Helmholtz, le savant total

Helmholtz : dans une lettre à sa future épouse Mileva Marić, Albert Einstein affirmait l’admirer chaque jour davantage. Ludwig Boltzmann, Heinrich Hertz et Max Planck, qui furent ses élèves à Berlin, lui vouaient un extraordinaire respect. Le jeune Sigmund Freud l’appelait son « idole scientifique ». Ses idées sur l’histoire de la musique ont influencé le sociologue Max Weber. Moritz Schlick, fondateur et animateur du Cercle de Vienne, saluait en lui un authentique théoricien de la connaissance. Et quand il est mort, en 1894, à l’âge de 73 ans, la communauté scientifique allemande entière a eu le sentiment de perdre son représentant le plus emblématique. En dehors de l’Allemagne, Hermann von Helmholtz n’occupe cependant pas dans le panthéon des grandes figures populaires de la science du XIXe siècle une place aussi visible que Pasteur ou Darwin, dont les noms sont étroitement associés à une découverte ou à une théorie. Médecin de formation, physicien par vocation, s’intéressant à la philosophie et aux arts, il a presque toujours travaillé à la frontière des disciplines, important dans certains domaines des idées et des méthodes élaborées dans d’autres. « Il appartenait, écrit Jacques Bouveresse, à l’espèce relativement rare des grands savants dont on peut dire qu’ils ont été à la fois des théoriciens exceptionnellement créatifs et des expérimentateurs incomparables. » Le plus souvent, son apport au progrès des connaissances a consisté à combiner dans l’étude de sujets tels que la vision ou l’audition – jusque-là surtout abordés à l’aide d’idées générales – des expérimentations ingénieuses à l’aide d’instruments qu’il adaptait ou inventait lui-même et un traitement mathématique rigoureux. Esprit perpétuellement en quête de synthèse, il s’appuyait sur les travaux de ses prédécesseurs, dont il améliorait les observations et perfectionnait les théories. Parce qu’il abandonnait assez rapidement les sujets d’étude qui l’occupaient, ce sont souvent ses successeurs qui ont tiré les conséquences de ses idées. Donner une vue d’ensemble de sa vie et de ses réalisations n’est donc pas aisé. Longtemps, sa seule biographie a été celle, en trois volumes, publiée peu après sa mort par son ami le mathématicien Leo Königsberger. D’un ton hagiographique, elle consiste largement en extraits de ses textes scientifiques et de ses conférences. S’appuyant sur un travail de trente ans et des archives récemment rendues accessibles ou dispersées dans le monde entier, David Cahan vient de livrer ce qui devrait demeurer longtemps la meilleure et la plus complète biographie du savant. L’ouvrage fait une large place, à côté de ses travaux, à sa vie personnelle et à sa carrière professionnelle.  

Rupture avec le « vitalisme »

