Une Histoire des Ondes Gravitationnelles entre Découvertes & Nature of Science Teaching : hypothèses et perspectives

A History of Gravitational Waves between Discoveries & Nature of Science Teaching : hypotheses and Perspectives

• Auteur / Autrice : Philippe Vincent
• Direction : Raffaele Pisano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Epistémologie et histoire de sciences
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'homme et de la société (Lille ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre interuniversitaire de recherche en éducation (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Jury : Président / Présidente : Fabrizio Cleri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raffaele Pisano, Fabrizio Cleri, Patricia Radelet-de-Grave, Stavros Katsanevas, Flavia Marcacci, Mateja Ploj-Virtic, Ana Dias-Chiaruttini, Serge Quilio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Radelet-de-Grave, Stavros Katsanevas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épistémologie

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Histoire

Ondes Gravitationnelles

Physique

Épistémologie

Enseignement

Nature of Science

History

Gravitational Waves

Physics

Epistemology

Teaching-Learning

Nature of Science

Résumé

Le domaine principal de recherche de ma thèse est l'histoire et épistémologie des sciences (physique, mathématiques, CNU 72). Les sujets combinés sont l'histoire des ondes gravitationnelles (HGW) et Nature of Science (NoS, CNU 70). Les ondes gravitationnelles (GW) sont des ondulations invisibles dans l'espace: toute masse se déplaçant, génère des GW à travers l'espace–temps qui rayonnent comme des vagues à la surface d'un lac. C'était la clé pour compéter la Relativité Générale d'Einstein. Ma thèse contient quatre parties réparties sur neuf chapitres, avec une grande introduction et une conclusion détaillée. Références, annexes et indexes (noms, sujets, images) compris, elle totalise plus de 700 pages dans un volume unique. J'ai examiné GW à travers des études théoriques et expérimentales (analyses de textes) sur l'histoire, de la Renaissance, au milieu du siècle dernier, jusqu'aux découvertes récentes en Labs. (2015, Italie & États Unis, LIGO–VIRGO). Le travail s'est déroulé en trois ans, y compris des visites à l'American Institute of Physics (APS, USA) et à l’European Gravitational Observatory (VIRGO, Italie). Les principaux résultats historiques de mes recherches sont: 1) concept de GW remonte à Clifford (1870) pour qui la géométrie de l'espace était non-euclidienne: «[...] cette propriété de [l'espace] à être courbé ou déformé est continuellement transmise d'une portion d'espace à une autre à la manière d'une onde », 2) première mention et développement des GW comme «onde gravifique» par Poincaré (1905), 3) analyse historique comparée Clifford-Poincaré, 4) impact de la conférence de Chapel Hill (1957) sur la recherche en GR, 5) développement de détecteurs GW par Weber, 6) l’utilisation d’interféromètres laser aboutissant à LIGO – VIRGO, 7) impact sur la cosmologie et future Recherche GW. D'autres résultats en lien sont détaillés à la fin de chaque chapitre (remarques finales) et parties (épilogues). Sur les HGW & NoS, j'ai examiné les fondements historiques des GW pour examiner les difficultés spécifiques d'enseignement–apprentissage, les « misunderstandings » en physique moderne et façonner un curricula ad hoc pour Lycée et Université. La très bien documentée période historique du 19e au 21e siècle a permis de me concentrer sur les différents changements scientifiques de cette époque de manière interdisciplinaire. L'objectif historique et éducatif vise à appliquer le cadre NoS afin d'analyser et de comprendre comment les fondements de la science peuvent être utilisés en didactique et pédagogie. En m'appuyant sur une série d'étapes appropriées pour comprendre l'évolution de la science et changements de paradigme, à la fois pour le développement de la science tout au long de son histoire, et le filtre pédagogique de l'enseignement–apprentissage (modélisation physique mathématique), j'ai montré comment la relativité spéciale/générale liée à HGW peut être rendue accessible aux étudiants. J'ai travaillé sur le rôle joué par les neurosciences/cognitives pour montrer comment surmonter, au moyen d'analogies et de démonstrations par l'absurde dans l'enseignement–apprentissage scientifique, des ruptures et obstacles épistémologiques. J'ai collecté méthodiquement les données de mon enseignement à distance présentant aux étudiants les principaux concepts GW dans le cadre HGW, puis analysé ces données (recherche appliquée à l'enseignement) qui indiquent que mon cours expérimental HGW a été bénéfique sur le plan éducatif pour les apprenants. HGW est un tout nouveau sujet et l'un des sujets les plus vastes et les plus stimulant de l'histoire de la science (HS&NoS): de nos jours, les livres sources HGW manquent d'analyses critiques dans le domaine. L'impact de ma thèse de doctorat en 2020, et de mes travaux successifs en lien, vise à assurer ce premier rôle de recherche–et–pédagogique. Ma thèse s'adresse aux historiens, épistémologues, savants (physiciens, mathématiciens, sciences appliquées et technologie), experts en enseignement.

