Le cerf-volant de Benjamin Franklin, un canard ?

En ce milieu du XVIII^e siècle, de nombreux phénomènes électrostatiques sont connus, comme l'électrisation par frottement, la différence entre un conducteur électrique et un isolant, les phénomènes d'attraction et répulsion… Des étincelles sont produites, observées et étudiées, de même que des feux de Saint-Elme ainsi que diverses lueurs obtenues dans des atmosphères raréfiées, comme dans l'espace vide au sommet d'un baromètre de Torricelli ou dans des récipients vidés de leur air à l'aide d'une « machine pneumatique », ou pompe, disponible depuis cent ans. On expérimente également avec des bouteilles de Leyde inventées depuis peu (1746) et les physiciens disposent de différents types de machines électrostatiques.

Figure 1.  Bouteilles de Leyde Gauche : Coupe d'une bouteille de Leyde - Source E.Drincourt, Wikimedia. Droite : Bouteilles de Leyde, Musée Ampère - Source Phénomène fondamentaux d'électricité, C. Barberon.

En somme, les expériences et phénomènes connus sont très nombreux, mais il n'existe aucune théorie vraiment satisfaisante en mesure de rendre compte de l'ensemble des observations. Selon certaines théories, une seule espèce d'électricité serait présente, selon d'autres il y en aurait deux. Les défenseurs de la première, dont Benjamin Franklin (1706-1790) était le principal théoricien, se concentraient plutôt sur la charge et la décharge des objets électrisés, notamment de la bouteille de Leyde, alors que les partisans de la seconde, dont l'abbé Jean-Antoine Nollet (1700-1770), s'intéressaient davantage aux effets attractif et répulsif. En effet, il était difficile d'expliquer comment un manque de « fluide électrique » dans deux corps pouvait les amener à se repousser, à moins d'admettre l'existence d'un deuxième fluide, en excès relatif lorsque le premier venait à manquer.

Mais il y avait aussi d'autres débats, l'électrisation d'un objet est-elle due à un échange de quelque chose, un gain ou une perte, ou s'agit-il plutôt d'un « état d'excitation » du ou des fluides de l'objet ? Les choses étaient loin d'être claires et nous n'allons pas détailler cela, car non indispensable pour la suite. Malgré tout, il est intéressant de noter que pour mettre sur pied sa théorie du fluide unique (1747), et ce dans le but de rendre compte des phénomènes observés avec la bouteille de Leyde, Franklin s'inspire d'un de ses propres écrits datant de 1725, Dissertation sur la liberté et la nécessité, le plaisir et la douleur où il affirme que la somme de la souffrance et du bonheur dans la vie d'une personne est toujours égale à zéro. Plus de vingt ans plus tard, il s'appuie sur ce même principe pour élaborer sa propre théorie de l'électricité. La somme de ce qui est en plus ou en moins doit être égale à zéro. Si le fluide électrique est présent en une quantité qui dépasse un certain seuil, le corps est dit chargé positivement. En dessous du seuil, il est dit chargé négativement.

Parmi les phénomènes que l'on cherche à expliquer, il y a l'effet de pointe. Il consiste en ceci : une surface métallique pointue, chargée et isolée, perd son électrisation plus rapidement qu'une surface lisse. Inversement, l'expérience montre aussi qu'une surface métallique lisse chargée se neutralise plus rapidement si une pointe métallique reliée à la Terre est placée en son voisinage et orientée vers elle. L'ensemble de ces deux phénomènes constitue ce que l'on appelle « le pouvoir des pointes ».

La similarité des étincelles produites en laboratoire avec les éclairs et la foudre interpellent. Forme en zigzag, bruit, éclat, odeur d'ozone, et les effets produits, notamment la capacité à déclencher un incendie, incitent certains à supposer que la foudre est un phénomène électrique. Benjamin Franklin admet cela à partir de 1749. C'est pour tester cette hypothèse qu'il imagine deux expériences. Son objectif est de récolter un peu de « fluide électrique » - présent en raison de l'électrisation supposée du nuage orageux - à l'aide d'une pointe métallique située en hauteur, avant de le conduire vers le bas pour le récolter sous forme d'une petite étincelle examinable. Si cette dernière est identique aux étincelles produites en laboratoire, cela prouverait la nature électrique de la foudre. Dans la première expérience que Franklin imagine, la pointe est une longue tige métallique dressée verticalement au sommet d'un immeuble haut. C'est l'expérience dite de Philadelphie. Dans la seconde, elle est beaucoup plus petite et légère, mais transportée très haut grâce à un cerf-volant.

