Six Instruments Clés de la Révolution Scientifique

La révolution scientifique (1500-1700) fut stimulée par plusieurs inventions clés, tous des instruments scientifiques qui devinrent essentiels pour parvenir à une meilleure compréhension du monde qui nous entoure. Grâce à des instruments tels que le télescope, le microscope, le thermomètre et l'horloge à pendule, les scientifiques réussirent à voir ce qui n'avait jamais été vu auparavant et mesurer les résultats des expériences avec beaucoup plus de précision que jamais auparavant.

L'utilisation d'instruments scientifiques eut pour conséquence la reformulation de théories anciennes souvent erronées, allant du fonctionnement du système sanguin du corps humain à l'aspect réel de la surface de la Lune.

Les six inventions clés de la révolution scientifique sont les suivantes:

• le télescope
• le microscope
• l'horloge à pendule
• le thermomètre
• le baromètre
• la pompe à air

Tous ces objets font partie d'une "collection d'instruments techniques qui devinrent des catalyseurs du progrès scientifique au cours du XVIIe siècle" (Jardine, 9). Les philosophes naturalistes devinrent des scientifiques lorsqu'ils utilisèrent ces inventions conjointement pour déterminer comment le monde qui nous entoure fonctionne réellement, plutôt que la façon dont les philosophes précédents l'avaient imaginé. Expérimenter, mesurer, enregistrer et soumettre ces résultats à l'examen de leurs pairs (par le biais de la presse écrite et de la correspondance privée) permirent l'adoption d'une nouvelle méthode scientifique, qui connut un tel succès qu'il est impossible aujourd'hui de penser à un scientifique qui n'utilise pas d'instruments d'un type ou d'un autre. "De nouveaux instruments signifiaient de nouvelles perceptions et, avec elles, de nouvelles connaissances" (Wootton, 560).

Le télescope

Le télescope fut inventé vers 1608, le Hollandais Hans Lippershey (de 1570 à 1619 environ) étant généralement considéré son inventeur. L'appareil était remarquablement simple et utilisait une lentille convexe et une lentille concave - l'une grossissant et l'autre miniaturisant - placées à chaque extrémité d'un long tube. C'est l'Italien Galilée (1564-1642) qui perfectionna l'instrument, améliorant considérablement le grossissement possible, qui passa à environ 33 fois. Galilée observa pour la première fois la surface de la Lune, et il vit des montagnes et des vallées, comme sur Terre. L'Italien repéra quatre lunes de la planète Jupiter, identifia les phases de Vénus et observa les taches solaires, ce qui l'amena à penser que le Soleil était une sphère en rotation. Des télescopes moins puissants étaient également utilisés sur terre et en mer pour observer l'horizon lointain, ce qui était particulièrement utile aux armées et aux marines.

L'astronome allemand Johannes Kepler (1571-1630) perfectionna le modèle de Galilée en utilisant deux lentilles convexes, ce qui permit d'obtenir une image plus claire (bien qu'à l'envers pour l'observateur). Le scientifique anglais Isaac Newton (1642-1727) inventa ensuite le télescope à réflexion en 1668. Ce type de télescope utilise un miroir incurvé fait d'un alliage métallique, ce qui améliora la clarté de l'image et permit de raccourcir considérablement le tube. Les télescopes aériens supprimèrent complètement le tube, ce qui permit de placer les deux lentilles beaucoup plus loin l'une de l'autre et d'obtenir ainsi un grossissement encore plus important. À l'autre extrémité de l'échelle, des télescopes miniatures étaient montés sur des instruments de navigation existants tels que le quadrant. Les viseurs télescopiques étaient souvent équipés de fils (micromètres) pour mesurer les très petits mouvements ou les changements d'angle de l'objet observé. Les télescopes étant de plus en plus nombreux et de meilleure qualité, des observatoires furent construits pour les abriter, comme à Paris (1667) et à Greenwich, à Londres (1675).

L'amélioration constante des télescopes permit de voir des milliers de nouvelles étoiles, ce qui semblait suggérer que l'univers était infini. Le télescope permit aux astronomes de tester de nombreuses théories contradictoires concernant les corps célestes en les confrontant aux preuves physiques d'une observation détaillée et prolongée. Les modèles de l'univers proposés par Aristote (384-322 av. J.-C.) et Claude Ptolémée (c. 100 à c. 170 de notre ère) furent infirmés en faveur de celui proposé par Nicolas Copernic (1473-1543), qui plaçait le Soleil au centre de notre galaxie et non la Terre. Parmi les autres avantages de l'astronomie au moyen de télescopes, citons un calcul beaucoup plus précis du calendrier et des cartes stellaires beaucoup plus exactes pour les navigateurs. Enfin, cet instrument incita les inventeurs à réfléchir à d'autres utilisations possibles des lentilles grossissantes.

