Les mesures électrostatiques de Coulomb

Pouvons-nous encore attribuer au prestigieux Coulomb la démonstration de la loi qui porte son nom ? Ou est-ce sa renommé et le contexte du XVIIIe siècle, qui a permit à l’histoire de retenir sa victoire?

Une démonstration glorieuse

En juin 1785, Charles-Augustin de Coulomb annonce à l’Académie des sciences avoir construit un instrument de mesure hautement sensible, capable de détecter les forces électrostatiques avec une précision jusqu’alors inégalée.

Coulomb affirme alors avoir démontré, grâce à ses mesures, que la force de répulsion entre deux charges électriques est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. À côté d’une autre expérience, présentée en 1787, celle-ci, conduisit à nommer l’équation fondamentale de l’électrostatique « loi de Coulomb » en son hommage. La balance de Coulomb lui permit de mesurer l’angle de torsion afin de déterminer de faibles intensités de forces électrostatiques qui égalent le couple de torsion d’un fil vertical à l’équilibre. Cet instrument expérimental, une balance à torsion, est sans doute un des instruments historiques de la physique à être le mieux connu et a été reproduit en grand nombre. (Martinez, 2006)

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Des résultats de mesure prédits

À la fin du XVIIIe siècle, des scientifiques tels que Joseph Priestly et Henry Cavendish avaient déjà avancé que l’attraction et la répulsion électromagnétique pouvaient être décrites selon une loi mathématique de proportionnalité en 1/r2. (Martinez, 2006) Or, les contemporains de Coulomb, qui utilisaient d’autres instruments de mesure, telles que des balances à plateaux, obtenaient des résultats qui n’étaient « ni homogènes ni simples » (Kuhn, 1962, 60) et qui donnaient « plutôt des résultats en 1/r », c.-à-d. de proportionnalité inverse à la distance entre les charges. (Pestre, 2006)

Cette recherche de lois mathématiques analogues à celle de la force de gravité qui s’exerce entre deux corps massiques, formulée par Isaac Newton, est marquée par le contexte historique du développement de la physique à cette époque. La physique de la fin du XVIIIe et du début du XIXe siècle est influencée par l’extension de la mécanique des Principia Mathematica à de nouvelles applications. Cette période voit la mécanique classique se fonder davantage sur le calcul analytique, notamment sous l’impulsion du Traité de Mécanique céleste de Pierre-Simon de Laplace.

Prouver l’honnêteté des mesures historiques ?

Les résultats expérimentaux de Coulomb constituent une controverse de l’histoire de l’électricité. Le raisonnement de la démonstration invoque uniquement quelques mesures, qui suffisent néanmoins à convaincre l’Académie des sciences. La démonstration de ce qui sera retenu comme la loi de Coulomb, peut-elle encore être attribuée à Coulomb face à la lumière de la science actuelle ?

Si aujourd’hui, nous pouvons accepter que Coulomb a trouvé le bon résultat, soit celui en 1/r2, c’est d’une part grâce aux reproductions de l’expérience de Coulomb. (Heering, 1992; Martinez, 2006) Or, compte tenue des difficultés expérimentales auxquelles à du faire face Peter Heering, en manipulant une réplique de la balance de Coulomb, et de la divergence des résultats qu’il obtient par rapport à ceux présentés au XVIIIe siècle, il faudrait attribuer à Charles-Augustin de Coloumb une capacité de manipulation ou un savoir-faire extraordinaire. Ces qualités que nous sommes amenés à lui attribuer dans ce cas sont encore plus exceptionnelles, si nous les comparons à celles de ses contemporains, qui n’obtinrent pas le même résultat. Mais, il faut néanmoins garder à l’esprit que ceux-ci utilisaient d’autres types d’instruments.

D’autre part, il faut accentuer l’influence du contexte social et historique sur la démonstration de cette loi. En effet, les mesures de Coulomb étaient fortement vivement guidées par de fortes présuppositions théoriques, qui prévalaient à cette époque. C’est notamment grâce à ce cadre théorique et aux travaux antérieurs de Coulomb sur la torsion d’un fil, que la conception de l’appareil de mesure a été possible. Les mesures de Coulomb figurent en tant qu’exemple de ce que Thomas Kuhn appelle des « problèmes de la recherche normale », dans la Structure des révolutions scientifiques. Ce problème, correspond en particulier, à un « problème normal » visant à élaborer, préciser ou corroborer un paradigme accepté par la communauté scientifique. Dans de tels épisodes de « science normale », les résultats expérimentaux sont attendus par les scientifiques.

