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7 août 2014 4 07 /08 /août /2014 19:39

En 1731, paraît dans les "Philosophical Transactions", la publication de la "Royal Society", un texte qui allait faire accomplir un premier pas de géant à la toute jeune science électrique. Son auteur, Stephen Gray, n’est pourtant pas un personnage en vue. Considéré comme un "amateur", il a dû subir le mépris des scientifiques en place. Il se hissera, cependant, au niveau de son compatriote Gilbert dans l’estime des "électriciens" européens.

 

 


 

Stephen Gray (1670-1736).

 

Stephen Gray est fils d’un teinturier de Canterbury et teinturier lui-même. Il fait de sérieuses études qui l’amènent à s’intéresser plus particulièrement à l’astronomie. Il est, à ce titre, invité à participer aux travaux de l’astronome royal John Flamsteed à Greenwich, l’auteur du premier catalogue moderne du monde céleste donnant la position exacte de près de 3000 étoiles. En 1707, il est à nouveau appelé à Cambridge, également pour des travaux d’astronomie.

 

Cette expérience est décevante. Ses relations avec le milieu des savants académiques sont difficiles. Il constate avec amertume que ses communications sont refusées pour la publication, ce qui n’empêche pas qu’elles soient régulièrement pillées. Il regagne donc son commerce de Canterbury en 1708. Trop fatigué pour poursuivre son activité, il demande à être admis dans une maison de retraite connue sous le nom de Charterhouse. Cette institution, installée dans un ancien couvent de Chartreux, avait été créée pour être, à la fois, une école de jour pour des enfants pauvres et une pension pour personnes âgées. Ses pensionnaires étaient généralement des hommes distingués bénéficiant de sérieuses références. Gray dut attendre huit ans avant d’y être admis, en 1719, sur recommandation du Prince de Galles.

 

Libéré de ses soucis financiers, il entendait bien occuper cette retraite à cultiver son intérêt pour les diverses branches des sciences. Il s’était, en particulier, muni de divers tubes de verre et du petit matériel utile à des démonstrations électriques.

 

Déjà en, 1708, il avait adressé un mémoire à la Royal Society concernant de "nouvelles expériences sur la lumière et l’électricité". Il avait été étonné par la facilité avec laquelle il pouvait reproduire les expériences de Guericke en utilisant un simple tube de verre. La vertu "expulsive", en particulier se manifestait de façon spectaculaire. Une plume approchée du tube était d’abord attirée pour être ensuite repoussée. Elle pouvait rester longtemps à "planer" au-dessus du tube et même monter et descendre au rythme du frottement.

 

Il lui apparaissait cependant que la vertu "expulsive", loin d’être une propriété nouvelle du soufre ou de la terre, comme l’avait estimé Guericke, était, plus simplement, au même titre que l’attraction, une propriété de la vertu électrique.

 

Une autre observation méritait l’attention : si la plume, une fois repoussée, parvenait à proximité d’un corps extérieur au tube, elle en était attirée. Elle retombait ensuite sur le tube pour être à nouveau repoussée. Le manège pouvait ainsi durer de 10 à 15 allers et retours avant de s’arrêter. Ces observations amenaient Gray à supposer que la plume, placée à proximité du tube frotté, devait, elle-même, acquérir une vertu électrique.

 

De tels faits auraient dû attirer l’attention de ses contemporains, mais Hauksbee, à qui il adresse son mémoire, ne juge pas utile de le publier. Fort heureusement, ils continueront à obséder Gray et lui permettront une éclatante revanche.

 

Tardives et fabuleuses découvertes.

 

En février 1729, étant déjà depuis 10 ans à Charterhouse, il entreprend d’expérimenter sur l’électrisation des métaux. Ayant constaté qu’il lui était impossible de les électriser par frottement, il se propose d’y parvenir en les plaçant, comme il l’a déjà fait avec une plume, dans les "effluves" électriques entourant un tube de verre frotté.

 

Avant de commencer, il décide de tester son tube. Celui-ci, qu’il décrit avec précision, est un tube de verre au plomb de trois pieds cinq pouces (1 mètre) de long et de un pouce et 1/5 (3 centimètres) de diamètre. Ce tube est fermé, à chaque extrémité, par un bouchon de liège, afin que la poussière n’y entre pas. Gray a, en effet, remarqué que celle-ci nuit à l’efficacité du tube.

