Histoire et physique

Roger H. Stuewer, University of Minnesota, USA.

 

Introduction

Les physiciens ont toujours apprécié leur histoire. Les bibliothèques sont pleines de livres sur l’histoire de la physique écrits par des physiciens, depuis les études critiques historiques de Ernst Mach sur la mécanique, la théorie de la chaleur et l’optique physique, jusqu’à l’histoire de la matière et des forces de Abraham Pais (Pais, 1986), sans oublier de mentionner la biographie de Max Dresden sur H.A. Kramers (Dreden, 1987) et les nombreuses autres biographies et autobiographies écrites par les physiciens. Les articles dans les journaux et chapitres de livres, les notices nécrologiques des Membres de la "Royal Society" et des membres de l’Académie Nationale des Sciences s'ajoutent au vaste corps de la littérature historique écrite par les physiciens. L’attirance est grande ; les physiciens continuent à contribuer à la littérature historique à un haut niveau, et un nombre important d’historiens de la physique commencent leur carrière en tant que physiciens.

Les physiciens ont aussi encouragé les études historiques faites par d’autres. Dans certains cas, les historiens de la physique ne pouvaient pas trouver de lieu de travail dans les universités sans le soutien, à la fois intellectuel et financier, de physiciens. Le centre de l'Institut Américain de Physique pour l’histoire de la Physique a été constitué par des physiciens concernés par la conservation et l’étude de leur patrimoine intellectuel, et les projets du Centre de physique nucléaire, d’astrophysique et de physique de l’état solide tout comme le projet plus ancien des Origines de l’Histoire de la Physique Quantique n’auraient pas pu réussir sans l’engagement complet et le soutien de la communauté physique. Des sections consacrées à l’histoire de la physique ont été créées au sein de Société Américain de physique (American Physical Society) et de la Société Européenne de physique (European Physical Society). Manifestement, l’histoire de la physique continue à toucher une corde particulièrement sensible chez les physiciens.

La principale force attractive est indiscutablement l’attrait intellectuel de l’histoire de la physique. Tout physicien qui a écrit un article de synthèse ou qui, faisant de la documentation dans une bonne bibliothèque, est tombé par hasard sur un article ou un livre marquant écrit par un physicien d’une époque antérieure connaît la sensation d'une découverte historique, ressent le désir d’en apprendre plus sur la vie et l’époque de son auteur. Le lien avec le passé est puissant. Loin de l’image stéréotype du scientifique borné, confiné dans son laboratoire, de nombreux physiciens, peut-être la majorité, ont une grande largeur d'esprit, et traditionnellement s'intéressent à l’histoire de leur propre discipline.

Ce n’est donc pas une surprise si les physiciens ont été de chauds partisans de l’idée d’introduire l’histoire de la physique dans les cours de physique. Certains sont allés plus loin dans leur conviction en écrivant des manuels scolaires d’un point de vue historique. D’autres ont aidé à organiser des conférences sur le rôle de l’histoire dans l’enseignement de la physique.

D’autres encore - la grande majorité - ont trouvé des moyens d’utiliser l’histoire de la physique dans leurs cours de physique à des fins pédagogiques. En 1948, lors d’une rencontre de la Société d’Histoire des Sciences, P.W.W Bridgman a ainsi exprimé son point de vue :

Il me semble qu'en ce qui concerne la science l’une des choses les plus importantes à prendre en compte est qu'il s’agit d’une activité humaine et que cela ne peut que signifier l’activité d’individus... Si la science est enseignée en incorporant de l'histoire, ce point de vue sera automatiquement important. En faisant ainsi, un objectif qui est de plus en plus important de nos jours sera rempli, à savoir faire part de l’appréciation adéquate des conditions fondamentales dans lesquelles la science se développe. (Bridgman, 1950, 66- 67; 1955, 346- 347)

L’historien, dit Bridgman, serait contraint de montrer que le développement scientifique suit rarement un cours purement logique, et il ajoute alors :

L’idée que le progrès de la science est toujours illogique est peut-être plus importante au scientifique lui-même qu’au profane, et constitue une des raisons pour lesquelles le scientifique est concerné par son histoire. Cela suggère que peut-être que l’histoire des sciences rend d'abord service au scientifique... L’intérêt que le scientifique a déjà eu pour l’histoire, doit lui avoir permis de découvrir le progrès illogique de la science avec les erreurs du passé et les étapes reconstituées. (Ibid., 70 ; 354 - 355)

Bridgman n’a pas été le seul à voir la valeur de l’histoire des sciences. En 1936, Lord Rayleigh a regretté le manque de perspective historique lorsque les mémoires originaux se sont transformés en manuels scolaires, masquant les personnalités et les vies de leurs créateurs (Rayleigh, 1936, 217). Etudier les mémoires originaux de grands scientifiques amène également d’autres avantages. En 1971, Peter Kapitza a indiqué que cela aidait un responsable de groupe à apprendre comment "évaluer le potentiel créatif de la jeunesse" (Kapitza, 1980, 275) alors que quatre vingt dix ans plus tôt, Arthur Schuster estimait que cela permettait de découvrir une "petite lueur prophétique d’une théorie moderne" stimulant ainsi le chercheur et lui faisant comprendre la leçon que l’acceptation d’une théorie dépend autant de sont audience que de son créateur (Schuster, 1881, 20). "Le jeune homme qui commence sa vie avec l’idée de se faire un nom comme un découvreur scientifique", écrit Schuster, "est comme la petite fille de "Punch" qui voulait devenir une beauté professionnelle. Ils peuvent réussir, mais dans ce cas, cela dépendra autant de la disposition de leurs contemporains à leur égard que d’eux-mêmes" (Ibid., 23).

