L'astronomie durant l'Antiquité : 5 – Les deux sciences physiques

Cet article est le cinquième d'une série de huit articles consacrés à l'astronomie durant l'Antiquité. Le premier est ici.

On a vu dans des articles antérieurs que la recherche astronomique prônée par Platon (-429 - -348) marque la première tentative d’utilisation des mathématiques pour décrire les phénomènes naturels. On lui doit les premiers modèles prédicitifs, ceux d’Hipparque (-190 - -120) et de Ptolémée (90-168). A ce titre, naissent avec elle les sciences physiques modernes.

Moderne, Platon ? Hum. On a vu ensuite qu’il plaçait cette recherche dans un contexte religieux : le savant qui découvrira les lois mathématiques immuables, d’origine divine, qui régissent les mouvements des astres, aura levé un coin du voile sur un monde divin, immobile et parfait : le monde de l’“Être”, qui existe séparément de notre monde sensible, et dont celui-ci ne serait qu'un reflet très imparfait... Pas si moderne que ça, finalement : cette collusion entre science et religion montre qu’il y avait encore du chemin à parcourir. De fait, la science physique va longtemps se chercher.

Le mélange des genres pratiqué par Platon n’était pourtant pas un fait inévitable, même en ces temps reculés. Ainsi, deux siècles avant Platon, autour du -VIe siècle donc, d’autres philosophes (par exemple, Thalès), qu’on appelle ioniens ou milésiens (parce qu’ils vivaient autour de Milet, en Ionie, c’est-à-dire dans l’actuelle Turquie), n’avaient pas ressenti la nécessité d’introduire des dieux pour tenter d’expliquer les phénomènes naturels ; ils n’expliquaient la nature que par elle-même.

Aristote (-384 - -322, ci-contre à droite), élève de Platon, est plus proche de celui-ci que des milésiens : il croit en fin de course à l’intervention des dieux. Mais il aime à penser (pas entièrement à tort) qu’il est plus rigoureux que son illustre maître et propose d’organiser la recherche selon trois voies distinctes plutôt que de tout mélanger. Il y a :

• la théologie, c’est-à-dire la "science" des choses divines ;
• les mathématiques ;
• et la physique, science de la nature, à laquelle il consacre plusieurs volumes.

Pour Aristote, ces sciences peuvent et doivent être étudiées séparément.

Ce qui est intéressant, c'est que la frontière que trace Aristote entre mathématique et physique n'est pas la même qu'aujourd'hui ; ce n'est pas qu'une affaire de convention, on va voir qu'au contraire cela révèle une interrogation de fond de la recherche scientifique.

Le périmètre qu'Aristote - après Platon - assigne aux mathématiques est très étendu et empiète largement sur ce qui, de nos jours, ressortirait aux sciences physiques. Ainsi, Aristote distingue implicitement deux branches dans l'astronomie :

• l'une qui vise à déterminer mathématiquement les trajectoires des astres (c'est celle, on l'a vu, de Platon) ;
• l'autre, qui a pour objet la structure matérielle de l'univers.

Cette distinction est encore valable aujourd'hui : on parlerait d'une part d'astrométrie, et d'autre part de cosmologie. Mais ce qui est remarquable, c'est que ces deux branches appartiennent toutes deux aux sciences physiques de nos jours, quand pour Aristote, la première ressortit aux mathématiques, tandis que la deuxième ressortit à la physique. Platon nous invitait ardemment, on l'a vu, à l'étude de la première ; mais pour lui la deuxième n'était pas une science : la matière est trop incertaine, instable, imparfaite pour être un objet d'étude valable.

