Il étudie les mathématiques à l’école polytechnique et le géni civil à l’Ecole des ponts et chaussée. En mathématiques, ses travaux prolifiques représentent 789 parutions contenues en 27 volumes. Cauchy était un catholique acéré qui prônait des idées conservatrices, il possédait un caractère difficile voire dépressif.

Il a formalisé la théorie de l’élasticité, il a expliqué la dispersion et la surface de l’onde dans les cristaux à deux axes. En mathématique, Cauchy assainie le langage formel, il développe les fonctions holomorphes d’une variable complexe (utilisées dans le calcul d’intégrales définies, développement en série, en produit infini ou pour représenter les solutions d’équations différentielles ou aux dérivées partielles) par des intégrales dépendant d’un paramètre… Il donne la définition de l’intégrale d’une fonction continue (par les « sommes de Riemann »), la démonstration de la formule de Taylor, et des critères maniables pour prouver la convergence d’une série…

POUILLET Claude (1790-1868)

Il a étudié la résistance intérieure et extérieure des circuits électriques et l’intensité produit par la pile (1837, sans connaître la loi d’Ohm) et il utilise/améliore/invente de nombreux instruments : voltmètre, pyromètre magnétique pour les basses températures, boussole des sinus (1844), actinographe et un mode de graduation pour les aéromètre (1859). On lui doit la loi qui porte son nom pour le calcul de l’intensité dans un circuit série alimenté en courant continu :

DOPPLER Christian (1803-1853)

Il étudie les couleurs des étoiles doubles et découvre l’effet Doppler-Fizeau. Il trouve une méthode pour déterminer les distances et les diamètres des étoiles ; il a montré l’influence du mouvement du milieu sur l’aspect des ondes dans « l’éther », l’air et l’eau (1848).

Il  est né d’un père professeur de « gymnase » près de Potsdam dans la campagne. Ses souvenirs d’enfant lui inspirent un grand amour de la nature ; à propos des sciences physiques il dit : « un domaine immense et riche, où la puissance de la nature, dans toute sa plénitude, était soumise à la loi, logiquement conçue ». Helmholtz est, au début de sa carrière, un médecin militaire (de 1842 à 49). En 1847, dans un mémoire sur la « conservation de la force » il s’attaque aux mystères de la force vitale en physiologie. C’est l’idée d’une force qui, à la naissance (et même avant) imprègne le corps et l’anime pour le quitter à la mort. « Une explication antinaturelle » pour Helmholtz qui admet également « l’impossibilité du mouvement perpétuel ». Il solutionne (à son avis) cette question métaphysique par la Loi de conservation de l’énergie et il ajoute : « A mon grand étonnement, les maîtres de la physique avec qui j’entrais en contact tendaient à nier cette loi et, dans leur lutte ardente contre la philosophie  de Hegel, à considérer mon travail comme une spéculation fantastique… Je savais d’ailleurs fort peu de chose des travaux de Joule, et rien de ceux de Robert Mayer ».

En 1849, Helmholtz mesure avec précision la vitesse de l’influx nerveux (étonné par sa faible valeur soit 1 à 100 m/s).Il invente un ophtalmoscope pour voir la rétine sur le fond d’un œil vivant puis écrit un « Traité d’optique physiologique ». Il étudie également la théorie de la musique (du son, du timbre, de l’harmonie, des résonateurs…). Il découvre les lois fondamentales des « tourbillons » en 1858. En 1866, ses recherches « Sur les fondements de la géométrie » comme science empirique complète l’œuvre de Riemann et prépare la révolution intellectuelle qui aboutira à la relativité et aux quanta. Professeur de physique théorique en 1870, il concentre son attention sur l’électricité et prépare les recherches ultérieures de son disciple Heinrich Hertz. Il applique les principes de la thermodynamique à la pile électrique. En 1881, il démontre que les lois de l’électrolyse impliquent l’existence d’un atome électrique qui deviendra l’électron (nommé ainsi par Johnston Stoney).