Les élèves doivent ainsi apprendre une certaine dose d’humilité : "chaque époque", a remarqué Poincaré, "a tourné en dérision la précédente, et l’a accusé d’avoir généralisé trop vite et trop naïvement... Sans aucun doute, nos enfants se moqueront de nous un jour." (Poincaré, 1946, 127). "Pour moi, personnellement", dit Anthony P. French qui a reçu récemment la médaille Oersted de l’association Américaine des professeurs de physique (American Association of Physics Teachers), "une des raisons les plus importantes d'inclure l’histoire dans un cours de physique est celle fondamentale de faire apprécier aux élèves que la physique a une histoire... [Nous] pouvons transmettre la sensation que la physique est un sujet vivant, qui se développe et qu'elle est le produit des efforts accumulés d’humains comme nous-mêmes - même si ils sont généralement plus doués ! " (French, 1989, 588). Louis de Broglie l’a probablement mieux résumé lorsqu’il a écrit que " une éducation bien accomplie serait incomplète sans l’histoire des sciences et des réalisations scientifiques [à trouver mieux que réalisation]". (cité dans Seeger, 1964, 621).

Il s’agit de témoignages éloquents et ces derniers pourraient être multipliés. De plus, un observateur objectif serait, je pense, d’accord avec l’évaluation assez carrée de Max Jammer :

La plupart des enseignants de physique à tous les niveaux d'enseignement reconnaissent pleinement les avantages d’inclure l’histoire de la physique dans leur enseignement, mais en fait lorsqu’ils enseignent , ils manifestent une forte inclination anti-historique et ainsi leurs comportements démentent leurs convictions déclarées. (Jammer, 1972)

Nous sommes ainsi confrontés avec quelque chose qui ressemble à un paradoxe : d’un côté, il existe un pacte intellectuel naturel entre les physiciens et les historiens de la physique et leurs disciplines respectives. D’un autre coté, la collaboration effective des physiciens et des historiens de la physique en vue de l'amélioration de l’enseignement de la physique semble remarquablement faible contrairement à ce qu'ils imaginent. Je vais essayer d’analyser ici ce paradoxe, dans l’esprit avec lequel Niels Bohr s’est débattu avec les paradoxes en physique, pensant qu’à travers leur analyse, le progrès devient possible. Et tout comme Bohr a trouvé la solution de certains paradoxes au sein de son principe de complémentarité, j’indiquerai également que le même principe peut être utilisé comme guide pour la compréhension du comportement paradoxal des physiciens et des historiens de la physique.

 

Le point de vue du physicien

Les physiciens enseignant de nos jours dans les universités n’ont jamais autant été sous pression. Indépendamment des exigences de la recherche, les pressions pour améliorer l’enseignement de la physique ont augmenté ces dernières années. De plus en plus de jeunes gens, et plus particulièrement les jeunes femmes et les minorités, doivent être attirés par une carrière en physique. En partie pour gagner cet enjeu, il y a eu des effort substantiels aux Etats-Unis sous les auspices de l’association Américaine des professeurs de physique (American Association of Physics Teachers) afin de réexaminer les cours d’introduction de la physique (calculus based introductory physics course). Pour moi toutefois, en tant qu’historien de la physique, la caractéristique la plus importante de tout cet effort a été la totale ignorance de l’histoire de la physique. L’histoire de la physique entre seulement en jeu comme elle l’a toujours fait par le passé, à savoir de manière anecdotique. Le message semble clair : en concevant un cours de physique, les considérations logiques et non historiques sont dominantes.

Il pourrait difficilement en être autrement. La physique met l'accent sur les problèmes, depuis le niveau le plus élémentaire jusqu'à la recherche, et lorsque l’on recherche une solution à un problème particulier, le novice passant un examen sait aussi bien que le physicien expérimenté en recherche que la logique devrait être payante et non pas l’histoire. Il n’y a tout simplement aucun substitut à l’analyse logique. Le professeur Iain Stuart a comparé un problème de recherche à une forteresse entourée d’armes défensives de tous les types, et il a suggéré que c’est au chercheur de déterminer logiquement quel est le meilleur moyen pour l’attaquer, peut-être en frappant ses fondations ou son point faible, en traînant ses défenseurs sur des terrains non familiers, ou en utilisant toutes les armes disponibles dans un assaut de grande envergure.

Le but ultime est de progresser dans la compréhension de l’univers physique en la simplifiant pour qu'elle fasse appel au plus petit nombre possible de lois physiques. La quête du physicien, en d’autres mots, est celle de la simplicité. Martin J. Klein l'exprime ainsi :

C’est, je pense, la caractéristique du physicien que de vouloir aller à l’essence même d’un phénomène, de se débarrasser de tous les facteurs compliquant les choses et de voir aussi clairement et directement qu’il le peut, simplement ce qui est réellement en jeu. C’est pourquoi nous faisons aussi fortement grand cas des modèles conceptuels... (Klein, 1972, 16)

Les mots d’ordre du physicien sont logique et simplicité.

 

Le point de vue de l’historien

La tâche de l’historien est très différente. Dans la métaphore militaire ci-dessus, le travail de l’historien est de passer en revue le champ de bataille, en examinant de manière sélective les corps tombés pour tenter de reconstruire la bataille qui s’est déroulée quelques temps auparavant. Ce qui reste - les sources de l’historien - comprend les publications : les livres et les articles, ainsi que les correspondances, les cahiers de notes et les journaux qui ne sont pas publiés - tout ce qui peut être trouvé bien après l’événement. Et tous ces documents révèlent non seulement le vainqueur, mais aussi les nombreuses escarmouches, les progrès illogiques de la bataille, comme Brigdman pouvait le dire. Hermann von Helmholtz, qui a été plusieurs fois vainqueur, a proposé une autre analogie :

Je dois me comparer à un alpiniste, qui, sans connaître le chemin, monte doucement et laborieusement, doit souvent faire demi-tour parce qu’il ne peut pas aller plus loin, découvre de nouvelles traces, parfois par la réflexion, parfois par le hasard, qui le conduisent encore un peu plus loin, et enfin, il touche son but, trouve à sa honte une Voie Royale sur laquelle il aurait pu voyager, si il avait été assez malin pour trouver le bon point de départ. (Helmholtz, 1892, 54)

La conquête du sommet est visible par tous, mais les erreurs de chemins et les replis au fil des chemins ne le sont pas et les découvrir est au centre de l’activité de l’historien. "Je vois le principal objectif des études historiques", écrivait Otto Neugebauer, "dans la révélation de la prodigieuse richesse des phénomènes pour chacune des périodes de l’histoire humaine, contrebalançant ainsi la tendance naturelle à la simplification excessive et l’ignorance philosophique". (cité dans Klein, 1972, 16-17). Les mots d’ordre de l’historien sont l’illogique et la complexité.