La différence de méthode entre Platon et Aristote lorsqu'il s'agit de traiter de la structure de l'univers est révélatrice. Platon présente dans son 'Timée' un mythe, c’est-à-dire un récit de la création du monde qui recourt aux dieux, et qui est exprimé dans un style souvent ésotérique. Comme si, au fond, pour Platon, un tel sujet n'offrait pas de prise au travail de la raison. Pour Aristote, c'est au contraire un sujet que peuvent étudier les savants et il est du ressort du physicien. Aristote choisit ainsi dans son 'Traité du Ciel' d’exposer un argumentaire construit, basé sur des hypothèses inspirées de l’observation de la nature.

Quant au fond, pour Aristote, le monde de l’Être cher à Platon est une chimère. Il n'existe qu'un seul monde : le monde sensible, et son étude est l’objet de la physique. L'image ci-dessous illustre ce propos ; elle est un détail fameux du tableau 'l'Ecole d'Athènes', peint par Raphaël en 1511. Platon (à gauche) pointe le doigt vers le ciel, comme pour inviter à découvrir les réalités supérieures du monde de l'Être. Aristote (à droite) semble lui dire : "Doucement : c'est ici que ça se passe..."

En résumé, Platon bornait le champ de la recherche scientifique à l'étude du mouvement des planètes. Aristote, lui, ne lui fixe pas de limite : tout est digne d'étude ; notre planète, elle aussi, a ses lois qu'il nous appartient de découvrir. Son projet rend donc possible les sciences modernes telles que la physique des solides, la chimie, la biologie...

Résumons encore : Platon est archaïque, Aristote est moderne. Vraiment ? Hum (bis). En fait, il n’est pas sûr qu’on y a gagne au change. La physique d’Aristote est qualitative et repose en général sur des hypothèses invérifiables, souvent d'ordre métaphysique. Platon recourt certes aux dieux dans son “Timée”, mais il ne prétend pas proposer autre chose qu’un récit vraisemblable (il le dit lui-même).

Par exemple, Platon prétend que les mouvements des astres sont des compositions de mouvements circulaires, parce que ceux-ci lui paraissent plus dignes des dieux par leur harmonieuse simplicité. Aristote ne dit pas autre chose, mais il entend en outre le prouver par des explications "physiques" : il s’acharne à démontrer que le mouvement circulaire est le seul qui puisse être sans fin (pour l’accorder avec la course éternelle des astres) ; il suppose également que les planètes sont faites d’un élément, l’éther, doué de la propriété de tourner en rond à l’infini. Aristote «démontre» de même que… la Terre est au centre de l’univers, et que celui-ci est de dimension finie et borné par une sphère cloutée d’étoile.

Cette «physique»-là peut prêter à sourire. La solidité apparente des arguments d’Aristote leur donnera pourtant une autorité extraordinaire jusqu’au XVIIe siècle. D’autant que certains d’entre eux sont sans faille : dès le quatrième siècle avant J.-C., Aristote donne ainsi plusieurs preuves correctes de la rotondité de la Terre dans son Traité du ciel. (Ci-contre à gauche, une page d'une traduction latine du XIIIe de ce traité.). Grâce à Aristote, il n'y avait plus personne au Moyen-Âge, parmi les lettrés du moins, pour croire que la Terre était plate, contrairement à ce qu’on dit parfois !

Cette nouvelle science laisse tout de même dubitatifs certains savants dès l’antiquité. L’astronome Ptolémée (90 - 168, ci-contre à droite) vante les mathématiques, mais il met la physique (telle que la conçoit Aristote) et la théologie dans le même sac des sciences incertaines, lorsqu’il les déclare «objets de conjecture plutôt que de connaissance scientifique ; ce qui est théologique, parce qu'il échappe absolument à la vue et au toucher ; ce qui est physique, par suite du caractère inconstant et caché de la matière ; en sorte que, par là-même, on doit perdre tout espoir que ceux qui philosophent parviennent à mettre d'accord leurs opinions touchant ces sciences». Ptolémée entend ici se borner au plan que Platon assigne au savant : rendre compte mathématiquent des mouvements des planètes. Il donne d’ailleurs le titre suivant à son grand ouvrage d’astonomie : 'La grande composition mathématique’. (Ce dernier est plus connu aujourd’hui sous le nom d’ 'Almageste', comme on l'a vu dans notre troisième article.).

