Le Livre d'Argent

Comme je l'ai dit dans le #Vulgadredi de la semaine dernière, il faut éviter de trop personnifier la science, notamment parce qu'en vrai, les gens bossent toujours plus ou moins à plusieurs. Mais parfois, la façon dont les choses se passent donne un excellent exemple pédagogique sur comment la démarche scientifique elle-même fonctionne, et on aurait tort de passer à côté.

C'est totalement le cas de la découverte de la pression atmosphérique au ⅩⅦème siècle, alors pour ce nouveau #VendrediVulga (cette fois-ci posté depuis le train, direction les #JdLL), on va regarder ça en seize pouets.

2/16 Comme souvent, on a ici utilisé un phénomène naturel longtemps avant d'en comprendre les détails. L'empire romain nous avait ainsi déjà légué un certain nombre d'aqueducs et de fontaines, qui comme pas mal d'autres aspects culturels datant de l'Antiquité redevinrent à la mode en Europe au cours de la Renaissance.

Le début du ⅩⅦème siècle a donc vu un certain nombre de villes se doter de fontaines, de plus en plus grandes… jusqu'à ce qu'une limite semble atteinte : quels que soient les efforts, impossible de faire monter de l'eau plus haut que dix mètres trente-trois. C'est à Florence, en Italie, que cette limite est atteinte pour la première fois en 1638.

3/16 Les fontainiers de la ville font de leur mieux pour essayer d'améliorer les choses, mais rien n'y fait. Or, on pensait à l'époque que l'eau monte dans les pompes car « la nature a horreur du vide » : la perspective d'une eau qui cesse de monter alors qu'il y a du vide au dessus d'elle semble assez… perturbante.

On décide donc de faire appel à quelqu'un qui pourrait résoudre ce problème. Il se trouve que le célèbre Galileo Galilei est, depuis son procès de 1633, en résidence surveillée dans son domicile florentin : c'est donc l'occasion de lui faire une petite visite.

4/16 Sauf que bon, on est donc après son procès, et il n'est pas forcément très enthousiaste à l'idée de défier encore⁽*⁾ la vision du monde de ses contemporains. Il se contentera donc de déclarer que, visiblement, « l'horreur du vide a ses limites ».

Une réponse prudente, mais plus intéressante qu'il n'y paraît : il reconnaît ainsi qu'il y a des limites à ce phénomène et qu'il va falloir les déterminer et les comprendre. En d'autres termes : il pose le problème. Et amorce sa résolution en commençant à formuler quelques hypothèses à étudier, en particulier que cela pourrait être lié à la densité.

(∗) Je pourrais vous remettre encore et toujours ma vidéo sur le sujet, mais sinon, je dirais que ce thread peut déjà donner du contexte : https://fadrienn.irlnc.org/notice/Azm7oxzbjuzK2vMu8G

5/16 Néanmoins, il ne va pas s'y consacrer tellement plus. C'est donc un de ses disciples, Evangelista Torricelli, qui reprendra le dossier quelques années plus tard, en 1643. Consulté à son tour par les fontainiers, il s'engage à étudier activement le problème et à leur apporter une réponse dans l'année.

Et c'est avec lui que débute la seconde phase de la méthode expérimentale : après avoir constaté que les choses se comportaient d'une certaine manière, que l'on cherche à expliquer, on commence à faire varier quelques paramètres pour regarder comment ils influent au juste sur ce qui se passe.

(Dans les cas où on ne peut pas expérimenter, il faut pouvoir passer en revue pas mal de cas, d'où l'intérêt en biologie d'accéder aux collections, on en parlait la semaine dernière : https://fadrienn.irlnc.org/notice/B6YeA9KqMdqmgxxEDA)

6/16 Par exemple, puisque Galilée avait émis l'hypothèse que la limite pourrait être liée à la densité, Torricelli teste une pompe avec plusieurs liquides, de densité différentes, pour vérifier si la hauteur limite atteinte va ou ne va pas varier. Et il se trouve que cela varie, en effet.

Ainsi, le mercure, le liquide le plus dense à sa disposition, cesse pour sa part de monter à soixante-seize centimètres, ce qui est nettement moins que dix mètres trente-trois. La différence de hauteur, assez énorme, facilite donc grandement les travaux : à partir de là, c'est le mercure qu'on utilisera, plutôt que l'eau, pour expérimenter.

7/16 Torricelli imagine aussi d'autres manières de tester le phénomène. Plutôt qu'une pompe, il commence ainsi à utiliser un tube en forme de U. Classiquement, dans un tel objet placé à la vertical, le liquide va monter au même niveau des deux côtés.

Mais en penchant le tube, ou en mettant deux liquides de densités différentes, notre scientifique peut constater des variations qui lui permettent peu à peu d'identifier un possible coupable : l'atmosphère. C'est lui qui, en appuyant d'un côté, fait monter le liquide de l'autre.

8/16 Hors situations particulières, nous ne ressentons pas spécialement la pression de l'air sur nous : la modélisation réalisée par Torricelli permet donc d'étendre le monde connu, de nous faire prendre conscience de quelque chose qui, de base, échappe à nos sens.

Mais il s'agit ici seulement de travaux contrôlés, « en condition de laboratoire ». Si cela donne une idée cohérente de ce qui se passe, et répond donc à la question initiale des fontainiers, cela ne suffit pas à établir un savoir nouveau : il faut pouvoir le vérifier « en conditions réelles ».