Le texte présenté figure 2 est la lettre que Franklin rédige le 1^er octobre 1752 et adresse au botaniste britannique Peter Collinson (1694-1768) membre de la Royal Society de Londres avec qui il était en correspondance depuis la Philadelphie aux Etats-Unis.

Ce dernier lui avait d'ailleurs fourni des dispositifs pour faire des expériences d'électrostatique. La lettre est lue à la Royal Society le 21 décembre 1752 puis publiée dans le volume 1751-1752 des Philosophical Transactions [1]. Elle apparaît également dans des journaux et magazines populaires (parfois avec des différences très mineures) en particulier dans la Pennsylvania Gazette (19/10/1752) dirigée à cette époque par Franklin lui-même. Le texte est reproduit aussi - toutefois sans le dernier paragraphe - dans le livre de Franklin, Experiments and Observations on Electricity, une compilation de lettres relatives à l'électricité échangées avec ses correspondants. La première édition de ce livre datant de 1751, le texte n'y figure pas, mais il est publié par exemple dans l'édition de 1769 [2]. On peut également le lire en français dans la traduction de ce livre faite par le botaniste Thomas François D'Alibard (1709-1778) à la demande de Buffon (1707-1788) [3], ce dernier admirant la démarche expérimentale de Franklin, mais rejetant voire dénigrant l'approche de l'abbé Nollet dont les explications lui paraissaient toujours ad hoc. La traduction est précédée de deux ajouts, d'une part un « avertissement » où D'Alibard fait l'éloge de Franklin, d'autre part une Histoire abrégée de l'électricité qui, malgré ses soixante-dix pages, ignore royalement l'abbé Nollet, jamais cité…

Figure 2.  Correspondance de Benjamin Franklin à Peter Collinson Source : Philosophical Transactions, volume 1751-1752 [1].

Franklin démarre sa lettre en évoquant le succès en Europe de l'expérience de Philadelphie, soit la première expérience qu'il a imaginée : dresser une longue tige au sommet d'un immeuble haut. Elle a été faite la toute première fois de manière un peu différente mais avec succès à Marly en mai 1752. Nous y reviendrons. Aussitôt après, Franklin annonce que cette même expérience a été réalisée d'une manière plus simple à Philadelphie, cette fois avec un cerf-volant dont il en indique la confection. L'expérience avec le cerf-volant est très célèbre, de nombreuses peintures et gravures l'illustrent, quoique de manière souvent différente les unes des autres, Franklin étant parfois seul, d'autres fois accompagné d'un petit enfant, ou d'un adulte, le paysage et l'environnement variant également d'une représentation à l'autre, figure 3.

Figure 3.  Gravures de l'expérience avec le cerf-volant de Franklin Sources : a, 1752, Wikipedia ; b, IEEE Spectrum ; c, USHistory et d, American Kitefliers Association.

La littérature relatant ce fameux épisode de l'histoire de l'électricité est elle-même abondante, si abondante que le récit de Franklin a fini par être considéré comme un fait indiscutable. C'est justement l'objet de cette analyse, montrer qu'elle pourrait être une belle légende, Franklin n'ayant peut-être jamais fait cette expérience.

Pourquoi en douter ? Parce que tout cela ne repose finalement que sur ce seul écrit de Franklin (traduction de D'Alibard) [3].

Figure 4.  Texte qui présente le succès de l'expérience de Franklin Source : B. Franklin, Expériences et observations sur l'électricité, seconde édition, Tome second, p.181, Durand, 1756. Traduction de D'Alibard [3].