Nous voyons donc ici s'ouvrir un deuxième débat, que l'on retrouvera au cours des siècles, opposant une science physique qui vise à décrire les phénomènes naturels à l’aide de l’outil mathématique, et une autre qui prétend aller au-delà et entend en outre les expliquer en formulant des hypothèses. Ainsi au XVIIe siècle on peut rattacher Descartes à ce deuxième courant, et Newton au premier (cf cet article du Médiévaliste à ce sujet). Descartes expose dans ses “Principes de philosophie” (1644) une physique qui est pour l'essentiel une collection d'hypothèses invérifiables sur la matière et qui n’a aucune capacité prédictive. Newton, lui, ne formule pas d'hypothèse de cette sorte, mais donne en revanche les lois mathématiques qui modélisent les mouvements des corps solides, dans ses “Principes mathématiques de philosophie naturelle” (1687).

La cause paraît donc entendue. Nous avons :

• d’un côté une science physique un peu illuminée, celle du «pourquoi», qui forge des hypothèses fantaisistes pour expliquer tout ce qui se passe dans la nature ; «science» qui semble avoir pour principale vocation d’occuper les philosophes férus de métaphysique, Aristote et Descartes en tête. C'est la "physique" proprement dite dans la terminologie d'Aristote.
• et de l’autre une science physique sérieuse, utile, celle du «comment», celle des "vrais" savants comme Ptolémée ou Newton, et qui se concentre sur un objectif précis : modéliser mathématiquement les phénomènes qu’on observe dans la nature, pour pouvoir les prédire et, autant que possible, les maîtriser. Ce sont les "mathématiques" dans la terminologie d'Aristote.

La science physique ‘sérieuse’, celle du “comment”, on l’appelle “descriptionniste” ou “positiviste” à la fin du XIXe siècle, et elle est alors considérée comme la seule valable par tous les grands physiciens, notamment les savants Mach (1838-1916, ci-contre à gauche) ou Kirschhoff. Leur crédo : toutes les hypothèses doivent pouvoir être vérifiées par l’observation. Le reste, c’est de la métaphysique ou de la religion ; mais pas de la science.

Alors, obsolète, la science physique du “pourquoi” ? Hum (ter). Au début du XXe siècle, pour rendre compte du résultat de certaines expériences, des physiciens comme Rutherford, Planck, Einstein ou Bohr font le postulat de l’existence de l’atome et tentent de définir sa structure. Ce sera la grande aventure de la mécanique quantique. Mais personne n’a jamais vu un atome… Mach s’insurge dans une lettre ouverte à Planck : «Si la foi en la réalité des atomes vous tient si fondamentalement à cœur, je souhaite ne plus rien avoir à faire avec la philosophie des physiciens». Réponse de Planck (1858-1947, ci-contre à droite) : «En aucun cas on ne peut éliminer tous les éléments métaphysiques de l'épistémologie de la physique». Autrement dit, pour Planck, pour faire avancer la science physique, lorsque nos sens arrivent à la limite de ce qu'ils peuvent observer, il faut commencer à faire des hypothèses. L’histoire lui a en l’occurrence donné raison. Gageons pourtant que le débat entre ‘positivistes’ et ‘métaphysiciens’ n’est pas terminé…

Sources :
- Le «Système du Monde» de Pierre Duhem, T1.
- «Histoire de la Philosophie Occidentale», J.-F. Revel, chapitre 1.
- «Les Génies de la Sciences», no 27 de mai-juillet 2006, titré «Planck, la révolution quantique» (passionnant !).
- La Physique d’Aristote, livre VIII ch 12 à 14.
- «Traité du Ciel» d’Aristote, chez Garnier-Flammarion, et notamment la précieuse introduction de Pierre Pellegrin.

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