La soi-disant horreur du vide, de Démocrite et Aristote jusqu’à Pascal

C’est en 2023 que fut célébré le quatre-centième anniversaire de la naissance de Blaise Pascal, cet homme qui a tant marqué les mathématiques, la physique, la philosophie, l’histoire religieuse et fut un grand écrivain en langue française. Théoricien aussi bien qu’expérimentateur, mathématicien hors pair, créateur du calcul des probabilités, physicien créatif et attentif à la méthode expérimentale, philosophe profond, mais aussi homme pratique qui construisit de ses mains les premières machines arithmétiques mécaniques, les « Pascalines » qu’il ne cessa de perfectionner jusqu’à en produire 32 modèles, inventeur du premier système de transport en commun « les carrosses à cinq sols », il fut certainement l’un des génies les plus universels de l’histoire.

De Démocrite et Aristote jusqu’à Pascal

Plusieurs années de recherches expérimentales et d’intenses réflexions ont conduit Blaise Pascal aux Traités de l’équilibre des liqueurs et de la pesanteur de la masse de l’air parus en 1654 [1]. Dans les chapitres intitulés Traité de la pesanteur de la masse de l’air, il démontra que cette pesanteur produit tous les effets qu’on a jusqu’ici attribués à l’horreur du vide.

C’était la résolution de deux millénaires de controverses sur l’éventualité de l’existence du vide, c’est-à-dire d’une portion de l’espace ne renfermant aucune matière.

Il faut en effet remonter à l’antiquité grecque lorsque le philosophe et scientifique (la distinction n’existait pas) Démocrite d’Abdère (460 -370 av. JC) s’interrogeait sur un atomisme éventuel : la matière serait-elle indéfiniment divisible ou bien aurait-elle une structure microscopique granulaire ultime, les atomes ? Cette constitution élémentaire impliquerait que du vide sépare ces grains ultimes.

Ces interrogations furent connues de l’Académie, l’école de philosophie qu’avait fondé Platon à Athènes en 387. L’un de ses membres les plus talentueux était le jeune Aristote qui opposa à l’hypothèse de Démocrite diverses objections. C’est ainsi qu’il examinait pour les comparer la chute d’un corps dans l’air, bien plus rapide que dans l’eau, et il en déduisait que dans un vide parfait elle deviendrait instantanée, impossibilité manifeste. De plus, sa vision de la matière faisait des quatre éléments Terre, Eau, Air, Feu, les seuls constituants de tout être vivant ou inanimé, et le vide n’avait pas sa place dans cette description. Certes, il faudra attendre plus de deux millénaires pour que l’expérience soit à même de confronter ces deux visions de la matière, mais on ne peut qu’admirer les débats qui animèrent longtemps le monde des penseurs grecs, divisé entre atomistes et aristotéliciens. Si nous savons aujourd’hui que l’intuition de Démocrite correspondait bien à la réalité, les interrogations étaient légitimes. Mais l’autorité d’Aristote, en particulier l’influence de sa pensée sur le monde chrétien, l’emporta, et on ne cessa de répéter à sa suite que la nature avait horreur du vide, l’horror vacui disaient les médiévistes.

Il fallut attendre le 17e siècle avec Torricelli et Pascal pour que cette horreur supposée soit soumise à l’épreuve de la méthode scientifique. L’histoire se poursuivit ainsi à Florence où les fontainiers, qui s’évertuaient à faire remonter l’eau de l’Arno dans des tubes que l’on pompait pour en retirer l’air, ne réussissaient jamais à la faire jaillir à plus de 32 pieds (environ 10 mètres). Intrigués ils consultèrent Galilée, le vieux maître en résidence surveillée dans sa villa de Florence (qui était également l’inventeur d’une pompe à eau). Celui-ci les orienta vers le jeune Evangelista Torricelli (1608-1647) qui leur promit une réponse en moins d’un an. C’est donc en 1643 que, réfléchissant à la question, il eut l’idée de faire la même expérience avec un liquide plus lourd que l’eau. Il entreprit alors d’expérimenter avec le vif-argent, c’est-à-dire le mercure, dont la masse spécifique est 13,6 fois supérieure à celle de l’eau. Il fit construire un tube à essai en verre d’environ un mètre de long (il avait sans doute calculé que cette longueur était suffisante en regard des 32 pieds d’eau des fontainiers), le remplit de mercure, le boucha du doigt et le plongea verticalement dans un bac de mercure. Lorsqu’il retira son doigt il vit le mercure descendre dans le tube, mais cette descente s’arrêta lorsque la colonne de mercure n’eut plus qu’une hauteur d’environ 76 cm. Il avait donc créé dans la partie supérieure du tube abandonnée par le mercure, un espace dépourvu de toute matière, le premier vide de l’histoire¹.

