Faculté de Physique

1. T S H U B Faculté de Physique Une histoire de la physique Par Y. SALHI sectiona_physique@yahoo.fr Laboratoire de Mécanique des Fluides Théorique et Appliquée

2. La physique avant Galilée Une histoire de la physique La naissance de la physique Newton et ses disciples Le XIX siècle Le XX siècle

3. Définition • La physique (du grec phusikê, la nature) est la « science de la nature  ». Dans un sens général et ancien • Science qui étudie les propriétés générales de la matière, de l’espace, du temps et établit les lois qui rendent comptes des phénomènes naturels. • Sa signification actuelle est néanmoins plus restreinte : • Ce qu’on entend aujourd’hui par « physique » a longtemps était appelé d’ « Aristote à Newton » philosophie naturelle . • Elle développe des théories en utilisant comme outil les mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution des systèmes. • La physique n'accepte comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par expérience. Cette méthode permet de confirmer ou d'infirmer les hypothèses fondées sur une théorie donnée.

4. Évolution chronologique de la physique •  Un bref historique de l'évolution des idées en physique permettra de rencontrer et de poser les principaux concept.On trouvera dans les pages suivantes un historique détaillé des grandes découvertes, allant de Copernic à nos jours.

5. Préhistoire(-3000an avant J.C) • ». Durant la préhistoire, les hommes faisaient des observations et étaient amenés à reproduire des phénomènes. • Les théories physiques de l'Antiquité étaient dans une large mesure considérées d'un point de vue philosophique, et n'étaient pas toujours vérifiées par des expérimentations. • La pensée technique s'est développée bien avant les théories physiques. • L’invention de la roue vers 3500 avant J.-C • C'est sur les berges des fleuves Tigre et Euphrate (Irak actuel) et du Nil (Égypte), puis plus tard en Grèce que les prémices des sciences ont vu le jour,il y a 5000 ans. Celles-ci étaient transmises par des religieux, ce qui assurait une continuité du savoir, la navigation assurant la propagation des connaissances et l'écriture, sur tablettes ou papyrus , son « stockage

6. EN MESOPOTAMIE3500-539 avant J-C : Les Babyloniens accordaient beaucoup d’importance à la magie et à la divination (qui leur permet de prédirel’avenir). Ils sont les inventeurs de ce qu’on appelle encore aujourd’hui l’astrologie. • Ils élaborent vers 1500 avant J-C leur calendrier en utilisant le cycle de la lune

7. EN EGYPTE 3100-1000 avant J-C : Leur conception de l’univers est fondée sur l’observation des astres et les calculs mathématiques. • Ilsinventent donc le calendrier de 365 jours qui divise l’annéeen trois saisons : l’Inondation, les Semailles (l’hiver), lesRécoltes (l’été), et en douze mois de trente jours - auxquels onajoute cinq ou six jours supplémentaires en fin d’année pourcoïncider avec l’année solaire.

8. Les égyptiens ont une bonne connaissance des étoiles et des planètes : - Ils remarquent que les étoiles peuvent être regroupées en constellations [Une constellation est un ensemble d'étoiles suffisamment proches pour qu'une civilisation donnée ait décidé de les relier par des lignes imaginaires, traçant ainsi une figure sur la voûte céleste]. Ainsi, le conduit qui, dans les pyramides, mène à la chambre du roi, pointe en direction de la constellation d’Orion. Ils ont distingué d’autres constellations comme La grande Ourse ou Cassiopée - Ils connaissent aussi les cinq planètes les plus proches de nous : Mars, Vénus, Mercure, Jupiter et Saturne. Vers 1500 avant J-C, leur calendrier tient compte à la fois des cycles du Soleil et de la Lune.

9. Cette période vit l'apparition: de techniques agraires, architecturales et guerrières, l'invention de la métallurgie • (âge du bronze au IIIe millénaire av. J.-C., âge du fer vers 1000 av J.-C.), • Science et Religion se mêlaient: les artisans faisaient des prières pendant la fabrication de leurs objets, prières qui pouvaient être un moyen de mesurer le temps lorsque la durée avait une importance dans le procédé

10. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C Thalès Grec, -625/-547 Philosophe, il a acquis son savoir auprès des babyloniens et des égyptiens, se pose le premier la question fondamentale de l'origine et de la nature des choses : comment l'Univers s'est-il formé? De quoi est-il fait? Il pense que c'est l'eau, qui, en se condensant, donne la terre, et qui, en s'évaporant, donne l'air…. Il pense que la Terre est plate et qu’elle flotte sur l’eau sous la sphère céleste…

11. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C Platon Grec, -426/-346 La Terre est au centre, et autour d'elle tournent les planètes dans un mouvement circulaire. C’est à lui que l’on doit le terme cosmos pour désigner le monde, il est alors le synonyme d’un univers majestueux et imposant, régi par l’esthétisme, l’ordre, l’harmonie.

12. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C EUDOXE de Cnide grec, -406/-355 Elève de Platon. Dans sa théorie, le monde est basé sur des sphères homocentriques : tous les objets du ciel (étoiles, planètes, Soleil, Lune) sont posés sur des sphères cristallines transparentes qui tournent de manière uniforme et qui sont ingénieusement axées pour expliquer les mouvements non linéaires des planètes. Au total il y a dans son système une vingtaine de sphères qui tournent autour de la Terre et qui porte tous les objets.

13. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C Aristote Grec, -384/-322 Disciple de Platon, il est un grand savant de l'Antiquité. (plusieurs dizaines de livres abordant aussi bien l'astronomie, la physique que la botanique ou la médecine). Il va en particulier développer un modèle physique, fondé sur l'observation et la perception intuitive des phénomènes, dont l'influence sera déterminante pour les siècles à venir. Ce modèle dit que la matière est composée des quatre éléments : eau, air, terre et feu.

14. Pour Aristote : • la Terre est immobile au centre de l'Univers • 2) il y a séparation absolue ente le monde terrestre imparfait et changeant et le monde céleste parfait et éternel (la limite étant l'orbite de la Lune) • 3) les seuls mouvements célestes possibles sont les mouvements circulaires uniformes. • 4) La Terre est entourée de 10 sphères concentriques en cristal. • Ces sphères portent les planètes et les étoiles.

15. Pour Aristote (suite) : • 5) La Terre est sphérique • Si ses prédécesseurs grecs l’avaient déjà évoqué parce que «la sphère est la plus belle de toutes les figures solides », c’est Aristote qui avance dans son " Traité du ciel " des arguments pour justifier cette théorie : • - la forme circulaire de l’ombre projetée par la Terre sur la surface de la Lune • lors des éclipses de Lune • le fait qu’un voyageur se déplaçant du Nord vers le Sud voit disparaître certaines constellations tandis que de nouvelles s'élèvent • - la Terre doit être sphérique pour des raisons de symétrie et d’équilibre.

16. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C Aristote-384/-322 ARISTOTE n'a pas une idée très exacte de la notion de force; en plus il confond vitesse et variation de vitesse c'est-à-dire accélération. Alors, il remarque vaguement la force centrifuge et surtout il observe que si un bateau subit une risée, le matelot a tendance à tomber.Ce sera le principal argument en faveur de l'immobilité absolue de la Terre: si celle-ci bougeait, tous les corps à sa surface resteraient en arrière. La Terre lui paraît infinie. Elle seule dans l'Univers est immobile. Et ce géocentrisme plaira à l'Église. Du coup le caractère d'immobilité devient quelque chose de spécial à la Terre, de quelque chose de presque sacré. Le caractère d'immobilité est absolu, il s'oppose au mouvement. • Il va en particulier développer un modèle physique, fondé surl'observation et la perception intuitive des phénomènes, dontl'influence sera déterminante pour les siècles à venir.

17. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C ARISTARQUE de Samos -310/-230 Aristarque, dans son ouvrage intitulé "Sur les dimensions et les distances du Soleil et de la Lune", est le premier à tenter d'évaluer le diamètre duSoleil et de la Lune et leur distance par rapport à la Terre, en introduisant les premières notions de calcultrigonométrique. Il émit, grâce à ses calculs, l'idée d'uneTerre tournant sur elle-même, autour du Soleil = première évocation du modèle héliocentrique.

18. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C ERATOSTHENE de Cyrène-284/-192 Il se distingua par son remarquable calcul de la longueur duméridien terrestre = circonférence de la Terre qu’il estima à 40349 km à comparer aux 40074km actuellement mesurés. Il calculala circonférence de la Terre. Il trouve 6419 km, la mesure actuelle est 6378 km

19. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C Ptolémée 100/170 astronome, géographe et mathématicien, il écrit un traité d'astronomie nommé l'Almageste qui contribuera à faire admettre pendant plus de quatorze siècles l´idée erronée que la Terre était immobile au centre de l´univers.

