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Petit bêtisier scientifique – Kelvin, l’âge de la Terre et le dentifrice au radium [3/7]

Jérôme Malot — Thu, 18 Jun 2015 16:38:35 +0000

Une quille qui tombe peut parfois en entraîner une autre, et s’il en était de même avec la raison ?
Célèbre pour ses conclusions sur notre comportement quotidien, l’expérience de Asch est une jolie illustration de ce que j’appelle personnellement un phénomène d’agrégation d’erreurs.
Et si je vous parle de ça aujourd’hui, c’est qu’il y a un peu plus d’un siècle, un groupe de scientifiques a réussi l’exploit de démontrer indépendamment, et par trois méthodes différentes, un résultat faux.
Aujourd’hui je vais vous parler de l’âge de la Terre.

L’erreur initiale – la première quille

A l’origine de cette erreur, il y a un anglais. Un homme qui dispose alors d’une renommée internationale, cet homme s’appelle William Thomson mais il est mieux connu sous le nom de Lord Kelvin. Bien qu’à l’époque certains s’accordent à dire que l’âge de la Terre est infini (théorie signée Aristote bien sûr), Kelvin va avoir l’immense mérite de proposer une méthodologie scientifique moderne pour évaluer l’âge de la Terre. La démonstration du Lord est très sexy puisqu’elle fait appel à une théorie alors toute jeune mais maintes fois vérifiées : l’équation de la chaleur de Fourier.
Le calcul de Kelvin consiste simplement à considérer la Terre comme une sphère chauffée initialement à 3900 °C (température de fusion des roches) puis refroidit très rapidement par la douce fraîcheur de notre galaxie. L’équation de la chaleur de Fourier prédit alors comment la chaleur de la sphère va évoluer en tous points pour s’uniformiser dans le temps. Kelvin va alors simplement retourner cette équation et se servir de la variation de température qu’il observe entre la surface de la Terre et un point situé à 100 m de profondeur pour déduire la durée écoulée depuis le début du refroidissement de la Terre.
Ces calculs vont d’abord lui permettre d’établir en 1863 un âge de la Terre comprit entre 20 et 400 millions d’années (la belle fourchette me direz-vous) puis il précisera un peu plus tard son estimation à 20-40 millions d’années.

Réticences géologiques et début du match Kelvin – Darwin

Comme dirait Pignon, c’est bougrement intelligent… mais ça va quand même un peu gêner les géologues de l’époque. Il faut dire qu’avant Kelvin, ces messieurs estimaient l’âge de la Terre grâce à l’érosion et la stratification (dépôts successifs de matériaux). La méthode alors employée reposait sur une simple règle de trois : s’il faut cent ans pour déposer un millimètre de sédiment et que la couche mesure un mètre, alors mon temps de dépôt est de 100 000 ans… Comprenez que les autres scientifiques de l’époque aient été aussi enthousiasmés par la méthode de Kelvin.
Le problème c’est que les 40 millions d’années de Kelvin ne laissent pas assez de temps à la Terre pour expliquer tous ces dépôts. Autre problème relevé par Charles Darwin, l’évolution des espèces a nécessité bien plus que 40 millions d’années… peut être de l’ordre des milliards, Kelvin doit avoir tort !

Pour l’anecdote : Kelvin et Darwin ne s’aimaient pas beaucoup mais la mort est facétieuse et conciliante puisque les deux hommes sont actuellement enterrés à quelques pas l’un de l’autre dans la nef de l’abbaye de Westminster.

