Ernst Mach

La connaissance et l'erreur jaillissent des mêmes sources mentales ; seul le succès peut distinguer l'une de l'autre.

Ernst Waldfried Josef Wenzel Mach était un physicien et philosophe autrichien, réputé pour ses contributions à la physique, notamment l'étude des ondes de choc. Le rapport entre la vitesse d'un objet et celle du son porte le nom de nombre de Mach en son honneur. En tant que philosophe des sciences, il a exercé une grande influence sur le positivisme logique et le pragmatisme américain. Par ses critiques des théories newtoniennes de l'espace et du temps, il a préfiguré la théorie de la relativité d'Einstein.

Biographie

Ernst Waldfried Josef Wenzel Mach est né à Chrlice (allemand : Chirlitz), en Moravie, alors dans l'empire autrichien, aujourd'hui partie de Brno en République tchèque. Son père, qui avait obtenu son diplôme de l'université Charles-Ferdinand à Prague, a agi comme tuteur pour la famille noble Brethon à Zlín, dans l'est de la Moravie. Son grand-père, Wenzl Lanhaus, administrateur du domaine de Chirlitz, était également maître constructeur des routes. Son activité dans ce domaine a influencé ultérieurement les travaux théoriques d'Ernst Mach. Certaines sources donnent comme lieu de naissance de Mach la ville de Tuřany (allemand : Turas), aujourd'hui également partie de Brno, où se trouvait le bureau de l'état civil de Chirlitz. C'est là qu'Ernst Mach a été baptisé par Peregrin Weiss. Mach devint par la suite socialiste et athée. Sa théorie et sa vie ont parfois été comparées au bouddhisme, notamment par Heinrich Gomperz qui l'appelait le « Bouddha de la science » en raison de son approche phénoménaliste du « Moi » dans son Analysis of Sensations.

Jusqu'à l'âge de 14 ans, Mach a reçu son éducation à la maison de ses parents. Il entra ensuite à un Gymnasium à Kroměříž (allemand : Kremsier), où il étudia pendant trois ans. En 1855, il devint étudiant à l'université de Vienne. Il y étudia la physique et, pendant un semestre, la physiologie médicale, obtenant son doctorat en physique en 1860 sous la supervision d'Andreas von Ettingshausen avec une thèse intitulée Über elektrische Ladungen und Induktion, et son habilitation l'année suivante. Ses premiers travaux se sont concentrés sur l'effet Doppler en optique et en acoustique. En 1864, il accepta un poste de professeur de mathématiques à l'université de Graz, refusant la position de chaire de chirurgie à l'université de Salzbourg, et en 1866 il fut nommé professeur de physique. Pendant cette période, Mach poursuivit ses travaux en psychophysique et en perception sensorielle. En 1867, il occupa la chaire de physique expérimentale à l'université Charles-Ferdinand, où il resta 28 ans avant de retourner à Vienne.

La principale contribution de Mach à la physique a été sa description et ses photographies des ondes de choc de l'étincelle, puis des ondes de choc balistiques. Il décrivit comment, lorsqu'une balle ou un projectile se déplaçait plus vite que la vitesse du son, il créait une compression d'air devant lui. En utilisant la photographie de schlieren, lui et son fils Ludwig ont pu photographier les ombres des ondes de choc invisibles. Au début des années 1890, Ludwig inventa un interféromètre qui permitune photographie beaucoup plus claire. Mais Mach apporta également de nombreuses contributions à la psychologie et à la physiologie, notamment son anticipation des phénomènes de gestalt, sa découverte de l'effet d'obliquité et des bandes de Mach, un type d'illusion visuelle liée à l'inhibition, et surtout sa découverte d'une fonction non acoustique de l'oreille interne qui aide à contrôler l'équilibre humain.

L'une des idées les plus connues de Mach est le soi-disant « principe de Mach », concernant l'origine physique de l'inertie. Ce principe n'a jamais été écrit par Mach lui-même, mais a reçu une formulation verbale graphique, attribuée par Philipp Frank à Mach en personne, comme suit : « Quand le métro s'arrête, ce sont les étoiles fixes qui vous font tomber. »

Mach devint également bien connu pour sa philosophie, développée en étroite interaction avec sa science. Mach défendait une forme de phénoménalisme reconnaissant uniquement les sensations comme réelles. Cette position semblait incompatible avec la conception des atomes et des molécules comme des choses externes, indépendantes de l'esprit. Il déclara fameusement, après une conférence de Ludwig Boltzmann en 1897 à l'Académie impériale des sciences de Vienne : « Je ne crois pas que les atomes existent ! » De 1908 à environ 1911, la réticence de Mach à reconnaître la réalité des atomes fut critiquée par Max Planck comme étant incompatible avec la physique. La démonstration d'Einstein en 1905 selon laquelle les fluctuations statistiques des atomes permettaient de mesurer leur existence sans preuve sensorielle individualisée directe marqua un tournant dans l'acceptation de la théorie atomique. Certaines critiques de Mach envers la conception newtonienne de l'espace et du temps influencèrent Einstein, mais plus tard Einstein réalisa que Mach était fondamentalement opposé à la philosophie de Newton et conclut que sa critique physique n'était pas valable.