20. …. le monde Xe siècle avant J-C- XVe siècle après J-C Ptolémée 100/170 Univers géocentrique : La Terre était immobile et fixe au centre de plusieurs sphères de rotation. Ces sphères portaient les corps célestessuivants (dans l'ordre à partir de la surface externe de la Terre): la Lune, Mercure, Vénus, le Soleil, Mars, Jupiter, Saturne (les seuls connus jusqu’à lors car VISIBLES A L’ŒIL NU) et, enfin, la sphère la plus éloignée, dite sphère des fixes, car elle porte les étoiles supposéesalors immobiles. Cette dernière sphère était supposéeosciller lentement, entraînant ainsi la précession des équinoxes

21. Les idées anciennes en physique sont peu connues • leurs vérifications expérimentales et la quasi-totalité des sources • directes les concernant a été perdue malheureusement lors • des deux grands incendies de la Bibliothèque d’Alexandrie: -48 avant J-C • avec plus de 40 000 rouleaux perdus, • (hormis ceux d’Aristote dont les rouleaux furent sauvés • in extremis et clandestinement par des • admirateurs.

23. Moyen Âge (600an à 1450an )…. La civilisation arabo-musulmane • La civilisation arabo-musulmane conserva la mémoire de la science grecque. Des écoles et des bibliothèques furent construites • Ibrahim ibn Sinan ( Irak) C'était un mathématicien, et un astronome. Il a étudié la géométrie et a été à l'origine de plusieurs théorèmes. • Abu Raihanal-Biruni a réussi à calculer le diamètre de la Terre, et affirma même la possibilité selon laquelle la Terre tournerait sur elle-même. • Al Jazari, avait construit une monumentale horloge. • avec l'invention du zéro.

24. Al-Battânî, grâce à ses observations, permet une meilleure connaissance des mouvements apparents du Soleil et des planètes • Ibn al-Haythametudia l’optique en utilisant la géométrie et l’astronomie. Il introduit la méthode scientifique. Il a contredit la théorie de Ptolémée (rayon lumineux issus des yeux). La lumière est composée de particules se déplaçant à une vitesse finie. Il émit les bases pour établir les loi de la réfraction de la lumière. • Ibn Khaldounest à la fois historien et sociologue avant la lettre. • Ibn Nafisest le premier à avoir décrit le processus de la circulation sanguine dans le corps humain au Caire en 1242, et en particulier de la circulation du sang dans le poumon.

25. Moyen Âge (600an à 1450an )…. La civilisation arabo-musulmane • Science écrite en arabe • – savants arabes, persans, juifs,... • Favorable au développement des sciences : • Coran • – « Celui qui chemine à la recherche de la • science [‘ilm], Dieu chemine avec lui sur la • voie du paradis» • Science arabe le prolongement de la science grecque • – mentalité plus pratique • – traduction du grec vers l’arabe

26. Caractère de la science arabe : bibliothèques, observatoires • Calife Al-Ma’mum (IX siècle) : Foi et raison • – Création des institutions Bayt al-Hikma « Maison • de la Sagesse» • corps complet de traducteurs • Construction des observatoires • astronomiques et bibliothèques • – (Cordoue – 40 000 volumes) • Développement de la science arabe • – Mésopotamie : VIII – XI siècle • – Espagne et Egypte : X - XII siècle • – Samarkand : XIII-XV siècle

27. Caractère de la science arabe : Héritages et échanges • Traduction des textes grecs • – Platon • République, Timée, ... • – Toute l’œuvre d’ Aristote • Les Catégories, La logique, La Rhétorique, Métaphysique, Physique, Du ciel,... • – Ptolémée, • – Euclide • – • ... • Textes orientaux • – Chine : procédés de calcul, (papier), – Egypte : techniques d’arpentage, • – Mésopotamie : observation astronomique

28. Astronomie • Parmi les sciences mathématiques • – « science de l’univers» • (‘ilmalhay’a) • – « science des sphères célestes» • (‘ilm al-flak) • Étudier les mouvements apparents des astres • Donner une interprétation géométrique

29. Astronomes : période, lieux •Tolède/Cordoue (XI, XII siècle) - al-Zarqali, –ibn Rushd « Averroès », –al-Bitruji • Arménie (X siècle) -al-Biruni, • Bagdad (IX, X, XI siècle) • – al-Khwarizmi, – al-Farghani, • – Tabit ibn Qurra , – al-Battani, • Iran (IX,X siècles) • -al Buziani • -al Sufi • Samarkand • (XIV, XV siècle) • –UlughBeg– Omar Khayyami • Egypte (X siècle) – al-Haytam • Arabie (IX siècle) –Abu Ma’shar

