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La pression de la lumière sur les diélectriques : une énigme résolue

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C'est la fin d'une controverse vieille d'un siècle et concernant la propagation de la lumière dans les diélectriques. Un groupe de chercheurs taïwanais vient de donner raison au physicien théoricien Max Abraham contre le grand mathématicien Hermann Minkowski.

Hermann Minkowski. Crédit : Concordia University

Au tout début du vingtième siècle, l'électrodynamique, notamment celle des milieux matériels et des corps en mouvement, était un des sujets les plus brûlants de la physique. Cette effervescence a finalement débouché sur les révolutions de la théorie quantique et de la relativité restreinte. L'un des responsables de cette dernière était le grand mathématicien Hermann Minkowski.

Ami de Hilbert depuis l'université, il avait aussi été le professeur de mathématiques d'Albert Einstein à l'ETH de Zurich. Comme Hilbert, ses préoccupations et ses travaux s'étendaient à toutes les branches des mathématiques, c'est-à-dire aussi bien l'arithmétique que la physique mathématique. C'est à lui que l'on doit l'introduction de la notion de géométrie de l'espace-temps et de son calcul tensoriel associé. Il en découlait une formulation simple et puissante de l'électrodynamique, exhibant naturellement la notion d'espace-temps sous-jacente. Surtout, sans elle, Albert Einstein n'aurait jamais pu développer son chef-d'œuvre, à savoir la théorie de la relativité générale.

On savait déjà, depuis les travaux de Poynting, que la lumière pouvait transporter de la quantité de mouvement dans le vide. Mais que se passe-t-il lorsqu'elle rencontre un corps diélectrique ?

Max Abraham. Crédit : EPJ de Haas

Une bonne nouvelle pour la fusion contrôlée ?

Pour le physicien théoricien Max Abraham, la lumière ne pouvait qu'exercer une pression lorsqu'elle tombait sur un milieu diélectrique, par exemple en passant de l'air à l'eau. Mais pour Minkowski, l'effet devrait être inverse, produisant une force attractive.

Dans les années 1970, une expérience suffisamment sensible départagea les deux théories. Un faisceau de lumière passant dans l'air et tombant sur de l'eau provoqua effectivement un bombement de la surface. La cause semblait entendue. De même qu'Abraham n'avait rien compris à la théorie de la relativité et en fut toujours un opposant, il s'était trompé là aussi et Minkowski triomphait une fois de plus...

Malheureusement, la même année, on ne tarda pas à réaliser qu'un effet optique négligé dans l'analyse de l'expérience la rendait inconclusive. Le débat était rallumé, et le resta jusqu'à aujourd'hui.

Un groupe de chercheurs de l'université Sun Yat-Sen a en effet repris le problème en considérant une expérience dans laquelle de la lumière, se propageant là aussi dans l'air, tombe sur un filament en silice. L'expérience semble maintenant convaincante selon les experts... et elle donne raison à Abraham. C'est bien une force de pression qui a été mise en évidence.

Il ne s'agit pas seulement de la résolution d'une énigme ancienne en physique théorique. En effet, elle pourrait ouvrir une nouvelle voie pour la réalisation de la fusion contrôlée inertielle. On peut ainsi imaginer une bille transparente en milieu diélectrique, enrobant un mélange de deutérium et de tritium, qui se comprimerait suffisamment sous l'action de faisceau laser pour que les réactions de fusion se déclenchent.

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