LISSAJOUS Jules-Antoine

Il imagine un dispositif permettant de comparer visuellement deux mouvements vibratoires (1857) puis il a étudié les vibrations transversales des lames élastiques. Bjoerkness V. calcule et vérifie l’amortissement des oscillations du résonateur, il mesure (par l’électromètre à quadrants) les longueurs d’onde dans le régime stationnaire et montre que la nature du métal n’intervient pas. Reynolds O. a effectué des recherches sur le mouvement tourbillonnaire, avec un filet d’eau coloré, il analyse le régime laminaire et sa transformation en régime turbulent en fonction de la vitesse, du diamètre et de la viscosité. Dewar J. à réalisé la liquéfaction de l’hydrogène, déterminé par le thermomètre à hélium sa température d’ébullition.

POINCARE Henri (1854-1912)

Ingénieur des Mines puis professeur de physique mathématique à la Sorbonne. Il étudie l’élasticité, la thermodynamique, les tourbillons, la lumière, l’électromagnétisme, les oscillations électriques…

Cédric Vilani – L’ordre et le Chaos, vivevoix.com

HEAVISIDE Olivier (1850-1925)

Fils d’un sculpteur sur bois et neveu de Wheatstone. Électricien, il étudie le téléphone et il montre la nécessité de combattre la capacité répartie par des inductances, d’améliorer la distorsion et la réflexion des ondes sur les lignes téléphoniques (1887). Il développe, pour les courants faibles, le calcul opérationnel (permettant d’algébriser/linéariser les équations différentielles) qui augmente la stabilité des télécommandes, des radars, des amplificateurs… Il développe également la fonction échelon dite fonction de Heaviside utilisée dans le traitement du signal en électronique. Il suppose (1902) le rôle conducteur des couches ionisantes de l’atmosphère pour la transmission à longue distance des ondes radio (La ionosphère est finalement détectée en 1925 par E.Appleton).

La fonction de Heaviside est tel que :

La fonction de Heaviside est à la base d’un signal discret en électronique, c’est-à-dire qu’il complète l’écriture analogique d’un signal électrique ou lumineux du type sinusoïdal :

BECQUEREL Henri (1852-1908)

Il est mort prématurément, ses travaux sur les sels d’uranyle en sont-ils la cause ? Becquerel a découvert la radioactivité… Il passe son enfance sur les lieux de travail de son père, dans un Muséum d’Histoire Naturelle. Ingénieur du Corps des Ponts et Chaussée, répétiteur (puis professeur) à l’École Polytechnique en 1875, élu membre de l’Académie des Sciences à 36 ans, nombreuses reconnaissances, des médailles et le Prix Nobel.

En 1896, deux mois après la découverte des Rayons X par Roengten, H. Poincaré montre une radiographie (réalisé par Oudin et Barthélémy) à l’Académie des Sciences. Becquerel lui demande des précisions sur la région d’émission des Rayons X ; il s’agissait de la paroi de verre frappée par les rayons cathodiques et rendu fluorescent. Le laboratoire de physique du Muséum (de papa) avait déjà réalisait des études sur les sels d’uranyle en ayant constaté des propriétés exceptionnelles. C’est ainsi que Becquerel effectue des expériences (avec des lamelles de sulfate d’uranium et de potassium) montrant qu’un rayonnement avait été émis même à l’abri de la lumière. Même les sels à base d’uranium mais non phosphorescents et l’uranium métalliques se sont révélés actifs. L’hypothèse d’une activité spontanée de l’uranium à partir des propriétés atomique des noyaux explique de nombreux phénomènes : le rayonnement provient d’une région de l’atome dont les actions chimiques sont imperceptibles, ses mêmes rayons engendrent une conductibilité dans les gaz (1896), de nombreuses observations sont faites avec le principe d’ionisation, les sels de polonium et de radium (donnés par Curie, 1899) montrent l’existence de rayons de nature différente : les rayons b sont un flux d’électrons.