Le contexte des présomptions

Même si les résultats obéissant à une loi de carré inverse n’étaient pas nécessaires, ils furent néanmoins établis avec une lourde charge théorique, c.-à-d. en ayant recours à des présupposions. Pour Kuhn, c’est la référence à un paradigme, qui permet de réduire « la gamme des résultats » que les scientifiques sont « prêts à admettre », comme des lois simplement inverse ou de cube inverse, dans le cas de cette controverse. (Kuhn, 1962) La construction de la balance de Coulomb et sa manipulation tout comme la présomption des résultats se référent au cadre théorique acceptée à l’époque.

Peut-on, face à l’évidence d’une telle influence d’un cadre de présuppositions, aller plus loin et rejoindre Dominique Pestre, qui affirme alors « que Coulomb ne pouvait publier qu’un tel résultat […] puisque lui seul faisait sens pour le laplacien qu’il était » ?
Nous le rejoignons pour affirmer qu’il faut rester « prudent » dans l’analyse de telles controverses, que donner raison à une figure comme Coulomb a des implications et des enjeux forts, notamment en ce qui concerne le prestige de l’Académie et « la grandeur de la science ». Nous le rejoignons aussi sur l’importance de « comprendre la complexité des actes impliqués dans cette expérience […] » et « de mieux décrire ce qui a conduit Coulomb à conclure, en toute honnêteté, qu’il établissait une « loi » en 1/r2. » (Pestre, 2006)

Un travail de reconstruction robuste

Une nouvelle reproduction de l’expérience de Coulomb réalisée par Alberto Martinez, plus d’une décennie après celle de Peter Heering, nous semble tenir compte de cette complexité pratique ainsi que des « savoirs-faire tacites », pour emprunter l’expression introduite par Michael Polanyi. Les conclusions de Martinez, dans le cadre de cette controverse, sont largement corroborés de considérations historiques, telles que les critiques de James Clerk Maxwell et les développements de Siméon Denis Poisson. À la différence de Coulomb, qui invoquait uniquement trois paires de mesures, Alberto Martinez se réfère à des plages entières de données, qui montrent que les mesures de Coulomb « sont pas du tout improbables [ou] inhabituelles », mais « presque certainement typiques [et] représentatives ».

Contrairement à Heering, qui conclut hâtivement que « Coulomb n’obtint pas les données publiées dans son mémoire par la mesure », (Heering, 1992) Martinez voit dans le rapport de Coulomb « une description précise du dispositif, des procédures et des résultats de ces recherches expérimentales » et non une réthorique brodée d’idéalisme, utilisée par un illustre savant. (Martinez, 2006) Or l’étude historique de cette controverse, jugée par l’expérimentation sur des répliques, permet d’affirmer qu’il y a bien un écart entre la simplicité de la narration élégante de Coulomb et les difficultés rencontrées lors des reproductions de l’expérience.

Au défaut de pouvoir en conclure des généralités, il faut néanmoins se garder de se référer à l’histoire avec une confiance aveugle et se rappeler que le triomphe peut être attribué pour de mauvaises raisons.

Bibliographie

Christine Blondel & Matthias Dörries (eds.), 1994, Restaging Coulomb, Usages, Controverses et Réplications autour de la Balance de Torsion, Biblioteca di Nuncius, XV, Firenze, Leo S. Olschki

Peter Heering, 1992, On Coulomb’s inverse square law, American Journal of Physics 60, 988 https://doi.org/10.1119/1.17002

Thomas S. Kuhn, 1962, The Structure of Scientific Revolutions, Chicago, University of Chicago Press, traduction française de la nouvelle édition de 1970 par L. Meyer, La structure des Révolutions Scientifiques, Paris, Flammarion, 1983

Alberto A. Martínez, 2006, Replication of Coulomb’s Torsion Balance Experiment, Arch. Hist. Exact Sci., 60, 517-563 https://doi.org/10.1007/s00407-006-0113-9

Dominique Pestre, 2006, II. Relativisme et épistémologie : contre les faux débats, Dominique Pestre (éd.), Introduction aux Science Studies, Paris, La Découverte, 29-42

Sources des images

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Charles_de_Coulomb.png

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bcoulomb.png

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