Fig. 1 : Torricelli inventant le baromètre à mercure.

Le tout jeune Pascal, il a 20 ans, informé de cette expérience, multiplia les dispositifs destinés à démontrer l’existence du vide. Il en rendit compte dans un premier livret intitulé Expériences nouvelles touchant le vide qui se heurta évidemment à des objections vives, telles celles du père Étienne Noël, jésuite féru de science, qui soutint que lorsque le mercure descendait, une substance (ignée peut-être si l’on se réfère à Aristote) s’échappait du verre pour prendre sa place, que la lumière ne saurait traverser un espace vide, etc. Pascal procéda alors à diverses expériences pour justifier son point de vue. C’est ainsi qu’il reprit le tube de Torricelli, plongeant le tube plein dans un cristallisoir empli de mercure surmonté cette fois d’un volume d’eau. Lorsque le bas du tube était ouvert au niveau de mercure, celui descendait dans la colonne laissant un vide au-dessus de 76 cm. Mais lorsqu’il remontait ensuite le tube et que son ouverture inférieure atteignait l’eau, il constatait que l’eau pénétrait dans le tube, se mélangeait au mercure jusqu’à occuper toute la partie supérieure, sans aucun empêchement, sans qu’aucune substance “échappée du verre” y fasse obstacle.

La réponse de Pascal au père Noël [2] est un texte magnifique dans lequel il explicite les fondements de la méthode scientifique. C’est ainsi qu’il reprend la pitoyable définition de la lumière que lui a adressée son contradicteur :

La lumière est un mouvement luminaire de rayons composés de corps lucides, c’est-à-dire lumineux pour noter avec un humour malicieux que nous n’employons jamais dans les définitions les termes du défini.

Mais Pascal, à la recherche des causes expliquant les résultats de ses expériences sur le vide, se convainc que la pesanteur de l’air est la source de tous les effets attribués depuis toujours à la soi-disant horreur du vide. Pour preuve de sa thèse il conçoit une expérience décisive dont il confie la réalisation fin 1647 à Florin Périer, son beau-frère, qui réside à Clermont-Ferrand : je n’estime pas qu’il nous soit permis de nous départir légèrement des maximes qui nous tenons de l’antiquité, si nous n’y sommes obligés par des preuves indubitables et invincibles lui écrit-il. Il le charge donc de transporter un tuyau de vif-argent, ce que nous nommons aujourd’hui un baromètre de Torricelli, au sommet du Puy-de-Dôme. La relation très soignée de l’expérience par F. Périer, qui note qu’en centre-ville la colonne de mercure a une hauteur de 26 pouces, 3 lignes et demie alors qu’elle ne s’élève plus qu’à 23 pouces, 2 lignes au sommet de la montagne (soit 8,4 cm de moins en unités modernes) montre donc bien que l’élévation de la colonne de mercure dans le tube est due à la pesanteur de la couche d’air, moins épaisse au sommet de la montagne qu’elle ne l’est en plaine. Pascal réunit ses expériences et conclusions à ce sujet dans son « Traité de l’équilibre des liqueurs et de la pesanteur de la masse de l’air, contenant l’explication des causes de divers effets de la nature qui n’avaient point été connus jusques ici et particulièrement de ceux que l’on avait attribués à l’horreur du vide ». Dans une première section il fait le “récit des effets qu’on attribue à l’horreur du vide“. Certains sont parfois pittoresques ; c’est ainsi qu’un soufflet pour attiser le feu dans la cheminée, dont l’ouverture est bien bouchée, est difficile à ouvrir ; qu’un chapeau mis sur une table est difficile à lever d’un coup ; ou plus sérieusement que l’eau d’une bouteille pleine renversée [dans un récipient plein d’eau] le goulot en bas demeure suspendue sans tomber, etc.