En 1898, Mach souffrit d'un arrêt cardiaque et en 1901, il prit sa retraite de l'université de Vienne et fut nommé à la chambre haute du parlement autrichien. En quittant Vienne en 1913, il s'installa au domicile de son fils à Vaterstetten, près de Munich, où il continua à écrire et à correspondre jusqu'à sa mort en 1916, un jour après son 78e anniversaire.

Physique

Les premières études de Mach dans le domaine de la physique expérimentale se sont concentrées sur l'interférence, la diffraction, la polarisation et la réfraction de la lumière dans différents milieux sous influences externes. S'en suivirent des explorations importantes dans le domaine de la mécanique des fluides supersoniques. Mach et le physicien-photographe Peter Salcher présentèrent leur article sur ce sujet en 1887 ; il décrivait correctement les effets sonores observés lors du mouvement supersonique d'un projectile. Ils en déduisirent et confirmèrent expérimentalement l'existence d'une onde de choc de forme conique, avec le projectile à l'apex. Le rapport de la vitesse d'un fluide à la vitesse locale du son vp/vs s'appelle maintenant le nombre de Mach. C'est un paramètre critique dans la description du mouvement des fluides à haute vitesse en aérodynamique et hydrodynamique. Mach contribua également à la cosmologie l'hypothèse connue sous le nom de principe de Mach.

Philosophie des sciences

Empirio-criticisme

De 1895 à 1901, Mach occupa une chaire nouvellement créée pour « l'histoire et la philosophie des sciences inductives » à l'université de Vienne. Dans ses études historico-philosophiques, Mach développa une philosophie phénoménaliste des sciences qui devint influente aux XIXe et XXe siècles. Il vit initialement les lois scientifiques comme des résumés d'événements expérimentaux, construits dans le but de rendre compréhensibles les données complexes, mais souligna plus tard les fonctions mathématiques comme un moyen plus utile de décrire les apparences sensorielles. Ainsi, les lois scientifiques, bien que quelque peu idéalisées, ont davantage à voir avec la description des sensations qu'avec la réalité telle qu'elle existe au-delà des sensations.

Le but que s'est fixé la science physique est l'expression abstraite la plus simple et la plus économique des faits.

Quand l'esprit humain, avec ses pouvoirs limités, tente de se refléter dans la riche vie du monde, dont il n'est qu'une petite partie et qu'il ne peut jamais espérer épuiser, il a toutes les raisons de procéder avec économie.

En réalité, la loi contient toujours moins que le fait lui-même, car elle ne reproduit pas le fait dans sa totalité mais seulement sous cet aspect qui nous importe, le reste étant intentionnellement ou nécessairement omis.

Le positivisme de Mach influença également de nombreux marxistes russes, tels qu'Alexander Bogdanov (1873–1928). En 1908, Lénine écrivit un ouvrage philosophique, Matérialisme et empiriocriticisme (publié en 1909), dans lequel il critiqua le machisme et les vues des « machistes russes ». Ses principales critiques étaient que la philosophie de Mach menait au solipsisme et à la conclusion absurde que la nature n'existait pas avant l'humanité. Lénine cita également dans cet ouvrage le concept de l'« éther », le milieu par lequel se propageaient les ondes lumineuses, et le concept du temps comme absolu, concepts qui furent ultérieurement prouvés comme erronés par les développements scientifiques.

L'empirio-criticisme est le terme désignant la philosophie rigoureusement positiviste et radicalement empiriste établie par le philosophe allemand Richard Avenarius et développée plus avant par Mach, qui prétend que tout ce que nous pouvons connaître, ce sont nos sensations et que la connaissance devrait se limiter à l'expérience pure.