 

Complémentarité

Dans leur recherche, le physicien et l’historien ont des objectifs très différents, utilisent des sources très différentes, emploient des outils analytiques très différents, et sont guidés par des principes très différents quand ils cherchent des solutions à leurs problèmes. Pour chacun de ces points, la recherche dans les deux disciplines semble complémentaire, presque mutuellement exclusive, comme les ondes et les particules. Un spécialiste ne peut pas être contraint par la logique et s’évertuer à chercher la simplicité, et dans le même temps, donner tout son poids à l’illogique et faire son possible pour représenter la complexité. Les compétences logiques si essentielles à la recherche en physique ne peuvent pas reposer sur la production d’une image historique précise.

La nature complémentaire de la recherche en physique et en histoire nous permet de comprendre pourquoi les résultats sont souvent si différents lorsque les physiciens et les historiens écrivent l’histoire. Les physiciens ont tendance à suivre la Voie Royale du pied de la montagne à son sommet - le chemin plus ou moins linéaire entre un événement historique et un autre, vu rétrospectivement. D'après moi, une telle histoire, parfois nommée de manière péjorative "histoire Whigghish", n'a en aucune manière moins de valeur ; elle est souvent, par exemple, un guide utile pour l’identification de réussites d’importance cruciale lors d’un développement particulier. Tout de même, peu de gens refuseraient d’admettre qu’une telle histoire est inadéquate - en ne suivant pas les fausses traces, une image historique trompeuse émerge. Les découvrir exige de vouloir maîtriser les compétences historiques, et une volonté de consacrer le temps nécessaire à localiser et analyser toutes les preuves documentaires disponibles, qu’elles soient ou non publiées. Ces qualités ne sont pas très courantes parmi les spécialistes qui se considèrent souvent essentiellement comme des scientifiques. Comme le chimiste organique et lauréat du prix Nobel, Richard M. Willstäter, l’a une fois remarqué, " j’ai constaté que mes semblables scientifiques, qui déterminent consciencieusement les points de fusion à la moitié de degré près, appliquent un critère bien moins rigoureux à leurs écrits historiques " (Willstäter, 1965, 181). Bien entendu, les historiens ne sont pas infaillibles ; eux-mêmes peuvent faire des erreurs scientifiques ou historiques ; ils peuvent également être induits en erreur si ils ne disposent pas de suffisamment d’intuition scientifique pour distinguer un bon d’un mauvais travail.

La tendance des physiciens à écrire une histoire linéaire - qui sied si bien à leurs compétences logiques - a certaines conséquences. L’une est que les physiciens se confinent généralement à l’histoire des idées théoriques ou des développements expérimentaux - "l’histoire interne" dans le jargon des historiens. Les physiciens discutent souvent des questions sociales ou "externes" en privé, mais ils hésitent à discuter ces questions en public ou par écrit. Un sentiment répandu parmi les physiciens semble être que les influences sociales sur la physique, qu’elles soient institutionnelles, économiques ou politiques, tendent à affecter défavorablement sa qualité. En conséquence, moins on en dit, mieux c’est.

Les règles de la communauté des physiciens qui s’imposent aux physiciens eux-mêmes souvent plus rigoureuses quand il s'agit de questions personnelles. La plupart des physiciens reconnaîtront je pense, que la vie personnelle d’un physicien peut influencer sa recherche, même si il est difficile de dire précisément comment et pourquoi. Abraham Pais rappelle par exemple que Hermann Weyl lui a une fois fait remarquer que Schrödinger "a fait son immense travail pendant un débordement érotique tardif de sa vie" (Pais, 1986, 252). Nous savons maintenant ce que Weyl signifiait à partir de la biographie révélatrice de Schrödinger écrite par Walter Moore (Moore, 1989). Mais la plupart des physiciens, même si ils sont disposés à discuter de pareilles questions en privé, les discutent rarement en public ou par écrit, même si la personne est morte depuis plusieurs années. Une exception marquante est la courageuse biographie de H.A. Kramer écrite par Max Dresden (Dresden, 1987). En général, du fait que la physique est une discipline fortement hiérarchique au sein de laquelle un physicien sait assez précisément la position occupée par un autre (ceux tout en haut étant l'objet d’une grande admiration, même mêlée de crainte), il est difficile pour un physicien d’écrire sincèrement sur un autre ; il est bien plus facile de mettre l’accent sur les résultats scientifiques objectifs et de minimiser les facteurs personnels subjectifs, même lors de l’écriture de biographies ou de notices nécrologiques. Les affaires personnelles sont ressenties comme étant non pertinentes au mieux et comme de mauvais goût au pire, le résultat net dans les deux cas étant qu’elles ne sont pas discutées par écrit. I.I. Rabi a remarqué en plaisantant qu’avant la seconde guerre mondiale, il avait l’habitude de dire à ses amis et à ses élèves que

l’histoire de la vie d’un physicien était très simple. Il naît. Il devient d’une certaine manière intéressé par la physique... ; il écrit sa thèse et obtient son doctorat ; il meurt. Le reste et la partie essentielle de sa biographie peut être lue seulement dans les journaux scientifiques... (Rabi, 1960, 1-2)