On enfonce le clou – Deuxième et troisième quilles

Le fait est qu’à cette époque la majorité de la communauté scientifique se range derrière Kelvin. L’église, elle aussi, y trouve un moyen de discréditer Darwin et sa théorie de l’évolution.
Pour enfoncer le clou, deux hommes vont, coup sur coup, redémontrer les résultats de Kelvin par deux méthodes différentes.
Le premier s’appelle John Jolly. Jolly va s’intéresser à un sujet qui avait préalablement occupé un certain Edmund Halley (oui oui, celui de la comète) : la salinité des océans. En effet et de façon assez paradoxale, la salinité des océans est apportée par l’eau douce des rivières. Lesquelles rivières récupèrent le sel des roches qu’elles érodent. En estimant la masse de sodium actuellement contenu dans les océans et le débit actuel des rivières, Jolly estime l’âge de la formation des océans à 90 millions d’années (ce qui appuie d’avantage la thèse de Kelvin que celle de Darwin).

Le second homme s’appelle George Darwin, le fils même de Charles (si ça ce n’est pas de l’ingratitude). Georges, la tête en l’air, s’intéresse à la lune. En effet, à cette époque déjà , nous savons que la lune s’écarte progressivement de la Terre. En étudiant la vitesse d’éloignement, on peut donc légitiment déduire la date de séparation de la lune et de la Terre (qui est actuellement une des thèses de création de la lune). Les calculs de Georges lui permettre d’obtenir un âge de 56 millions d’années confortant encore le point de vue de Kelvin. Et hop !

La solution de l’énigme – Découverte de la radioactivité

Pourtant, alors que Georges Darwin et John Jolly publient leurs travaux, quelque chose d’énorme se prépare. En 1902, Ernest Rutherford et Frederick Soddy vont établir la notion de période d’un élément radioactif. La découverte est capitale puisque l’on comprend pour la première fois que le temps qu’il faut pour que l’activité d’un élément radioactif diminue de moitié est une constante et ne dépend pas de la quantité initiale de noyaux dans l’échantillon étudié. Bingo ! Voilà un chronomètre qui tourne depuis la nuit des temps et qui va nous permettre de dater précisément l’âge de la Terre.
Pourtant, il faudra attendre 1953, pour déterminer avec précision l’âge de la Terre à 4,55 milliards d’années. Les premiers calculs s’appuieront en effet trop souvent sur des hypothèses approximatives, et le phénomène même de radioactivité reste un temps très mal compris : on assiste d’ailleurs à cette époque à un phénomène de « radiofolie » qui peut aujourd’hui nous sembler tout droit sorti d’un mauvais Spielberg. Les grandes marques vantent alors les propriétés radioactives de leur savon, dentifrice, eau, soda,… n’en déplaise à GreenPeace, disons-le, le radium avait la côte à l’époque !

Dentifrice au radium, eau minérale et pommade radioactive, en 1920, les publicités font la part belle aux produits radioactifs

La vraie erreur de Kelvin – Quand un solide se prend pour un liquide

On entend souvent que l’erreur de Kelvin réside dans le fait qu’il n’ait pas intégré dans ses calculs la chaleur dégagée par la radioactivité sous la surface de la Terre. On lui pardonne aussi facilement puisque la radioactivité n’avait pas été découverte au moment où Kelvin élabore sa théorie.
Pourtant la véritable erreur de Kelvin n’est pas là et pouvait bel et bien être évitée car le physicien s’est tout bonnement trompé d’équation. En effet, vous avez surement déjà remarqué que la dinde dans votre four met plus de temps à cuire que le bouillon, dans lequel elle baigne, à chauffer. Et cela est normal puisque l’uniformisation de la chaleur au sein d’un liquide se fait beaucoup plus rapidement qu’au sein d’un solide du fait de mouvements de matière (appelé convection) existant seulement au sein des fluides.
Kelvin, en appliquant l’équation de la chaleur, a considéré la Terre comme un solide, or, sur les échelles de temps considérées, la Terre se comporte d’avantage comme un liquide. Kelvin aurait donc dû prendre en compte la convection en utilisant l’équation de Navier-Stokes.
En prenant en compte la convection, Kelvin aurait alors trouvé un âge avoisinant 2 milliards d’années (et ce, sans prendre en compte la radioactivité).

