Articles

Foucault, Jean Bernard Léon

(Paris, 19 septembre 1819 ; Paris, II février 1868)

physique expérimentale.

Fils d’un libraire-éditeur, Foucault reçoit son éducation à la maison en raison de sa santé délicate. Étudiant indifférent, il ne réussit le baccalauréat qu’après un encadrement spécial et commence à étudier la médecine, espérant mettre à profit comme chirurgien la dextérité considérable dont il avait fait preuve (dès l’âge de treize ans) en fabriquant un certain nombre de jouets scientifiques, dont une machine à vapeur. Révolté par la vue du sang et de la souffrance et stimulé dans de nouvelles directions par l’invention de la daguerréotypie, Foucault abandonna ses études de médecine, mais pas avant d’avoir attiré l’attention d’Alfred Donné, professeur de microscopie clinique à l’École de médecine. Donné le nomme assistant au cours de microscopie, puis coauteur de son manuel (publié en 1844 – 1845). Foucault succéda enfin à son maître comme reporter scientifique au journal des débats (1845), écrivant ensuite, dans un style brillant à la fois vif et précis, une chronique régulière dans laquelle il discutait pour un grand public des dernières nouvelles du monde de la science.

De 1844 à 1846, Foucault publie des textes de géométrie, d’arithmétique et de chimie pour le baccalauréat. Par la suite, à l’exception de ses articles de journaux, il ne publia que des articles scientifiques. Foucault travaille dans un laboratoire installé chez lui jusqu’à ce qu’à la suite de l’attribution de la Croix de la Légion d’Honneur en 1851 (pour son expérience du pendule) et du doctorat sciences sciences physiques en 1853 (pour sa thèse comparant la vitesse de la lumière dans l’air et l’eau), il soit nommé physicien à l’observatoire de Paris par Napoléon III. D’autres honneurs suivent : Médaille Copley de la Royal Society en 1855, officier de la Légion d’Honneur et membre du Bureau des Longitudes en 1862, et membre étranger de la Royal Society (1864) et les académies de Berlin et de Saint-Pétersbourg. Finalement, après avoir échoué à être élu en 1857, Foucault est choisi en 1865, à la suite du décès de Clapeyron, membre de l’Académie des Sciences.

Catholique intransigeant jusqu’à ce que sa dernière maladie le ramène à l’église, Foucault mène une vie tranquille et un dévouement total à la recherche scientifique. Petit et frêle, il a réussi à présider avec grâce le groupe d’amis scientifiques qui se réunissaient le jeudi chez lui, rue d’Assas. Il est mort d’une maladie cérébrale à l’âge de quarante-huit ans après une maladie de sept mois.

Foucault est surtout connu pour deux des expériences les plus significatives du milieu du XIXe siècle – la détermination en laboratoire de la vitesse de la lumière (1850, 1862) et la démonstration mécanique de la rotation de la terre (1851, 1852) – et pour son avancement de la technologie du télescope. Il a également effectué un certain nombre d’autres expériences importantes, principalement en optique, et a développé plusieurs dispositifs qui ont été largement utilisés dans les sciences expérimentales et la technologie.

En 1834, Charles Wheatstone développa un appareil à miroir à rotainpour mesurer la vitesse de l’électricité, et en 1838, Arago suggéra que le même principe pourrait être appliqué à la détermination de la vitesse de la lumière terrestre (les déterminations antérieures étaient astronomiques). Une comparaison de cette vitesse dans l’air et dans l’eau serait un test expérimental clair entre les théories de la lumière sur les ondes et les particules, car la première nécessitait que la lumière se déplace plus rapidement dans l’air; la seconde, dans l’eau. Les tentatives d’Arago pour mener à bien l’expérience ont échoué et sa vue défaillante l’a forcé à les abandonner. Immédiatement Foucault et Hippolyte Fizeau, avec qui Foucault avait collaboré à des recherches optiques entre 1845 et 1847, commencèrent indépendamment à tenter de surmonter les obstacles qui avaient vaincu Arago.

Fizeau fut le premier à réussir; en remplaçant l’appareil à miroir rotatif du laboratoire par une roue dentée interrompant un rayon de lumière se déplaçant sur un long trajet terrestre, il obtient la première mesure de précision de la vitesse de la lumière à la surface de la terre en 1849. Fizeau retourne au miroir tournant pour comparer la vitesse de la lumière dans des milieux rares et denses, mais il est battu par Foucault, qui annonce le 30 avril 1850 que  » la lumière voyage plus vite dans l’air que dans l’eau  » (Recueil, p. 207). Son appareil est schématisé à la figure 1. Une source de lumière en a est réfléchie par un miroir m, tournant à 800 tours par seconde, vers un miroir fixe sphériquement concave M et de nouveau vers a’. (Le plan de verre g permet à l’observateur en O de voir à la fois la source et la réflexion.) En utilisant à la fois un trajet d’air (moitié supérieure du diagramme, image a’) et un trajet d’eau (moitié inférieure du diagramme,

tube rempli d’eau T, image a »), la vitesse de la lumière, qui est fonction du déplacement de l’image réfléchie a’ ou a » de l’image source a, peut être comparée dans les deux milieux. Comme l’image de l’eau a » est déviée plus que l’image de l’air, la lumière doit voyager plus vite dans l’air que dans l’eau.