Les physiciens utilisent habituellement l’histoire de la physique de deux manières. Dans le cas de la première, on trouve certains auteurs de manuels scolaires qui incluent des introductions ou des chapitres historiques, l’intention étant de donner au lecteur, habituellement un étudiant, une certaine idée du travail réalisé sur le sujet en question, ceci permettant d'introduire ce sujet et de stimuler l’intérêt. Dans le cas de la deuxième, on trouve les physiciens qui, lorsqu’ils donnent un cours, racontent souvent des anecdotes, par exemple sur les physiciens dont le nom a été donné à une équation ou un effet. La question fondamentale - à laquelle je reviendrai par la suite - est si ces utilisations de l’histoire par les physiciens leur font plus de tort que de bien.

Histoire de la physique dans l’enseignement de la physique

Selon des données récentes aux Etats-Unis, sur les 3 000 000 d’élèves de l’école secondaire par an, seulement un cinquième (623 000) suit un cours de physique et moins d'un dixième (275 000) poursuit en choisissant un cours de physique au début de ses études universitaires. A partir de là, la diminution est vraiment saisissante : de ce dixième ou de ces 275 000 élèves, moins de deux pour cent c'est-à-dire seulement 5 300 continuent pour obtenir une licence de physique, et rien que 0,4 pour cent poursuivent leurs études jusqu'au doctorat en physique (Neutschatz, 1989, 35 [Figure 5]). Autrement dit, seulement 0,04 pour cent des élèves de l’école secondaire aux Etats-Unis acquièrent en fin de compte une expérience de première main de la recherche en physique au niveau doctoral. Un pourcentage véritablement écrasant de 99,96 pour cent des élèves de l’école secondaire obtenant leur diplôme chaque année aux Etats-Unis, et en conséquence la presque la totalité des citoyens du pays - même les citoyens cultivés, comme les hommes de loi, les politiciens et les hommes d’affaire - n’ont aucune connaissance directe, quelle qu’elle soit, de la physique au niveau créatif, celui de la recherche. Cet état de fait a d’énormes implications pour le bien-être futur de la nation et pour la continuité du soutien donné à la physique. Toutefois je limiterai ma discussion à l’image de la physique et des physiciens qui est acquise chaque année par les 275 000 élèves qui suivent un cours introductif en physique mais qui pour la plupart ne continuent pas leurs études en vue de devenir des physiciens professionnels.

Une partie de cette image est formée par l’histoire de la physique que ces élèves ont apprise, c'est ici ma préoccupation principale . A la fois les manuels scolaires et les enseignants traitent typiquement l’histoire de la physique de la façon linéaire décrite précédemment - un développement allant plus ou moins directement d’un point culminant théorique ou expérimental à un autre, les points culminants étant associés à certains des grands noms du passé. Une telle histoire linéaire transmet implicitement deux messages aux élèves. Tout d’abord, elle suggère que la physique progresse de manière quasiment programmée ; démarrez la machine à n’importe quel moment, et dans un futur proche, cela produira une nouvelle découverte ; rien ne peut arrêter ou entraver cela. Ensuite, une telle histoire linéaire suggère que les physiciens sont des gens - principalement des hommes blancs, bien entendu - ayant des capacités intellectuelles surhumaines ; la physique n’est pas une discipline pour les mortels ordinaires, tels que les étudiants jeunes et inexpérimentés. Ces deux messages se combinent pour en former un troisième : les physiciens, ces êtres surhumains, peuvent accomplir n’importe quoi, peuvent faire n’importe quelle découverte - donnez-leur simplement un peu d’argent, indiquez-leur une cible, et en rien de temps ils feront mouche. C’est cette perception du public, au moins au Etats-Unis, pas tellement éloignée de la réalité, qui peut être déduite de la rapidité avec laquelle ses citoyens, du président jusqu’au citoyen ordinaire, ont été captivés par ce fantasme futuriste de l'initiative de défense stratégique (Stategic Defense Initiative), ou de la guerre des étoiles (Star Wars).

Je me hâte d’ajouter que cette histoire enseignée linéairement dans les cours introductifs de la physique n’était probablement pas le seul facteur contribuant à la guerre des étoiles (Star Wars). Néanmoins, une telle histoire contribue vraiment à la perception par le public de la physique et des physiciens. Il serait certainement plus sain si le public avait une image plus exacte de la nature de la découverte scientifique, comme cela est résumé par exemple par le chimiste -physicien Frederick Soddy :

bien que vous puissiez encourager de manière générale la découverte de nouvelles connaissances,... vous ne pouvez pas exiger la découverte d’une nouvelle connaissance en particulier. L’attitude de l’homme de science n’est pas celle du technologue ou de l’ingénieur. Il se met en route vers des terres inconnues, non pour découvrir quelque chose de défini, quelque chose d’une quelconque utilité pour qui que ce soit, mais pour découvrir ce qu'il y a à découvrir dans l'inconnu. Plus grande est la découverte, plus souvent elle apparaît triviale et absolument inutile au premier regard. (Soddy, 1920, 55)

D’autres avantages peuvent également découler d’une peinture historique précise de la physique et des physiciens. Je donnerai quelques exemples de ce que j’ai à l’esprit. Tout d’abord, considérons l’hypothèse d’Albert Einstein sur les quanta de lumière et les principales expériences qui la conforte , l’expérience de Robert A. Millikan sur l’effet photoélectrique, et les expériences de Arthur Holly Compton sur la diffusion des rayons X. Le récit donné dans les manuels scolaires et les cours classiques est qu'Albert Einstein a proposé son hypothèse sur le quantum de lumière en 1905 comme une explication de l’effet photoélectrique, que les expériences de Millikan en 1915 ont fourni la première preuve de l’hypothèse d’Einstein, et que les expériences de Compton en 1922 l’ont établi indubitablement. La linéarité et l’éclat de ce récit sont clairs : le plus grand physicien du vingtième siècle a audacieusement proposé une interprétation d’un résultat expérimental inexplicable, dix ans plus tard, un expérimentateur extraordinaire a confirmé la prédiction, et encore sept années plus tard, un autre extraordinaire expérimentateur a mis la cerise sur le gâteau. Il n’y a pas beaucoup de place dans cette histoire pour les mortels ordinaires ou les erreurs.

