Scala naturæ

Sur l'exactitude de la science moderne et la facilité avec laquelle on la considère aujourd'hui comme vérité naturelle et allant de soi.

Auparavant affligé par le froid, inquiété par les prédateurs, contraint par l'obscurité à se cacher jusqu'au jour, l'homme se met à domestiquer le feu. C'est la première technologie humaine et ses applications sont innombrables.

Commençons au commencement. Au début le monde est tout petit. En l'an -3000 on estime que l'humanité compte entre 20 et 40 millions d'individus ; soit à peine 2 fois plus que la population de la région parisienne actuelle, éparpillée essentiellement au Proche-Orient, en Asie, et modestement en Europe. À l'époque c'est en Anatolie - actuelle Turquie - et en Mésopotamie que les civilisations les plus avancées se forment. Les techniques sont primaires mais on sait développer une agriculture et l'irriguer, travailler le cuir, domestiquer le mouton et le cheval, fondre le cuivre, faire des pots en terre et fermenter de l'alcool. Et puis tout à coup la qualité de vie fait croitre la population, les activités commerciales se diversifient, des sociétés de classe apparaissent et la complexité du commerce et de l'administration des territoires démocratise l'écriture. Avec le progrès social et technique viennent le confort et la richesse.

Alors on perfectionne l'extraction minière du cuivre et de l'étain - et plus tard du fer, plus dur que le cuivre mais plus difficile à fondre - que l'on liquéfie dans des bas fourneaux, pour être refroidis, cinglés, laminés, martelés pour adopter toutes les formes et profiter à tous les métiers de l'époque. On abandonne les houes et araires de bois pour en remplacer les embouts par du bronze ou du fer. Les lames de silex des faucilles sont remplacées par du cuivre aiguisé. Les forgerons conçoivent des haches, des scies et des herminettes pour travailler le bois, des marteaux, des broches et des ciseaux pour tailler la pierre. On garnit les flèches de pointes de bronze, les têtes de lances et les hallebardes acquièrent une solidité inconcevable quelques siècles plus tôt. L'armement du bassin méditerranéen se modernise au rythme des perfectionnements de la fonderie : on conçoit des fourneaux plus chauds qui extraient un métal plus pur de meilleur qualité, on produit des sabres et des glaives tout en métal et on protège les soldats de cottes de mailles.

L'usage du feu est primordial et s'insinue dans tous les aspects du quotidien. L'aristocratie s'habille de colliers, de bagues et de bracelets en or, qui, comme l'argent, est frappé en pièces de monnaie ou fondu en lingots. Le plomb malléable et inoxydable, bien que toxique, est utilisé pour sceller les amphores, façonner des marmites et plus tard les Romains l'utilisent pour confectionner leurs canalisations d'eau dont on garde encore le nom de "plomberie". La céramique fournit des récipients étanches raffinés et les briques d'argile cuite, résistant aux intempéries, sont employées pour les constructions imposantes. On amalgame le sable et la silice qui fournissent, à ceux qui en ont les moyens, des bijoux, des bouteilles et des vases en verre, et démocratise l'émaillage coloré des poteries sans avoir recours à des gemmes précieuses. L'Europe occidentale et l'Afrique intègreront avec des siècles de retard ces transformations à leurs cultures pendant que les Egyptiens, les Syriens et les Hittites approvisionnent le bassin méditerranéen en verre et en fer. Leurs réputations participent à leur propre développement technique et militaire mais font également fleurir leur économie à l'échelle continentale.

La pyrotechnie requiert alors compétence et expérience, on ne l'improvise pas. Son usage est purement pratique, comme un outil naturel mis à la disposition des artisans. Pendant longtemps ce genre de phénomène naturel est vu et décrit comme une force mystique qui dépasse les hommes. Les Amorrites installés au sud du Tigre, héritiers des traditions de Sumer et d'Akkad, développent une mythologie propre à Babylone au 18e avant JC dans laquelle est décrite l'origine du monde - dans le poème Enuma elish - où les dieux sont assimilés à des éléments matériels : la mer, la terre, le ciel et le vent. Trois siècles plus tard en Perse nait la religion mazdéenne dans laquelle quatre éléments sont sacrés : la terre, l'eau, l'air et le feu. On retrouve ces quatre éléments quasiment dans la même période historique dans tout le monde antique naissant, du Japon à la Méditerranée, dans les Pancha Bhoota de l'Hindouisme, la cosmologie chinoise Wuxing, et en Grèce au 5e siècle avant JC dans la "philosophie naturelle" élaborée par le philosophe Empédocle et qui persistera en Europe jusqu'à la Renaissance.

