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Qu'est-ce que le vide ?

L’existence du vide, admise par la physique classique, est remise en cause par la physique moderne. Alors, le vide existe-t-il ?

Page 5 / 9 - Les propriétés et contradictions de la lumière Sommaire
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Yves Sacquin Physicien expérimentateur

L’expérience de Michelson et Morley montrait que la Terre ne se déplace pas de manière mesurable par rapport à l’éther. Lorentz et Fitzgerald avaient proposé que l’éther déforme l’appareil de mesure de manière à masquer exactement le mouvement, mais Albert Einstein comprit qu’il y avait une explication encore plus radicale : l’éther n’existe pas !

Le fait que la vitesse de la lumière ne dépende ni de la vitesse de la source ni de celle du récepteur restait une énigme, mais il n’est pas clair dans quelle mesure Einstein était conscient de ce résultat. En tout cas il avait commencé à méditer sur la symétrie des phénomènes quand il y a un mouvement. S’il n’y a pas d’éther, il n’y a pas d’espace absolu, donc un mouvement absolu n’existe pas : seul le mouvement relatif a un sens physique.

Einstein savait que la lumière est un rayonnement électromagnétique dont les propriétés sont décrites par les équations de Maxwell. Il imagina comment cette radiation devrait apparaître à deux observateurs qui seraient en mouvement l’un par rapport à l’autre. Plus précisément il fit une série d’ « expériences de pensée », habituellement mentionnées par le mot correspondant en allemand de « Gedankenexperiment », qui consistent à imaginer comment les lois de la physique s’appliquent dans une situation donnée.

À l’âge de 16 ans, Einstein s’était déjà demandé à quoi cela ressemblerait de voyager sur un rayon de lumière. Si la lumière était une vibration électrique et magnétique dans l’éther, semblable aux ondes sonores vibrant dans l’air, alors l’analogie disait que, tout comme le son se propage à Mach 1 par rapport à l’air, de même la lumière se propage à 300.000 km par seconde par rapport à l’éther. Il n’y avait pas d’avion à réaction en 1901, mais si cela avait été le cas, il aurait pu en imaginer un à Mach 1, allant à la même allure que le son, volant à la même vitesse que les ondes de pression dans l’air. Si maintenant on remplace l’air par l’éther et le son par la lumière, on peut s’imaginer voyageant avec l’onde de lumière. Mais cela avait des conséquences bizarres, pour peu que l’analogie avec le son soit correcte.

Tout d’abord, si vous vous regardez dans un miroir, votre image aura disparu : la lumière qui vient de vous va en direction du miroir à la même vitesse que vous-même, et donc ne peut arriver jusqu’au miroir, et encore moins y être réfléchie, avant que vous n’y soyez vous-même aussi. C’était psychologiquement étrange, mais autant que je sache il n’y a rien qui dise que l’image d’une personne est sacro-sainte au point que cela ne puisse être le cas. C’est quand il regarda ce que la théorie de Maxwell permettait qu’une incongruité physique apparut. Si vous poursuivez et finalement rattrapez une onde oscillante faite de champs électriques et magnétiques, et que vous avancez avec elle à la vitesse c, vous percevrez un champ électromagnétique qui oscillerait de part et d’autre, mais qui n’avancerait pas ; il serait au repos. Or ce n’est pas possible dans les équations de Maxwell : les ondes électromagnétiques doivent se déplacer à la vitesse c. Apparemment si la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell est correcte, et tout ce que nous connaissons plaide en sa faveur, alors la situation imaginée par Einstein, se déplacer à la vitesse de la lumière, est impossible : nous ne pouvons jamais atteindre la vitesse de la lumière.

Cela amena Einstein à réfléchir à la définition de la vitesse, et aux concepts d’absolu et de relatif. Pour cette Gedankenexperiment, il imagina un passager d’un train regardant passer un autre train, s’inspirant d’un phénomène que nous avons tous expérimenté un jour.

Vous êtes assis dans un train arrêté dans une gare, et sur la voie d’à côté se trouve également un autre train, lui aussi momentanément à l’arrêt, mais qui se dirige dans la direction opposée à la vôtre. Impatient de partir, vous remarquez qu’enfin vous vous déplacez par rapport aux voitures du train d’à côté, mais si doucement que vous ne ressentez même pas la petite force d’accélération. Ce n’est que quand vous dépassez le dernier wagon que vous découvrez que vous êtes toujours à l’arrêt dans la gare et que c’est l’autre train qui est parti. C’est ainsi que l’on attribue à Einstein d’avoir demandé, alors qu’il prenait le train au départ de Londres, lors de son séjour à Christ Church College à Oxford dans les années 1930 : « À quelle heure Oxford arrive-t-il à ce train ? »

Dans ces exemples nous retrouvons le concept de repère au repos absolu, à savoir le cadre de la gare avec le paysage qui l’entoure. Einstein soutenait que si cette expérience était faite avec deux trains qui se déplaçaient à vitesse constante dans le vide, sans un éther définissant un repère absolu au repos, alors il n’y aurait aucun moyen de déterminer lequel serait en mouvement et lequel serait à l’arrêt. Les équations de Maxwell décrivant le comportement des champs électriques et magnétiques auraient alors des implications identiques pour les deux trains, et en particulier la vitesse de la lumière se trouverait être la même dans chacun d’eux.

Michelson et Morley avaient établi ce phénomène de manière expérimentale, mais on débat encore de savoir si Einstein était au courant de ce résultat ou s’il avait conclu à la constance de la vitesse de la lumière au moyen de cette expérience de pensée. À différentes occasions Einstein affirma qu’il n’était pas au courant de cette expérience en 1905, lorsqu’il inventa sa théorie de la relativité restreinte. Pourtant en 1952 il confia à Abraham Pais qu’il en avait eu connaissance avant 1905, à travers la lecture d’articles de Lorentz, et qu’« il avait présumé que le résultat de Michelson était vrai ». Quoi qu’il en soit, le phénomène est là comme un défi à notre compréhension, car il est contrintuitif, et implique que les idées de bon sens sur l’espace et le temps, telles qu’elles sont clairement exprimées et admises depuis l’époque de Newton, sont fausses.

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