Conformément à la philosophie empirio-critique, Mach s'opposa à Ludwig Boltzmann et à d'autres qui proposaient une théorie atomique de la physique. Puisqu'on ne peut pas observer directement des choses aussi petites que les atomes, et puisqu'aucun modèle atomique à l'époque n'était cohérent, l'hypothèse atomique semblait à Mach non fondée, et peut-être pas suffisamment « économique ». Mach exerça une influence directe sur les philosophes du Cercle de Vienne et l'école du positivisme logique en général.

Mach est crédité d'un certain nombre de principes qui résument son idéal de théorisation physique — ce qu'on appelle maintenant la « physique machienne » :

1. Elle devrait être basée entièrement sur des phénomènes directement observables en accord avec ses penchants positivistes
2. Elle devrait complètement éviter l'espace et le temps absolus en faveur du mouvement relatif
3. Tout phénomène qui semblerait attribuable à l'espace et au temps absolus, par exemple l'inertie et la force centrifuge, devrait plutôt être considéré comme émergeant de la distribution à grande échelle de la matière dans l'univers.

Ce dernier est particulièrement souligné par Albert Einstein, comme « le » principe de Mach. Einstein le cita comme l'un des trois principes sous-tendant la relativité générale. En 1930, il déclara qu'« il est justifié de considérer Mach comme le précurseur de la théorie générale de la relativité », bien que Mach, avant sa mort, aurait apparemment rejeté la théorie d'Einstein. Einstein était conscient que ses théories ne remplissaient pas tous les principes de Mach, et aucune théorie ultérieure ne l'a fait non plus, malgré des efforts considérables.

Constructivisme phénoménologique

Selon Alexander Riegler, l'œuvre d'Ernst Mach a été un précurseur de la perspective influente connue sous le nom de constructivisme. Le constructivisme soutient que tout savoir est construit plutôt que reçu par l'apprenant. Il adopta une position exceptionnellement non-dualiste et phénoménologique. Le fondateur du constructivisme radical, von Glasersfeld, rendit hommage à Mach comme allié.

Physiologie

En 1873, indépendamment l'un de l'autre, Mach et le physiologiste et médecin Josef Breuer découvrirent comment le sens de l'équilibre, c'est-à-dire la perception du déséquilibre de la tête, fonctionne, en retraçant sa gestion par l'information que le cerveau reçoit du mouvement d'un fluide dans les canaux semi-circulaires de l'oreille interne. Que le sens de l'équilibre dépendait des trois canaux semi-circulaires avait été découvert en 1870 par le physiologiste Friedrich Goltz, mais Goltz n'avait pas découvert le fonctionnement de l'appareil sensoriel de l'équilibre. Mach conçut une chaise pivotante pour tester ses théories, et Floyd Ratliff a suggéré que cette expérience pourrait avoir ouvert la voie à la critique de Mach concernant une conception physique de l'espace et du mouvement absolus.

Psychologie

Dans le domaine de la perception sensorielle, les psychologues se souviennent de Mach pour l'illusion d'optique appelée bandes de Mach. L'effet exagère le contraste entre les bords des nuances légèrement différentes de gris, dès qu'ils se touchent, en déclenchant la détection des contours dans le système visuel humain.

Plus clairement que quiconque avant ou après, Mach distingua ce qu'il appelait les espaces physiologiques — spécifiquement visuels — et géométriques.

Les vues de Mach sur les structures médiatrices inspirèrent la position fortement inductive de B. F. Skinner, qui était parallèle à celle de Mach dans le domaine de la psychologie.

Éponymes

En hommage, son nom a été donné à :

• Mach, un cratère lunaire
• Les bandes de Mach, une illusion d'optique
• 3949 Mach, un astéroïde
• Le nombre de Mach, l'unité de vitesse relative à la vitesse du son

Bibliographie

Les principaux ouvrages de Mach en anglais :

• The Science of Mechanics. Traduit par McCormack, Thomas J. 4e éd.. Chicago : The Open Court Publishing Co. 1919.
• "Photographische Fixirung der durch Projectile in der Luft eingeleiteten Vorgänge". Sitzungsber. Kaiserl. Akad. Wiss., Wien, Math.-Naturwiss. Cl. en allemand. 95 Abt. II: 764–780. 1887. avec Peter Slacher
• The Analysis of Sensations 1897
• Popular Scientific Lectures 1895
• "Space and Geometry from the Point of View of Physical Inquiry". Monist. 14 1: 1–32. 1903. doi:10.5840/monist190314139. ISSN 0026-9662. avec S.J.B. Sugden
• History and Root of the Principle of the Conservation of Energy 1911
• The Principles of Physical Optics 1926
• Knowledge and Error 1976
• Principles of the Theory of Heat 1986
• Fundamentals of the Theory of Movement Perception 2001