Evangelista Torricelli : Un océan d'air

En 1643, un mathématicien toscan scella du mercure dans un tube en verre d'un mètre de long, le retourna dans un bassin et observa la colonne descendre jusqu'à s'arrêter à environ soixante-seize centimètres. L'espace vide au-dessus n'aurait pas dû pouvoir exister, selon toutes les autorités depuis Aristote. Torricelli avait créé le premier vide durable enregistré et avait construit, sans vraiment le vouloir, l'instrument qui permettrait à l'humanité de peser sa propre atmosphère. « Nous vivons submergés au fond d'un océan d'air », écrivit-il.

Jeunesse

Il est né à Rome le 15 octobre 1608 dans une famille pauvre de Faenza : son père, Gaspare Ruberti, était ouvrier textile ; sa mère était Giacoma Torricelli. Le talent du garçon dépassait les moyens de sa famille, et ce fut un oncle, Giacomo, moine camaldule, qui organisa sa scolarité. De 1624 à 1626, Torricelli étudia les mathématiques et la philosophie au collège jésuite, une formation qui lui donna l'appareil classique qu'il passerait sa carrière à démanteler.

Le cercle de Galilée

En 1626, il s'installa à Rome pour travailler sous la direction de Benedetto Castelli, mathématicien bénédictin et ancien élève de Galilée, servant initialement de secrétaire. Il y resta jusqu'en 1632 et étudia les mathématiques aux côtés de Bonaventura Cavalieri, qui devint un ami proche et dont Torricelli étendrait la méthode des indivisibles. Galilée appelait affectueusement Torricelli, Raffaello Magiotti et Antonio Nardi son « triumvirat » à Rome.

Après avoir lu le Dialogue sur les deux grands systèmes du monde de Galilée en 1632, Torricelli écrivit pour se déclarer copernicien — la seule déclaration publique de ce genre qu'il ait jamais faite, et qui précéda d'un an la condamnation de Galilée par le Vatican. En 1641, Castelli transmit le manuscrit de Torricelli sur le mouvement des projectiles au vieil homme à Arcetri. Torricelli passa les trois derniers mois de la vie de Galilée à ses côtés, agissant comme amanuensis et complétant le cinquième dialogue, que Vincenzo Viviani publia finalement en 1674.

Mathématicien du Grand-Duc

Galilée mourut le 8 janvier 1642. Plus tard cette année-là, Torricelli fut nommé mathématicien du Grand-Duc et obtint la chaire de mathématiques à l'Université de Pise, succédant, en fait, à la position scientifique la plus exposée d'Italie. En 1644, il publia Opera Geometrica, dont les solutions aux problèmes de la cycloïde établirent sa réputation parmi les mathématiciens européens.

Le baromètre

L'expérience de 1643 est née d'un problème pratique : les pompes aspirantes ne pouvaient pas élever l'eau au-delà d'une certaine hauteur. Torricelli a raisonné que si l'air avait un poids, l'atmosphère pressant sur un réservoir ouvert soutiendrait une colonne de liquide seulement jusqu'à une certaine hauteur. Le mercure, environ treize fois plus dense que l'eau, lui a permis de tester l'idée sur une table plutôt que dans un puits de mine. La colonne s'est stabilisée à environ soixante-seize centimètres, et l'espace au-dessus — le vide torricellien — était vide.

Deux révolutions ont suivi à partir d'un seul tube en verre. Le vide, que la physique scolastique avait déclaré impossible, se trouvait maintenant sur une table à Florence. Et la hauteur de la colonne variait avec les conditions, ce qui signifiait que la pression atmosphérique pouvait être mesurée. La barométrie, l'altimétrie et la prévision météorologique scientifique descendent toutes de cet après-midi-là. Torricelli est allé encore plus loin, donnant la première explication scientifique de ce qui cause le vent : les différences de température et de densité dans l'air entre une région et une autre.

Mathématiques de l'infini

Ses mathématiques étaient tout aussi audacieuses. Il a fait progresser la méthode des indivisibles de Cavalieri, un ancêtre direct du calcul intégral. Il a calculé l'enveloppe de la famille des trajectoires de projectiles — la « parabole de sécurité » au-delà de laquelle aucun tir ne peut atteindre. Il a prouvé des formules de convergence pour les séries géométriques. Et il a produit l'objet qui a ravi et troublé ses contemporains dans une égale mesure : la trompette de Torricelli, plus tard appelée trompette de Gabriel, une forme avec une surface infinie mais un volume fini. C'était une démonstration que l'infini ne se comporte pas comme l'intuition l'insiste, et cela a directement alimenté les arguments dont le calcul a émergé.

La loi de Torricelli et l'atelier

Il a également établi la relation maintenant appelée loi de Torricelli : le fluide s'échappant d'une ouverture dans un récipient s'écoule à une vitesse proportionnelle à la racine carrée de la profondeur du liquide au-dessus — reconnu plus tard comme un cas particulier du principe de Bernoulli, et la base de l'hydraulique pratique. Parallèlement à la théorie, il était un artisan exceptionnel, développant des techniques pour polir de petites lentilles en verre et construisant des télescopes et des microscopes d'une qualité exceptionnelle. Sa formulation du principe régissant le centre de gravité en équilibre complète un physicien exceptionnellement complet.

Mort à trente-neuf ans

Torricelli est mort à Florence le 25 octobre 1647, dix jours après son trente-neuvième anniversaire, probablement de la fièvre typhoïde. Lorsque ses conférences furent publiées en 1715, elles portaient une inscription qui mesurait la perte avec précision : « Ici fleurit un autre Galilée. »

Pourquoi Torricelli est important

En à peine cinq années productives, il a remis à la physique un instrument, un vide, une loi des fluides et une poignée de résultats à la frontière de l'infini. Le baromètre seul suffirait à le consacrer : il a fait de l'atmosphère un objet mesurable plutôt qu'une catégorie philosophique, et il a ouvert la ligne d'investigation que Pascal, Boyle et von Guericke poursuivraient dans la physique des gaz. Le torr, le cratère lunaire, l'astéroïde et les sous-marins de la marine italienne qui portent son nom renvoient tous à un pauvre garçon de Faenza qui a remarqué que l'air est lourd.