On peut admettre en toute lucidité que la radioactivité est une histoire de famille française ; Antoine Bequerel étudiant les décharges électriques, il a examiné leurs actions sur les substances phosphorescentes ; Edmond (son fils) reconnait les propriétés des sels d’uranyle ; après la découverte des Rayons X, son petit fils Henri découvre la radioactivité. L’histoire de France continue avec les Curie, les Joliot, les Joliot-Curie…

MICHELSON Albert (1852-1931)

Il commence par mesurer avec une bonne précision la vitesse de la lumière en perfectionnant la méthode du miroir tournant de Foucault. C’est à Paris (1880), au contact de Cornu et Mascart qu’il conçut son premier interféromètre. Maxwell disait qu’il était possible de découvrir le mouvement de la terre à partir de mesures sur la vitesse de la lumière. C’est à l’université de Berlin que Michelson essaya pour la première fois, mais sans résultat probant. Puis en 1887, de retour à Cleveland (USA), avec un interféromètre  amélioré il a établit  avec certitude le résultat négatif (expérience réalisée avec Morlay). C’est-à-dire que la vitesse de la lumière, sensé se déplacer dans l’éther, ne subit pas de « composition de vitesses galiléennes » dans le sens (ou pas) de la rotation de la terre. L’interprétation « originale » faite par Fitzgerald puis sa formalisation par Lorentz, Einstein en généralise l’ensemble et il formule la théorie de la relativité (restreinte) en 1905. Ensuite, Michelson réalisa de nombreuses applications pour des mesures de précision (structure hyperfine des spectres atomiques, diamètre des satellites de Jupiter, vitesse de lumière dans l’eau en conformité avec les prévisions de Fresnel…). Il obtient le prix Nobel de Physique en 1907. Au cours de sa dernière expérience (1931), au Mont Wilson, il mesure une vitesse de la lumière de 299774 km/s… sachant que la valeur actuelle est de 299792 km/s. Quelques semaines avant sa mort, Einstein lui demanda pourquoi il avait passé tant de temps à perfectionner ses mesures de la vitesse de la lumière. Il répondit : « Parce que cela m’amuse ».

RUTHERFORD (1871-1937)

Il est né en Nouvelle-Zélande et il intègre Cambridge (de 1895 à 98) où professait J. Thomson. Deux approches scientifiques permettent d’obtenir des résultats concrets pour « former de la réalité une idée claire et logique » nous explique M. de Broglie dans les années 1950. Rutherford est un scientifique des faits et des expériences contrairement aux chercheurs qui, dans le domaine abstrait des généralisations mathématiques, s’efforcent d’en exprimer des synthèses. Rutherford part au Canada (Université Mac Gill) et en 1900, il caractérise/identifie l’émanation du radium puis le condense par le froid pour en déterminer son spectre optique. Il conclut avec Soddy que l’hélium est un des produits de désintégration des substances radioactives. Enfin, ils formulent en 1903 une théorie (un schéma) qui précise, au cours des désintégrations successives, l’évolution des corps radioactifs. A partir de 1905, Rutherford étudie les rayonnements émis pendant les réactions nucléaires (a, b et g) et plus particulièrement le rayonnement alpha qu’il identifie comme étant un noyau d’hélium portant deux charges positives (protons). La classification des corps simples, par la connaissance de la structure atomique des éléments, s’inscrit dans la recherche commune (« laboratoire Cavendish » de Cambridge) d’une équipe stimulée par les recommandations de Rutherford et l’implication des analyses profondes de ses élèves : Bohr et Moseley. Ainsi, le modèle de l’atome est défini (avec Bohr) comme un noyau central de charge positive autour duquel gravite un cortège d’électrons satellites mais de charge négative. Les expériences de Moseley permettent de déterminer le numéro atomique de chaque élément qui correspond au nombre d’électrons et donc à l’ordre naturel de classification des atomes. Les autres rayonnements radioactifs (b et g) sont également étudiés ; le rayonnement b est identifié par un flux de corpuscules d’électrons (positifs ou négatifs) et  le rayonnement g est assimilé aux photons des rayonnements lumineux de hautes fréquences et des rayons X.