Un récit historique précis présenterait une image relativement différente. Einstein n’est pas parvenu à son hypothèse sur les quanta de lumière en 1905 en réponse à une énigme expérimentale, mais à partir de considérations théoriques fondées sur l’interprétation statistique de la deuxième loi de la thermodynamique ; l’effet photoélectrique était seulement l’une des trois expériences possibles qui étaient prometteuses d'une confirmation. Vers 1915, à la suite d'une longue série d’expériences, Millikan et ses élèves ont finalement confirmé la relation linéaire prédite entre la fréquence de la radiation incidente et le maximum d’énergie des photoélectrons éjectés. Toutefois, Millikan a rejeté catégoriquement l’hypothèse des quanta de lumière d’Einstein comme interprétation de ses expériences - en dépit de ses propres mots disant le contraire dans une autobiographie autoglorifiante ultérieure (Millikan, 1950, 101-102). Compton, de fait, a commencé sa carrière post-doctorale en 1916, dans une atmosphère de scepticisme quasiment universel envers l’hypothèse des quanta de lumière d’Einstein. Son combat durant les sept années suivantes s’est bâti partiellement sur le travail de personnes bien connues comme C.G Barkla mais aussi en partie sur celui de gens moins connus tels que D.C.H. Florance et J.A. Gray. Par la suite, alors que les propres expériences de Compton sur la diffusion des rayons X progressaient, il a rejeté une interprétation après l’autre, il a mal interprété ses données expérimentales, il les a ensuite lues correctement, et s’est en général battu seul, à tel point que le nom d’Einstein n’apparaît pas une fois dans les articles publiés par Compton. De plus, finalement, Compton s’est presque fait doublé de vitesse dans sa découverte par Peter Debye, qui au contraire était directement influencé par sa connaissance de l’hypothèse d’Einstein sur les quanta de lumière.

En entendant cette histoire à la place du récit traditionnel, les étudiants devraient avoir une impression assez différente de la physique et des physiciens. En premier lieu, ils apprendraient que la relation entre théorie et expérience en physique est loin d’être simple et qu’elle dépend des circonstances historiques particulières à un moment donné. Ils verraient la physique comme une quête ouverte de la connaissance, une leçon sur laquelle a insisté Yehuda Elkana (Elkana, 1970, 32). "  Une grande découverte ", disait J.J. Thomson, " n’est pas un terminus, mais une avenue conduisant à des régions jusqu'à présent inconnues " (cité dans Rayleigh, 1942, 264). En deuxième lieu, les élèves verraient que même un physicien expérimentateur aussi important que Millikan peut avoir absolument tort dans ses idées théoriques - et peut ensuite essayer de masquer son erreur plus tard dans sa vie en présentant un récit manifestement erroné de son autobiographie. En troisième lieu, les élèves apprendraient que le progrès en physique dépend d’un grand nombre de personnes, et pas seulement des géants d’une époque particulière. En quatrième lieu, ils verraient que même Compton, un des plus grands expérimentateurs de ce siècle, peut mal interpréter ses données expérimentales et peut en proposer des interprétations théoriques incorrectes - un aperçu qui vient comme un grand soulagement pour les élèves lorsque je leur parle de cette histoire. Finalement, les élèves seraient amenés à comprendre que la recherche en physique est hautement compétitive, et en conséquence que des découvertes simultanées ne sont pas si inhabituelles et n’impliquent pas, par exemple, un quelconque comportement immoral tel que le plagiat.

Cet exemple traite largement de l’histoire "interne" de la physique ; une deuxième histoire, impliquant une controverse intense entre chercheurs de Cambridge et de Vienne durant les années vingt et concernant la désintégration artificielle des éléments, introduit des facteurs psychologiques et institutionnels. Pour cet exemple, il n’existe pas de récit traditionnel dans les manuels ou les cours ; à la place, il y a le simple énoncé que Ernest Rutherford en 1919 (juste avant de quitter Manchester pour Cambridge pour succéder à J.J. Thomson en tant que "Cavendish" Professeur de Physique Expérimentale a bombardé de l’azote avec des particules alphas, produisant un isotope de l’oxygène et un proton, prouvant ainsi pour la première fois qu’il avait désintégré artificiellement le noyau d’azote. D’un point de vue historique, cet énoncé représente une assez remarquable compression des événements, éliminant entièrement presque dix ans d’histoire qui offrent un aperçu important de la nature de l’activité scientifique.

