Il y a quelques jours, un Master of Arts, qui est encore un jeune homme, et donc destinataire d'une éducation moderne, m'a dit que jusqu'à l'âge de vingt ans, on ne lui avait jamais rien enseigné concernant les phénomènes naturels ou les lois naturelles. Douze ans de sa vie avaient été consacrés exclusivement aux anciens. Le cas, je le regrette, est typique. Or, nous ne pouvons pas, sans préjudice pour l'humanité, séparer le présent du passé.
John Tyndall était un éminent physicien irlandais du XIXe siècle. Sa célébrité scientifique initiale est née dans les années 1850 de son étude du diamagnétisme. Par la suite, il a fait des découvertes dans les domaines du rayonnement infrarouge et des propriétés physiques de l'air, prouvant le lien entre le CO2 atmosphérique et ce que l'on appelle maintenant l'effet de serre en 1859.
Tyndall a également publié plus d'une douzaine de livres scientifiques qui ont apporté la physique expérimentale de pointe du XIXe siècle à un large public. De 1853 à 1887, il a été professeur de physique à la Royal Institution of Great Britain à Londres.
Premières années et éducation
Tyndall est né à Leighlinbridge, County Carlow, en Irlande. Son père était un policier local, descendant d'émigrants du Gloucestershire qui se sont installés dans le sud-est de l'Irlande vers 1670. Tyndall a fréquenté les écoles locales Ballinabranna Primary School dans le County Carlow jusqu'à ses dix-sept ans, et était probablement un maître assistant vers la fin de son séjour là-bas. Les matières apprises à l'école comprenaient notamment le dessin technique et les mathématiques avec certaines applications de ces matières à l'arpentage des terres. Il a été engagé comme dessinateur par l'Ordnance Survey de l'Irlande à la fin de ses dix-sept ans en 1839, et a travaillé pour l'Ordnance Survey de la Grande-Bretagne en 1842. Au cours de la décennie des années 1840, un boom de construction ferroviaire était en cours, et l'expérience d'arpentage des terres de Tyndall était précieuse et très demandée par les compagnies ferroviaires. Entre 1844 et 1847, il a été grassement employé dans la planification de la construction ferroviaire.
En 1847, Tyndall a choisi de devenir professeur de mathématiques et d'arpentage au Queenwood College, un pensionnat dans le Hampshire. Se souvenant de cette décision plus tard, il a écrit : « le désir de croître intellectuellement ne m'a pas abandonné ; et, quand le travail ferroviaire a ralenti, j'ai accepté en 1847 un poste de maître au Queenwood College. » Un autre jeune maître récemment arrivé au Queenwood était Edward Frankland, qui avait précédemment travaillé comme assistant de laboratoire chimique pour le British Geological Survey. Frankland et Tyndall sont devenus de bons amis. En fonction des connaissances antérieures de Frankland, ils ont décidé d'aller en Allemagne pour approfondir leur éducation scientifique. Entre autres choses, Frankland savait que certaines universités allemandes étaient en avance sur toutes celles de Grande-Bretagne en chimie et physique expérimentales. Les universités britanniques se concentraient encore sur les classiques et les mathématiques et non sur la science de laboratoire. Le couple s'est installé en Allemagne à l'été 1848 et s'est inscrit à l'Université de Marburg, attiré par la réputation de Robert Bunsen en tant que professeur. Tyndall a étudié sous Bunsen pendant deux ans. Peut-être plus influent pour Tyndall à Marburg était le Professeur Hermann Knoblauch, avec qui Tyndall a maintenu des communications par lettre pendant de nombreuses années par la suite. La dissertation de Tyndall à Marburg était une analyse mathématique des surfaces de vis en 1850 sous Friedrich Ludwig Stegmann. Tyndall est resté en Allemagne une année supplémentaire en faisant de la recherche sur le magnétisme avec Knoblauch, y compris quelques mois de visite au laboratoire de Berlin du principal maître de Knoblauch, Heinrich Gustav Magnus. Il est clair aujourd'hui que Bunsen et Magnus étaient parmi les meilleurs instructeurs de science expérimentale de l'époque. Ainsi, quand Tyndall est revenu vivre en Angleterre à l'été 1851, il avait probablement aussi bonne une éducation en science expérimentale que n'importe qui en Angleterre.