La section seconde Que la pesanteur de la masse de l’air produit tous les effets qu’on a attribué à l’horreur du vide revient sur ces effets, la difficulté d’ouvrir un soufflet bouché, à séparer deux corps polis appliqués l’un contre l’autre, l’élévation de l’eau dans les seringues ou dans les pompes, la suspension de l’eau dans les tuyaux bouchés par en haut, c’est la pesanteur de l’air qui fait monter l’eau dans les siphons, elle cause l’enflure de la chair quand on applique des ventouses, elle est la cause de l’attraction du lait quand les enfants tètent leurs nourrices, etc. Il évalue même la masse entière de tout l’air qui entoure notre globe en supposant qu’elle suffirait à faire monter à 32 pieds une couche d’eau qui recouvrirait la Terre entière ; l’expérience du Puy-de-Dôme le conduit à estimer que l’air compris depuis la mer jusqu’à ces montagnes est à peu près la septième partie de la masse entière de l’air², aboutissant aussi à l’estimation de 8.2 x10¹⁸ livres. De nos jours cette masse est estimée à 5,3×10¹⁸kg, donc supérieure d’environ 20 % à l’estimation de Pascal. Avec les moyens dont il disposait c’était une précision remarquable. Les unités de mesure lui ont rendu hommage puisque l’unité de pression internationale est le Pascal qui a progressivement remplacé dans les bulletins météo le millimètre de mercure.

Certes, ce Traité eut un écho considérable auprès des contemporains mais les oppositions ne désarmèrent pas. Lorsque Descartes publie en 1644 ses Principes de la philosophie seul un historien des sciences pourrait nous dire s’il avait eu connaissance des toutes récentes expériences de Torricelli et du jeune Pascal, mais il affirme résolument son opposition à la possibilité d’un espace vide. Le principe n^o16 décrète qu’il ne peut y avoir aucun vide au sens que les philosophes prennent ce mot (?). Il en déduit qu’il n’est pas possible que ce qui n’est rien ait de l’extension. Il s’est aussi opposé à l’atomisme puisque son principe 20 affirme Qu’il ne peut y avoir aucuns atomes ou petits corps indivisibles car, si je comprends bien, au-delà de l’inexistence du vide, l’insécabilité des atomes mettrait une limite inadmissible à la toute-puissance divine.

En fait, il s’était déjà opposé aux expériences de Galilée sur la chute des corps pour des raisons liées elles-aussi à sa conviction de l’impossibilité du vide. Il reprochait en premier à Galilée d’avoir extrapolé ses expériences, dans lesquelles il voulait démontrer que la chute des corps est indépendante de leur masse, à un espace vide, inexistant donc pour Descartes. Galilée savait bien que si une feuille de platane et un boulet de canon ne tombent pas ensemble, c’est la résistance de l’air qui en était la cause, d’où l’extrapolation à la chute dans le vide. Rejetant la notion de force d’attraction à distance, Descartes introduisait des tourbillons d’une substance emplissant l’espace, qui pousseraient les planètes autour du soleil et provoqueraient la chute des corps (vers le bas ?). Le vide ne permettrait pas à de tels tourbillons de se produire. Il affirme dans une lettre à Mersenne en parlant de Galilée

Tout ce qu’il dit de la vitesse des corps qui descendent dans le vide, etc. est bâti sans fondement; car il aurait dû auparavant déterminer ce que c’est que la pesanteur ; et s’il en savait la vérité, il saurait qu’elle est nulle dans le vide.

Descartes, immense mathématicien et philosophe, était certes aussi un éminent physicien : ses lois sur l’optique, sa théorie de l’arc-en-ciel, le prouvent. Mais il avait une attitude vis-à-vis du rôle de l’expérience dans la validation de la science très éloignée de celle qu’affirmait Galilée, cet échange entre expériences et rationalité dans lequel s’inscrivit d’emblée Blaise Pascal. C’est ainsi qu’analysant (de manière totalement erronée) les lois du choc de deux corps³, Descartes écrivait

Les démonstrations de tout ceci sont si évidentes qu’encore que l’expérience nous semblerait faire voir le contraire, nous serions néanmoins obligés d’ajouter plus de foi à notre raison qu’à nos sens.

Les cartésiens ont eu davantage de succès avec les mathématiques qu’avec la physique.