La première expérience de Foucault, réalisée en 1850 et rédigée intégralement dans sa thèse de doctorat de 1853, était purement comparative ; il n’annonçait aucune valeur numérique avant 1862. Ensuite, avec un appareil amélioré, il a pu mesurer avec précision la vitesse de la lumière dans l’air. Ce résultat, nettement inférieur à celui de Fizeau de 1849, changea la valeur acceptée de la parallaxe solaire et confirma la valeur plus élevée que Le Verrier avait calculée à partir de données astronomiques. L’appareil à miroir tournant de Foucault a servi de base aux déterminations ultérieures de la vitesse de la lumière par A. A. Michelson et Simon Newcomb.

Avec Fizeau, Foucault avait été un pionnier de la photographie astronomique en réalisant le premier daguerréotype du soleil en 1845. Les longues expositions nécessaires pour photographier les étoiles nécessitaient que le télescope reste constamment pointé vers l’objet céleste. Pour réguler l’entraînement d’un tel télescope, Foucault met en pratique en 1847 le projet avorté du XVIIe siècle de Christian Huygens d’une horloge à pendule conique. L’horloge de Foucault avait une tige en acier pour soutenir le bob de son pendule, et il remarqua qu’une telle tige, mise en vibration alors qu’elle était serrée dans le mandrin d’un tour, avait tendance à maintenir son plan de vibration lorsque le tour était tourné à la main.

Ce comportement inattendu de la tige a suggéré à Foucault une démonstration expérimentale de la rotation de la terre. Dans la cave de sa maison, il monta un pendule avec un bob de cinq kilogrammes suspendu à un fil d’acier de deux mètres de long, libre de se balancer dans n’importe quelle direction et attaché à l’extrémité de son swing avec un fil. Lorsque le fil fut mis à feu, le pendule se mit à balancer, et à 2 heures du MATIN le mercredi 8 janvier 1851, Foucault fut récompensé par la vue du plan de balancement du pendule tournant progressivement  » dans le sens du mouvement diurne de la sphère céleste  » (Recueil, p. 378, n.). Répétant l’expérience dans la salle méridienne de l’observatoire de Paris avec un pendule de onze mètres de long, Foucault rapporta à l’Académie des Sciences le 3 février 1851 sa constatation que le cercle décrit par le plan du balancement du pendule est inversement proportionnel au sinus de la latitude. Cette expérience, bientôt étendue et déplacée au Panthéon, se répétera au cours des deux années suivantes dans un certain nombre d’endroits du monde et donnera lieu à un décuplement des articles scientifiques consacrés au pendule.

Comme l’affirmait Foucault dans son rapport à l’Académie, sa découverte illustrait le traitement théorique de Poisson de la force de déviation de la rotation de la terre (Journal de l’École polytechnique, 16, (1-68), mais Poisson avait explicitement nié que l’effet sur le pendule pouvait être observé (p. 24).

Continuant à expérimenter la mécanique de la rotation de la terre, Foucault invente en 1852 le gyroscope qui, il le montre, donne une démonstration plus claire que le pendule de la rotation de la terre et a la propriété, similaire à celle de l’aiguille magnétique, de maintenir une direction fixe. Le pendule et le gyroscope de Foucault avaient plus qu’une signification populaire (qui continue à ce jour). Tout d’abord, ils ont stimulé le développement de la mécanique théorique, faisant du mouvement relatif et des théories du pendule et du gyroscope des sujets standard pour l’étude et l’investigation. Deuxièmement, avant les démonstrations de Foucault, l’étude des mouvements à la surface de la terre dans lesquels la force de rotation déviante joue un rôle important (en particulier les vents et les courants océaniques) était dominée par des notions non physiques de l’action de cette force. Les démonstrations de Foucault et les traitements théoriques qu’elles ont inspirés ont montré de manière concluante que cette force de déviation agit dans toutes les directions horizontales, fournissant ainsi la perspicacité physique solide sur laquelle Buys Ballot, Ferrel, Ulrich Vettin et d’autres pourraient construire.

Leur daguerréotype du soleil n’est qu’un fruit de la collaboration entre Foucault et Fizeau. Ensemble, entre 1844 et 1847, ils effectuent une demi-douzaine de recherches. Deux étaient d’une importance particulière: en 1845 et 1846, ils ont étendu les expériences de Thomas Young et de Fresnel pour montrer qu’il y avait interférence entre des rayons de lumière dont les trajets différaient de plusieurs milliers de longueurs d’onde, et en 1847, ils ont montré, en étudiant l’interférence des rayons de chaleur en provenance du soleil, que la chaleur rayonnante avait une structure ondulatoire identique à celle de la lumière. Ces deux expériences ont considérablement renforcé la théorie des ondes de la lumière.