 

Les bouchons sont habituellement enlevés quand le tube est utilisé. Pourtant, cette fois, Gray veut tester l’efficacité du tube bouché. Il frotte donc l’extrémité d’un tube muni de ses bouchons et constate qu’il fonctionne tout aussi bien.

 

Soudain, le hasard lui offre un fabuleux cadeau.

 

Gray raconte :

 

« comme je tenais une plume de duvet vis-à-vis de l’extrémité supérieure du tube, j’aperçus qu’elle voulait aller vers le liège, et qu’elle était attirée et repoussée par lui, tout comme par le tube, lorsqu’il avait été excité par le frottement ; je tins donc le duvet vis-à-vis de la surface plate du liège, laquelle l’attira et le repoussa plusieurs fois de suite, à ma grande surprise, d’où je conclus que le tube excité avait certainement communiqué au liège une vertu attractive. »

 

La suite des expériences a un côté "surréaliste" :

 

« Ayant sur moi une boule d’ivoire, d’environ un pouce et 3/10 de diamètre, percée de part en part, je l’assujettis sur un morceau de bois de sapin, long d’environ quatre pouces, et je fis entrer l’autre bout du morceau de bois dans un des bouchons de liège, et frottant le tube, je vis que la boule attirait et repoussait la plume avec plus de force que le liège n’avait fait ; les attractions et répulsions se répétant un très grand nombre de fois tout de suite. »

 

Des tiges de bois de 8, puis 24 pouces, enfoncées dans le bouchon, sont essayées avec le même succès. Quelle distance peut-on ainsi atteindre ? Après plusieurs essais, Gray réalise un assemblage de roseaux et de baguettes de sapin totalisant plus de 18 pieds de long, ce qui correspond à la longueur de sa chambre. Le résultat est probant, l’attraction est aussi forte que celle obtenue à l’extrémité de tiges plus courtes.

 

Puis vient le tour d’une ficelle de chanvre de trois pieds de longueur. Attachée au tube, elle est lestée par la boule d’ivoire qui attire les feuilles de cuivre avec tout autant de facilité.

 

Une ficelle est un moyen de fixation commode. Elle sera bientôt lestée par une boule de plomb, une pièce d’or, un morceau d’étain, une pelle à feu, un vase d’argent, une bouilloire de cuivre tantôt vide et tantôt pleine d’eau, chaude ou froide. Tous ces corps métalliques attirent les feuilles de cuivre à la hauteur de plusieurs pouces quand le tube de verre est frotté. Les métaux, qui ne peuvent acquérir la "vertu" électrique par le simple frottement, peuvent donc la recevoir d’un tube de verre frotté auquel on les fait communiquer. De même des cailloux, des briques, un aimant, des tuiles, de la craie, des végétaux.

 

Gray sait qu’une voie royale vient de s’ouvrir devant lui, il s’y engage avec enthousiasme. Une question lui vient naturellement à l’esprit : jusqu’à quelle distance pourra-t-il ainsi transmettre la vertu électrique.

 

Une première réponse lui est donnée au mois de mai 1729 chez son ami John Godfrey dans sa propriété de Norton-Court dans le Kent. Une tige de 32 pieds de long est réalisée à partir de cannes creuses et de tiges de sapin, le tout terminé par l’habituelle boule d’ivoire : la vertu électrique est transmise à cette distance. Une ficelle de 26 pieds de long, pendue dans le vide, à partir d’un balcon fonctionne également. De même une corde de 34 pieds suspendue à une tige de 18 pieds, soit un parcours total de 52 pieds.

 

Les succès sont spectaculaires, mais survient le premier échec !

 

Voulant transmettre la vertu électrique horizontalement au moyen d’une ficelle, Gray soutient celle-ci par des cordes fixées aux poutres de la pièce où se pratique l’expérience. Le résultat est négatif.