Les efforts de Rutherford le conduisent à étudier les « champs de forces » atomiques avec des projectiles lourds et rapides (particules a) qui subissent une déviation au voisinage des noyaux atomiques. Deux charges électriques identiques se repoussent (Loi de Coulomb) ; Mais cette expérience de Rutherford (Qui montre que les noyaux atomiques sont de charge positive et que la structure de la matière est lacunaire) bien connue (avec des feuilles d’or) donne finalement naissance à la physique nucléaire (1919) par la désintégration artificielle (Par opposition à la désintégration naturelle par des réactions nucléaires spontanées) des noyaux atomiques. Parmi les nouveaux noyaux engendrés par les transmutations atomiques successives, certains noyaux sont instables à cause d’un certains nombres de neutrons (idée pressentie par Rutherford) qui en perturbent la cohésion interne. C’est donc en 1919 que la vieille conception atomique de Lavoisier (elle n’avait qu’une centaine d’années) est ruinée par l’obtention d’hydrogène à partir de l’azote bombardé par des particules alpha (a). En étendant cette expérience au cas de l’aluminium, Rutherford prouve que l’on peut extraire « l’énergie intra-nucléaire » des noyaux atomiques désintégrés. Mais jusqu’à sa mort (1936), Rutherford doutait que l’on puisse utilisait cette énergie nucléaire à grande échelle… Ce qui ne tarda pas à se produire rapidement (moins de 10 ans plus tard) dans un contexte géopolitique compliqué, avec le projet Los Alamos, et la première bombe atomique.

{description du projet Los Alamos}

L’œuvre de Rutherford « repose sur une représentation expérimentale et concrète des phénomènes, reliant les faits observés par un mécanisme simple et pour ainsi dire visuel » comme l’exprime Maurice de Broglie.

PLANCK Max (1858-1947)

Né le 23 avril 1858 à Kiel (Allemagne) et sixième enfant d’une famille de juristes. Après son baccalauréat, il hésite entre la philologie (étude des langues), la musique et la physique. Planck parla plus tard de l’intérêt qu’il prit au cours de mathématiques à Berlin. C’est la lecture des travaux thermodynamiques de R. Clausius qui l’incita à préparer une thèse sur ce sujet et qu’il présenta en 1879 : Sur la deuxième proposition principale de la théorie de la chaleur. A 22 ans seulement, après un travail sur les États d’équilibre des corps isotropes, il commence son enseignement à l’Université de Munich qui sera la préoccupation principale de sa vie.

Helmholtz remarque rapidement les capacités et le potentiel de Max Planck ; ainsi a-t-il certainement participé à son ascension fulgurante : en 1885 il est nommé professeur « extraordinaire » de l’université de Kiel, en 1889 il remplace Kirchhoff (à sa mort) à l’université de Berlin puis en 1893 il y devient professeur « ordinaire » et en 1894 il devient membre de l’Académie des Sciences de Prusse.

Dès le début de son « Cours de thermodynamique » (1885) il le centre sur la notion d’entropie (fonction d’état introduite par Clausius en 1865) pour insister sur la réalité phénoménologique des transformations irréversibles. En 1887, il obtient un prix de la faculté de philosophie de Goettingen pour son travail (de jeunesse) sur le principe de la conservation de l’énergie. Jusqu’à la fin de sa vie, il reste fidèle à la thermodynamique en apportant la forme finale du principe de La Chatelier-Braun : « Un système thermodynamique soumis à un perturbation (variation de la quantité de matière, de la température, de la pression…) tend à s’opposer à cette perturbation par une déplacement d’équilibre vers les conditions initiales. »

En 1859, Kirchhoff reconnait l’existence d’un rayonnement universel et Wien (et Lummer) avait montré comment on l’observe et comment les changements de température déplace l’énergie dans le spectre. Le savoir scientifique progresse ainsi, pas à pas, et c’est en 1884 que Boltzmann détermina que l’énergie rayonnante varie en fonction de la quatrième puissance de la température.

 Planck découvre en 1900 la loi spectrale du rayonnement dans le vide.

BOHR Niels (1885-1962)

Pour Rutherford, Bohr était « l’homme le plus intelligent » qu’il a pu connaître. Bohr rencontre Rutherford à l’université de Manchester (au cours de la préparation de sa thèse de doctorat) et il était très admiratif de ce chef de laboratoire qui prouve que la grande majorité de la masse d’un atome était contenu dans le noyau de charge électrique positive. Bohr invente à Copenhague le principe de complémentarité qui, faisant suite au principe d’incertitude d’Heisenberg, permet de concrétiser l’unique réalité phénoménologique dans un des champs de la manifestation quantique. Par exemple, dans le cadre des comportements étranges de la lumière, une seule des manifestations est possible à l’instant t : soit comme une onde, soit comme une particule dans le champ de cette dualité possible.

