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Lumière et éther, de Newton à Maxwell et Lorentz (milieu du XVIIe - XIXe siècle)

Dossier - Relativité restreinte et naissance de l'espace-temps
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Il y a un siècle naissait, en deux étapes, la relativité selon Einstein : en 1905 la relativité dite « restreinte », puis, entre 1907 et 1915, la relativité « générale ». Découvrez comment la relativité restreinte a révolutionné notre conception de l'espace et du temps.

  
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Parmi les principaux outils dont nous disposons pour percevoir notre environnement, figure la lumière. Cependant, la « lumière » en tant que telle est un concept récent, qui fut assez long à émerger. Voici une petite histoire de la physique de la lumière, de Newton à Lorentz, en passant par Huygens et Maxwell.

Alors qu'il est désormais connu de tous que le monde est perceptible car de la lumière se propage des objets éclairés (ou lumineux) vers nos yeux, pendant longtemps, une autre hypothèse ne pouvait pas être écartée. Celle selon laquelle c'est au contraire l'œil qui envoie une sorte de « rayon éclairant » vers le monde afin de le rendre « visible ». Toutefois, cette histoire est sans importance pour ce qui nous intéresse ici, et, à l'époque de Kepler ou Newton, l'hypothèse d'une lumière qui provenait des objets pour atteindre les yeux avait finalement été admise.

Qu'est-ce que la lumière ? © Connygatz, DP

Restait cependant encore ouverte la question de la nature de cette lumière. Ainsi, à cette époque, on discutait déjà de deux modèles apparemment incompatibles et dont on allait encore parler longtemps, puisque la question de leur validité ne fut définitivement tranchée qu'avec le modèle actuel, né au début du XXe siècle, sorte de compromis les traitant tous deux sur un même pied d'égalité.

La lumière peut être décomposée par un prisme en verre. © DR

Newton et le modèle atomiste, ou corpusculaire, de la lumière

Le premier de ces modèles, était atomiste, la lumière étant considérée comme une collection de « petites billes » émises par les corps lumineux. Cette conception mécaniste étant fort compatible avec la dynamique newtonienne et son espace vide, Newton fut naturellement l'un de ses partisans. Il contribua d'ailleurs de manière très importante à son développement, puisqu'il produisit, dès 1669, une théorie de la composition de la lumière blanche, et publia en 1675 son Optique, une théorie de la lumière et des couleurs qu'il remania jusqu'à sa mort.

Selon cette théorie, chaque couleur correspondait à des corpuscules se déplaçant à une vitesse différente. La vitesse finie de la lumière ayant été mise en évidence en 1676 grâce à l'observation des satellites de Jupiter par l'astronome danois Ole Christensen Römer, la théorie de Newton s'imposa d'autant plus facilement que sa dynamique avait impressionné. Cependant, le modèle corpusculaire allait être écarté pour une raison que Newton avait très bien pressentie : il ne parvenait pas à rendre compte de l'existence des interférences1, phénomène qui sera décrit après la deuxième théorie sur la nature de la lumière, celle qui parvint à l'expliquer.

Illustration des «anneaux de Newton », interférences lumineuses découvertes par Newton mais qu'il peina à expliquer malgré la sophistication de son modèle corpusculaire de la lumière. Voir par exemple Lumière et matière : une étrange histoire, de R. P. Feynman pour plus de détails. © Harvard Lect. Demonstration Services

Huygens et la lumière comme une onde

Ce deuxième modèle, introduit en 1678 par le physicien et astronome hollandais Christian Huygens, décrivait la lumière comme une onde, oscillation partout présente, similaire à celles que l'on peut observer à la surface de l'eau. Or, selon les idées de l'époque, une onde ne pouvait se propager que comme vibration d'un support matériel. Huygens supposa donc qu'elle était supportée par un « éther luminifère », lequel n'avait a priori rien à voir avec l'éventuel « éther gravitationnel » auquel Newton avait bien voulu reconnaître, un peu à contrecœur, une possible existence.