La démonstration publique de la pression exercée par la pesanteur de l’air

Le bourgmestre de la ville de Magdebourg, dans le land de Saxe, avait inventé une pompe pour faire le vide dans une enceinte. Pour démontrer son action, il réalisa en 1654 une enceinte sphérique d’environ 40 cm de diamètre, faite de deux hémisphères bien ajustés l’un à l’autre, mais sans être soudés. Un tube issu de l’un des hémisphères permettait de faire le vide dans l’enceinte par pompage. En 1854, devant l’empereur et une nombreuse assistance, il fixa par des crochets issus de chacun des deux hémisphères deux attelages de huit chevaux qui, tirant dans des directions opposées, ne réussirent pas à les séparer tant que le vide fut maintenu. Un calcul simple montre en effet que pour vaincre la pression atmosphérique sur une telle sphère il eût fallu une force supérieure à celle qui est nécessaire pour soulever deux tonnes.

Fig. 2 : Les hémisphères originaux et la pompe à vide du bourgmestre Guericke conservés au Deutsche Museum de Munich.

Édouard Brézin
Membre de l’Académie des sciences

La rédaction de ce billet fait suite au colloque 2500 ans d’interrogations sur le vide, qui s’est tenu le 19 mars 2024 à l’Académie des sciences.

Références

[1] Blaise Pascal « Œuvres complètes », Bibliothèque de la Pléiade n^o34, édition de 1936 ; nouvelle édition de 2023 en deux volumes

[2] Blaise Pascal, Œuvres complètes, op,cit.

Crédits des illustrations :

Illustration de couverture : Pascal à Bien-Assis par Louis Retru, CC BY-SA 4.0, (source).

Figure 1 : Torricelli inventant le baromètre à mercure, gravure figurant dans les livres de Camille Flammarion (1923), Domaine public, (source).

Figure 2 : Les hémisphères de Magdebourg, CC BY-SA 3.0, (source).

1. Quid de la pression de vapeur saturante du mercure ? A température ordinaire elle n’est que de 7,5×10^-4mm de mercure, un millionième de la pression atmosphérique. C’est donc un excellent vide. [↩]
2. Son estimation repose sur l’observation que la pression de l’air fait monter l’eau de 32 pieds (environ 10 m) dans un tube. Si l’on faisait le vide dans l’atmosphère la terre serait entourée d’une couche d’eau d’environ 10 m d’épaisseur d’où l’estimation de la masse d’air équivalente. [↩]
3. Dans les « Principes de philosophie » René Descartes aborde les règles qui régissent le choc de deux corps colinéaires (édition de 1644 en latin). Elles sont erronées pour la plupart car il applique, sans tenir compte du signe de la vitesse, la conservation de la quantité de mouvement et il ne connait pas la conservation de l’énergie. Il ne réalise pas que le problème avec les seuls éléments qu’il met en œuvre, n’a pas de solution et il énonce des conclusions qui violent les constations que chacun peut faire, par exemple en observant des boules de billard. Ainsi sa règle 4 affirme :

   Si l’un des deux corps est au repos et qu’un autre vienne le choquer, celui-ci se réfléchira sans lui emprunter aucun mouvement

   (alors qu’il s’arrête et communique sa vitesse au corps choqué). La règle 6 montre que sa notion de la conservation de la quantité de mouvement ne tient pas compte du signe des vitesses :

   Si un corps C est en repos et qu’il soit choqué par un corps B qui lui est égal, B pousse C et, en même temps, C le fait rejaillir ; si B a une vitesse 4, il donne à C une vitesse 1 et il retourne en arrière avec la vitesse 3.

   C’est donc 4=3+1 qui guide le résultat énoncé, mais 4 n’est pas égal à -3+1. Là encore l’observation courante (et les lois de conservation qui ne seront connues qu’un peu plus tard) montrent que la boule B s’arrête à la collision et la boule C poursuit avec la vitesses 4 qui était celle de la boule B avant le choc. Que les connaissances de l’époque n’aient pas permis à Descartes de résoudre le problème n’est évidemment pas une critique. Mais on est confondu de voir que ses conclusions s’opposent à l’observation la plus courante et que cela ne semble pas l’arrêter dans l’affirmation de la supériorité de ce qu’il appelle “la raison”. On est là à l’opposé de ce que nous lèguerons Galilée d’abord, et Pascal à sa suite. [↩]