30. al- Khwarizmi (Bagdad ~ 780/ ~850) • Traduction l’ Almageste (Ptolémée) • Elaboration tables astronomiques (position • des planètes et étoiles) • – Zij al-sindhind(à partir des tables hindoues) • Livre sur l’astrolabe grec • – « preneur des étoiles» • – mesure de « azimut»

31. al-Battani (Bagdad ~858/929) • « Ptolémée Arabe» • Observation des éclipses • Livre de tables astronomiques • – Kitab al-Zij (corrections de Ptolémée) – • Reprise des demi-cordes « indiennes» – transformation mot indien corde jiva • djiba : en arabe repli, poche • traduction latine 1150 : G. de • Crémone – sinus : « pli, cavité» sinuscorde

32. Peinture représentant des scientifiques arabes travaillant à Bagdad

33. al-Biruni (Arménie 973/1048) • Jeune prodige à 17 ans • – graduation d’un cadran solaire • (précision 0.5 degré) • Géographie astronomique • mesure longitude (distance au méridien) à partir des mesures astronomiques) • Connaissance d’ Avicenne • Savoir encyclopédique • – 13 000 pages de textes techniques

34. Illustration d’une éclipse de lune par Al-Biruni

35. Astronomes .... • ibn Yunus (Egypte 950/1009) • al-Zarqali (Tolède XIè siècle) – Horloges et instruments astronomiques • Horloges à eau très complexes (mesures des mouvements de la lune) • – Les Tables Tolédanes (identiques à celles al-Khwarizmi) • – Epoque des bouleversements • sociaux et politiques • > Invasion Almohades • – Observatoire astronomique • astrolabe en cuivre 1,40 m de diamètre • – Les Grandes Tables astronomiques d’ Al-Hakim (calife) • 81 chapitres, (plus vaste zij Al-Battani) • observations personnelles et ses prédécesseurs • un peu d’astrologie • – prédire la mort du calife !!! • – Ouvrage détermination des heures des prières (soir, crépuscule, matin, midi)

36. Astronomes,... • Omar Khayyami (Iran XI siècle) • – Invasion par les Turcs • – Protecteur « sponsor» à Samarkand • – Les Tables astronomiques Malikshah • positions et grandeurs des étoiles – Reforme du calendrier • taux erreur : 1 jour / 5 000 années – pas de confiance en astrologie • al Tusi (Damas XII siècle) • – Invention du astrolabe « linéaire» • appareil simple • baguette en bois graduée et fil de plomb • mesure altitudes étoiles • direction de la Mecque

37. Astronomes : Cordoue (XII siècle) • ibn Rushd /Averroès • (1126-1192) • – « le Commentateur d’Aristote» • – Connaissances « encyclopédique» • Astronomie, Physique, Logique, théologie, médecine,... • – Grand penseur : • grande influence sur la pensée médiévale • – Mouvement uniforme et régulier des corps célestes • opposition aux mouvements excentriques de Ptolémée • sphères concentriques d’ Eudoxe • al-Bitruji /Alpatragius • (XII siècle) • – Interprétation des mouvements de Ptolémée • – mouvement hélicoïdal des étoiles • – auteur souvent cité par Albert le Grand, Bacon,...

38. Astronomes : Samarkand ... • Ulugh Beg (1394-1449) • – le « grand prince» • – petit fils de Tamerlan (mongol) • – Fondateur medersa (IESA) • – Constructeur d’un observatoire • sextant de 50 m • – 1° => 70 cm • – 1’ => 12 mm • – la meilleure précision de l’époque • – Tables astronomiques • Zij-i Gurgani : très précises • al-Kashi (Iran XVe siècle) • – « homme de science remarquable» – Calcul π (16 décimales)

39. La physique • • Optique • – Ibn al-Haytham • Mécanique : • – Thabit ibn Qurra • traduction d’Archimède (Leviers, poulies, balances,...) • – AL-Khazini • Livre de la balance et de la • sagesse : Kitab Mizan al- • Hikmah

40. al-Haytham (Alhazen) (Irak, 965/1039) • Optique : « Père de l’optique» • – Kitab al-Manazir – L’ Optique (7 volumes) – « physique des rayons» • – lumière chose émise par les sources • « source primaire» : ligne droite • « source secondaire » : en forme de sphère > redécouverts par Huygens 6 siècles plus tard – théorie sur les couleurs • – Vision : nerf optique et connexion su cerveau – le premier à décrire les lois de la réfraction • > redécouverts par Kepler et Descartes (XVII siècle)