La famille de Helmholtz appartenait à la bildungsbürgertum (bourgeoisie moyenne cultivée) de Potsdam. Son père enseignait dans le lycée de la ville. Ami du fils du philosophe idéaliste Johann Gottlieb Fichte, animé par un amour profond de la culture et une fervente foi protestante, il veilla à ce que son fils reçoive la solide formation humaniste, à la fois scientifique et littéraire, que l’élite allemande donnait à ses enfants. Élève brillant dans toutes les matières, Helmholtz était surtout intéressé par la physique. Ses parents ne pouvant lui offrir l’université, il s’inscrivit à l’Institut de médecine de l’armée, à Berlin, étroitement associé à la faculté de médecine de l’université et à l’hôpital de la Charité. Il pouvait en suivre l’enseignement gratuitement à condition de s’engager à servir comme médecin et chirurgien militaire. Dans l’entourage de ses professeurs Johan Müller et Heinrich Magnus, il fit la connaissance d’Emil du Bois-Reymond, d’Ernst Wilhelm von Brücke et de Carl Ludwig. Ensemble, les quatre hommes, qui restèrent liés toute leur vie, allaient s’employer à bâtir, en rupture avec le « vitalisme » et la pensée médicale inspirée par la Naturphilosophie de Schelling et de Goethe, une physiologie et une médecine scientifiques fondées sur l’expérimentation et l’idée que des mécanismes physico-chimiques suffisent à expliquer la totalité des phénomènes organiques. À l’institut et dans les différentes casernes où il fut affecté, Helmholtz réalisa dans cet esprit des travaux sur divers sujets, tels que la fermentation et la putréfaction. « Ses recherches dans ce domaine, lit-on dans un ouvrage dirigé par David Cahan, [permirent] de combler des lacunes et de réduire les incertitudes. [Ses] expérimentations fournissaient assez de preuves pour démontrer que des micro-organismes étaient à l’origine des deux phénomènes. Mais la question demeura ouverte et la théorie chimique de la décomposition conserva son influence jusqu’à sa spectaculaire réfutation par Louis Pasteur, deux décennies plus tard. » Ses recherches sur les modifications chimiques du muscle en contraction furent plus concluantes. Contre les thèses vitalistes, elles établirent que la force mécanique et la chaleur dégagées lors de la contraction proviennent des seules réserves énergétiques contenues dans le muscle. Dans le même esprit, Helmholtz parvint à mesurer la transmission de l’influx nerveux, démontrant que, loin d’être instantanée comme le voulaient les vitalistes, elle s’effectuait à une vitesse équivalant à plus ou moins un dixième de celle du son.   Grâce à l’intervention d’Alexander von Humboldt, que ses talents avaient impressionné, il fut libéré du reste de ses obligations envers l’armée et put se présenter à des postes à l’université. À l’Académie de Berlin puis, successivement, aux universités de Königsberg, Bonn et Heidelberg, il poursuivit ses recherches en physiologie. C’est dans le domaine de l’optique physiologique qu’il réalisa son exploit le plus fameux : la mise au point de l’ophtalmoscope, un instrument qui, grâce à l’utilisation d’un rayon lumineux passant à travers une lame de verre semi-réfléchissante, permet d’observer la rétine et ses vaisseaux sanguins. En donnant le moyen de visualiser les changements intervenant à l’intérieur du globe oculaire, l’ophtalmoscope améliora le diagnostic et le traitement des affections de la rétine, de la cataracte et du glaucome. Son invention, que Helmholtz attribuait au fait qu’il connaissait « davantage de physique que les médecins et davantage de physiologie et de médecine que les physiciens », fut saluée par la communauté médicale. Helmholtz conçut un autre instrument, l’ophtalmomètre, pour étudier le phénomène d’accommodation en mesurant la courbure de la cornée et du cristallin. Ses travaux sur la vision des couleurs complétèrent la théorie du spectre lumineux de Newton en distinguant le mélange des couleurs par synthèse additive (combinaison de faisceaux lumineux) et synthèse soustractive (mélange de pigments). Parallèlement à Maxwell, et sans doute en partie influencé par lui, il proposa une version améliorée du modèle de perception des couleurs de Young, fondée sur l’idée qu’existent, dans la rétine, trois types de récepteurs sensibles aux longueurs d’onde des trois couleurs primaires, le rouge, le vert et le bleu. Elle permettait notamment de rendre compte des phénomènes de contraste et d’images persistantes, bien décrits mais mal expliqués par Goethe dans le cadre de sa théorie des couleurs, subjective et d’inspiration artistique.  