En premier lieu, Rutherford n’a pas cru en 1919 qu’il avait produit un isotope de l’oxygène : en fait, il croyait que la particule alpha incidente frappait et expulsait un proton tournant comme un satellite dans le noyau d’azote, laissant derrière lui un isotope du carbone. Ce modèle du satellite a guidé les recherches de Rutherford et de James Chadwick pendant presque toutes les années vingt au laboratoire "Cavendish". Toutefois, les expériences de Rutherford et Chadwick ainsi que le modèle du satellite de Rutherford ont été attaquées vigoureusement par deux physiciens travaillant à l’Institut für Radiumforschung de Vienne, Hans Pettersson et Gerhard Kirsch. Pettersson et Kirsch ont conclu de leurs propres expériences que plutôt que les particules alpha soient capables de désintégrer seulement certaines particules légères, comme Rutherford et Chadwick le pensaient, elles pouvaient les désintégrer toutes. De plus, au lieu d’expulser les protons satellites, ils ont soutenu que la particule alpha incidente provoquait une explosion au sein du noyau cible libérant ainsi des protons. Cette controverse - qui a opposé des chercheurs de deux importants laboratoires l’un contre l’autre - n’a pas été résolue avant fin 1927 lorsque Chadwick a visité Vienne et a découvert que Petterson et Kirsch avaient subtilement influencé leurs assistants qui étaient en fait en train d’observer les scintillations produites par les protons de désintégrations - ils étaient tombés en proie à un effet psychologique, comme dans le cas précédent et plus célèbre de René Blondlot et ses Rayons N (Nye, 1980 ; 1986, 33-77). Ceci a finalement fait comprendre à Rutherford et Chadwick ainsi qu’à leurs contemporains la nécessité de remplacer les observateurs humains par des techniques de comptage électrique. De manière ironique, alors que Rutherford et Chadwick triomphait dans leur controverse avec les chercheurs de Vienne, dans l’année qui suivait, la théorie de Rutherford était encore une fois attaquée, cette fois par George Gamow, qui maniait l’arme de la mécanique quantique, ce qui a obligé Rutherford à abandonner sa théorie.

Les élèves apprenant des faits relatifs à cet épisode de l’histoire de la physique pourraient en glaner plusieurs idées. En premier, ils pourraient voir que même Rutherford, qui a souvent été considéré comme le plus grand expérimentateur de ce siècle, était fortement concerné par la théorie et qu’en fait, il n’a jamais séparé la théorie de l’expérience dans son propre esprit - une illustration marquante du lien intime entre la théorie et l’expérience. Deuxièmement, les élèves apprendraient que la compétition peut être une force de motivation puissante en physique, et que les réputations institutionnelles et pas seulement personnelles peuvent être fortement affectées par les résultats des controverses scientifiques intenses. Troisièmement, cette histoire montre que les facteurs psychologiques subjectifs peuvent jouer un rôle dans les observations scientifiques et peuvent conduire à des erreurs. Quatrièmement, les élèves apprendraient que le progrès en physique est fortement lié aux innovations techniques, dans ce cas les techniques pour compter les particules chargées, et que l’un des objectifs du physicien est de rendre ces techniques aussi objectives et précises que possible.

Un dernier exemple offre encore un autre aperçu de la nature de l’activité scientifique. Pour comprendre comment il a été possible à Lise Meitner et Otto Robert Frisch d’interpréter correctement la découverte de Otto Hahn et Fritz Strassman de la fission nucléaire en décembre 1938 sur la base du modèle de la goutte liquide du noyau, j’ai étudié le développement de ce modèle en détail (Stuewer, 1994). J’ai trouvé que cela s’était produit en deux étapes, de 1928 à 1935 comme résultat du travail de George Gamow, Werner Heisenberg et C.F. von Weizsäcker, et de 1936 à 1938 comme résultat du travail de Niels Bohr et de ses collaborateurs. La première étape s’est centrée sur l’application du modèle de la goutte liquide à des calculs du défaut de masse - aspects statiques du modèle - alors que la dernière étape s’est centrée sur son application aux excitations nucléaires - les aspects dynamiques du modèle. Meitner partageait la première tradition de Berlin, alors que Frisch partageait la plus récente de Copenhague. C’est alors qu’en juillet 1938, Meitner a été obligée de fuir Berlin, et pendant les vacances de Noël à la fin de décembre 1938, elle rencontre son neveu Frisch à Kungälv, Suède, et lors de leurs discussions, ils mettent en commun ces deux traditions et produisent une nouvelle application du modèle de la goutte liquide - l’interprétation correcte de la fission nucléaire.

En premier lieu, cette histoire pourrait transmettre aux élèves quelque chose de la nature de la créativité scientifique. Nous rappelons l’analyse de l’acte créatif d’Arthur Koestler, dans laquelle il a indiqué qu’il s'appuie sur la fusion de ce qu’il appelle les différentes "matrices" de pensée (Koestler, 1964, 207). Il semble que quelque chose de cette sorte se soit produit ici : Meitner et Frisch sont arrivés à leur rencontre avec des cadres conceptuels très différents appartenant à un modèle nucléaire particulier, et ils ont trouvé qu’ils pouvaient les combiner d’une manière complètement nouvelle. En deuxième lieu, comme dans les exemples précédents, les élèves pourraient apprendre ici quelque chose sur la vie extraordinaire de certains physiciens. En troisième lieu, cette histoire montre combien les événements politiques peuvent fortement influencer le développement de la science, car du fait que Frisch et Meitner aient été forcés à l’exil par la politique raciale brutale des Nazis, Frisch, juste après la promulgation de la loi sur le service civil nazi en avril 1933 et Meitner, juste après l’Anschluss de l’Autriche en 1938. Les élèves, en tant que futurs citoyens, devraient comprendre que les lois, les politiques et les actions de leur gouvernement peuvent affecter directement la santé scientifique de leur pays : la science, tout comme toutes les grandes réussites culturelles d’une nation, ne peut pas être considérée comme allant de soi mais est une plante délicate qui exige un entretien et un soutien constant.

 

La complémentarité revisitée

La complémentarité des objectifs, des sources, des outils et des principes du physicien et de l’historien en recherche se retrouve dans l’enseignement. Le physicien conçoit et enseigne ses cours en se fondant sur des considérations logiques : il ou elle enseigne principalement des résultats - les principes, les lois et les concepts qui constituent l’apogée de siècles d’efforts intellectuels. L’historien conçoit et enseigne ses cours en se centrant principalement sur les contextes intellectuels, sociaux et politiques dans lesquels ces principes, lois et concepts ont été découverts, et sur les personnalités et les vies de ceux qui ont fait ces découvertes. Le physicien est plus ou moins contraint à réduire l’histoire à des esquisses ou des anecdotes. L’historien également apprécie ces esquisses ou anecdotes, mais il n’est pas satisfait de l’image de la physique et du physicien qu’elles transmettent.