En 1000 ans ces réflexions élémentales quittent graduellement le domaine de la spiritualité pour devenir philosophiques. Platon et Aristote, académiciens athéniens du 5e siècle avant notre ère, tentent de rationaliser le comportement de la nature et postulent les premières théories physiques se basant sur ces quatre éléments fondamentaux. La plus importante de ces théories affirme que toute la matière est constituée de ces quatre éléments uniquement et que ce sont leurs proportions qui déterminent la nature des corps. Ils développent la théorie médicale des humeurs, la psychologie des tempéraments, la chimie des quatre qualités élémentaires ; tous liés les uns aux autres par les éléments. Puisque la nature parait organisée, il semble logique que ses composants le soient également. Si vos poumons sont pris en hiver c'est que l'hiver est une saison de l'eau et que le flegme est lui aussi de l'eau ; si vous êtes colérique, c'est qu'il est trop de feu dans votre sang et qu'il vous faudra faire preuve d'un peu de "sang froid" !

L'ordre naturel des choses prend forme dans les esprits philosophes et Aristote pose les base de la Scala naturæ, une classification de la complexité de la nature avec en haut l'homme et en bas les quatre éléments, eux même hiérarchisés. Reprise en Europe pour les siècles à venir, elle est complétée et diffusée par le Christianisme médiéval (pour qui les sciences naturelles incluent la divinité) en ajoutant au dessus des hommes les anges, puis Dieu tout en haut. C'est la première fois qu'une échelle posant clairement l'homme au dessus de la nature prend autant de place dans la culture et l'instruction.

Échelle des êtres de Charles Bonnet, 1745

Puisqu'on considère la nature comme ordonnée de façon logique et compréhensible, on l'étudie et on consigne les découvertes dans la durée. A peine l'empereur Constantin fonde-t-il sa capitale de l'Empire Byzantin au 4e siècle que les choses s'accélèrent. L'Empire Romain d'Orient est assailli pendant tout le Moyen-Age successivement par les Huns venus d'Asie, les Perses, les Arabes, les Turcs et les croisés envoyés par le Pape jusqu'au 13e siècle.

La technique est mise au profit de la défense de l'Empire, on sait construire des machines de guerre, concocter des corrosifs, exploiter les engrenages et la pneumatique ; on connait déjà les métaux de base mais aussi la mécanique, les alliages métalliques qui ne s'oxydent pas, le mercure, le pétrole, le soufre et certains acides. La suprématie technique s'accompagne d'un avantage militaire incontestable et elle est largement financée. Inspirée des recherches Grecques, et impulsée par le polymathe arabe Jabir ibn Hayyan, la manipulation des éléments devient une discipline à part entière : l'alchimie. Alors grandit l'idée que l'on peut transmuter la matière. On cherche à transformer les éléments pour leur faire remonter la Scala naturæ. Et plus notablement changer des métaux de base en métaux précieux comme l'argent ou l'or.

Héritage des Grecs, les alchimistes pensent que les éléments sont liés à tous les aspects de la nature comme l'astrologie, la biologie, la divinité ou la santé - d'où l'idée de créer une pierre philosophale offrant l'immortalité - et on cherche ardemment à percer les secrets de l'un, donnant accès aux autres, avec une approche souvent mystique voire ésotérique. Les sciences de la nature sont considérés comme secrets et sont réservés aux initiés.

L'une des applications les plus fameuses de l'époque provient de Callinicus, un architecte Syrien expatrié à Alexandrie, qui invente le feu grégeois : un sinistre mélange inflammable qui procure un avantage militaire écrasant à son détenteur. Lancé depuis la proue des dromons de la flotte byzantine, le feu grégeois enflamme tout ce qu'il touche jusqu'à consumation complète, et particulièrement les navires ennemis. Il s'étale rapidement sur les ponts, ronge les cordages, colle aux mâts et aux voiles ; il est impossible de l'éteindre avec de l'eau ou du sable. Pire encore, plongé dans l'eau il réapparait à la surface et s'agrippe aux coques et aux rames. La terreur qu'il inspire est telle que les soldats en armure préfèrent se jeter à la mer plutôt que d'affronter les flammes, et vaudra de nombreuses et cruciales victoires à l'Empire Byzantin. Sa composition est si jalousement gardée qu'aucun ennemi n'a jamais mis la main sur sa recette, et seuls le drongaire - commandant de la flotte impériale - et le Basileus - l'empereur byzantin - en connaissent la teneur. Ce secret alchimique mourra en 1453 avec la chute de l'empire.