41. Camera obscure construite par Ibn al-Haytham

42. Les mathématiques .... • Introduction des chiffres hindous • – cifra (latin médieval) de l’arabe sifr : « vide» • Art mathématique • – Algèbre, • al-jabr (arabe) • – « réparation; remise en place des os » • – en espagnol ancien : le rebouteux est appelé algebrista (Don Quichotte) • – « réduction de l’arithmétique à une forme plus parfaite» • – Trigonométrie • trigonos : « triangle »; metron : « mesure» • ‘géometrie’ appliquée à l’étude du Monde (terre, Soleil,...) et leurs mouvements

43. Les mathématiques .... • Thabit ibn Qurra (Mésopotamie IX siècle) – Traducteur d’ Archimède, Euclide – Théorie des nombres • Nombres parfaits : égal à la somme des ses diviseurs – ex. 6 = 1 + 2 + 3 • Nombres amicaux : la somme des diviseurs de l'un égale l'autre. – • Exemple :220 et 284 • » Somme des diviseurs de 220 : 1 + 2 + 4 + 5 + 10 + 11 + 20 + 22 + 44 + 55 + 110 = 284 • » Somme des diviseurs de 284 : 1 + 2 + 4 + 71 + 142 = 220 • – Ouvrage de géométrie : Les Données • grande influence pendant le moyen âge

44. Les précurseurs d’une révolution : Nicolas Copernic (1473-1543) scientifique polonais Il place le Soleil au centre de l'Univers et non la Terre:le modèle héliocentriqueest né -  Copernic fait du Soleil, le centre, non seulement du système solaire, mais de l'Univers tout entier. La Terre apparaît dans son système comme une planète comme les autres qui tourne sur elle-même etqui tourne autour du Soleil. -  La Terre tourne sur elle-même et fait un tour sur son axe en une journée. Elle fait le tour du soleil en un an. Elle oscille sur son axe tout comme une toupie. Les autres planètes font la même chose que la Terre elles tournent toutes autour du soleil.

45. Les précurseurs d’une révolution : Johannes Kepler (1571-1630) Astronome allemand Il défendit le système de Copernic. C'est un des premiers physiciens expérimental, il ne base pas ses théories uniquement sur de l'intuition et de la géométrie, mais sur des lois physiques. Il fait en quelque sorte naître l'astrophysique.

46. Les précurseurs d’une révolution : Johannes Kepler (1571-1630) Astronome allemand Kepler énonce trois lois concernant les mouvements des planètes autour du Soleil connues sous le nom de... Lois de Kepler : -chaque planète décrit une ellipse dont le Soleil occupe un des foyers; -les aires décrites par le rayon vecteur planète-Soleil sont proportionnelles aux temps employés à les décrire -les demi-grands axes a et les périodes de révolution T sont reliées par a3/T2=constante pour toutes les planètes.

47. un esprit universel : Galilée (1564-1642) Il fait construire la lunette qui porte son nom. Il est le premier à avoir braqué vers le ciel un nouvel instrument d´optique, la lunette, grâce auquel il découvrit une multitude de choses jusqu´alors insoupçonnées.Ses observations confirmèrent la théorie de Copernic

48. un esprit universel : Galilée (1564-1642) Il observe minutieusement les taches du Soleil, il les voit évoluer et en conclut que le Soleil tourne sur lui-même. Il en arrive à penser que la prétendue perfection de l'univers est illusoire, qu'il y a des objets dans le ciel analogues à la Terre qui n'a plus aucune raison d'être le seul objet immobile

49. un esprit universel : Galilée (1564-1642) Mouvement rectiligne uniforme et immobilité sont donc la même chose. C'est une affaire de point de vue. Nous dirons en physique moderne qu'il s'agit d'une affaire d'observateur ou plutôt de référentiel. GALILÉE, empêtré dans son mouvement circulaire en arrive pourtant presque au principe d'inertie: un corps qui n'est plus soumis à aucune force continue son mouvement puisque vu autrement, il paraîtrait immobile. Changeons de point de vue: si un corps est au repos est qu'il n'est soumis à aucune force, il reste au repos. Du haut de la tour de Pise, il lâche des balles de plomb, de bois, de papier et découvre que, quelle quesoit leur masse, tous les corps sont animés du même mouvement. Il estégalement le premier à énoncer le

50. un esprit universel : Galilée (1564-1642) Galilée fut jugé par l'Inquisition pour hérésie. On caricature souvent son procès en lui prêtant l'expression: " E pur, se muovere! (Et pourtant, elle tourne!) à propos du mouvement de la Terre. Il a beau expliquer que sa théorie ne contredit pas la Bible si elle est interprétée correctement, Galilée doit finalement abjurer à genoux ses « erreurs », le 22 juin 1633.