Ainsi, les élèves qui ont des cours de physique habituels acquerront une image de la physique et des physiciens qui s’écarte sensiblement de la réalité. L’histoire de la physique, enseignée de manière précise, peut servir de force corrective puissante : à travers l’histoire, les élèves peuvent acquérir une compréhension de la nature de la physique, telle qu’elle est pratiquée par de vrais physiciens. L'enseignement de la physique et celui de l’histoire semblent complémentaires ; ils sont en grande partie mutuellement exclusifs, mais comme je le discuterai plus loin, les deux sont nécessaires pour donner aux élèves une compréhension complète de la nature de la physique en tant qu’activité intellectuelle et humaine.

 

Implications

En encourageant une compréhension précise de la science, le meilleur intérêt de chacun est servi. En particulier, les physiciens sont mieux servis par l’encouragement d’une compréhension exacte de la physique parmi les non-physiciens - un point qui a été établi de manière convaincante dans une enquête récente sur les enseignants de physique de l’école secondaire (lycée) aux Etats-Unis. Cette enquête a renforcé le résultat d’autres études montrant "qu’élargir le degré d’instruction en physique de tous les élèves et préparer de futurs professionnels pour un travail ultérieur dans ce domaine sont des objectifs complémentaires plus que concurrentiels", c’est-à-dire, "il y a un effet de synergie entre l’enseignement de la physique pour la masse des élèves non scientifiques et l’enseignement de la physique pour les futurs scientifiques" (Neuschatz, 1989, 34-35). Meilleur est l’un, meilleur sera l’autre ; plus les citoyens auront une compréhension globale de la physique, meilleur sera le climat culturel pour les physiciens. Il y a des années, Erwin Schrödinger se lamentait sur "la tendance à oublier que la science est liée à la culture humaine en général, et que les résultats scientifiques, même ceux qui à un moment apparaissent comme les plus avancés, ésotériques et difficiles à saisir, perdent leur sens en dehors de leur contexte culturel" (Schrödinger, 1952, 3 ; 1984, 478).

La science est la force la plus puissante et la plus persuasive qui affecte aujourd’hui les pays du monde - leur santé économique, leur stabilité politique, et leur vitalité culturelle. Mais cette force s'exerce dans deux directions : les physiciens dépendent du soutien du gouvernement pour leurs recherches et leurs moyens d’existence. "Nous sommes en réel danger", a prévenu Carl Sagan, "d’avoir construit une société fondamentalement dépendante de la science et de la technologie au sein de laquelle on peut difficilement comprendre la science et la technologie. C'est une prescription claire d'un désastre" (Sagan, 1989). Frederick Soddy l’a exprimé de manière plus concise lorsqu’il a indiqué que les scientifiques devraient toujours être conscients du contexte de la société dans lequel ils travaillent : " la plupart des poissons ", a-t-il écrit, " restent probablement complètement oublieux de l’existence de l’eau jusqu'à ce qu’il soient tirés brutalement dans l’air " (Soddy, 1920, 3).

Les physiciens et les scientifiques en général pourraient en bénéficier si le public et leur représentants au gouvernement comprenaient parfaitement la différence profonde entre la fraude et l’erreur scientifique - pour relever un autre sujet d’intérêt actuel aux Etats-Unis. Les physiciens ont un enjeu particulier dans la clarification de cette distinction parce que la fraude en physique est en fait inconnue. L’erreur, au contraire, a été relativement courante, et en fait, elle a souvent conduit à des progrès. Mais il y a peu de place pour l’erreur de bonne foi dans une histoire linéaire de la physique. C’est seulement si les élèves et le public en viennent à comprendre que le cours de la physique est tracé à travers de nombreuses fausses directions qu’ils apprécieront le rôle positif joué par l’erreur scientifique.

L’histoire de la physique offre également des leçons dans une autre direction. En démocratie, il existe un engagement fort pour l’égalitarisme, pour la croyance que les gens sont dignes des mêmes traitements en tant qu’êtres humains, quelle que soit leur position dans la vie. En même temps, des distinctions de classes existent entre les gens qui occupent des postes de statuts sociaux différents. Dans cette situation, il peut être bon de remarquer qu’une bonne partie des physiciens ont commencé leur vie dans des circonstances socio-économiques modestes, et qu’ils ont cependant atteint le sommet de leur profession - on pense immédiatement par exemple à Michael Faraday, J.J. Thomson ou Ernest Rutherford. L’histoire de la physique montre également que le progrès a souvent dépendu de la coopération étroite entre techniciens et physiciens. Thomson et Rutherford, par exemple, ont été parfaitement conscients de ce que tout physicien sait, à savoir que les connaissances et les compétences des techniciens sont essentielles pour le succès, et que lorsque les physiciens et les techniciens travaillent ensemble dans un but commun, un profond respect mutuel s’instaure. Un laboratoire de physique, dans un certain sens, est un microcosme d’une société égalitaire, démocratique et en tant que telle, peut être un objet d’étude pour ceux qui sont concernés par la dynamique de la dignité humaine.

Bien entendu, le public voit la physique et les physiciens de manière radicalement différente. E.E. Fournier d’Albe a reproduit cette image publique dans une biographie de William Crookes publiée dès 1924 :

Pour le public, l’homme de science est un mystère, un homme à la saveur inhumaine et en quelque sorte inexplicable. Tout le monde ne va pas jusqu'à dire qu’il est un monstre parce qu’il se prête à une activité " ne rapportant pas d’argent ". Mais il semble être généralement reconnu que le " scientifique " est un être vivant en dehors des sphères humaines ordinaires, ne relevant pas des standards humains ordinaires, un être qui est habituellement inoffensif mais qui peut de manière assez concevable devenir dangereux... (Fournier d’Albe, 1923, 2).