L'alchimie fascine encore jusqu'au 17e siècle ; Isaac Newton y consacrera d'ailleurs la moitié de sa vie. Paradoxalement, durant tout le Moyen-Age, elle se développe peu. Les empires du Proche-Orient s'effondrent alors que l'Europe s'enlise dans des guerres à répétition et végète dans l'obscurantisme religieux. L'alchimie et la recherche proto-scientifique souffrent particulièrement de la philosophie chrétienne de l'Europe occidentale, la scolastique, qui les présente comme une hérésie. Pendant cette période les clercs essayent de concilier, avec plus ou moins de succès, la philosophie grecque et la théologie chrétienne. En France la scolastique perdure du 10e au 18e siècle (!), où l'on interdit les textes philosophiques grecs et arabo-musulmans même dans les universités.

Les choses changent progressivement lorsque le mathématicien français René Descartes invite dans ses écrits en 1637 à aborder la recherche scientifique avec méthode, rigueur et expérimentation plutôt que par spéculation, philosophie et théologie. Il préconise une compréhension rationnelle du monde. Pour l'époque ce changement est très subversif, il sous entend que la réflexion humaine peut expliquer le monde au détriment d'une parole divine.

En 1661 le physicien irlandais Robert Boyle publie son ouvrage "Le Chimiste sceptique" où il nie la croyance que toute matière est un produit des quatre éléments, et théorise que la matière pourrait être constituée de particules microscopiques d'éléments "primitifs" qu'on ne connaitrait même pas encore à l'époque (bien que la théorie atomiste soit spéculée par les grecs depuis l'antiquité). C'est la première fois qu'on remet aussi sérieusement en question des théories millénaires - mais encore amplement admises par les savants de l'époque - en se basant sur la méthode scientifique cartésienne et déductive, ne reposant que sur axiomes démontrés de la même manière. Les scientifiques rejettent le mysticisme et la superstition, remplaçant la croyance par le savoir, c'est à dire en remplaçant la vérité provenant d'un message divin par la vérité provenant des hommes.

En 1666, Jean-Baptiste Colbert, alors ministre et contrôleur général des finances de Louis XIV, est inspiré par les exemples italien et anglais et souhaite institutionnaliser la science. Il investit copieusement dans le développement de la recherche scientifique française en fondant notamment l'Académie royale des sciences et l'Observatoire de Paris. Ces institutions regroupent les astronomes, mathématiciens, physiciens, anatomistes, botanistes, minéralogistes, zoologistes et chimistes les plus influents du pays. L'objectif royal est double : contribuer au progrès de la science et promouvoir l'enseignement scientifique.

L'Académie des sciences publie de nombreux ouvrages, mémoires, rapports, lettres et manuscrits, et conserve depuis sa création les procès-verbaux des séances qui y sont tenues (encore consultables dans les Archives de l'Académie). 30 ans plus tard son influence est telle que le roi place l'Académie sous sa protection et la fait siéger au Louvre. L'institution royale connait son âge d'or en entrant dans le siècle des Lumières qui promeut le raisonnement intellectuel comme arme de compréhension. On bannit l'obscurantisme et l'arbitraire pour imaginer que la logique humaine est sans limite. Que plus le savoir sera accessible et diffusé plus la société en profitera.

Établissement de l'Académie des sciences et fondation de l'Observatoire de Henri Testelin, 1666

Dans ce cadre de renouveau scientifique on se représente aisément une explication pour chaque phénomène. L'étude du feu - en particulier de la chaleur et de la combustion - prend de plus en plus de place dans la recherche. En 1697 le chimiste allemand Georg Ernst Stahl émet la théorie chimique du phlogistique décrivant la chaleur comme un fluide, un "élément feu", appelé phlogiston, présent dans tout corps inflammable. Bruler un élément combustible dégage du phlogiston qui se transmet à l'air. Le charbon, le soufre et l'huile sont constitués quasiment uniquement de phlogistique, alors que l'eau ne peut s'y mélanger.

Bien qu'on ne saisisse pas encore tous les détails du fonctionnement du feu, c'est dans le même temps que les mécaniciens anglais conçoivent les premières machines à vapeur : il suffit d'avoir du feu, du combustible (généralement du charbon) et de l'eau pour profiter d'une force mécanique phénoménal qui déplace des navires de 500 tonnes et tracte des trains de marchandises et de passagers dès la seconde moitié du 19e siècle.

On innove par itérations et expérimentations. Ne pas comprendre exactement "pourquoi" quelque chose fonctionne n'empêche pas le progrès, mais saisir la réalité physique est promesse de maitrise, de développement économique et de bien-être pour l'humanité, en plus de pourvoir à la curiosité des physiciens. Le phlogistique est considéré comme la théorie de référence expliquant les phénomènes thermiques pendant près d'un siècle. Elle sera même présentée comme état de l'art dans l'Encyclopédie de Diderot de 1751 dans l'article Chimie.

