Définitions et lois:
« Un des plus nobles désirs de l’homme est de connaître les lois qui régissent l’Univers, et ceux qui ont contribué à éclairer certains des mystères ont toujours été admirés par leurs pairs; ils apparaissent comme privilégiés, portant sur eux la lumière divine, un siècle à travers les générations regardent leur travail indélébile et les rangent d’abord parmi les gloires de l’humanité. «
D’Achille Cazin (Hachette, 1881).
La physique peut être définie comme une science qui étudie les propriétés générales de la matière, de l’espace et du temps et établit des lois qui décrivent les phénomènes naturels. Nous signalerons d’abord le mot loi, et nous demanderons si nous pouvons clairement, et sans ambiguïté, définir tous les objets dont nous discutons, c’est-à-dire l’espace, le temps et la matière. Leurs définitions sont (Oxford dictionnaires) :
Espace: Une zone ou étendue continue qui est libre, disponible ou inoccupée.
Matière: Substance physique en général, distincte de l’âme et de l’esprit; (en physique) celui qui occupe l’espace et possède une masse de repos, surtout distincte de l’énergie.
Temps: Le progrès continu indéfini de l’existence et des événements dans le passé, le présent et le futur considérés dans leur ensemble.
Ce n’est pas ce que nous pouvons appeler des termes clairement définis et cela n’indique aucune des relations qui peuvent exister entre eux. Si nous remontons dans le temps, Isaac Newton a donné ses définitions (1687):
L’espace absolu, qui n’a aucune relation avec l’environnement, est toujours immuable et immobile. L’espace relatif est une mesure ou une dimension mobile de cet espace, qui est définie par rapport à sa position par rapport aux objets que nous considérons comme l’espace immobile …
La quantité de matière est la mesure que nous obtenons de sa densité et de son volume …
Le temps absolu, vrai et mathématique, est sans rapport avec rien de l’environnement, et par sa nature coule uniformément. Le temps relatif, est toute mesure, précise ou non, de la durée d’un événement, que nous utilisons à la place du temps vrai. C’est à dire. l’heure, le jour, le mois, …
Il est difficile d’éviter les renvois et les définitions circulaires. Nous abandonnerons l’idée de tout définir et accepterons le fait que certaines notions peuvent avoir un sens sans être explicites. La physique cherche les lois qui régissent les actions réciproques entre un objet et son environnement. La promulgation de ces lois n’est pas une tâche facile, et nous avons vu beaucoup de changements dans l’histoire, à mesure que la compréhension des scientifiques évoluait. Par exemple, L. Wouters donne dans un livre d’école de 1916 « la loi pour la dilatation des corps due à la chaleur » comme :
« Le premier effet que la chaleur produit sur les corps, est d’augmenter leur volume, de les dilater »
Cette loi est basée sur son hypothèse sur la nature de la chaleur:
« Basé sur l’hypothèse moderne sur la nature de la chaleur, il résulte du mouvement vibratoire des plus petites molécules de la matière pondérable, et est transmis par un fluide appelé aéther. L’aéther est une substance subtile, parfaitement élastique, qui remplit les espaces intermoléculaires ainsi que les vides dits interplanétaires. La chaleur est, à la fin, un état de mouvement particulier. »
Aujourd’hui, il est évident que cette loi est fausse, principalement à cause de la notion d’aéther sur laquelle elle repose. La loi elle-même est vraie à quelques exceptions près. Alors, ne donnons-nous aucune définition ni loi? Évidemment nous le ferons, mais les lois devraient résulter des relations simples obtenues des expérimentations: si je modifie une quantité physique de mon expérience, alors une autre quantité physique change, à cet effet elle se répète régulièrement si je répète l’expérience.
Pour terminer cette introduction, je vais rappeler la citation d’Achille Cazin (Hachette, 1881) avec laquelle j’ai ouvert l’introduction.
Peu importe l’étude sur laquelle nous travaillons, il y a quelques règles générales à suivre pour éviter de tomber dans des confusions agaçantes. …
En physique, nous observons toutes les circonstances autour d’un phénomène naturel; nous mesurons toutes les quantités disponibles; nous cherchons des relations entre ces quantités, et ces relations s’appellent la loi du phénomène. Lorsque le phénomène est trop complexe, et qu’il semble impossible d’énoncer une loi unique, nous modifions le phénomène, nous faisons une expérience. Certaines circonstances semblant auxiliaires sont rendues négligeables et nous observons les quantités dominantes. De cette expérience nous obtenons une loi approximative, et par extension nous cherchons l’influence des circonstances négligées, de quelle manière elles modifient la loi. En faisant cela, nous trouvons la loi limite vers laquelle tend la loi observée lorsque les circonstances deviennent de plus en plus négligeables. Une telle loi est ensuite utilisée comme un principe fondamental, vu comme l’expression temporaire d’une vérité physique, temporaire parce qu’une observation plus précise ou un nouveau phénomène peut modifier les conclusions admises comme étant la vérité jusqu’à présent. «