En 1950 Norbert Wiener a soutenu que, pour l’homme moyen de la rue,

le scientifique est exactement ce que le sorcier est pour le sauvage ; à savoir, un personnage mystérieux ambivalent, qui est vénéré comme le porteur de savoirs obscurs et le représentant de pouvoirs obscurs ; et qui en même temps est à redouter, même exécrer et doit avoir sa place. Le sorcier peut être un pouvoir, mais il est un sacrifice aux dieux très acceptable. (Weiner, 1950, 215)

Spencer R. Weart a simplement montré combien l’image du physicien comme scientifique fou a été persistante (Weart, 1988a ; 1988b).

Cette image pourrait difficilement être autre si les étudiants en physique et le public n’apprennent rien de substantiel sur la vie des physiciens dans l'enseignement ou dans les livres en raison d’un sentiment qu’il est en quelque sorte inconvenant de discuter de tels sujets. Ce n’est pas vraiment surprenant mais quand même assez remarquable, qu’en dépit de leurs grandes oeuvres et de leur sens esthétique, rares sont les physiciens qui ont été présentés comme des personnages centraux ou héros dans des romans, alors que les artistes, les hommes de lois, les docteurs et les politiciens par exemple, en sont des figures marquantes. Même si les physiciens ont souvent été comparés à des détectives, le nombre de physiciens représentés dans la littérature populaire est ridiculement faible en comparaison du nombre de détectives. Les romanciers et les écrivains voient apparemment les gens de nombreuses professions comme des membres sympathiques de la race humaine, mais les physiciens sont rarement sélectionnés ; ils sont considérés comme des penseurs logiques froids, insensibles aux émotions et passions humaines ordinaires. L’histoire de la physique révèle que cela est rarement le cas. "La vie d’un grand scientifique dans son laboratoire", écrivait Marie Curie, "n’est pas, comme beaucoup le croient, une idylle paisible. C’est plus souvent une bataille âpre contre les choses, contre ceux qui nous entourent, et par dessus tout contre soi-même" (Curie, 1926, 144).

 

Conclusions

J'ai discuté de la complémentarité de l’histoire et de la science, et en particulier de l’histoire de la physique et de la physique  - elles sont en grande partie mutuellement exclusives, mais les deux sont nécessaires aux élèves pour qu’ils comprennent la nature de la physique. Si mes arguments sont d’une quelconque validité, la question centrale devient alors comment rassembler les deux de manière constructive. C’est une question difficile, et qui a été dans l’air pendant longtemps. Je ne peux proposer de réponses faciles, mais je peux au moins proposer quelques observations.

Il y a presque cinquante ans, I. Bernard Cohen a présenté un papier intitulé " Un sens de l’histoire de la science " a une rencontre de l’association Américaine des professeurs de physiques (American Association of Physics Teachers) et il a commencé avec exactement la même prémisse que celle par laquelle j’ai commencé, à savoir que l’histoire et la science sont deux mots qui sont "souvent pensés comme étant connotatifs de disciplines extrêmement différentes sinon mutuellement exclusives" (Cohen, 1950, 343). Un objectif principal du papier du professeur Cohen était de construire un pont entre les deux disciplines, en informant physiciens par des livres et des articles sur l'histoire de la physique et en offrant des indicateurs pour distinguer les bonnes des mauvaises publications . Ceci était un service valable et nécessaire, du fait que l’histoire des sciences en tant que discipline était à un stade embryonnaire : le professeur Cohen ne pouvait indiquer seulement que trois universités qui offraient ensuite des emplois en histoire des science à plein temps (Ibid., 344). Il y a cinquante ans, la seule manière d'informer les physiciens des sources en histoire de la physique était d'écrire.

Les physiciens aujourd’hui ont la tâche plus facile. En tant que discipline, l’histoire de la physique a pris de l'importance de manière significative, et même si le nombre d’historiens de la physique dans le monde est toujours faible par rapport au nombre de physiciens, les premiers se trouvent néanmoins dans un nombre raisonnable d’universités où ils sont disponibles pour fournir des informations sur les sources historiques, à la fois publiées et non publiées, ou des réponses à des questions historiques. Comme A.P. French l’a préconisé en 1983, il est relativement possible de nos jours pour les professeurs de physique "de faire usage de l’histoire scientifique telle qu’elle est découverte par les historiens professionnels" (French, 1983, 216). Ceci indique une condition nécessaire pour faire des progrès : les physiciens et les historiens eux-mêmes doivent se mettre ensemble de manière constructive afin de favoriser le développement d’un respect mutuel en tant qu’enseignants et savants. De temps en temps, l'isolement professionnel et même l’arrogance professionnelle peuvent entraver la communication, mais il s’agit d’un luxe onéreux et cela ne devrait pas être encouragé. En certaines occasions, les historiens ont été recrutés comme membres de départements de physique, établissant une solide base institutionnelle pour la coopération - en enseignant conjointement les cours de DEUG et de licence, en organisant des colloques historiques, et autres. En d’autres circonstances, les physiciens et les historiens ont coopéré au delà des limites des départements. Toujours en d’autres circonstances, les physiciens eux-mêmes - suivant une vénérable tradition - sont devenus des experts en histoire de la physique. En général, tout comme Max Planck en 1909 a, par erreur, ressenti qu’accepter les quanta de lumière d’Einstein signifiait rejeter les ondes électromagnétiques de Maxwell (Planck, 1909), les physiciens et les historiens aujourd’hui ne devraient pas faire l’erreur de se rejeter l’un l’autre. L’histoire et la physique, même si elles sont apparemment des disciplines complémentaires, peuvent être associées de manière à ce qu’elles apportent de nombreux bénéfices aux élèves et en définitive au public.

 

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