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Ondes de lumière et concept de l'éther

Dossier - Qu'est-ce que le vide ?
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Le vide existe-t-il vraiment ? Alors que la physique classique l'admet bien volontiers, la physique moderne, quant à elle, remet en cause cette notion. Découvrez dans ce dossier tous les mystères du vide.

  
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Les Grecs de l'Antiquité développèrent le concept d'éther pour désigner un « milieu plus subtil que l'air ». Depuis, d'autres découvertes ont permis d'en savoir davantage sur la notion de vide. Celle de Robert Hooke, liée au son, mais aussi celle d'Isaac Newton, ou encore l'étude réalisée par Thomas Young à propos des ondes de lumière.

Performance de jonglage avec la lumière. © Patrice Loiez - Maximilien Brice, Cern

Au XVIIe siècle, Robert Hooke a découvert que le son ne passait pas à travers du vide. Cela se comprenait par le fait que le son n'est qu'une vibration de l'air, chose connue depuis les philosophes stoïciens de la Grèce antique ; enlevez l'air, et le son disparaîtra aussi. Cela contrastait avec la lumière et le magnétisme car une lampe vue à travers du vide brûlait avec autant d'éclat que vue dans l'air et des aimants mis dans le vide continuaient à exercer leurs influences réciproques. Une fois que l'air était parti, restait-il quelque chose d'autre, qui soit capable de transmettre ces effets ?

Robert Hooke. © DR

L'éther dans l'Antiquité

Les Grecs de l'Antiquité étaient si réticents à l'idée de vide que se développa la notion d'« éther » ‒ un « milieu plus subtil que l'air » qui remplissait tout l'espace, même après que l'air en eut été retiré. Isaac Newton croyait en l'éther, même si l'idée qu'il s'en faisait n'est pas très claire. Des idées sur l'éther proliférèrent dans les siècles suivants, jusqu'à ce qu'il soit finalement rejeté par la théorie de la relativité d'Einstein. C'est ainsi qu'apparut et disparut l'éther.

Isaac Newton croyait en l'éther, ce concept développé par les Grecs de l'Antiquité pour désigner ce qui remplissait l'espace. © DP

Newton était un philosophe mécanicien, il expliquait les phénomènes naturels par le mouvement de particules dans la matière, ce qui l'amena initialement à décrire la lumière comme un flot de corpuscules ou, comme nous les appelons maintenant, de « photons ». La mécanique de Newton rejetait aussi l'idée d'une « action à distance ». Quant au phénomène de l'attraction électrostatique, qui est en œuvre lorsque des petits morceaux de papier sont attirés par un objet en verre qui a été frotté avec un tissu, il le décrivait comme produit par une substance éthérée qui s'écoule du verre et emporte le papier avec elle en y revenant. En 1675 il élabora sa théorie de la lumière, qui incluait un éther universel.

Mais cela ne le satisfaisait pas. Cinq ans plus tard il avait abandonné l'éther et émis l'idée d'attractions et de répulsions entre particules de matière. Trente-cinq ans plus tard il publia une deuxième édition de son traité Opticks dans lequel il acceptait à nouveau l'idée d'éther, mais d'un éther qui permettait l'action à distance au moyen de répulsions entre les particules qui formaient cet éther.

Thomas Young et les ondes de lumière

Au XVIIIe siècle le mathématicien et physicien suisse Leonhard Euler rejeta la théorie corpusculaire de la lumière de Newton, et proposa son explication des phénomènes optiques sous la forme de vibrations d'un éther fluide. Tout changea au début du XIXe siècle quand le médecin anglais Thomas Young montra que la lumière est faite d'ondes. Young s'intéressait à la perception ; étudiant en médecine, il avait découvert comment la lentille de l'œil change de forme quand celui-ci se focalise sur des points à différentes distances. Il découvrit les causes de l'astigmatisme en 1801, et s'intéressa alors à la nature de la lumière.

C'est ainsi qu'il découvrit les phénomènes d'interférence, où de la lumière passant à travers deux trous d'aiguille produit une série de bandes alternativement sombres et brillantes. C'était analogue à la façon dont des vagues se mêlent, donnant des pics là où deux crêtes coïncident et un plat là où une crête et un creux se rencontrent. De la même manière, le mélange de pics et de creux dans les ondulations de la lumière pouvait expliquer naturellement le phénomène ; en tout cas l'idée que deux éléments de lumière puissent se combiner pour donner de l'obscurité était remarquable, et cette explication à l'aide d'ondes fut admise comme preuve définitive de la nature ondulatoire de la lumière.

La propagation des ondes lumineuses

L'intérêt pour la nature de la lumière et de l'électricité au XIXe siècle remit au goût du jour la vieille idée de l'éther comme milieu où se propagent les ondes de lumière, le rôle joué par l'air pour les sons. Cet éther de la science du XIXe siècle était supposé sans poids, transparent, sans frottement, et en fait indétectable par aucun procédé physique ou chimique. Il baignait toutes choses et partout, et était supposé être solide comme l'acier, mais élastique et doté de la propriété remarquable de laisser les planètes le traverser comme s'il n'était pas là. Une bonne partie de l'activité scientifique au XIXe siècle fut consacrée à essayer de détecter cette mystérieuse substance.

Le concept d'éther répondait à l'énigme de la transmission de la lumière à travers le vide, mais il n'expliquait pas pourquoi la lumière changeait de comportement en passant à travers un milieu transparent, mais pas du tout vide, comme l'eau ou le verre. La vitesse de la lumière dans l’eau est plus petite que dans le vide ; certains matériaux qui sont transparents à la lumière vue directement peuvent néanmoins devenir opaques lorsque cette lumière a été réfléchie auparavant, un phénomène exploité dans les lunettes de soleil à verres polarisants. Or tous ces phénomènes s'expliquaient naturellement si on suivait l'idée de Maxwell que la lumière est une onde composée de champs électriques et magnétiques.

L'éther était supposé être le milieu dans lequel la lumière oscillait. On présumait que l'éther était immobile dans tout l'univers et définissait ainsi le repère absolu de Newton. Vers 1887, il devenait clair que la lumière était une onde formée de champs électriques et magnétiques oscillants. Dans le cas des sons, l'onde oscille dans le sens de la propagation ; l'onde électromagnétique présente cette différence que les oscillations se font à angle droit par rapport à la direction de propagation. Les lois régissant l'électromagnétisme et la lumière étaient supposées s'appliquer dans le cas idéal où l'on a affaire à un éther statique.