Conclusion

Finalement, il est assez bluffant de voir comment la notoriété d’un seul homme a pu conduire à une telle erreur (on parle d’un facteur 100 quand même). Joly dans ses calculs avait oublié d’intégrer les processus de perte de sel (dépositions, vents,…), quant à Georges Darwin il s’agissait sans doute d’une erreur de mesure.

Et pourtant, certains avaient anticipé le coup, John Perry (élève et disciple de Kelvin) faisait part à son maître ,dès 1895, de ses doutes concernant l’utilisation de l’équation de la chaleur… mais le fait est que la conviction d’un homme brave parfois la convection des autres…

Références:
Très bonne publication sur le sujet:
http://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2011/03_Krivine.pdf
Article de la Recherche qui fait le focus sur la partie radioactivité:
http://www.larecherche.fr/savoirs/autre/radioactivite-soleil-terre-mort-kelvin-01-10-1996-89381
Autres:
http://www.ens-lyon.fr/DSM/SDMsite/M2/stages_M2/Ehlinger2014.pdf
http://courses.washington.edu/ess408/KelvinPerry2007.pdf

Petit bêtisier scientifique – La phlogistique et pourquoi les corps brûlent [2/7]

Jérôme Malot — Thu, 28 May 2015 08:56:52 +0000

Gaston Bachelard disait que la vérité est presque toujours « une erreur rectifiée » et, modestement, j’adhère… Du moins, je pense que l’erreur, si elle n’est pas toujours nécessaire, s’intègre au moins naturellement au processus de qualification de « l’évident ».
Voilà mon sarcasme nuancé en bloc par anticipation, nous allons donc pouvoir maintenant nous amuser ensemble de ce que l’observation et la déduction scientifique ont pu accoucher de plus saugrenu.
Dans ce petit Best Of (très personnel) des plus ‘belles’ erreurs scientifiques, nous allons voir en 7 parties comment l’apprentissage et la déduction ont pu parfois malmener les plus grands esprits de ce monde.
Une façon ludique de s’intéresser au façonnage de la science à travers l’histoire.

Aujourd’hui, partie 2: La phlogistique et pourquoi les corps brûlent.

La science du XVIIIème siècle – Contexte

Dans le précédent billet du petit bêtisier scientifique, nous nous étions arrêtés en 1585 et aux balbutiements de la physique moderne. Grâce à Galilée, nous comprenions pour la première fois qu’étudier la vitesse d’un objet ne permet pas de déterminer si des forces lui sont appliquées.
A peine une génération plus tard, Newton va transformer l’essai avec la conclusion suivante:
Si la vitesse d’un corps ne permet pas de déterminer les forces qu’il subit, la variation de sa vitesse, quant à elle, le permet.

figure 1 – principe fondamental de la dynamique. La somme des forces exercées sur un objet est proportionnelle à son accélération (variation de sa vitesse dans le temps)

Newton va alors formaliser les équations de la mécanique et poser, avec Leibniz, les bases du calcul différentiel et intégral.
Les deux siècles qui nous séparent du sujet d’aujourd’hui vont alors être riches en découvertes.
Torricelli (l’élève de Galilée) va inventer le baromètre ce qui va le conduire à mettre en évidence le premier vide permanent et lui permettre de vérifier la théorie de son maître sur la chute des corps. Blaise Pascal va significativement faire avancer la connaissance scientifique en probabilité et mécanique des fluides. L’électromagnétisme va doucement émerger lui aussi grâce à Coulomb et Volta (inventeur de la pile électrique). Enfin, la biologie va se développer princièrement au 18ème siècle grâce aux travaux de Buffon et Lamarck.
A cette époque, on assiste aussi progressivement à la mort de l’alchimie et c’est dans ce contexte que s’inscrit l’erreur dont je vais vous parler aujourd’hui.