Inventeur de plusieurs instruments

Il a aussi mené de nombreuses recherches en acoustique physiologique et en théorie de la musique, deux domaines liés dans ses travaux. Pour étudier les sons musicaux et leur perception, il inventa plusieurs instruments : une sirène double qu’il utilisait pour produire des combinaisons de sons de hauteurs différentes, un oscillateur à diapason engendrant des sons simples d’une grande pureté en continu et un résonateur sphérique, dont on plaçait une des ouvertures dans l’oreille pour identifier les harmoniques d’un son donné. On savait que la hauteur d’un son dépend de la fréquence de la vibration et son intensité, de son amplitude. Il démontra que sa troisième caractéristique fondamentale, le timbre, qui distingue un instrument d’un autre, est fonction du nombre et de la nature des harmoniques produits (les multiples de la fréquence fondamentale). Si l’œil fonctionne comme un instrument d’optique, l’oreille, disait-il, analyse les composantes des ondes sonores selon les principes de Fourier. Dans l’esprit de Helmholtz, l’organe assurant cette opération était la membrane basilaire, une des membranes présentes dans la cochlée, au cœur de l’oreille interne, dont il pensait qu’elle vibrait comme un ensemble de cordes de piano. On sait aujourd’hui que le mécanisme en cause est différent, mais son analyse conserve l’essentiel de sa valeur. « Helmholtz, souligne David Cahan, enracinait sa théorie de l’harmonie musicale dans l’anatomie de l’oreille et la physique des ondes sonores, exactement comme il avait enraciné sa théorie de la perception visuelle dans l’anatomie et la physiologie de l’œil et la physique des ondes lumineuses. Mais il ne “réduisait” pas ses théories de l’audition et de la vision à ces phénomènes organiques et physiques. Il a toujours maintenu qu’elles comportaient une composante psychologique. » De fait, tout son effort a constamment tendu à distinguer ce qui, dans la perception visuelle et sonore, relevait de la physique, de la physiologie et de la psychologie. En matière musicale, il reconnaissait de surcroît le rôle joué par l’histoire et la tradition culturelle : « Le système des tonalités, des modes et de leur tissu harmonique ne repose pas sur les lois immuables de la nature mais est la conséquence de principes esthétiques qui ont varié avec le développement progressif de l’humanité et varieront encore. » Les recherches de Helmholtz sur les bases de l’harmonie et les phénomènes de consonance et de dissonance le conduisirent, un peu curieusement, à critiquer la gamme tempérée, division de la gamme en 12 intervalles égaux mise au point au XVII^e siècle pour permettre aux musiciens de jouer des morceaux de complexité croissante sans changer constamment de tonique. Il lui semblait en effet que, dans ce système, certains accords (par exemple la quinte, la tierce et la sixte en do majeur) produisaient des « sons résultants » (une catégorie de sons secondaires dont il avait lui-même identifié un type particulier) discordants et désagréables. Sur l’harmonium qu’il s’était fait construire, sur lequel on pouvait passer de la gamme tempérée à la gamme naturelle en changeant simplement de registre, il affirmait entendre entre les sons produits dans les deux cas des différences dont il n’est pas exclu de penser que seule son oreille exercée pouvait les percevoir. Une fois nommé à Berlin, Helmholtz se désintéressa de la physiologie pour se consacrer entièrement à la physique. Sa réalisation la plus remarquable dans ce domaine date toutefois de la période précédente. Dans le prolongement de ses travaux sur le métabolisme musculaire, il avait énoncé un des principes fondamentaux de la physique, celui de la conservation de l’énergie (selon lequel la quantité totale d’énergie dans un système clos est constante), dans une formulation qui avait le mérite de commencer à distinguer le concept d’énergie de celui de force utilisé par Newton, et de clarifier les notions d’énergie potentielle et d’énergie cinétique. Ses recherches ultérieures se situent dans le domaine de l’électromagnétisme, dans lequel, en dépit de résultats intéressants, sa contribution a essentiellement consisté à favoriser la diffusion des idées de Maxwell en Allemagne et à stimuler d’autres chercheurs. En hydrodynamique, on retiendra sa découverte des lois du mouvement dans les vortex et, en météorologie, sa théorie convective (thermale) des cyclones, « demeurée la théorie dominante jusqu’à son remplacement par la théorie des fronts polaires au XX^e siècle », comme le souligne Cahan. Bien que n’étant pas chimiste de métier, Helmholtz occupe une place dans l’histoire de la thermodynamique chimique pour avoir identifié (en même temps que l’anglais Gibbs et indépendamment de lui) l’énergie libre d’un système, la proportion de son énergie totale pouvant être convertie en d’autres formes que la chaleur. Ses travaux sur les géométries non euclidiennes ont aidé à préparer l’utilisation des idées de Riemann par Einstein dans la théorie de la relativité générale. Durant les dernières de sa vie, il déploya en vain des efforts pour établir, à partir du principe de moindre action 1 sous la forme où il a été exprimé par le mathématicien Hamilton, l’unité intellectuelle des différentes disciplines.  

Helmholtz, antisémite ?

Helmholtz s’est marié deux fois. Sa première femme, Olga, est morte très jeune après lui avoir donné deux enfants. Peu de temps après, il épousait Anna, dont il eut trois autres enfants. Olga et Anna étaient toutes deux des femmes cultivées, vives et spirituelles, qui l’admiraient profondément. L’une et l’autre l’ont occasionnellement aidé dans la conduite de ses travaux, à côté de la gestion de son foyer et de l’organisation de son intense vie sociale : à Berlin, son salon était le lieu de rendez-vous d’une foule de savants, d’artistes et de dignitaires de la cour. De ses cinq enfants, trois (dont sa fille aînée, morte à l’âge de 27 ans) étaient physiquement ou psychologiquement fragiles. En même temps qu’une source de joie, sa famille était donc pour lui un objet constant de préoccupation, dont il allégeait le poids par la pratique de la musique et de la randonnée. Lui-même était depuis l’enfance d’une santé délicate, que son activité débordante et un rythme de travail effréné mettaient constamment en danger. En sus de ses incessantes activités de recherche, il exerçait de multiples responsabilités dans l’administration de la science. Mais il est loin d’avoir laissé le souvenir d’un professeur remarquable. « Il est évident, reconnaît Max Planck, que Helmholtz ne préparait jamais correctement ses cours. […] Nous avions clairement l’impression que les leçons l’ennuyaient autant que nous ». Il vivait entouré de scientifiques juifs, parmi lesquels il a souvent choisi ses collaborateurs, et comptait beaucoup de juifs parmi ses amis. Cela n’a pas empêché certains de s’interroger sur son possible antisémitisme. « En science comme dans la vie sociale, souligne Cahan, Helmholtz jugeait les gens en tant qu’individus, en fonction de leur talent et des attraits de leur personnalité. Il ne manifestait en revanche aucune solidarité, aucune sympathie même à l’égard des juifs en tant que groupe ethnique ou religieux, bien qu’il connût les discriminations […] dont ils faisaient l’objet depuis longtemps en Allemagne et en Europe. »  