Premiers travaux scientifiques
Les premiers travaux originaux de Tyndall en physique ont été ses expériences sur le magnétisme et la polarité diamagnétique, sur lesquelles il a travaillé de 1850 à 1856. Ses deux rapports les plus influents ont été les deux premiers, co-auteurs avec Knoblauch. L'un d'eux était intitulé « The magneto-optic properties of crystals, and the relation of magnetism and diamagnetism to molecular arrangement », datant de mai 1850. Les deux ont décrit une expérience inspirée, avec une interprétation inspirée. Ces investigations magnétiques et d'autres ont très bientôt rendu Tyndall connu parmi les principaux scientifiques de l'époque. Il a été élu Fellow of the Royal Society en 1852. Dans sa recherche d'une nomination de recherche appropriée, il a pu demander à l'éditeur de longue date du principal journal de physique allemand Poggendorff et à d'autres hommes éminents de rédiger des témoignages en sa faveur. En 1853, il a obtenu la prestigieuse nomination de Professeur de Philosophie Naturelle Physique à la Royal Institution à Londres, en grande partie grâce à l'estime que ses travaux avaient suscitée de la part de Michael Faraday, le chef des investigations magnétiques à la Royal Institution. Environ une décennie plus tard, Tyndall a été nommé successeur aux postes occupés par Michael Faraday à la Royal Institution à la retraite de Faraday.
Alpinisme et glaciologie
Tyndall a visité les Alpes en 1856 pour des raisons scientifiques et a fini par devenir un alpiniste pionnier. Il a visité les Alpes presque chaque été à partir de 1856, était membre de la toute première équipe de montagne à atteindre le sommet du Weisshorn en 1861, et leader d'une des premières équipes à atteindre le sommet du Matterhorn en 1868. Il est l'un des noms associés à l'« âge d'or de l'alpinisme » — les années de l'époque victorienne moyenne quand les pics alpins les plus difficiles ont été gravis pour la première fois.
Dans les Alpes, Tyndall a étudié les glaciers, et en particulier le mouvement des glaciers. Son explication de l'écoulement glaciaire l'a mis en conflit avec d'autres, notamment James David Forbes. La plupart des premiers travaux scientifiques sur le mouvement des glaciers avaient été effectués par Forbes, mais Forbes à l'époque ne connaissait pas le phénomène de régélation qui a été découvert un peu plus tard par Michael Faraday. La régélation a joué un rôle clé dans l'explication de Tyndall. Forbes ne voyait pas la régélation de la même manière du tout. Compliquant leur débat, un désaccord s'est élevé publiquement sur qui méritait d'être crédité pour quoi. Les amis éloquents de Forbes, ainsi que Forbes lui-même, pensaient que Forbes devrait obtenir le crédit pour la plupart de la bonne science, tandis que Tyndall pensait que le crédit devrait être distribué plus largement. Tyndall a commenté : « L'idée du mouvement semi-fluide appartient entièrement à Louis Rendu ; la preuve du flux central plus rapide appartient en partie à Rendu, mais presque entièrement à Louis Agassiz et Forbes ; la preuve du retard du lit appartient à Forbes seul ; tandis que la découverte du locus du point de mouvement maximal m'appartient, je suppose. » Quand Forbes et Tyndall ont été dans la tombe, leur désaccord a été poursuivi par leurs respectifs biographes officiels. Tout le monde a essayé d'être raisonnable, mais l'accord n'a pas été atteint. Plus décevant, certains aspects du mouvement des glaciers restaient mal compris ou non prouvés.
Tyndall Glacier situé au Chili et Tyndall Glacier au Colorado ont été nommés d'après John Tyndall, tout comme Mount Tyndall en Californie et Mount Tyndall en Tasmanie.
Principal travail scientifique
Le travail sur les glaciers a alerté Tyndall sur la recherche de de Saussure sur l'effet de chauffage de la lumière du soleil, et le concept de Fourier, développé par Pouillet et William Hopkins ; que la chaleur du soleil pénètre l'atmosphère plus facilement que la chaleur « obscure » rayonnement infrarouge « rayonnement terrestre » de la Terre réchauffée, causant ce que nous appelons maintenant l'effet de serre. Au printemps 1859, Tyndall a commencé une recherche sur la manière dont le rayonnement thermique, à la fois visible et obscur, affecte différents gaz et aérosols. Il a développé la spectroscopie d'absorption différentielle en utilisant la thermopile électromagnétique conçue par Melloni. Tyndall a commencé des expériences intensives le 9 mai 1859, d'abord sans résultats significatifs, puis a amélioré la sensibilité de l'appareil et le 18 mai a écrit dans son journal « Expérimenté toute la journée ; le sujet est complètement en mes mains ! » Le 26 mai, il a présenté à la Royal Society une note qui décrivait ses méthodes, et déclarait « À l'exception du célèbre mémoire de M. Pouillet sur le Rayonnement Solaire à travers l'atmosphère, rien, autant que je sache, n'a été publié sur la transmission de la chaleur rayonnante à travers les corps gazeux. Nous ne savons rien de l'effet même de l'air sur la chaleur rayonnée à partir de sources terrestres. »
