre en doute la validité de la conservation de l'énergie hors de la Mécanique).
La visite de Rowland en Allemagne et les expériences d'électrodynamique qu'il effectue dans le laboratoire de Helmholtz le confirment dans l'idée que l'interprétation et le partage entre différentes conceptions théoriques (en l'occurrence les théories de Maxwell, de Weber et leur synthèse helmholtzienne) passaient par la mise en place d'un système d'unités cohérent et la possession d'étalons fiables.
Convaincu, Rowland se propose de contribuer activement à l'établissement d'un système d'unités absolues. Dans les différents problèmes rencontrés, la question de la valeur de l'équivalent mécanique de la chaleur lui semble occuper une position stratégique (liée à celle du travail). Son projet est d'effectuer une nouvelle mesure directe de J selon la méthode de Joule, mais de façon beaucoup plus précise, puis de déterminer, à partir d'elle, la résistance.

2- Les conditions de possibilité pratiques de la mise en place d'une culture de la précision : une Europe sclérosée ?

Si le Rowland "savant" est convaincu par son expérience européenne de l'intérêt scientifique que représente l'établissement d'une culture de la précision, Otto Sibum nous a montré un Rowland ingénieur par contre fort sceptique quant à la possibilité de trouver en Europe les conditions susceptibles de l'établir dans les faits.
Selon Rowland, le progrès et la généralisation des mesures de précision appelaient une véritable transformation dans la manière de faire la physique. Or cette transformation lui paraissait entravée par les formes traditionnelles de l'investigation scientifique en Europe. Du point de vue technique tout d'abord : en Angleterre, l'instrumentation lui semble tenir du musée d'antiquité ; tandis qu'en Allemagne, il juge les compétences et l'organisation techniques insuffisantes et très mal coordonnées au travail scientifique. Du point de vue des mentalités et des conceptions éducatives ensuite : c'est au prix d'efforts et de ruses considérables que Maxwell avait tant bien que mal réussi à introduire la physique expérimentale à l'université de Cambridge - ne réussissant, au demeurant, qu'à promouvoir des expériences d'illustration et de mesures de constantes, et non (comme en Allemagne) de véritables expériences d'investigation.
Pour Rowland, seule une articulation étroite de la science, de l'ingéniérie et de l'industrie était susceptible de concrétiser les exigences nouvelles de précision. Et pareille articulation ne lui semblait, en Europe, guère en vue. Aussi n'envisagea-t-il pas d'entreprendre sa mesure de J avant son retour au USA. Dans la discussion qui a suivi l'exposé, ce jugement de Rowland a suscité quelque étonnement : les moyens mis en place par Thomson et le Comité ne paraissaient pas devoir justifier un tel scepticisme. Selon Otto Sibum celui-ci serait à mettre au compte des visions anticipatrices de Rowland et d'un certain esprit d'émulation !

3 - Rowland à l'université John Hopkins : la mesure directe de J comme propédeutique à la spectroscopie de précision

De retour aux Etats-Unis, Rowland organise la physique à l'université John Hopkins de manière à promouvoir l'idée nouvelle de la physique qu'il avait retiré de son voyage européen : importance d'une instrumentation de précision, proximité des laboratoires, des ateliers et des compétences techniques, enseignement réunissant à la fois théorie et expériences.
Il réalise son projet de mesure précise de J. Ses travaux consolident le caractère universel de cette constante mais ne mettent pas fin au débat : ils marquent en fait le début d'une campagne générale de mesure de J. Les moyens et les innovations techniques introduites à l'occasion de ces mesures sont toutefois au point de départ des recherches ultérieures de Rowland. Ces innovations (notamment celle d'un chromographe permettant d'assurer un contrôle visuel des défauts) seront essentielles pour le contrôle des réseaux de diffraction dans les travaux de spectroscopie de précision par lesquels Rowland s'est fait connaître.

L'exposé d'Otto Sibum a présenté un moment de l'histoire des science et un parcours intellectuel qui manifestent la " nature dialectique " des mesures de précision. Il a mis en lumière et invite à réfléchir sur l'articulation étroite qui existe entre l'adoption un système d'unités absolues, la réalisation matérielle des étalons correspondants et la liaison des concepts physiques entre eux, voire l'unification des théories.



Deux articles de Otto Sibum :
" Reworking the mechanical value of heat : Instruments of precision and gestures of accuracy in early victorian England ", Stud. Hist. Phil. Sci., vol. 26, no 1, pp. 73-106, 1995.
" Les gestes de la mesure. Joule, les pratiques de la brasserie et de la science ", Annales Histoire, Sciences sociales, no. 4-5, juillet-octobre 1998, pp. 745-774.

Note :Les imprécisions ou les erreurs qui pourraient figurer dans ce résumé ne sont pas imputables au conférencier mais à l'auteur du compte rendu (N. de Courtenay).


Mise à jour le 20 janvier 2002

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