La théorie phlogistique

A l’origine de la phlogistique se trouve une question simple encore non résolue à la fin du 17ème siècle : « pourquoi certains corps brûlent et d’autres non? ». Il faut dire que le moyen-âge et l’inquisition sont passés par là, et que l’Homme est manifestement passé maître dans l’art de faire brûler des trucs.
Deux scientifiques allemands (J.J Becher puis G.E Stahl) vont alors successivement s’intéresser à la question et élaborer une théorie basée sur un fait observable : un corps semble perdre de la masse en brûlant.
La théorie établit alors que toute matière contient du phlogiston, une substance incolore et inodore qui s’échappe lors de la combustion pour peu qu’il dispose d’un endroit où s’échapper (par exemple : l’air). Plus une matière contient du phlogiston, plus elle est inflammable. A ce titre, le charbon et le dihydrogène contiennent du phlogiston presque pur.
En fait, l’idée de matérialiser la chaleur et notamment le feu n’est pas nouvelle. Aristote, 2 millénaires plus tôt, déclarait avec autorité que toute chose sur terre était composée de quatre éléments: l’eau, la terre, l’air et le feu… Comme quoi, quand un scientifique se trompe quelque part dans le monde, Aristote n’est jamais vraiment loin.

Les détracteurs de la théorie

La théorie phlogistique va séduire de nombreux intellectuels de l’époque. D’ailleurs, lorsqu’en 1774, Joseph Priestley découvre l’oxygène en faisant chauffer de l’oxyde de mercure dans un tube à essai, il le baptise simplement « air déphlogistiqué ».
Pourtant, un détail préoccupe certains membres de la communauté scientifique et notamment un français nommé Antoine Lavoisier. Le chimiste réprouve particulièrement l’observation fruste selon laquelle tout corps perd de la masse en brûlant.
En effet, déjà à l’époque, les métallurgistes savent que certains métaux (comme le plomb) lorsqu’ils sont chauffés à l’air, forment une chaux qui est plus lourde que le métal initial. Le métal ayant pourtant perdu son phlogiston, comment expliquer qu’il s’alourdisse ?
Cette contradiction manifeste ne suffit pourtant pas à mettre à bas la théorie phlogistique qui reste encore la seule à tenter d’expliquer les phénomènes de combustion.
Lavoisier décide alors d’élaborer sa propre théorie et pour cela il va s’appuyer sur les travaux d’un phlogisticien (Joseph Priestley) qui a notamment permis de mettre en évidence l’existence de l’oxygène.
Et le coup de génie de Lavoisier va consister à ne plus voir la combustion comme la perte d’une substance mais, au contraire, comme la création d’un corps par combinaison d’un combustible avec un gaz: l’oxygène.

Si le gain de masse de certains métaux transformés en chaux s’explique alors, la théorie de Lavoisier permet également de justifier la perte de masse du carbone qui, lors de sa combustion, réagit avec l’oxygène pour former un gaz : le dioxyde de carbone.
L’idée de composer et décomposer des éléments comme l’air ou l’eau est absolument inédite, et la théorie de Lavoisier va donner naissance à ce que les historiens appellent: la « Révolution chimique ».

Quand une erreur en remplace une autre

Pourtant, la nouvelle théorie de Lavoisier ne fait pas complètement l’unanimité. Certains lui reprochent entre autre la façon dont il justifie le dégagement de chaleur.
En effet, quand il décrit sa théorie dans son Traité élémentaire de chimie (1787), Lavoisier explique le dégagement de chaleur accompagnant la combustion d’un corps en faisant appel, lui aussi, à une substance magique : « le calorique » (substance issue d’une nouvelle théorie portée par l’écossais Joseph Black).
Souvent considéré comme un ersatz du phlogiston par ses détracteurs, le calorique est décrit comme un fluide de masse presque nulle imprégnant les corps et notamment capable de faire varier le volume d’un objet lors du passage de son état solide à liquide ou liquide à gaz.