Avec son ami proche Jules Regnault, Foucault a montré en 1848 comment le cerveau combine en une seule image deux couleurs distinctes, chacune présentée à un seul œil. Peu de temps après, Foucault jeta la lumière du soleil sur la lumière d’un arc de carbone pour superposer les spectres. De son observation que la double ligne jaune vif de l’arc était identique à la double ligne sombre dans le spectre solaire (ligne D du sodium), il a conclu que l’arc pouvait absorber la même lumière qu’il émettait, mais la généralisation de cette observation pour expliquer les raies de Fraunhofer a été laissée à Kirchhoff en 1859.

En 1853, Foucault étudie la conductivité dans les liquides et, en 1855, il démontre la conversion d’un travail mécanique en chaleur en tournant avec une manivelle un disque de cuivre placé entre les pôles d’un électroaimant et en mesurant la chaleur produite dans le disque.

Personne en son temps n’a dépassé Foucault en inventivité technique. Depuis ses premiers articles publiés sur les améliorations de la daguerréotypie (1841, 1843) jusqu’à l’achèvement de son sidérostat peu de temps après sa mort, les dispositifs conçus par Foucault et exécutés, d’abord par lui-même et plus tard avec l’aide d’autres, résolvaient des problèmes de pratique en suspens tant en science qu’en technologie. Il a développé un régulateur pour la lampe à arc, qui a permis au gaz d’être supplanté par l’électricité dans l’alimentation en lumière artificielle du microscope (1843), et son amélioration de ce régulateur (1849) a amené la lampe à arc dans le théâtre. Il a conçu un photomètre (1855). Son interrupteur à mercure (1856) améliore les performances des bobines d’induction de Ruhmkorff, et son prisme biréfringent (1857), utilisant de l’air plutôt que du baume entre les deux pièces, permet d’obtenir une lumière polarisée plane dans l’ultraviolet. Vers 1860, il revint au problème de l’uniformisation des mouvements mécaniques, qui l’avait conduit à l’expérience du pendule, et il développa toute une série de régulateurs mécaniques qui allaient considérablement au-delà du gouverneur de James Watt dans leur efficacité. Ces régulateurs ont d’abord été utilisés dans des machines qui maintenaient un télescope pointé en permanence vers le soleil (héliostat) ou une étoile (sidérostat), puis dans de grandes machines à vapeur, tant dans les usines que lors de l’Exposition de Paris de 1867.

Aucune de ces inventions, cependant, n’a été aussi importante pour la science que l’introduction par Foucault de la technique moderne d’argenture du verre pour fabriquer des miroirs pour les télescopes réfléchissants (1857) et ses méthodes simples mais précises pour tester et corriger la figure des miroirs et des lentilles (1858). Le verre s’est avéré bien supérieur au métal spéculum précédemment utilisé dans les télescopes réfléchissants car il est beaucoup plus léger, plus facile à broyer et à figer, et plus facile à refaire surface s’il devient terni ou endommagé.

L’extraordinaire maîtrise d’un langage précis en paroles et en actes de Foucault n’a pas toujours été prise à sa juste valeur par ses contemporains parmi les maîtres de la tradition analytique française, pour qui son utilisation économe des mathématiques le condamnait comme un simple bricoleur chanceux. Ses articles de journaux piquants, bien que jamais vicieux, étaient également une source d’hostilité. L’intérêt de Foucault pour l’astrophysique se heurta à la ferme opposition de Le Verrier, directeur de l’observatoire de Paris, astronome théorique de l’ancienne école, et Foucault fut donc empêché d’installer son sidérostat dans l’observatoire. Néanmoins, avant de mourir, Foucault avait acquis le respect de tous en tant qu’expérimentateur hors pair ; et sa réputation s’accrut après sa mort alors que l’astronomie télescopique moderne se développait sur la base des techniques optiques qu’il avait inaugurées.

BIBLIOGRAPHIE

I. Ouvrages originaux. Les articles de Foucault, publiés pour la plupart dans les Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences, ont été rassemblés et publiés avec un certain nombre d’articles inédits dans le Recueil des travaux scientifiques de Léon Foucault, 2 vols. en un (Paris, 1878). La figure 1 du texte est tirée de la Planche 4 du Recueil, qui est à son tour tirée de la thèse de Foucault, Sur les vitesses proches de la lumière dans l’air et dans l’eau (Paris, 1853).

II. Littérature secondaire. Les deux principales sources de la vie et de l’œuvre de Foucault se trouvent également dans le Recueil : J. Bertrand,  » Avertissement « , I, i-iv, et  » Des progrès de la mécanique « , I, v-xxviii, ce dernier publié initialement dans la Revue des deux mondes, 51 (1er mai 1864), 96-115, afin d’aider la candidature de Foucault à l’Académie des sciences ; et J. A. Lissajous,  » Notice historique sur la vie et les travaux de Léon Foucault « , II, 1-18. P. Gilbert,  » Léon Foucault, sa vie et son œuvre scientifique « , dans Revue des questions scientifiques, est également utile, 5 (1879), 108-154, 516-563. Betrand fait allusion dans son article à l’opposition de Foucault à l’Académie; l’opposition de Le Verrier est mentionnée dans P. Larousse, Grand dictionnaire universel du XIXe siècle, VIII (Paris, 1872), 649.

Harold L. Burstyn

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.