Avec son modèle, Huygens fut à même d'expliquer quantitativement nombre de phénomènes face auxquels la théorie corpusculaire peinait parfois. Cependant, la réputation de Newton était telle que son modèle restait le plus communément admis. Il fallut attendre le début du XVIIIe siècle, avec le médecin et physicien anglais Thomas Young puis le Français Augustin Fresnel, pour que la preuve soit faite que le modèle corpusculaire échouait là où la théorie ondulatoire fonctionnait à la perfection. Young fit en effet de nombreuses expériences d'interférométrie, qui furent reprises par Fresnel, lequel travailla également sur la théorie de Huygens, dont il montra qu'elle prédisait bien les interférences lumineuses.

Afin d'essayer de comprendre comment ce modèle ondulatoire peut expliquer le phénomène des interférences, il convient de présenter deux grandes différences entre particules et ondes, différences qui sont importantes ici :

  • Sous certaines conditions (qui sont respectées dans les modèles considérant la lumière comme une onde), deux ondes peuvent se croiser puis continuer leurs chemins comme s'il ne s'était rien passé.

  • Une onde, qui peut être visualisée, en première approximation, comme le déplacement de va-et-vient vertical d'un « élément physique », peut prendre des valeurs positives comme négatives, alors qu'un « nombre de particules présentes en un endroit donné » ne peut être que positif, ou au pire nul.

Or, le phénomène d'interférences lumineuses correspond à la situation étrange où « lumière + lumière = obscurité », ce qui fait intervenir ces deux effets simultanément. Techniquement, on peut observer des interférences lorsque de la lumière émise par une source unique parvient, par deux chemins différents, jusqu'à un même endroit. On assiste alors à la formation d'une alternance de bandes sombres et éclairées (voir la figure précédente).

Si la lumière était composée de particules, on comprendrait mal comment la rencontre de deux faisceaux de celles-ci pourrait amener à une absence de lumière. Une particule plus une particule ne peuvent pas donner une absence de particules, mais plutôt un choc suivi d'une dispersion aléatoire. Au contraire, si la lumière est une onde, on voit bien (par exemple sur la figure ci-dessous), qu'une condition suffisante, et facilement réalisée, pour obtenir une absence de lumière (une frange noire) à partir de deux lumières est que se produise la superposition d'un creux (maximum « vers le bas ») de la première vague avec un pic (maximum « vers le haut ») de la seconde : à cet endroit précis, la superposition des deux ondes donne un résultat « nul », une absence de lumière, le signe de l'onde (direction du « déplacement ») n'intervenant pas dans la valeur de l'intensité lumineuse.

Illustration de la superposition de deux ondes variables dans le temps (représentées par les deux courbes du haut) dont la somme est une onde résultante (en bas) qui prend éventuellement des valeurs nulles là où ni la première ni la seconde ne s'annulent (par exemple à la position du rond immobile qui reste toujours sur l'axe horizontal). © DR

La démonstration mathématiquement précise de ce fait et d'autres effets finit de convaincre la plus grande partie des scientifiques de la nature ondulatoire de la lumière, et indirectement de l'existence de son support matériel : l'éther.

Cependant, alors que l'hypothèse d'un éther gravitationnel n'était pas véritablement fondamentale pour la gravitation newtonienne puisqu'elle n'intervenait pas dans les calculs, l'éther luminifère de Huygens était l'ingrédient clef de sa théorie, omniprésent dans les calculs. Or, l'existence nécessaire de cet éther se révéla problématique, ce que l'on comprit une fois la théorie ondulatoire de la lumière formalisée d'une nouvelle façon, c'est-à-dire par la théorie de Maxwell de l'électromagnétisme.

L'éther et la théorie de Maxwell

La grande étape suivante dans l'histoire de la lumière commença de manière complètement indépendante, puisqu'elle est liée à la matièrevia la force électrostatique et le magnétisme.