La fin de la phlogistique et du calorique

Pour mettre fin à plus d’un siècle de méprise, il faudra compter sur le travail de deux hommes.
Le premier: Benjamin Thompson (à ne pas confondre avec J.J Thomson: prix Nobel de Physique 1906) publie ses travaux en 1804 sous le titre « Mémoire sur la chaleur » avec la ferme intention d’infliger au calorique ce que Lavoisier a précédemment fait au phlogiston. Malheureusement pour lui, l’ouvrage sera décrié par la communauté scientifique qui lui reprochera son manque de rigueur.
Pour l’anecdote, Benjamin Thomson, alias Lord Rumford, faute d’avoir durablement démoli la théorie de Lavoisier, épousera quand même sa veuve en 1805 et, ironie parisienne, une rue perpendiculaire à la rue Lavoisier sera nommée « rue Rumford ». La voie finira par être supprimée en 1854 lors du percement du boulevard Malesherbes.
Le coup de grâce sera finalement porté en 1840 par un brasseur de bière, un autodidacte britannique du nom de James Joule. Joule s’est particulièrement intéressé à la conversion du travail mécanique en chaleur, et ses résultats vont notamment permettre de conclure quant à la vraie nature de la chaleur. Pour la première fois, la chaleur est perçue, au même titre que le travail, comme une forme d’énergie et non un fluide.

Références:
http://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/lavoisier.html
http://histoires-de-sciences.over-blog.fr/article-31362064.html
http://www.larecherche.fr/idees/histoire-science/calorique-ou-erreur-lavoisier-01-12-2013-165001
Remarque:
J’ai trouvé assez amusant, qu’à ce jour, il ne soit pas fait explicitement référence à la théorie du calorique sur la page Wikipedia française d’Antoine Lavoisier. Pourtant, le chimiste y faisait clairement appel dans son traité élémentaire de chimie:

« Nous savons, en général, que tous les corps de la nature sont plongés dans le calorique, qu’ils en sont environnés, pénétrés de toutes parts, et qu’il remplit tous les intervalles que laissent entre elles leurs molécules : que, dans certains cas le calorique se fixe dans les corps, de manière même à constituer leurs parties solides; mais que le plus souvent il en écarte les molécules, il exerce sur elles une force répulsive, et que c’est de son action ou de son accumulation plus ou moins grande que dépend le passage des corps de l’état solide à l’état liquide, de l’état liquide à l’état aériforme. » – Antoine Laurent de Lavoisier, Traité élémentaire de chimie

Petit bêtisier scientifique – Le marteau et la plume [1/7]

Jérôme Malot — Wed, 20 May 2015 08:48:57 +0000

Gaston Bachelard disait que la vérité est presque toujours « une erreur rectifiée » et, modestement, j’adhère… Du moins, je pense que l’erreur, si elle n’est pas toujours nécessaire, s’intègre au moins naturellement au processus de qualification de « l’évident ».
Voilà mon sarcasme nuancé en bloc par anticipation, nous allons donc pouvoir maintenant nous amuser ensemble de ce que l’observation et la déduction scientifique ont pu accoucher de plus saugrenu.
Dans ce petit Best Of (très personnel) des plus ‘belles’ erreurs scientifiques, nous allons voir en 7 parties comment l’apprentissage et la déduction ont pu parfois malmener les plus grands esprits de ce monde.
Une façon ludique de s’intéresser au façonnage de la science à travers l’histoire.

Aujourd’hui, partie 1: Aristote et sa théorie sur la chute des corps.

Le marteau tombe-t-il plus vite que la plume ?

Aristote, c’est un peu le Renaud Lavillenie de la méprise scientifique, il a mis la barre très haut et très tôt. Et si mon cœur avait su mieux flatter ma raison, j’aurais même pu faire un billet uniquement dédié aux boulettes erreurs scientifiques du philosophe tant l’homme a été généreux (génération spontanée, calcul du diamètre de la terre, thèse du géocentrisme,…).
Toutefois, de toutes ses bévues, j’ai choisi de ne garder que sa théorie sur la chute des corps car elle symbolise à mon sens, à elle seule, la rupture entre physique antique et physique moderne.
Dans ses écrits, Aristote explique qu’un corps tombe d’autant plus vite qu’il est lourd, la pomme lourde tombe donc plus vite que la pomme légère…
Et là, vous plongez en plein cœur de la méthode aristotélicienne… car en effet, les objets lourds chutent légèrement plus vite que les corps légers … dans l’air.
« Dans l’air », un détail insignifiant qui aurait pu faire passer la phrase d’Aristote du statut de « loi erronée » à celui « d’observation sommaire indéniable ».
Le procès peut vous paraître sévère, mais il faut bien comprendre que cette faute d’interprétation va nous priver de toute explication sur le mouvement des astres pendant presque 2000 ans…
Et il faudra attendre Galilée pour moucher l’antique philosophe avec une simple expérience de la pensée.