Il convient de remarquer qu'outre le fait que Franklin ne dit pas explicitement avoir fait l'expérience, il n'en donne aucune autre précision. Ni lieu, ni date, ni s'il y avait des témoins, ni le déroulement de l'expérience, alors qu'il était coutume à l'époque d'indiquer de très nombreux détails avec le plus grand soin et de manière très précise, allant même jusqu'à indiquer l'heure à la minute près. Nous verrons justement cela lorsqu'il sera question de l'expérience de Marly. Il est donc très surprenant que Franklin soit aussi négligeant dans la description de cette expérience extraordinaire.

En fait, il relate cet épisode une seconde fois, mais quinze ans plus tard, dans un livre publié en 1767 relatif à l'histoire de l'électricité écrit par son ami Joseph Priestley (1733-1804), le célèbre chimiste [4]. En effet, ce dernier avait demandé de l'aide à Franklin pour la rédaction de certains passages de son livre. Priestley apporte trois précisions. Tout d'abord la date approximative, juin 1752. Ensuite, l'auteur de l'expérience, Franklin lui-même. Enfin, la présence d'un témoin, le fils de Franklin, alors âgé de 21 ans. Sachant cela, on est en droit d'être surpris, car si l'expérience a été réalisée en juin 1752, pourquoi avoir attendu le mois d'octobre pour la relater ? Tout le monde avait l'habitude d'annoncer sans tarder les résultats et découvertes les plus importants. Justement, un des correspondants de Franklin, Cadwallader Colden (1688-1776), botaniste et homme politique britannique s'en étonne. Dans une lettre datée du 24 octobre 1752 qu'il lui adresse, il écrit :

Franklin ne répondra jamais à Colden sur ce point, malgré leur échange épistolaire soutenu et le fait qu'il avait l'habitude de lui répondre assidument^[1]. Il ne relate pas non plus cette expérience ailleurs, et n'apporte aucune précision avant la parution du livre de Priestley en 1767.

En résumé, selon ses dires, Franklin réalise avec succès une expérience extraordinaire en juin 1752 apportant la preuve tant attendue de la nature électrique de la foudre, mais n'annonce son exploit qu'au mois d'octobre de manière très vague sous forme d'un entrefilet, puis apporte quelques maigres précisions très insuffisantes quinze ans plus tard. Quant à son fils, le seul témoin, il ne se prononcera jamais sur ce sujet. Tout cela sème le doute… doute qui s'épaissit avec un détail que Franklin précise dans la description du déroulement de l'expérience elle-même. Le détail apparaît dans ce passage (traduction de D'Alibard) [5].

Figure 5.  Texte de descitption de l'expérience avec le cerf-volant de Franklin Source : B. Franklin, Expériences et observations sur l'électricité, Tome second, p.183-185, Durand, 1756. Traduction de D'Alibard [5].

Avant de voir où se niche ce détail, il est sans doute utile d'expliquer le montage expérimental et le déroulement de l'expérience tels que Franklin les décrit. Un cerf-volant est fabriqué avec deux tiges de bois attachées formant une croix. À chacune des quatre extrémités des tiges vient se fixer l'un des quatre coins d'un grand mouchoir en soie. Cela constitue le corps du cerf-volant auquel une tige métallique pointue est ajoutée. Ce corps équipé de la tige est tenu par une ficelle qui arrive jusqu'en bas. Un petit cordon en soie - très bon isolant électrique - est noué à l'extrémité inférieure de la ficelle et une clé métallique est fixée au nœud. C'est par le cordon en soie que l'ensemble cerf-volant/ficelle est tenu.

Franklin espère que sous un nuage orageux, la tige métallique pointue pourra extraire à l'environnement un peu de son « feu électrique », lequel s'écoulera vers le bas et chargera la clé, sans pouvoir s'écouler plus loin, bloqué par le cordon de soie.

En approchant un doigt de la clé, une étincelle devrait jaillir. Mais dans le passage cité plus haut, Franklin précise qu'il faut attendre que la pluie mouille le cerf-volant et la ficelle avant de pouvoir obtenir l'étincelle entre la clé et le doigt. Avec cette affirmation, le doute s'épaissit, car l'eau est l'ennemi des expériences d'électrostatique. Elles réussissent beaucoup moins bien par temps humide que par temps sec, et sont des fiascos lorsque les objets électrisés se mouillent.