Le 10 juin, il a démontré la recherche lors d'une conférence de la Royal Society, notant que le gaz de charbon et l'éther absorbaient fortement la chaleur rayonnante infrarouge, et sa confirmation expérimentale du concept d'effet de serre ; que la chaleur solaire traverse une atmosphère, mais « quand la chaleur est absorbée par la planète, elle est tellement changée en qualité que les rayons émanant de la planète ne peuvent pas revenir aussi librement dans l'espace. Ainsi l'atmosphère admet l'entrée de la chaleur solaire ; mais entrave sa sortie, et le résultat est une tendance à accumuler la chaleur à la surface de la planète. »
Les études de Tyndall sur l'action de l'énergie rayonnante sur les constituants de l'air l'ont conduit à plusieurs lignes d'enquête, et ses résultats de recherche originaux comprenaient les suivants :
- Tyndall a expliqué la chaleur dans l'atmosphère terrestre en termes de capacités des différents gaz de l'air à absorber la chaleur rayonnante, sous la forme du rayonnement infrarouge. Son appareil de mesure, qui utilisait la technologie de la thermopile, est un point de repère précoce dans l'histoire de la spectroscopie d'absorption des gaz. Il a été le premier à mesurer correctement les pouvoirs d'absorption infrarouge relatifs des gaz azote, oxygène, vapeur d'eau, dioxyde de carbone, ozone, méthane et autres gaz et vapeurs traces. Il a conclu que la vapeur d'eau est le plus fort absorbant de chaleur rayonnante dans l'atmosphère et est le principal gaz contrôlant la température de l'air. L'absorption par les autres gaz n'est pas négligeable mais relativement faible. Avant Tyndall, il était largement supposé que l'atmosphère terrestre réchauffe la surface dans ce qui a été appelé plus tard un effet de serre, mais il a été le premier à le prouver. La preuve était que la vapeur d'eau absorbait fortement le rayonnement infrarouge. De manière correspondante, Tyndall en 1860 a été le premier à démontrer et à quantifier que les gaz visuellement transparents sont des émetteurs infrarouge.
- Il a conçu des démonstrations qui ont avancé la question de la manière dont la chaleur rayonnante est absorbée et émise au niveau moléculaire. Il semble être la première personne à avoir démontré expérimentalement que l'émission de chaleur dans les réactions chimiques a son origine physique dans les molécules nouvellement créées en 1864. Il a produit des démonstrations instructives impliquant la conversion incandescente de l'infrarouge en lumière visible au niveau moléculaire, qu'il a appelée caloréscence en 1865, dans laquelle il a utilisé des matériaux qui sont transparents aux infrarouges et opaques à la lumière visible ou vice versa. Il se référait généralement aux infrarouges comme « chaleur rayonnante », et parfois comme « ondulations ultra-rouges », car le mot « infrarouge » n'a commencé à être utilisé que dans les années 1880. Ses principaux rapports des années 1860 ont été republié comme une collection de 450 pages en 1872 sous le titre Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat.
- Dans les investigations sur la chaleur rayonnante dans l'air, il avait été nécessaire d'utiliser l'air dont toutes les traces de poussière flottante et d'autres particules avaient été supprimées. Un moyen très sensible de détecter les particules est de baigner l'air avec une lumière intense. La diffusion de la lumière par les impuretés particulaires dans l'air et d'autres gaz, et dans les liquides, est connue aujourd'hui sous le nom d'Effet Tyndall ou Diffusion Tyndall. En étudiant cette diffusion à la fin des années 1860, Tyndall a bénéficié des améliorations récentes des lumières alimentées électriquement. Il avait aussi l'utilisation de bons concentrateurs de lumière. Il a développé le néphélomètre et des instruments similaires qui montrent les propriétés des aérosols et des colloïdes à travers des faisceaux de lumière concentrée sur un fond sombre et sont basés sur l'exploitation de l'Effet Tyndall. Lorsqu'il est associé à des microscopes, le résultat est l'ultramicroscope, qui a été développé plus tard par d'autres.
- Il a été le premier à observer et à signaler le phénomène de thermophore dans les aérosols. Il l'a repéré autour d'objets chauds tout en enquêtant sur l'Effet Tyndall avec des faisceaux de lumière focalisée dans une pièce sombre. Il a conçu un meilleur moyen de le démontrer, puis l'a simplement signalé en 1870, sans enquêter en profondeur sur la physique de celui-ci.
- Dans les expériences de chaleur rayonnante qui exigeaient beaucoup d'expertise de laboratoire au début des années 1860, il a montré pour une variété de liquides facilement volatilisables que, molécule pour molécule, la forme vapeur et la forme liquide ont essentiellement la même puissance d'absorption de chaleur rayonnante. Dans les expériences modernes utilisant des spectres à bande étroite, certaines petites différences sont trouvées que l'équipement de Tyndall n'a pas pu obtenir ; voir par exemple le spectre d'absorption de H2O.
- Il a consolidé et amélioré les résultats de Desains, Forbes, Knoblauch et d'autres démontrant que les propriétés principales de la lumière visible peuvent être reproduites pour la chaleur rayonnante — à savoir la réflexion, la réfraction, la diffraction, la polarisation, la dépolarisation, la double réfraction, et la rotation dans un champ magnétique.
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