Découverte de la conduction électrique par Gray
(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)


Gray n’en est pas particulièrement étonné. Les cordes de fixation, pense-t-il, transmettent une part essentielle de la vertu électrique aux poutres et il n’en reste plus qu’une infime partie qui puisse arriver jusqu’à la boule. Il lui faudra donc imaginer un autre dispositif.

 

L’occasion lui en est donnée le 2 juillet 1729. Il est alors chez son ami Granvil Wheler. Afin de tendre la ficelle, des fils de soie sont fixés entre les murs latéraux d’une longue galerie. Pourquoi de la soie ? C’est le fil qui allie la meilleure résistance à la plus grande finesse. Or Gray, alerté par son premier échec, est persuadé « qu’un pareil fil, attendu son peu de grosseur, pourrait faire réussir l’expérience, puisqu’il détournerait moins la vertu électrique de la ligne de communication » constituée par la ficelle.

 

L’hypothèse se vérifie. La vertu électrique peut, ainsi, être portée jusqu’à une distance de 147 pieds. La galerie devenant trop courte, on passe dans une grange où la distance de 293 pieds (près de 100 mètres) est facilement atteinte. A ce moment, un incident vient perturber cette course au record et faire prendre un nouveau cours aux observations.

 

On imagine facilement l’agitation qui pouvait accompagner une telle expérimentation. L’une des traverses de soie n’y résiste pas. Fort opportunément, Gray s’est muni d’un fil de laiton (alliage de cuivre et de zinc) présentant la finesse requise tout en étant plus solide. Il remplace donc la traverse de soie défectueuse par ce fil de laiton. Mais, avec ce dispositif, Gray doit constater son échec : « avec quelque vivacité qu’on frottât le cylindre, la boule ne produisit aucun mouvement, et n’excita pas la moindre attraction ».

 

Une évidence s’impose alors aux deux observateurs :

 

« nous fumes convaincus que nous devions la réussite de nos expériences précédentes aux traverses de soie, non pas à cause qu’elles étaient menues, comme je l’avais d’abord imaginé, mais parce qu’elles étaient de soie »

 

Ainsi la ficelle et le laiton ont un comportement différent de la soie. Forts de cette nouvelle donnée, Gray et Wheler reprennent leurs expériences. Ils savent à présent que des fils de soie, même d’un diamètre respectable, isoleront parfaitement la ficelle qu’ils supporteront. Après être passés de la galerie à la grange, les expérimentateurs passent au jardin et atteignent une distance de 650 pieds, plus de 200 mètres.

 

Engagé dans cette course au record, Gray découvre un nouvel effet de la "vertu électrique" : elle peut se transmettre sans contact ! Méticuleux, il note que cette révélation lui a été faite le 5 août 1729. Ce jour là il avait suspendu un poids de plomb de 14 livres à une corde de Crin. Sous la masse de plomb, des feuilles de cuivre ont été disposées. Il approche le tube de verre et, soudain :

 

« le tuyau ayant été frotté et tenu près de la corde, mais sans la toucher, le poids attira et repoussa les feuilles plusieurs fois de suite jusqu’à la hauteur, tout au moins, de trois pouces, si ce n’est quatre . »

 

Dès lors les expériences prennent un nouveau cours. On pourra transmettre la vertu électrique sans avoir à s’encombrer d’un bouchon, d’une baguette ou d’une ficelle. La simple approche du tube frotté suffira. La place est laissée libre à l’imagination. Gray n’en manque pas. Sa démonstration la plus spectaculaire inspirera des générations d’électriciens. Laissons-lui la parole :

 

« Le 8 avril 1730 je fis l’expérience suivante sur un garçon de 8 à 9 ans, qui pesait tout habillé 47 livres 10 onces. Je le suspendis horizontalement sur deux cordes de crin, (semblables à celles sur lesquelles on fait sécher le linge) longues de 13 pieds »

 

Ces cordes suspendues au plafond, chacune par deux crochets, se présentent comme deux boucles proches l’une de l’autre.