The main research area of my PhD Thesis is History and Epistemology of Science (Physics, Mathematics, CNU 72). The combined–subjects are the History of Gravitational Waves (HGW) & the Nature of Science (NoS, CNU 70). Gravitational Waves (GW) are invisible undulations in space: any mass moves, then GW are generated through space–time radiating crossways a lake's surface. It is the main key to finally complete the Einstein's General Relativity. This thesis consists in four Parts across nine Chapters, including a large Introduction and detailed Conclusion. Including References, Appendix and Indices (Names, Subjects, Images) it totals over 700 pp. in length in an unique Vol. I examined GW through theoretical–and–experimental studies (texts analyses) into history dating as far back as the Renaissance, through to the middle of the past century, up to recent discoveries at Labs. (2015, Italy–USA, LIGO–VIRGO). The job was done in three doctoral years, including visits at the American Institute of Physics (APS, USA) and the European Gravitational Observatory (VIRGO, Italy). The main historical results of my PhD research are: 1) concept of GW which date back to Sir Clifford (1870) who conceived the geometry of space as being non–Euclidean: “[...] this property of [space] being curved or distorted is continually being passed on from one portion of space to another after the manner of a wave”, 2) first mention and related development of GW as “onde gravifique” which term was coined by Poincaré in his Sur la dynamique de l’électron (1905), 3) detailed historical comparative analysis of Clifford and Poincaré's works 4) impact of the 1957 Chapel Hill Conference on GR research, 5) development of GW detectors through the pioneering works of Weber, 6) later methods using Michelson laser interferometers that lead to building of LIGO–VIRGO, 7) the impact on Cosmology and future GW research. Other correlated results are systematically detailed in the end both of each Chapter (Final Remarks) and Parts (Epilogues). On the HGW & NoS, I examined the historical foundations of GW in order to check both specific teaching–learning difficulties & misunderstandings in modern physics and to shape curricula ad hoc at Lyceum and University. The 19th-21st century historical period is very well documented allowing me to focus on the different scientific changes that occurred at that time in an interdisciplinary way. The historical–educational goal aims to apply the framework of the Nature of Science in order to analyse & understand how the foundations of science can be used for teaching & pedagogical purposes. Relying on an appropriate series of steps to understand the evolution of science and paradigm shifts in respect to both the development of science throughout its history and the pedagogical filter of teaching–learning sciences (physics–mathematical modelling), I showed how Special/General Relativity linked to HGW may be made accessible to students. I also worked on the role played by Neurosciences/Cognitive in order to show how, by means of analogies and ad absurdum proofs within scientific teaching–learning, some notable epistemological breaks and obstacles can be overcome. I methodically collected data from my teaching at distance courses whose purpose was to introduce the main concepts of GW within the HGW framework to the students. Consequently, I analysed the data (research applied to teaching) which indicated that my experimental HGW distance course was educationally beneficial to the learners. HGW is a very new topic. It is one of the most broad and challenging subjects in the History of Science (HS & NoS): Nowadays, HGW source books lack of critical analyses in the field. The impact of my PhD Thesis in 2020 and successive related works of mine aim to assume this early research––and––pedagogical role. This thesis appeals to historians, scientists (physicists, mathematicians, applied sciences & technology), teaching experts and epistemologists.