HESS Viktor Franz (1883-1964)

Professeur à Innsbruck (Autriche), il participe à la découverte du rayonnement cosmique. Pour Louis Leprince-Ringuet (le père), c’est Hess qui a l’idée d’élever les chambres d’ionisation en ballon pour éviter qu’au sol, les électromètres ne soient déchargés par un très petit courant. Mais pour Félix Leprince-Ringuet (le fils), Hess reprit et confirma les expériences de Gockel…

Chambre d’ionisation : Détecteur de particules : animée par une grande vitesse, le passage d’une particule dans un appareil contenant un milieu gazeux produit de l’ionisation (apparition de charges électriques). Des compteurs enregistrent les électrons arrachés et les particules sont ainsi détectées. Plusieurs méthodes existent, celle des chambres de Wilson, celle du compteur Geiger, celle des émulsions photographiques, des amplificateurs ultra-sensibles…

Mais qu’importe, essayons de comprendre quelle est la cause de cette décharge des électromètres ?

Un électromètre est un appareil de mesure permettant de quantifier les charges électriques d’un objet/système (corpuscules, rayonnements…). L’électromètre est basé sur la loi de Coulomb.

La décharge des électromètres pouvait venir du rayonnement naturel de la radioactivité terrestre. Pour éviter cela, Hess fait monter ses appareils en ballon et contre toute attente, le rayonnement augmentait quand on s’éloignait de la Terre. En 1911, Hess s’éleva à 5300 mètres et constata que l’effet observé était le même la nuit que le jour. En 1913, avec Kolhroester, à 9000 mètres, il observa une décharge douze fois supérieure à celle au niveau de la mer. Ces expériences furent également réalisées par Millikan aux États-Uniens.

Ainsi découvre-t-on qu’il s’agissait d’un rayonnement très pénétrant venant de l’extérieur de l’atmosphère d’où le terme de « rayonnement cosmique ».

Les particules ionisantes enregistrées pouvaient venir d’un rayonnement gamma et non d’un rayonnement cosmique. Il s’agissait de savoir qu’elle était la nature du rayonnement cosmique : électromagnétique ou corpusculaire ?

C’est le physicien hollandais Clay qui, en 1934 eu l’idée de vérifier l’action du champ magnétique terrestre sur le phénomène et s’il s’agit de photon (constituant du rayonnement électromagnétique ou rayonnement gamma) le rayonnement observé doit-être équivalent à l’équateur et sous les latitudes élevées. C’est entre 1934 et 1938 que des informations à bases altitudes ont été obtenues, puis en altitude de plus en plus élevée et les résultats sont sans appel : il y a une diminution du rayonnement dans les régions équatoriales ce qui a prouvé la nature corpusculaire du rayonnement cosmique. Il faut toujours faire preuve de généralisation pour que la science progresse. Ici, c’est au niveau de la Terre dans son ensemble qu’il s’agissait de vérifier la chute des « particules cosmiques » à sa surface.

L’Atome et l’Énergie nucléaire

La physique nucléaire cherche à étudier et à provoquer les processus où interviennent les noyaux atomiques. La physique atomique étudie les processus produits par les électrons de l’atome et la physique des particules étudie les réactions entre les particules élémentaires.