Encore une fois, ces sujets furent initialement étudiés par les philosophes grecs, qui avaient remarqué que la résine et l'ambre (en grec, êlektron) acquièrent la propriété de s'attirer ou de se repousser, lorsqu'on les a frottés, mais également que certains minerais attiraient naturellement le fer. Ils constatèrent aussi que, mis face à face, deux morceaux de ce minéral pouvaient soit s'attirer, soit se repousser, de même qu'une possible répulsion existait dans le cadre du premier phénomène, l'électrostatique. Certains d'entre eux émirent donc l'hypothèse selon laquelle ces deux phénomènes n'en étaient qu'un seul, ce qui se vérifia au début du XIXe siècle.

En effet, au XVIIIe siècle, l'électrostatique et l'électricité, étudiées et développées par divers scientifiques, parmi lesquels le Français Charles Augustin Coulomb2, ainsi que les Italiens Luigi Galvani et Alessandro Volta, restaient cependant imparfaitement comprises, malgré la mise en évidence de l'existence de deux sortes de charges, les charges vitreuses (plus tard positives) et résineuses (négatives). Or, en 1820, le Danois Hans Christian Örstedt découvrit par hasard qu'une aiguille aimantée située à proximité d'un fil parcouru par un courant électrique était déviée. Cette expérience fit beaucoup parler d'elle, et quelques temps après, le physicien français André Marie Ampère présenta une théorie étayée d'expériences ne laissant pas la moindre place au doute : l'électricité et le magnétisme n'étaient que deux aspects d'un même phénomène.

Cette théorie fut suivie de nombreux travaux et expériences, parmi lesquels ceux de l'Anglais Michael Faraday seront les seuls mentionnés ici3. En effet, expérimentateur dénué de toute connaissance formelle et mathématique4, Faraday n'était pas « encombré » par la mécanique newtonienne. Il n'hésita donc pas à la secouer un peu, donnant naissance à un concept qui allait remplacer celui de force et se révéler fondamental pour l'avenir : le champ. Comme Newton autrefois, Faraday ne pouvait accepter la notion d'interaction à distance. Toutefois, alors que Newton construisit sa théorie d'interaction à distance pour l'interaction gravitationnelle, Faraday étudiait les phénomènes électriques et magnétiques. Il pouvait donc expérimenter en laboratoire et constater que ces interactions se propageaient à vitesse finie et non instantanément. Par ailleurs, Faraday ne pouvait admettre que l'énergie5, qui existe du fait de la force qu'exerce un corps sur un deuxième, préexiste, au sein du premier, à la présence de ce deuxième corps, ni même qu'elle apparaisse spontanément, répartie entre eux deux, si ce deuxième corps était soudain mis en présence du premier.

Pour Faraday, le bon sens imposait que préexiste à l'interaction entre les deux corps, un « état nécessaire à l'action », qui était réparti dans tout l'espace. Lorsqu'un second corps est introduit, la force qu'il subit « concrétise », selon Faraday, cette énergie qui préexistait. Pour représenter et conforter ses conceptions, il inventa même des schémas sur lesquels couraient des « lignes de champ », graphiques qui matérialisaient en quelque sorte les « courbes de niveau » de « l'état nécessaire à l'action ». Dans le cas d'un aimant, on peut par exemple observer ces lignes de champ magnétique en répartissant de la limaille de fer (voir figure suivante). Malheureusement, l'ignorance de Faraday le forçait à s'exprimer dans un vocabulaire qui n'était pas standard et à utiliser de manières erronées certains termes techniques, malgré la validité de ses idées. Ainsi, la plupart de ses contemporains n'accordèrent pas assez d'intérêt à ses travaux, et seul un jeune physicien écossais comprit que, malgré les apparences, le discours de Faraday était cohérent. Il réussit même à le formaliser mathématiquement et à développer dans ce cadre une théorie complète de l'électromagnétisme, théorie au sein de laquelle les deux phénomènes étaient unis pour la première fois avec la lumière.