Etonnamment, dans les Philosophical Transactions, la lettre qui suit celle de Franklin adressée à Collinson (oct.1752) est une communication du botaniste William Watson (1715-1787) membre de la Royal society, connu pour ses recherches en électricité [1]. Elle est lue le même jour que la lettre de Franklin, le 21 décembre 1752. Watson explique combien l'eau et même l'air trop humide nuisent à l'expérience de l'extraction du feu électrique aux nuages. Les tentatives pour y parvenir réussissent juste avant la tombée des premières gouttes. Il évoque plusieurs échecs dont le sien qu'il attribue à l'hygrométrie trop élevée et cite une tentative réussie avant la tombée de la pluie, faite le 21 juillet 1752 par un certain Monsieur Canton.

Bien entendu, ces exemples ne concernent pas l'expérience du cerf-volant, inconnue à cette date, puisque Franklin ne l'évoquera qu'au mois d'octobre. Les propos de Watson se rapportent à l'expérience dite de Philadelphie et ses variantes. En effet, de nombreuses tentatives sont effectuées aussitôt après la toute première réussite de cette expérience à Marly le 10 mai 1752.

La traduction en français du livre de Franklin, Expériences et observations sur l'électricité, paraît en mars 1752 (première édition). Après avoir exposé les dégâts que la foudre peut causer, Franklin imagine le paratonnerre en se demandant [6]…

Figure 6.  Connaissance du pouvoir des pointes et dégâts que la foudre peut causer Source : B. Franklin, Expériences et observations sur l'électricité, p.162-163, Durand, 1752. Traduction de D'Alibard [6].

Mais avant l'installation de telles tiges, il fallait s'assurer que la foudre est bien une étincelle analogue à celles obtenues en laboratoire avec les machines électrostatiques à frottement. C'est dans ce but que Franklin imagine « l'expérience de Philadelphie » [7] qu'il ne la réalisera jamais.

Figure 7.  Texte de descitption de l'expérience de Philadelphie Source : Adapté de B. Franklin, Expériences et observations sur l'électricité, p.163-165, Durand, 1752. Traduction de D'Alibard [7].

Louis XV demande que l'expérience imaginée par Franklin soit conduite, afin que l'on sache enfin si la foudre est un phénomène électrique. Buffon, admirateur de Franklin, confie ce travail à D'Alibard. Ce dernier s'associe à Delor, un expérimentateur plus connaisseur que lui en électricité. Plutôt que de placer une tige pointue au sommet d'un immeuble comme le préconisait Franklin, les deux hommes décident de réaliser un montage similaire à même le sol à Marly, située à plus de 130 mètres d'altitude, en y dressant un mât métallique isolé de la terre. C'est l'expérience de Marly et correspond à l'expérience dite de Philadelphie, réalisée sous cette forme à 50 km au nord-est de Paris.

Dans les grandes lignes voici en quoi consiste le montage de D'Alibard et Delor, figures 8 et 9. Un mât d'environ 15 mètres, tenu en place verticalement par des cordons en soie attachés à trois perches plantées au sol, s'appuie par sa base sur une planche en bois horizontale que supportent trois bouteilles de vin posées sur une petite table. La raison d'être des bouteilles ? Etant en verre, elles assurent une bonne isolation électrique par rapport à la terre. Aussi, si ce mât venait à se charger, il serait possible d'en tirer une étincelle en y approchant un fil métallique relié à la terre, tenu par un isolant. D'Alibard décrit très précisément le montage expérimental de même que le déroulement de l'expérience réussie du 10 mai 1752 au cours d'une présentation orale le 13 mai à l'Académie Royale des sciences [8]. Concernant le montage, sans surprise, D'Alibard prend soin de protéger de la pluie certaines parties du dispositif.

Figure 8.  Expérience de Marly Source : Adapté de B. Franklin, Expériences et observations sur l'électricité, seconde édition, Tome second, Durand, 1756 [8].

Figure 9.  Texte de description de l'expérience de Marly Source : B. Franklin, Expériences et observations sur l'électricité, seconde édition, Tome second, p.103-104, Durand, 1756 [8].