Les grandes dates de l’ère atomique

• 1896 : Becquerel découvre la radioactivité.
• 1898 : Marie Curie découvre le radium et le polonium par la radiochimie.
• 1905 : Einstein énonce la théorie de la relativité restreinte et l’équivalence entre la masse et l’énergie.
• 1908 : Rutherford et Royds identifient les rayons alpha (particule d’hélium).
• 1911 : Rutherford découvre le modèle planétaire de l’atome en mesurant la diffusion de particules alpha.
• 1912 : V. Hess découvre les rayons cosmiques.
• 1913 : J. J. Thompson découvre des isotopes stables. N. Bohr formule la théorie de l’atome d’hydrogène. Découverte des rayons cosmiques.
• 1919 : Rutherford découvre que les protons sont des constituants du noyau.
• 1920 (environ) : Développement de la mécanique quantique par de Broglie, Heisenberg, Born, Dirac, Schrödinger.
• 1929 : Gamov formule le modèle de la radioactivité alpha.
• 1930 : Pauli postule l’existence du neutrino.
• 1931 (environ) : premières utilisations par Cockcroft et Walton des particules accélérées. Construction du premier accélérateur Van de Graaff et du premier cyclotron.
• 1932 : Chadwick, Bothe et Joliot découvre le neutron. Heisenberg propose l’hypothèse que les noyaux sont constitués de neutrons et de protons.
• 1933 : Fermi formule la théorie de la radioactivité béta.
• 1934 : I. Curie et F. Joliot découvre la radioactivité artificielle.
• 1935 : Yukawa propose que les forces nucléaires sont dues à l’échange d’un méson.
• 1936 : N. Bohr énonce le concept de noyau composé et de la goutte liquide. Breit et Wigner formulent la théorie des résonances des neutrons lents.
• 1938 : Hahn et Strassman découvrent le phénomène de fission. Bethe découvre le cycle de carbone, source de l’énergie solaire.
• 1942 : Fermi participe à la construction du premier réacteur nucléaire.
• 1947 : découverte du méson p par Lattes, Occhialini et Powell.
• 1950 : Meyer, Jensen, Haxen et Suess énoncent le modèle des couches du noyau.
• 1953 : découverte des noyaux déformés par Adler, A. Bohr, Winter et autres. Danysz et Puinski découvrent un hyper noyau produit par un rayon cosmique.
• 1954 : Feshbach, Porter et Weisskopf formulent le modèle optique, à la suite des travaux de Bethe de 1940. A. Bohr, Mottelson et Rainwater formulent le modèle unifié des noyaux. Théorie de Brueckner de l’énergie de liaison.
• 1957 : Lee et Yang découvrent que la parité n’est pas conservée dans la radioactivité béta. Débuts de l’application de la théorie microscopique des noyaux par Elliot, Brown et autres.
• 1958 : A. Bohr, Mottelson et Pines proposent l’hypothèse que la surface nucléaire est la phase supraconductrice.
• 1967 : les expériences faites à Dubna, à Saclay (1966), les calculs de Strutinsky (1967) conduisent à la découverte de la double barrière de fission.

La Conquête spatiale

Pendant le XXe siècle et faisant suite au partage arbitraire des territoires pour les vainqueurs de la guerre mondiale, le monde se réduit à deux blocs : Ouest et Est. On peut constater que le Nord et le sud sont oubliés dans cette représentation…

Cette dichotomie géopolitique sur Terre conduit les deux grandes puissances que sont les États-Unis et l’URSS à se livrer une « guerre froide », aux yeux de tous, en intensifiant la production de bombes atomiques et en stimulant la conquête spatiale.

Les progrès initiaux dans ce domaine, date d’avant guerre, c’est-à-dire que les Allemands développent des missiles intercontinentaux nommées « V2 ». Le poids dans la stratégie de la seconde guerre mondiale fut insignifiant… Le système de propulsion utilisé est à la base de la construction nécessaire pour s’élever dans le ciel et pour défier l’attraction terrestre. La vitesse nécessaire que doit atteindre les fusées est de 11 km/s (vitesse d’échappement de la Terre).

{ex de calcul}

La mécanique théorique utilisée est celle de Newton, elle date de 400 ans ! La difficulté dans cette quête est le progrès technologique nécessaire pour acquérir suffisamment de puissance et une avancée technologique suffisante en électronique pour utiliser des circuits électriques performants à base de calculateurs pour piloter et sécuriser l’engin spatial.

Spoutnik (compagnon de voyage) est le premier engin spatial ayant orbité autour de la Terre. Le mythe de la suprématie occidentale « vole en éclat ».

Gagarine : Fils d’ouvrier, il passe 108 minutes dans l’espace pour effectuer un tour de Terre…

Je dédie cet article à mes enfants. A ma fille Lilith, Uranie, Lucie et à mon fils Jean, Sirius, Youri ainsi qu’à ma femme Marie-Bénédicte, Lucie sans oublier la Vie, celle en qui rien ne serait possible.