L’expérience de pensée de Galilée

Galilée dit:
Très bien, si un corps lourd chute plus vite qu’un corps léger, faisons l’expérience suivante: attachons à l’aide d’une ficelle une pierre lourde et une pomme légère, que nous dit alors la loi d’Aristote?

Le système {pierre+pomme} est plus lourd que le système {pierre seule}. Notre couple {pierre+pomme} chutera donc plus rapidement que la pierre seule.
Toutefois, nous pouvons également tenir le raisonnement suivant: la pomme, plus légère, chute moins vite que la pierre. Durant la chute de notre système, la ficelle va donc se tendre, et la pomme plus légère ralentira la chute de la pierre par un effet parachute. Notre couple {pierre+pomme} chutera donc plus lentement que la pierre seule.

Et Galilée, par cette simple expérience de la pensée, démontre que la loi d’Aristote mène à des paradoxes insurmontables.
Pour résoudre ce problème, Galilée reprend alors tout de zéro et introduit une nouvelle force: les frottements de l’air.
Le mathématicien italien explique alors que les corps en chute libre sont bien soumis à la gravité mais que cette dernière agit indifféremment sur les corps lourds et légers, il poursuit alors son raisonnement et postule donc que les frottements de l’air ont des effets cinématiques moins importants sur les corps lourds.
Comment justifie-t-il son hypothèse ? (N’oubliez pas, Newton n’est pas encore passé par là et les lois mécaniques n’ont pas encore été formalisées)
Et bien, sa justification est encore une fois une expérience de pensée… il observe que dans l’eau, la différence de vitesse entre les objets lourds et légers en chute libre est plus importante que dans l’air.
En fait, il constate que plus le milieu offre une résistance de frottement importante, plus les objets lourds chutent plus rapidement que les objets légers.
Par un passage à la limite, s’appuyant sur une relative continuité de la nature, Galilée imagine alors que deux corps, quelque soient leurs masses, chutent à la même vitesse dans le vide.
Hypothèse validée expérimentalement après sa mort par son élève Torricelli dans un tube sous vide, puis un peu plus tard sur la lune par David Scott (voir vidéo plus haut).

Naissance de la science moderne

Ce qui va éclore ensuite de cette expérience de pensée dépasse sans doute l’individu… mais à partir de cette époque naît réellement la science moderne.
L’Homme prend alors réellement conscience de son incapacité à extraire une loi physique à partir de la seule observation d’un phénomène.
Dans une lettre à son ami Maurice Solovine, Einstein résumera sa vision de la démarche scientifique moderne dans un petit dessin.

Einstein y explique la démarche empirique moderne comme un raisonnement déductif s’appuyant non sur l’observation mais sur une série d’axiomes très généraux qui, s’ils ne sont pas forcément déduits de l’observation (au sens Newtonien), se doivent toutefois de rester compatibles avec elle.

Références:
Qu’est ce qu’une « expérience de pensée »? – La conversation scientifique par Etienne Klein – France Culture
Discours concernant deux sciences nouvelles – Traduction de Maurice Clavelin
http://www.daniel-huilier.fr/Enseignement/Histoire_Sciences/extraitDiscoursGalilee.pdf

Crédits photo et vidéo:
Vidéo David Scott :
http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/a15/video15.html#closeout3
Dessin Einstein:
http://blogs.scientificamerican.com/