Les théories naissent et meurent plus rapidement que jamais auparavant. La recherche devient de plus en plus pragmatique. Si une théorie explique des phénomènes plus précisément que les autres, avec le moins d'exceptions ou d'ambiguïtés, alors elle devient référence. Dans les années 1770 on se met à séparer les notions de chaleur et de combustion. La chaleur est physique et régit la température de la matière, la combustion est chimique et régit sa composition. La théorie du calorique, par le chimiste écossais Joseph Black, propose que la chaleur est un fluide - ou un gaz - sans masse, capable de pénétrer les solides et les liquides, le "calorique", et s'écoulant des corps chauds vers les corps froids. A la différence du phlogistique, la chaleur est un "élément" à part entière qui se déplace dans la matière, ce n'est plus la matière qui renferme son propre feu.

Cette approche est rapidement adoptée par le chimiste et économiste français Antoine Lavoisier. Après avoir intégré l'Académie des sciences à 24 ans en 1768, et alors que ses contemporains sont toujours convaincus que la matière est fondamentalement composée des quatre éléments de base, il s'attaque à cette théorie. Il met en évidence l'existence des molécules et découvre l'azote et l'oxygène. Lors d'une remarquable expérience il fait réagir de l'oxygène avec de l'hydrogène pour former de l'eau, prouvant qu'on peut "produire" de l'eau à partir "d'air" ! Donc que ni l'eau ni l'air ne sont deux éléments de base, mais des composés d'atomes, anéantissant deux mille cinq cent ans de croyance scientifique (ou philosophiques).

Dès lors on s'attaque copieusement à démêler, parmi les éléments que l'on connait, lesquels sont "simples", purs, de ceux qui sont des composés. Lavoisier publie de nombreux ouvrages et notamment Méthode de nomenclature chimique (1787) la première classification méthodique des éléments qui servira de base aux travaux de Mendeleïev pour établir son tableau périodique des éléments en 1870 - encore utilisé aujourd'hui - ainsi que Traité élémentaire de chimie (1789) qui unifie les nouvelles théories de la chimie et présente la loi de la conservation de la masse, fameuse pour sa citation apocryphe "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". On remarque que dans cet ouvrage la lumière et la chaleur sont encore considérées comme des éléments chimiques à part entière.

Tableau des substances simples, Traité élémentaire de chimie de Lavoisier, 1789

Parce qu'il est économiste au service de la couronne, Lavoisier est guillotiné en 1794 pendant la Révolution. C'est une période terrible pour bon nombre de penseurs réputés soutenus par le roi. La Convention nationale - régime politique en vigueur durant la Révolution - dissout l'Académie des sciences et fait de même avec beaucoup d'institutions royales. Elle entend participer à la recherche scientifique à sa manière et fonde en quelques mois seulement le Conservatoire national des arts et métiers, l'École normale supérieure et l'École polytechnique pour instruire et inspirer les futures générations.

Le flambeau de la recherche calorique sera repris au 19e siècle quand le polytechnicien français Sadi Carnot publie à 27 ans son unique oeuvre scientifique dans lequel il décrit des méthodes mathématiques d'amélioration l'efficacité des moteurs à vapeur. Il amorce la thermodynamique moderne, c'est le début de la compréhension algébrique des échanges de chaleur et de la physique statistique.

Au cours du siècle on théorise massivement sur ces principes et on établit une nouvelle nature de la chaleur : la chaleur, c'est de l'énergie ! Sa manifestation physique la plus coutumière est l'énergie thermique d'un corps. Ses molécules et ses atomes s'agitent au niveau microscopique et l'excitation d'une particule se transfert aux particules voisines quand elles entrent en collision. Ces éclatantes découvertes permettent une maitrise calculée des échanges thermiques et donnent naissance au moteur à essence pour l'automobile, au moteur à réaction pour l'aviation, et engendrent les pompes à chaleur qui extraient l'énergie thermique d'un espace pour le refroidir et s'avèreront bien utiles pour la réfrigération et la climatisation.

La chimie de la combustion et la physique de la chaleur, d'abord interprétées comme le même phénomène dans l'antiquité, puis séparées à la Renaissance, retrouvent un socle commun au 20e siècle avec la physique des atomes. À l’échelle microscopique des atomes les lois de la physique classique ne fonctionnent plus et on conçoit une nouvelle théorie pour décrire ces phénomènes. Une théorie mathématique calculée à la main par une infinité de formules, et bientôt par des machines. La mécanique quantique, largement portée par Albert Einstein dans ses travaux de 1905 est approfondie par la communauté scientifique jusqu'à aujourd'hui, et sa maitrise nous échappe encore beaucoup.

Qui sait ce que l'on considèrera comme réalité de la nature dans 100 ans ? D'abord révélée puis découverte. Déduite puis calculée. Pourra-t-on prétendre un jour la comprendre tout à fait ou s'agira-t-il forcément d'un nouvel effet de mode fugitif ?

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