L’expérience de l’enfant suspendu
(Louis Figuier, Les Merveilles de la Science)


« On coucha sur ces deux cordes l’enfant la face en bas, une des cordes lui passant sous la poitrine, l’autre sous les cuisses. Les feuilles de cuivre furent posées sur un petit guéridon, rond, d’un pied de diamètre, recouvert de papier blanc, et soutenu par une tige haute d’un pied.
Aussitôt que l’on eut frotté le tube, et qu’on l’eut présenté vis-à-vis des pieds du petit garçon, mais sans les toucher, son visage attira les feuilles de cuivre avec beaucoup de force, jusqu’à les faire monter à la hauteur de 8 et quelquefois de 10 pouces. »

 

Un humain peut donc, sans dommage, recevoir et transmettre la vertu électrique !

 

Sans qu’il le sache, Gray vient d’inaugurer la mise en scène expérimentale la plus souvent répétée dans les "salons de physique" européens. Si l’on ne devait garder qu’une image des ouvrages d’électricité du 18ème siècle, ce serait celle d’une demoiselle richement vêtue et couchée sur un plateau retenu au plafond par des cordons de soie. Un jeune abbé approche de ses pieds un tube de verre frotté pendant que de jeunes gens lui présentent, sur un plateau d’argent, des feuilles d’or qu’elle attire à distance.

 

Ce n’est pas sans appréhension qu’on confie, aujourd’hui, sa précieuse personne aux démonstrateurs de musées qui, comme au Palais de la Découverte à Paris, proposent de vous faire dresser les cheveux sur la tête par la vertu de l’électricité. On imagine sans peine la hardiesse de ces premiers volontaires.

 

Gray n’est pas à court d’imagination. Il réussit même à électriser les bulles de savon produites au moyen d’une pipe.

 

Une dernière expérience « pour voir à quelle distance la vertu électrique pourrait être portée en ligne droite, sans que le tube touchât la ficelle » et le record est atteint. Il est de 886 pieds, près de 300m !

 

Dufay : premier classement.

 

Gray est enthousiaste mais brouillon. Le compte-rendu qu’il donne de ses expériences retient cependant l’attention de Charles-François de Cisternay Dufay (1698-1739), un jeune physicien français qui, à 35 ans, est déjà, depuis dix ans, membre de l’Académie des Sciences de Paris. Nous reparlerons plus longuement de Dufay.

 

Usant de méthode, il reprend d’abord le problème de l’électrisation des corps : la faculté d’attraction à distance existe-t-elle dans tous les corps ?

 

La question n’est pas nouvelle. Gilbert, le premier, l’avait abordée. Dufay, naturellement, reprend la liste impressionnante des corps déjà testés par Gray et ses prédécesseurs : l’ambre, les résines, les pierres précieuses, les verres de toutes natures, le soufre, la laine, la soie, les plumes, les cheveux. Il y ajoute des corps aussi divers que le marbre, le granit, le grès, l’ardoise, l’ivoire, l’os, l’écaille, les poils d’animaux.

 

Ces corps ne réagissent pas toujours à un simple frottement. Certains doivent être chauffés, parfois, même, jusqu’à s’y brûler les doigts. Tous, cependant, si on use de méthode et en particulier si on les a parfaitement séchés, peuvent être électrisés par frottement.

 

Tous ? Pas exactement. Il reste une catégorie qui résiste : celle des métaux : « quelque peine que je me sois donnée », dit-il, « et de quelque manière que je m’y soit pris, je n’ai pu parvenir, non plus que M. Gray, à les rendre électriques ; je les ai chauffés, frottés, limés, battus, sans y remarquer d’électricité sensible »

 

Il résulte de ces observations une première conclusion :

 

« à l’exception des métaux et des corps que leur fluidité ou leur mollesse met hors d’état d’être frottés, tous les autres qui sont dans la nature sont doués d’une propriété qu’on a cru longtemps particulière à l’ambre et qui, jusqu’à présent, n’avait été reconnue que dans un petit nombre de matières . »

 

Gilbert l’avait déjà signalé, l’électricité est donc bien autre chose qu’une vertu magique confinée dans l’ambre et les pierres précieuses. C’est une propriété générale de la matière digne d’une étude systématique.

 

Cependant, il existe deux classes de corps : Dufay propose de désigner sous le nom de "corps électriques", ceux qui, comme le verre, peuvent être électrisés par frottement. Ceux qui, tels les métaux, ne peuvent l’être, constitueront la classe des corps "non électriques".