Illustration des lignes de champ électrique entre deux charges de signes opposés qui s'attirent. © MIT/TEAL-Studio Phys. Proj.
Illustration des lignes de champ magnétique qui existent autour d'un aimant permanent. Les lignes sont mises en évidence par de la limaille de fer qui se répartit naturellement le long de celles-ci. © Star Gazers

Ce jeune physicien écossais, James Clerk Maxwell, s'illustra pour ses travaux en théorie cinétique des gaz, qu'il contribua à créer6, mais avant tout pour cette théorie de l'électromagnétisme qu'il présenta en 1864. Les équations de Maxwell, comme se nomme l'ensemble d'équations qu'il découvrit, ne sont en effet pas qu'une simple unification de l'électricité et du magnétisme, car Maxwell démontra que leur union, le champ électromagnétique, était réellement une « nouvelle substance ». Peu de temps auparavant, le physicien allemand Hermann Ludwig von Helmholtz avait montré que le concept d'énergie correspondait à une grandeur ayant une certaine réalité puisque les énergies cinétique (de mouvement), électrique et thermique étaient différents aspects de celle-ci, qui se conservait tout en changeant de « forme ». Maxwell, dans la continuité des travaux de Helmholtz, démontra que le champ électromagnétique était le siège d'une nouvelle forme d'énergie véhiculée par les champs électrique et magnétique, forme d'énergie qui pouvait se transmettre aux énergies déjà connues, toutes « mécaniques ».

Par ailleurs, il montra également que cette nouvelle substance était fondamentalement continuedénuée de toute propriété mécanique et telle que ses oscillations se propageaient à une vitesse de l'ordre de 300.000 kilomètres par seconde. De là à supposer que la lumière n'était qu'un type particulier d'onde électromagnétique, il n'y avait qu'un pas, que Maxwell franchit sans hésitation, ce qui ne fut malheureusement confirmé expérimentalement qu'après sa mort, en 1888, par l'Allemand Heinrich Rudolf Hertz. L'aspect ondulatoire de la lumière était donc vérifié, et sa nature identifiée plus précisément : elle était une onde électromagnétique, véritablement différente de la matière et absolument pas mécanique.

Au-dessus, onde électromagnétique composée de champs électrique et magnétique oscillants. © Astrovision. En dessous, position du spectre de la lumière visible dans le spectre électromagnétique. © OpticsValley

Néanmoins, un point important a été occulté : la conception moderne de champ en tant qu'entité qui n'a pas besoin de support matériel était hors de portée des scientifiques du XIXe siècle, Faraday inclus. Le champ électromagnétique de Maxwell était donc supposé être supporté par un milieu matériel, qui fut rapidement identifié avec l'éther luminufère de Huygens. Cet éther continu remplissait le vide entre les atomes, mais rien d'autre.

Cependant, à une époque où la théorie atomiste de la matière commençait à être définitivement admise, la naissance d'un « objet physique » continu, qui interagissait avec la matière discontinue, posa des problèmes conceptuels. Par exemple, dans les équations de Maxwell, en plus des champs magnétiques et électriques, figuraient la densité de charge électrique et la densité de courant électrique (interprétée comme un déplacement de ces charges électriques). Or, ces deux grandeurs, étant véhiculées par la matière, ne pouvaient pas être continues « par nature » si la matière était naturellement discontinue. Maxwell en vint donc à reconsidérer les densités de charges et de courant électriques qui figuraient dans ses équations comme des « déplacements d'éther », laissant irrésolu le problème de la compatibilité entre continu et discontinu.

Lorentz et l'éther

Cette question fut partiellement réglée par le physicien néerlandais Hendrik Antoon Lorentz. Il démontra en 1895 que les équations de Maxwell étaient compatibles avec une conception dans laquelle l'éther était partout présent, même à l'intérieur des atomes. Avec cette nouvelle théorie de l'électrodynamique, on retournait à l'ancienne vision dans laquelle les champs électriques et magnétiques étaient bien générés par les charges électriques portées par les particules matérielles, et pour la première fois dans l'histoire, une théorie se permettait de décrire précisément la physique aux échelles des particules fondamentales.