Le microscope

Le microscope naquit du télescope puisqu'il utilise les mêmes principes de grossissement et de miniaturisation. L'invention est généralement attribuée au Néerlandais Cornelius Drebbel (1572-1635) ou à Hans Janssen. Parmi les fabricants spécialisés, l'Anglais John Marshall conçut le microscope composé, qui comporte trois lentilles (l'oculaire, la lentille de champ et la lentille d'objectif) et la possibilité d'ajouter une lumière supplémentaire cruciale à l'aide d'une bougie placée sous la base. Certains microscopistes fabriquèrent leurs propres instruments, le plus célèbre étant peut-être le Néerlandais Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), qui fabriqua plus de 500 microscopes. Leeuwenhoek fabriquait des microscopes qui avaient un grossissement impressionnant de 270 fois, en utilisant une minuscule bille de verre au lieu d'une lentille plus grande et plus plate. D'autres adaptations furent réalisées pour améliorer l'instrument, comme l'ajout d'un petit miroir à la base, dont l'angle pouvait être ajusté pour diriger davantage de lumière vers le spécimen observé. Le fabricant d'instruments anglais Edward Culpeper (1670-1737) rendit ce miroir concave, augmentant ainsi la lumière disponible dans ses microscopes.

Les anatomistes, les entomologistes et les botanistes étaient particulièrement enthousiastes à l'idée d'utiliser cette nouvelle invention pour approfondir leur compréhension du monde naturel. Nombre d'entre eux publièrent alors des ouvrages magnifiquement illustrés qui révélèrent au public ce que l'on pouvait voir exactement à l'aide des derniers microscopes. Il devenait clair qu'un minuscule insecte pouvait être aussi complexe dans sa structure qu'un grand mammifère. L'un de ces ouvrages illustrés, Micrographia, publié en 1665 par l'Anglais Robert Hooke (1635-1703), fit sensation. L'Italien Marcello Malpighi (1628-1694) découvrit en 1661, à l'aide d'un microscope, les capillaires, ce qui confirme la découverte de la circulation sanguine par William Harvey. Leeuwenhoek découvrit les globules rouges, les protozoaires et les spermatozoïdes. Beaucoup d'autres firent des découvertes tout aussi étonnantes. Il faut cependant admettre que le fait de voir ces choses ne signifiait pas nécessairement que l'on en comprenait la signification. Le microscope révéla un monde entièrement nouveau, mais d'autres recherches et d'autres instruments furent nécessaires pour parvenir à une compréhension plus complète de la signification de ce qui pouvait désormais être vu à travers une lentille.

L'horloge à pendule

Les cadrans solaires et les horloges à eau avaient été largement remplacés par des horloges mécaniques à partir de la fin du 13e siècle, mais celles-ci n'étaient toujours pas assez précises pour mesurer les minutes; en effet, nombre d'entre elles n'avaient même pas d'aiguille des minutes. Les scientifiques, en particulier les astronomes désormais armés de leurs télescopes, avaient besoin d'un moyen beaucoup plus précis d'enregistrer le temps. Galilée dessina une horloge à pendule, mais le premier modèle fonctionnel fut réalisé en 1657 par Christiaan Huygens (1629-1695). Dans une horloge à pendule, la régularité de l'oscillation du pendule contrôle précisément la chute d'un poids. Les meilleures horloges à pendule perdaient au maximum 15 secondes par jour, contre 15 minutes pour une horloge mécanique.

Les astronomes pouvaient désormais calculer plus précisément le mouvement des corps célestes, et de nombreux observatoires étaient équipés d'une ou plusieurs horloges à pendule. Une plus grande précision dans la mesure du temps signifiait que les scientifiques menant des expériences dans des endroits différents pouvaient comparer leurs données de manière plus fiable. De nouvelles mesures purent être effectuées, telles que la chute d'objets lors de tests de gravité, la vitesse sur de courtes distances et les mouvements plus précis des planètes. La mesure du temps devint encore plus précise avec l'invention, en 1675, des montres à balancier qui reproduisent l'action d'un pendule dans un espace confiné et ne sont pas sensibles aux mouvements brusques de l'appareil. La conservation de l'heure devint soudain plus importante pour tout le monde, et pas seulement pour les scientifiques, et de nombreuses personnes convertirent leurs horloges mécaniques à la version à pendule et s'achetèrent un chronomètre de poche. La grande complexité des horloges conduisit à les utiliser en tant que métaphore pour tout ce qui était complexe, et leurs mécanismes inspireraient plus tard les ingénieurs de la révolution industrielle britannique pour inventer de nouvelles machines telles que la machine à vapeur.

