L’Académie des sciences consacre une série de podcasts, en partenariat avec Canal Académies, à Blaise Pascal. Au micro, Étienne Ghys, l’un de ses deux secrétaires perpétuels. Cortex Média a retranscrit ces échanges, à lire ci-dessous.
Pendant près de deux mille ans, l’idée selon laquelle « la nature a horreur du vide » s’impose dans la pensée savante. Au XVIIe siècle, les expériences de Pascal contribuent à bouleverser cette conception.
Avec le physicien Édouard Brézin, Étienne Ghys retrace l’histoire du vide, de Démocrite et Aristote jusqu’aux expériences sur la pression atmosphérique qui conduisent Pascal à remettre en cause une idée héritée de l’Antiquité.
Étienne Ghys : Édouard, tu es physicien théoricien, ancien président de l’Académie des sciences. J’aimerais qu’on parle de Pascal, et en particulier de Pascal et le vide. Une grande histoire, très longue, passionnante.
Édouard Brézin : On dit quelquefois — et je dois dire que ça se perd — « comme le disait Pascal, la nature a horreur du vide ». Or Pascal a explicitement montré le contraire. Il a montré qu’un certain nombre d’effets qu’on attribuait depuis deux mille ans à l’horreur du vide n’avaient rien à voir avec elle : ils étaient dus à la pesanteur de l’air. Il faut donc commencer l’histoire deux mille ans avant Pascal, à Athènes, où Démocrite est l’un des premiers à se demander de quoi est faite la matière. Est-elle indéfiniment divisible, comme un segment mathématique ? Il pose la question de l’atome, c’est-à-dire du grain non divisible — « atome » veut dire non divisible. Ce qui implique qu’entre les grains, il n’y a rien : il y a du vide. Un jeune homme de la génération suivante, Aristote, a horreur de ce concept. Aristote voit dans la matière un continuum, certainement pas du vide. Pendant deux mille ans, on va répéter que la nature a horreur du vide. Et comme Aristote est vénéré au Moyen Âge à l’égal d’un dieu, ça ne va pas s’arrêter.
Étienne Ghys : J’ai l’impression qu’on dit beaucoup de mal d’Aristote, mais c’est quand même un grand monsieur.
Édouard Brézin : C’est un très grand monsieur, sans aucun doute.
Le soufflet et la bouteille
Édouard Brézin : Si on regarde le magnifique ouvrage de Pascal, le Traité de l’équilibre des liqueurs — on dirait aujourd’hui l’hydrostatique — et celui sur la pesanteur de l’air, la première section s’intitule « Récit des effets qu’on attribue à l’horreur du vide ».
Le premier exemple qu’il prend, c’est le soufflet, l’instrument qui permet d’attiser le feu dans une cheminée. Pascal dit : si on bouche l’orifice par lequel il souffle l’air, et qu’on essaie d’ouvrir le soufflet, on n’y arrive pas. Il faut forcer énormément, et s’il est grand, on n’y arrive pas du tout. Cela prouverait que la nature ne veut pas qu’on crée un vide dans le ventre du soufflet. Deuxième exemple : on prend une petite bouteille à goulot étroit qu’on remplit, on bouche le goulot avec le pouce, on la renverse dans une bassine — et l’on constate que l’eau ne descend pas. Ce qui prouverait, là encore, que la nature ne veut pas de vide : si l’eau descendait, il y en aurait. Il y a plein d’autres exemples dans Pascal, magnifiquement expliqués, parce qu’il écrit dans un style merveilleux — et il ne fait référence qu’à de véritables expériences qu’il a faites, et qu’on peut refaire.