Relativement au déroulement de l'expérience, là encore la description qu'en fait D'Alibard est extrêmement détaillée. Il ne se contente pas d'annoncer comme Franklin que l'« expérience a réussi » sans rien dire de plus. Au total, la présentation de D'Alibard s'étend sur 26 pages. Donnons en un aperçu.

En ce 10 mai 1752, à quatorze heures et vingt minutes, ni D'Alibard ni Delor ne sont présents mais un dénommé Coiffier, ancien dragon, a reçu des instructions pour faire l'expérience au cas où... Entendant le ciel gronder, Coiffier se précipite près du montage expérimental et approche du mât un fil métallique relié à la terre qu'il tient par des poignées en verre. Voyant comme prévu lueurs, crépitements et étincelles entre le fil et le mât, il appelle des voisins qui, médusés, assistent aux nombreuses étincelles que Coiffier parvient à tirer. Averti, Raulet, le curé du village, vole à son tour vers le mât et fait lui-même l'expérience en tirant plusieurs étincelles en présence des villageois témoins. Aussitôt après, Raulet rédige à la hâte une lettre relatant le déroulement de cet événement extraordinaire, attestant de son exactitude, vérifiable auprès des nombreux témoins. Chose amusante, il croise sur son chemin trois personnes qui se plaignent de l'odeur de soufre (ozone) émanant de Raulet. De même, dit-il, une fois chez lui, ses domestiques lui font la même remarque.

D'Alibard termine sa présentation en concluant que la nature de la foudre est bien électrique, et que la pensée de Franklin n'est plus une conjecture mais bien la réalité. Il suffirait, dit D'Alibard, d'une centaine de mâts ainsi dressés pour protéger toute la ville de Paris des coups de foudre.

Aussitôt après ce succès et après que la nouvelle se répande, de nombreuses autres expériences similaires sont effectuées un peu partout en Europe. En particulier, Delor puis Buffon à Marly, ensuite le botaniste et médecin Louis Le Monnier (1717-1799) réussissent à leur tour l'expérience les semaines suivantes.

Finalement, c'est donc en Europe - d'abord à Marly - que l'expérience de Philadelphie imaginée par Franklin est réalisée, venant confirmer la nature électrique de la foudre. Pourquoi Franklin n'a-t-il pas lui-même réalisé cette expérience ? La réponse est apportée par Priestley dans son livre [9]. C'est parce qu'il attendait la construction d'un immeuble suffisamment haut à Philadelphie, ne pensant pas qu'il serait possible d'extraire le « feu électrique » d'un nuage orageux depuis une hauteur bien plus faible. Priestley annonce également que l'expérience du cerf-volant a eu lieu en juin 1752, un mois après les expériences des Français, mais précise Priestley, avant que Franklin n'en ait eu vent [10].

Tout cela éveille le soupçon. Compte-tenu des délais d'acheminement postaux, environ un mois et demi à deux mois entre l'Europe et les Etats-Unis, Franklin a sans doute pris connaissance des expériences de Marly en juillet. En annonçant en 1767 que l'expérience a réussi avec un cerf-volant en juin 1752, et précisant que c'était avant qu'il ait appris le succès des expériences de Marly, Franklin se présente comme codécouvreur de la nature électrique de la foudre. A-t-il réellement fait l'expérience du cerf-volant ? Difficile de se prononcer avec certitude, mais il n'existe rien qui soutienne cela, au contraire, et cela principalement pour trois raisons. D'abord, pourquoi faire l'annonce aussi tardivement en octobre, d'autant que selon ses propres dires, en juin, il ne savait pas que les Français avaient réussi l'expérience de Marly. Par conséquent, il aurait dû se précipiter pour annoncer sa découverte au mois de juin même. En revanche, l'annonce tardive pourrait très bien s'expliquer si l'idée du cerf-volant lui est venue peu avant sa lettre à Collinson le premier octobre. Ensuite, si l'expérience a vraiment été faite, pourquoi avoir été aussi avare de détails ? Enfin, s'il avait fait l'expérience, il aurait vu comme d'autres qu'elle réussit avant la tombée de la pluie et que l'échec est assuré une fois le cerf-volant mouillé, contrairement à ce qu'il prétend.

Quoi qu'il en soit, difficile de ne pas conclure en citant un extrait de la comédie humaine de Balzac [11] :