Le thermomètre

Le thermomètre, tout comme les instruments précédents, révolutionna les idées et les pratiques. Auparavant, il n'existait aucun moyen de mesurer la température en dehors d'une gamme assez vague de trois conditions: froid, normal et chaud. Le grand médecin antique Galien (129-216 de notre ère), par exemple, ne connaissait que quatre degrés de température basés sur les deux extrêmes que sont la glace et le feu. La précision étant le mot d'ordre de la révolution scientifique, le thermomètre fut inventé au début du XVIIe siècle, sans que l'on sache par qui. Les premiers thermomètres étaient de type thermoscope, c'est-à-dire qu'un tube étroit était rempli d'eau qui montait (ou descendait) sur une échelle lorsque l'air au-dessous (ou au-dessus) était chauffé et se dilatait, poussant le liquide vers le haut (ou vers le bas). Le thermomètre thermoscope présentait quelques inconvénients: il ne donnait pas de mesures précises et était sensible aux variations de pression de l'air.

C'est vers 1650, à l'Academia del Cimento de Florence, que les inventeurs eurent l'idée de faire se dilater le liquide du thermomètre et non l'air. Les premiers modèles utilisaient de l'alcool dans un tube de verre étanche et très fin. Pour faciliter la lecture de l'échelle fournie, l'alcool était coloré. Cet instrument, connu sous le nom de thermomètre florentin, remplaça le thermoscope à la fin du XVIIe siècle. Les scientifiques florentins avaient fait des expériences avec du mercure plutôt qu'avec de l'alcool, mais ils optèrent pour ce dernier parce qu'il était plus sensible aux changements de température. Les inconvénients de l'alcool sont qu'au XVIIe siècle, il n'était pas facile d'obtenir de l'alcool absolument pur et que son point d'ébullition est bas. Ces deux inconvénients signifiaient que les thermomètres de l'époque n'étaient pas toujours aussi précis que l'auraient espéré leurs utilisateurs et qu'il était difficile de comparer des relevés plus précis entre différents thermomètres. Le défi suivant consistait à s'assurer que tout le monde utilisait la même échelle de mesure afin que les résultats des expériences puissent être échangés et comparés au sein de la communauté scientifique internationale en plein essor.

Certaines institutions veillèrent à ce que les expérimentateurs utilisent les mêmes échelles de température, mais il fallut attendre le XVIIIe siècle pour que deux échelles s'imposent: Fahrenheit, proposée par l'Allemand Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), et Celsius, proposée par le Suédois Anders Celsius (1701-1744). Le thermomètre devint un instrument indispensable dans de nombreux domaines scientifiques. Par exemple, les médecins pouvaient désormais suivre avec précision les hauts et les bas de la maladie de leurs patients, et les chimistes pouvaient mesurer les propriétés des substances avec lesquelles ils travaillaient et comparer la configuration de leurs appareils avec les diagrammes de température établis.

Le baromètre

Le baromètre fut inventé en 1643 par l'Italien Evangelista Torricelli (1608-1647) qui, en collaboration avec Vincenzo Viviani (1622-1703), tenta de déterminer jusqu'à quelle hauteur le mercure pouvait s'élever dans un tube de verre dont l'une des extrémités était placée dans un récipient contenant du mercure. La pression de l'air sur le mercure dans le récipient poussa le mercure dans le tube à environ 30 pouces (76 cm) plus haut que le niveau dans le récipient. En 1648, Blaise Pascal (1623-1662) et son beau-frère Florin Périer réalisèrent des expériences avec des appareils similaires, mais cette fois-ci testés sous différentes pressions atmosphériques en installant les appareils à différentes positions sur le flanc d'une montagne (Puy-de-Dôme dans le Massif central). Les scientifiques constatèrent que le niveau de mercure dans le tube de verre diminuait au fur et à mesure que l'on s'élevait dans la montagne.

C'est le chimiste anglo-irlandais Robert Boyle (1627-1691) qui donna à ce lecteur de pression de mercure, alors appelé tube mercuriel, son nom durable: baromètre. C'est également Boyle qui démontra de manière concluante l'effet de la pression atmosphérique en utilisant un baromètre à l'intérieur d'une pompe à air (voir ci-dessous) où un vide était établi. Boyle formula un principe qui est devenu connu sous le nom de "loi de Boyle". Cette loi stipule que la pression exercée par une certaine quantité d'air varie de manière inversement proportionnelle à son volume (à condition que les températures soient constantes).