Édouard Brézin : La suite de cette histoire passe par Florence. Dans les années 1640, les fontainiers de la ville, qui font remonter l’eau de l’Arno dans les fontaines, n’arrivent pas à la faire jaillir à plus de trente-deux pieds — environ dix mètres. Ils sont très étonnés. Ils recommencent de nombreuses fois. Ils vont voir le grand maître Galilée, alors en résidence surveillée à Florence. Galilée leur dit : je ne sais pas, allez voir un jeune homme dont j’ai lu les écrits, il s’appelle Torricelli. Torricelli leur demande un peu de temps pour réfléchir. Il est le premier à se dire : que se passerait-il si, au lieu de prendre de l’eau, je prenais un autre liquide ? Et il prend le liquide le plus lourd dont on dispose : le mercure.
Étienne Ghys : Comment faisait-il pour avoir à disposition de grandes quantités de mercure ? Je me suis posé la question. Aujourd’hui, on interdirait à un professeur de physique de faire ça en cours.
Édouard Brézin : Il en a eu en grande quantité, c’est visible. Torricelli prend un tube d’un mètre de long environ, il le remplit de mercure, il le bouche avec son pouce et le plonge verticalement dans un bain de mercure. Stupéfaction : le mercure descend — puis s’arrête. D’abord, il vient de réaliser pour la première fois un vide au sommet du tube. Et d’autre part : pourquoi descend-il ?
Étienne Ghys : Il a inventé le baromètre.
Édouard Brézin : C’est le baromètre de Torricelli. D’ailleurs, pendant longtemps, l’unité qui désignait le millimètre de mercure s’appelait le torr, du nom de Torricelli. Pascal, très peu d’années après, entend parler de l’expérience « d’un Italien », dit-il — c’est bien Torricelli.
Étienne Ghys : Torricelli constate, mais ne propose aucune explication.
Édouard Brézin : Il a probablement cette vision de la pression atmosphérique, mais pas très formulée. Je crois qu’il faut vraiment attendre Pascal pour qu’il soit explicitement formulé que c’est la pression de l’air qui fabrique tous ces effets attribués à l’horreur du vide. Pour justifier son point de vue, Pascal commence par refaire l’expérience de Torricelli, puis il l’essaie au sommet de la tour Saint-Jacques à Paris. Mais ce n’est pas très concluant.
Étienne Ghys : Ce que je trouve intéressant, c’est qu’au lieu de l’eau, il mettait du vin.
Édouard Brézin : Ah, ce détail-là, je ne l’avais pas vu. Il est très proche de sa sœur, qui habite Clermont-Ferrand. Son beau-frère, Périer, prend le tube — ce n’est pas très facile de monter un tube et un bac de mercure — et note soigneusement ce qui se passe, d’abord au centre de Clermont-Ferrand, puis étape par étape jusqu’au sommet du puy de Dôme. Et comme Pascal l’avait prédit, on voit bien que le mercure descend cette fois de plusieurs centimètres au-dessous des soixante-seize centimètres observés au niveau de la mer. Pour Pascal, cela prouve que c’est bien la pesanteur de l’air. Et la section suivante de son livre, qui est merveilleuse, s’appelle : « Que la pesanteur de la masse de l’air produit tous les effets qu’on a attribués à l’horreur du vide ».
Étienne Ghys : Ce qui est intéressant, c’est qu’il n’en conclut pas que le vide n’existe pas.
Édouard Brézin : Absolument pas. Le soufflet, bien évidemment, on ne peut pas l’ouvrir — parce que c’est la pression qui s’exerce dessus. Il a plein d’exemples de cette nature. Il y en a même d’amusants : il explique que lorsque le nourrisson tète sa mère, la pression de l’air est moins forte là où il a mis sa bouche, et que c’est la pression de l’air qui fait remonter le lait. Je crois qu’on peut dire que ça met fin à deux mille ans de méprise sur beaucoup de phénomènes de la nature.
Étienne Ghys : Il a une grande prudence dans la description de ses expériences. En particulier, il ne dit pas qu’au-dessus du mercure c’est le vide — il dit qu’on n’y voit rien de ce qu’on appellerait d’habitude de la matière. Et d’ailleurs, il y a ce qu’on appelle aujourd’hui la pression de vapeur saturante, qui fait qu’en réalité il y a quelque chose.