9/16 Et nous allons pour cela changer de pays, puisque la personne qui va se charger de cette étape est un dénommé Blaise Pascal. Mis au courant des travaux de Torricelli, celui-ci va chercher à vérifier les conclusions de son collègue avec le moins possible d'intervention humaine.

Pour cela, il cherche à jouer sur le dernier paramètre : la quantité d'atmosphère au dessus de nos têtes. Comme on ne peut pas la faire varier « manuellement », il nous faut trouver un endroit où celle-ci sera « naturellement » différente de celle qu'on croise habituellement, pour y tenter l'expérience.

10/16 Blaise Pascal envisage qu'au sommet d'une montagne, il doit y avoir moins d'air au dessus de nous, et que cet air doit donc exercer une pression inférieure à celle qu'on rencontre au niveau de la mer. Or il se trouve que son beau-frère, Florin Périer, habite à Clermont-Ferrand, donc tout près du Puy-de-Dôme.

Si notre compréhension du phénomène est correcte, alors le mercure doit monter moins haut au sommet de cette montagne, à un kilomètre et demi d'altitude, qu'au niveau du sol. Les deux hommes organisent donc deux équipes qui vont faire l'essai le même jour aux deux endroits, afin que la hauteur d'air soit le seul paramètre à varier.

11/16 Et donc, « toutes choses égales par ailleurs », on constate bien que le mercure monte moins haut au sommet de la montagne qu'à son pied, dans les proportion que nous prédisait la théorie. Voilà qui confirme donc celle-ci.

De la même manière que pour le papillon de Wallace dont on avait parlé dans un autre thread, un travail théorique nous permet de faire des prédictions sur ce qu'on peut observer ou pas dans la nature, la différence ici étant que l'on a une expérience précise à réaliser de façon contrôler, plutôt que d'attendre de finir par observer quelque chose.

Si cette histoire de papillon ne vous dit rien, c'était ce thread-ci : https://fadrienn.irlnc.org/notice/AybcCRXAswcqPg6ZLE

12/16 Mais l'histoire ne s'arrête pas là, car une nouvelle chose qu'on apprend peut ensuite être réutilisée, aussi bien pour poursuivre notre démarche de compréhension du monde que pour mettre ces informations en application. Une quatrième personne va donc intervenir dans notre histoire.

Il s'agit d'un scientifique allemand nommé Otto von Guericke. Celui-ci conclut des travaux réalisés par ses collègues que, contrairement à ce que l'on croyait au départ, la nature tolère plutôt bien le vide. Donc, est-il possible de l'atteindre ?

13/16 Guericke va commencer à travailler sur la question en 1650, et parviendra à mettre au point un outil qu'il appelle « pompe à air », qui est un peu l'ancêtre de nos pompes à vide (à une époque, on disait aussi « machine pneumatique », mais de nos jours ce nom n'est plus utilisé que pour la constellation de l'hémisphère sud qui rend hommage à l'instrument).

Une démonstration de l'instrument aura lieu en 1654 : il s'agit de l'expérience dite des « hémisphères de Magdebourg », du nom de la ville où elle a lieu, dont Guericke est alors le bourgmestre.

14/16 Le principe est plutôt simple : deux hémisphères posées l'une contre l'autre, de façon hermétique, mais sans rien qui les colle ensemble. La machine de Guericke retire alors l'air à l'intérieur de la sphère ainsi formée, et la différence de pression d'air entre l'extérieur et l'intérieur suffit à les maintenir si fort qu'il devient impossible de les séparer.

Pour voir à quel point cette pression est importante, on attache des chevaux à chacune des deux hémisphères et ont les fait tirer de chaque côté : les efforts conjugués de vingt-quatre chevaux n'ont pas réussi à séparer la sphère !

15/16 Ce n'est d'ailleurs pas la seule réalisation de Guericke : celui-ci reproduira quelques unes des expériences de Torricelli avec un tube contenant du mercure, et constatera comme lui de légères différences, d'un jour sur l'autre, dans la hauteur atteinte par le liquide.

Guericke parviendra à faire le lien entre ces variations et le temps qu'il fait, donnant à l'invention de Torricelli un intérêt météorologique. Le scientifique irlandais Robert Boyle (qui améliorera également les pompes et étudiera le vide) proposera alors vers 1665 de nommer cet instrument « baromètre ».

16/16 La méthode expérimentale illustrée ici n'est qu'une des manières de faire de la science, bien sûr, on en a déjà abordé d'autres à d'autres reprises, mais ça nous donne déjà quelques bons éléments sur la démarche générale qui guide l'activité scientifique. On aura l'occasion d'en reparler !

Je ne sais pas encore quel sera le sujet de la semaine prochaine, n'hésitez pas si vous avez des demandes et suggestions, j'y réfléchirai après les JdLL (les gens qui seront sur Lyon ce week-end, venez dire bonjour !), mais en attendant, j'espère que ces petits threads vous plaisent encore, et donc merci par avance pour les retours et partages :-)

@Anaterya Je crains que non. À ma connaissance (mais je ne suis pas spécialiste, donc à prendre avec des pincettes), le seul moyen de faire une fontaine dans laquelle l'eau monte plus haut que ce qu'il faut pour compenser la pression atmosphérique, c'est de la mettre au préalable sous pression autrement, par exemple avec du gaz dissout dedans (le principe de fonctionnement d'un geyser).