Le dernier héritier des Lumières

À la fin de sa vie, il avait hérité de Humboldt le titre de grand homme de la science allemande. Anobli en 1883, s’appelant désormais von Helmholtz, il était devenu une figure populaire grâce à ses essais et ses conférences publiques. Autour d’un thème central que Cahan identifie comme celui du « pouvoir civilisateur de la science », il y présentait les résultats de ses travaux, des réflexions sur les grands problèmes scientifiques et philosophiques, ses vues sur l’art ou la mission des universités. Construit autour de l’idée de liberté de recherche et d’enseignement, le modèle universitaire allemand lui paraissait supérieur à celui d’Oxford et de Cambridge, trop marqué à ses yeux par la tradition scolastique et, plus encore, au système français, trop rigide et centralisé. Il n’avait, il faut dire, qu’une connaissance indirecte de l’université française, et son jugement sur Oxford et Cambridge était fondé sur la manière dont ces deux universités fonctionnaient avant la réforme de 1854. Dans les dernières pages de son livre, David Cahan décrit comment, après sa mort, « la famille de Helmholtz, la communauté scientifique et technique, les institutions allemandes de toutes sortes, les historiens, philosophes, journalistes et les régimes politiques successifs, de l’Allemagne impériale à la République fédérale, se sont employés à façonner l’héritage de Helmholtz à leur propre usage [et l’ont transformé] en une figure mythique, une idole ou une icône de la culture allemande ». Sa statue est érigée non loin de celle de Humboldt à l’université Humboldt de Berlin, et la plus grande association allemande de centres de recherche, créée en 1995, porte son nom. Helmholtz peut être considéré comme le dernier héritier des Lumières, avec les idéaux desquelles, en dépit de certaines composantes romantiques de sa personnalité, il renouait. En science comme en art, son goût allait à la simplicité, l’ordre, la régularité, l’harmonie et la recherche des lois universelles. En même temps, il était l’incarnation du triomphe de la science classique du XIX^e siècle. Mais ses travaux ont également contribué à former la génération de physiciens qui, au XXe siècle, développeront de nouveaux paradigmes scientifiques : la thermodynamique statistique, la physique probabiliste des quanta et la relativité. On a souvent dit qu’il avait été influencé par Kant, dont sa conception empirique de l’espace l’éloignait pourtant beaucoup, et par Fichte. Si c’est le cas, les idées de ces deux penseurs étaient, chez lui, fortement « naturalisées ». Sa vision de la science était claire, puissante et robuste. Ainsi que l’atteste la conférence sur Goethe qu’il a donnée à la fin de sa vie, dans laquelle il nuançait le jugement sévère qu’il portait sur le poète de Weimar quelques années auparavant, son immense confiance dans les méthodes de la science s’accompagnait du sentiment de ses limites et de la reconnaissance de l’existence, à côté des sciences de la nature et des mathématiques, d’autres formes de connaissance, comme les sciences humaines, la littérature et l’art sous ses différentes formes. Une telle ouverture d’esprit caractérise souvent les plus grands savants.   — Michel André, philosophe de formation, a travaillé sur la politique de recherche et de culture scientifique au niveau international. Né et vivant en Belgique, il a publié Le Cinquième parallèle. Petit essai sur les choses de l’esprit. (L’Harmattan, 2008). — Cet article a été écrit pour Books.

Notes

1. Le principe de moindre action énonce que la grandeur caractérisant globalement l’état et l’évolution d’un système physique, appelée « action », tend à être minimale entre deux instants suffisamment proches.

Pour aller plus loin

♦ Helmholtz. Des Lumières aux neurosciences, de Michel Meulders (Odile Jacob, 2001).

♦ Percevoir la musique. Helmholtz et la théorie physiologique de la musique, de Jacques Bouveresse (éditions L’improviste, 2016).