 

Corps "électriques" et "non-électriques", quelles différences ?

 

D’abord le problème de l’attraction. Ces deux types de corps, les "électriques" et les "non-électriques", se différencient-ils par la façon dont ils sont attirés ?

 

Dufay approche son tube de verre frotté de râpures d’ambre, de gomme laque, de verre pilé, de sciure de bois dur et pesant, de brique pilée, ces corps étant "le plus qu’il est possible, de même volume et de même pesanteur comparés les uns aux autres". Il constate que les corps "qui ne sont pas électriques par eux-mêmes", comme les métaux, le bois ou même la brique sont plus fortement attirés que ceux qui le sont, comme l’ambre, le verre, la cire.

 

Dans nos expériences courantes, des fragments de coton ou des morceaux de papier conviendront dans la mesure où ils sont légers et "conducteurs" (comme nous qualifions aujourd’hui les corps "non-électriques"). Le corps idéal des expérimentateurs du 18ème pour montrer attractions et répulsions sera la feuille d’or à la fois très conductrice, très légère et offrant une large surface à l’influence électrique.

 

Deuxième problème : celui de la conduction. Il s’agit de déterminer "quels sont les corps qui peuvent arrêter ou faciliter la transmission" de la "vertu" électrique.

 

Tout naturellement Dufay reprend les expériences de Gray sur la conduction horizontale. Il se fait aider de l’abbé Nollet, son assistant, pour tendre des supports de soie entre les arbres de l’allée du jardin de sa propriété de Tremblay, à proximité de Paris.


Expérience de Dufay au Tremblay


La corde, préalablement mouillée, qui repose sur ces traverses transmet l’attraction électrique jusqu’à 1256 pieds, plus de quatre cents mètres, le record de Gray est largement battu ! Est-il nécessaire de poursuivre plus loin l’expérience ? Dufay n’en voit pas l’utilité :

 

"Ayant reconnu que l’électricité pouvait être portée à une si grande distance, il m’a paru inutile de prendre beaucoup de peine pour la faire aller plus loin, et si, après avoir fait un chemin de 1256 pieds, son effet est encore très sensible, il ne sera point étonnant qu’elle puisse encore agir fort au-delà."

 

Avant d’arriver à ce résultat spectaculaire il avait d’abord soigneusement multiplié les essais en utilisant des cordons et des tiges de différentes natures. "Je me suis servi" nous dit-il "de tuyaux de verre, de baguettes, de roseaux, de fil de fer et de cuivre, j’ai fait un grand nombre de combinaisons de cordons et autres corps continus". Il constate que les tuyaux de verre, les cordons de soie ne communiquent presque aucune "vertu". Par contre "la corde la plus commune et les cordons de fil, de la grosseur d’un tuyau de plume ou même plus gros, était ce qui se faisait de mieux.". Surtout si on avait pris la précaution de les humidifier.

 

Naturellement un fil métallique convient encore mieux mais il est plus facile, en 1733, de trouver 800m de ficelle de chanvre qu’un fil de cuivre de la même longueur.

 

Une nouvelle loi découlera de ces observations :

 

"Qu’il nous suffise, quant à présent, d’avoir reconnu et établi pour principe que les corps les moins propres à devenir électriques par eux-mêmes, sont ceux qui sont le plus facilement attirés, et qui transmettent le plus loin, et le plus abondamment la matière de l’électricité ; au lieu que ceux qui ont le plus de disposition à devenir électriques par eux-mêmes, sont les moins propres de tous à acquérir une électricité étrangère, et à la transmettre à un éloignement considérable."

 

En langage plus moderne, et pour simplifier, nous dirions qu’un corps non-électrique (comme un métal) sera facilement attiré par un corps électrisé et sera le plus efficace des conducteurs. Le verre (corps électrique) que le frottement rend si facilement attractif sera, au contraire, le meilleur des isolants.

 

Dufay ne cache pas sa satisfaction. C’est, dit-il "toujours beaucoup que de découvrir quelques vérités sur une matière aussi obscure, et aussi difficile par elle-même."

 

Franklin : le vocabulaire.