Édouard Brézin : Bien sûr. Je ne sais pas très bien quelle est la pression de vapeur saturante du mercure, mais il y a exactement quelque chose. Ce que j’admire chez Pascal, c’est que c’est un véritable expérimentateur. C’est magnifiquement écrit, mais chacune de ses affirmations repose sur des expériences explicites, qu’on peut conduire ou qu’il a conduites lui-même.
Étienne Ghys : Il se paie aussi le petit plaisir de dire un peu de mal de son concurrent Descartes.
Édouard Brézin : Descartes est très différent : il est beaucoup plus dogmatique. Il va inventer en physique et en mathématiques des choses absolument essentielles. Néanmoins, il a sur la matière une vision assez surprenante. Galilée est le premier à avoir compris que force implique changement de vitesse — ce que visiblement Descartes n’a pas réellement compris. Cela dit, je ne suis pas historien des sciences. Il y a même une dispute entre Descartes et Pascal : certains attribuent à Descartes l’idée que l’expérience de Torricelli en altitude donnerait ce qu’a observé le beau-frère de Pascal, parce qu’il en avait émis l’idée.
Étienne Ghys : Pascal a-t-il imaginé que la variation de la hauteur du mercure avait un sens météorologique ? A-t-il compris que quand la pression est faible, il pleuvra peut-être demain ?
Édouard Brézin : C’est une bonne question. Je ne me la suis pas posée et je ne l’ai pas lu dans Pascal. Il est clair qu’il comprend la pression atmosphérique, donc il a dû se poser des questions sur les tempêtes, les orages. C’était assez naturel. Mais je ne l’ai pas vu l’écrire.
Étienne Ghys : Pour terminer avec Pascal : il y a un paragraphe où il calcule le poids total de l’atmosphère, sans aucune erreur. C’est incroyable.
Édouard Brézin : Immédiatement après, il y a cet épisode connu du bourgmestre de Magdebourg, qui s’enflamme pour cette découverte.
Il prend une sphère métallique coupée en deux hémisphères qui s’accolent bien et se séparent très aisément à la main. Dans l’un des hémisphères, il accroche un tube avec une valve ; il accole les deux, il pompe l’air qui est dedans. Puis, à chacun des hémisphères, il fixe un crochet et l’on attelle huit chevaux de chaque côté.
On ne convoquait pas la presse à l’époque, mais je crois que l’empereur lui-même fut spectateur de cette expérience incroyable, où deux attelages essaient de séparer une sphère qu’on séparait à la main. Sans y arriver, bien sûr. Pour une sphère d’environ quarante centimètres de diamètre, un petit calcul montre que la force nécessaire est de l’ordre de celle qu’il faudrait pour soulever vingt tonnes.
Étienne Ghys : Ça montre une chose, et je crois que tu seras d’accord : pour que la science passe dans la population, il faut la montrer. Y compris avec des choses visuelles, peut-être exagérées, peut-être caricaturales. Je pense que Pascal aurait trouvé ça tout à fait normal.
Édouard Brézin : C’est vrai que ce bourgmestre, je crois, avait inventé une pompe — et c’était pour montrer l’effet de sa pompe. Mais en réalité, ce qu’il démontrait, c’était le vide.
Étienne Ghys : Pour être plus personnel : je me souviens très bien d’où j’ai appris tout ça. Dans l’encyclopédie Tout l’univers. Je vois encore, dans ma mémoire, les attelages de chevaux qui tentent de séparer les sphères.
Édouard Brézin : J’ai passé beaucoup de temps dans ma jeunesse avec le Larousse universel en deux volumes qu’avaient mes parents.
La suite de cette histoire, de Pascal jusqu’au XXIe siècle, est à lire dans le second volet : « L’histoire du vide, de Pascal à Einstein ».