Cependant, un problème bien plus gênant subsistait concernant le rôle de l'éther. Les équations de Maxwell prévoyaient la propagation de la lumière à la vitesse de 300.000 km/s par rapport à l'éther. Or, si l'on cherche à calculer la vitesse de la lumière par rapport à un référentiel qui est lui-même mobile dans l'éther, on observe que la lumière se propage avec une vitesse différente et que les équations de Maxwell changent de forme. Le premier résultat était prévisible, compte tenu de la formule de composition des vitesses découverte par Galilée, mais le second signifie que les référentiels inertiels ne sont plus équivalents. Si l'on inclut les équations de Maxwell dans le cadre de la cinématique newtonienne, il existe donc un référentiel privilégié, celui de l'éther, et mesurer la vitesse de la lumière dans un certain milieu permet de déterminer expérimentalement la vitesse de ce milieu par rapport à l'éther, vitesse qui est une sorte d'absolu puisque l'éther est un référentiel privilégié. Le principe de relativité de Galilée est donc apparemment violé par les équations de Maxwell. Pourtant, jusqu'ici, pas de problème réel : il n'avait jamais été dit que le principe de relativité de Galilée était un principe inviolable.

Le problème survint7 lorsque, après un raisonnement semblable à celui-ci, furent exécutées des expériences dont la plus célèbre est celle, en 1881, de l'Américain d'origine polonaise Albert Michelson8, expérience reprise en 1887 en collaboration avec son compatriote Edward Williams Morley. Ces expériences avaient pour but de mettre en évidence le « vent d'éther », effet d'un éventuel déplacement de la Terre à travers l'éther, en mesurant, dans une même direction, la vitesse de la lumière à six mois d'intervalle. De cette façon, si la vitesse de la lumière par rapport à l'éther était c et celle de la Terre v, à une certaine date, la vitesse mesurée (par rapport à la Terre) de la lumière en mouvement dans le même sens que la Terre, serait c-v (conformément à la formule de Galilée), alors que six mois plus tard, une fois que la Terre se déplacerait dans le sens contraire, la vitesse mesurée serait c+v. Avec ces deux nombres, il devait être théoriquement possible de déterminer à la fois c et v. Toutefois, le résultat de l'expérience fut sans appel : dans les deux cas, la vitesse de la lumière mesurée était la même. Bien que changeant de sens à six mois d'intervalle, la Terre restait « immobile » dans l'éther.

Notes :

1 le mot « interférence » semble avoir été « inventé » au début du XIXe siècle par l'Anglais Thomas Young, à qui l'on attribue généralement la découverte du phénomène. Il semblerait cependant que l'Italien Garimaldi (découvreur de la diffraction) l'ait peut-être remarqué dès le début du XVIIe siècle (ses notes ne sont pas très explicites), alors que les Anglais Hooke et Newton l'ont observé dans la seconde moitié du XVIIe siècle, mais uniquement dans des conditions bien précises (lame mince).

2 qui établit que la force s'exerçant entre deux « charges » électriques immobiles avait la même forme que la force gravitationnelle proposée par Newton.

3 sur Faraday et son influence sur Einstein, on se reportera au livre de Balibar, Einstein 1905.

4 Faraday commença la physique assez tardivement : enthousiasmé par des conférences du soir auxquelles il avait assisté, il réussit à convaincre l'un des conférenciers de l'engager en tant que préparateur.

5 le concept moderne d'énergie n'était pas encore né, mais Faraday considérait une « quantité » qui lui était assez similaire.

6 la théorie cinétique des gaz, dont il ne sera pas question ici, décrit les notions macroscopiques de pression et température comme des effets moyennés des agitations atomiques.

7 il y avait en fait un autre problème avec l'éther : il devait à la fois être infiniment rigide pour ne pas admettre de vibrations longitudinales, mais également ne pas influer sur le mouvement des planètes.

8 cette expérience fut suggérée par Maxwell, mais il décéda avant de pouvoir participer à son élaboration.