 

Avant de suivre Dufay sur la voie de nouvelles découvertes, arrêtons-nous un moment sur le concept de conducteur et d’isolant. S’il est clairement analysé par Dufay, il faut attendre Franklin (1706-1790) pour que le vocabulaire s’accorde avec l’idée.

 

Nous détaillerons par la suite les apports de Franklin à la science électrique. Qu’il nous suffise pour le moment de savoir que, dès son contact avec l’électricité, en 1747, il crée une véritable rupture.

 

L’électricité, dit-il, n’est pas créée par le frottement sur les "corps électriques". Ce n’est pas, non plus, une "vertu" propre à ces seuls corps. C’est un fluide qui imprègne tous les corps et qui est capable de passer d’un corps à l’autre.

 

Cette intuition l’amène tout naturellement à habiller d’un vocabulaire nouveau les anciennes catégories :

 

" En quoi consiste la différence entre un corps électrique et un corps non électrique ? Les termes électrique par soi-même et non-électrique furent d’abord employés pour distinguer les corps, dans la fausse supposition que les seuls corps appelés électriques par eux-mêmes contenaient dans leur substance la matière électrique qui pouvait être excitée par le mouvement, qu’elle en provenait et en était tirée, et communiquée à ceux qu’on appelait non-électriques, que l’on supposait dépourvus de cette matière... Je soupçonne à présent qu’elle (la matière électrique) est répandue assez également dans toute la matière du globe terrestre.
 

Cela étant ainsi, on pourrait abandonner comme impropres les termes "électrique par soi même" et "non-électrique" ; et puisque toute la différence est que quelques corps conduisent la matière électrique et que les autres ne la conduisent pas, on pourrait leur substituer les termes de "conducteur" et "non-conducteur".

 

On ne peut perfectionner la science sans perfectionner le langage, devait, plus tard, affirmer Lavoisier en introduction à son traité élémentaire de chimie (1789). "Quelque certains que fussent les faits, quelque justes que fussent les idées qu’ils auraient fait naître, ils ne transmettraient encore que des impressions fausses, si nous n’avions pas des expressions exactes pour les rendre.", ajoutait-il.

 

Franklin, qui fréquentera régulièrement son laboratoire lors de son séjour parisien, l’aura devancé dans cette voie. Les faits ont fait naître, dans son esprit, l’idée que l’électricité est un "fluide " qui imprègne tous les corps. Les faits, l’idée, exigent un vocabulaire précis : les corps ne se partagent pas en "électriques" ou "non-électriques", mais en "conducteurs" et "non-conducteurs" (nous disons aujourd’hui isolants).

 

Arrêtons-nous ici sur ce qui pourrait sembler un paradoxe : le premier conducteur connu, une ficelle de chanvre, est plutôt considéré, aujourd’hui, comme un isolant. Pour le comprendre, il faut se souvenir que, si les quantités d’électricité mises en œuvre dans les phénomènes électrostatiques sont infimes, les tensions qui leur correspondent sont, elles, de plusieurs milliers ou dizaines de milliers de volts. Sous l’effet de telles tensions même le chanvre devient conducteur. C’est pourquoi il est recommandé de ne pas jouer avec un cerf volant près d’une ligne à haute tension, ou encore d’écarter un câble tombé à terre au moyen d’une tige de bois. Car dans ce cas les fortes tensions s’accompagneraient de courants de forte intensité et l’électrocution serait au rendez-vous.

 

Les concepts de fluide électrique, de conducteur et d’isolant sont donc nés. L’idée, certes, avait également déjà germé chez plusieurs auteurs anglais, mais Franklin est celui qui aura franchi le pas avec le plus de hardiesse. Ceux qui, sur le vieux continent, sauront adopter ses vues n’auront qu’à s’en féliciter.


On peut trouver un développement de cet article dans ouvrage paru en septembre 2009 chez Vuibert : "Une histoire de l’électricité, de l’ambre à l’électron"

 

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Voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !).

 

L’auteur est un collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent.

Le style est fluide et imagé, bref plaisant au possible...

 

...voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté
des équations de la physique.

 

extrait du commentaire paru dans le Bulletin de l’Union des Physiciens.


 

 

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