La découverte suivante sur le baromètre fut le fruit d'expériences menées par Otto von Guericke (1602-1686) qui constata que la pression de l'air variait en fonction du temps. Une fois que l'on comprit que le mercure pouvait être utilisé pour mesurer la pression atmosphérique, de meilleurs baromètres furent mis au point, utilisant une échelle de mesure et mélangeant le mercure à d'autres substances pour en augmenter la sensibilité. Le baromètre se développa grâce à un ensemble international d'inventeurs, et il devint indispensable pour les géomètres et les météorologues, en particulier.

La pompe à air

La pompe à air, un dispositif capable d'extraire l'air d'un récipient scellé, fut démontrée publiquement pour la première fois en 1654 par Otto von Guericke. Ce dispositif était constitué de deux hémisphères de bronze, mais il ne permettait pas d'introduire quoi que ce soit à l'intérieur. Une pompe à air permettant de le faire fut fabriquée par Robert Hooke, à la demande de Robert Boyle. L'instrument permettait de placer des spécimens à l'intérieur d'un dôme de verre et de les soumettre à différentes pressions d'air. Hooke avait construit un premier modèle en 1659. Boyle et Hooke menèrent toutes sortes d'expériences, soumettant des plantes et des organismes vivants à des variations de pression atmosphérique. Ces expériences, souvent réalisées devant un public, firent sensation lors des réunions de la Royal Society. En 1671, Hooke construisit même une pompe à air suffisamment grande pour s'y introduire lui-même. "Heureusement pour Hooke, la pompe ne fonctionna que moyennement, ne vidant qu'un quart de l'air du récipient. Les sensations qu'il rapporta lorsqu'il sortit de son récipient sans air furent des vertiges, de la surdité et des douleurs" (Jardine, 56). Ces effets étaient bien moins mortels que ceux utilisés sur d'innombrables créatures vivantes soumises à la curiosité impitoyable des scientifiques. Boyle publia les résultats de ses expériences sur la pompe à air dans son livre New Experiments Physico-Mechanical Touching the Spring of the Air, and Its Effects, publié en 1660.

Boyle et Hooke parvinrent à démontrer l'existence d'un vide, appelé pendant un certain temps "vacuum Boylianum". Tout le monde n'était pas d'accord sur le fait que Boyle avait créé un vide dans son dôme de verre à l'aide d'une pompe à air, ni même sur le fait qu'une telle chose pouvait exister; Thomas Hobbes (1588-1679) fut l'opposant le plus virulent aux travaux de Boyle sur le vide. Les travaux de Boyle sur la pression atmosphérique, en particulier sa loi et ses expériences sur les manomètres et les pistons, furent importants car ils inspirèrent les créateurs de la machine à vapeur qui propulsa, au sens propre comme au sens figuré, la révolution industrielle britannique à partir de 1710.

Cap sur l'avenir

La question de savoir si l'on pouvait faire confiance à ces nouveaux instruments scientifiques et si ce qu'ils révélaient n'était pas une simple supercherie fit l'objet de nombreux débats. Pour certains, les preuves fournies par ces instruments, même s'ils faisaient appel à l'œil humain, n'étaient pas les mêmes que celles obtenues par l'utilisation directe des sens. D'autres soutenaient que des instruments comme le télescope et le microscope montraient à l'humanité ce qui ne devait pas être vu, puisque Dieu nous avait donné des yeux parfaitement bons pour voir le monde, et que fouiller plus profondément n'était pas la place de l'humanité et était considéré en quelque sorte comme une impiété. Pour d'autres, les instruments scientifiques révélaient les détails incroyables et l'ingéniosité de la vie sur Terre, et l'on ne pouvait donc, pensaient-ils, que s'émerveiller encore plus de l'œuvre de Dieu.

Grâce aux nouveaux instruments scientifiques, les découvertes se succédèrent à un rythme effréné, suscitant souvent la perplexité face à la complexité de la vie. Les télescopes à une extrémité de l'échelle et les microscopes à l'autre révélèrent qu'un tout nouveau système de mesure était nécessaire pour que l'esprit humain puisse saisir l'ampleur des merveilles de l'univers visible. La plupart des nouvelles découvertes faites à l'aide du microscope ne profitèrent pas immédiatement à la médecine pratique qui continuait à se préoccuper des remèdes. Le télescope était utilisé pour prouver que les théories existantes étaient erronées, alors que le microscope ne faisait que révéler un ensemble de nouvelles théories qu'il fallait maintenant créer. De meilleures horloges transformèrent la mesure du temps, mais n'étaient toujours pas assez précises pour résoudre le problème de la longitude. À bien des égards, la technologie accusait un retard frustrant par rapport à ce dont les scientifiques avaient besoin pour mieux mesurer, évaluer et comprendre leurs domaines d'investigation spécifiques. Même après la révolution scientifique, la science avait encore un long chemin à parcourir pour convaincre de sa véritable valeur dans l'amélioration de la condition humaine.