Épisode 8 : découverte de l’invariance de la vitesse de la lumière

« Si la lumière est une onde, a l’instar d’une vague sur l’eau, ou d’une holla dans le stade de San Siro, il lui faut un support pour se déplacer dans l’univers (à noter que les supporters du Milan AC jouent ce rôle dans l’exemple de la holla : pas de supporters pas de Holla !). En revanche, si elle n’est que particules, à l’instar d’un projectile lancé dans l’espace (par exemple une ARIANE V), le vide lui suffit. » Le petit-père Combes – 2013.

Le XVIIème siècle vit ainsi le combat sans merci entre les tenants de la nature ondulatoire de la lumière (Fresnel, Huygens, Descartes, Young…) et donc du support qui va avec et ceux de sa nature corpusculaire (Newton).

Descartes, le premier, proposa l’hypothèse ondulatoire et, pour en assurer la cohérence, inventa le concept d’éther : le fameux milieu nécessaire au déplacement de sa vague de lumière. Son éther était une nuée de « globules transparents », présents partout dans l’espace, coulant en rivières, formant des tourbillons qui entraînaient les planètes dans leur danse circulaire, créant ainsi les orbites planétaires !

L’éther fut très vite associé à Dieu. N’était-il pas simultanément en tous lieux ? D’ailleurs, le terme vient de la mythologie grecque. C’est le toit du ciel, une zone innacessible pour les pauvres mortels, à la fois translucide et brillante. Pour Aristote, l’éther était le cinquième élément, celui dont les dieux étaient constitués. Pour Newton, l’éther était l’outil dont Dieu disposait pour interagir avec notre monde.

Bien loin de ces considérations métaphysiques, FIZEAU et RÖMER montrèrent que la vitesse de la lumière était finie et égale à 300 000 km/s.

Comme la théorie de l’onde prenait l’avantage (notamment avec l’expérience des fentes de YOUNG), l’éther devint indispensable. Pour que tout fonctionne, il fallait en outre qu’il soit :

  1. extrêmement rigide pour permettre aux lumières lointaines des étoiles de nous parvenir. Sinon, l’onde risquait de s’étioler, de s’affaiblir au fur et à mesure des distances parcourues, pour d’écraser lamentablement comme une vague sur le sable ;
  2. transparent pour les objets matériels comme la terre. Sinon, la terre, ralentie dans sa course par les globules transparents, se serait arrêtée de tourner depuis longtemps…

La terre, selon la caractéristique n°2, pouvait se mouvoir dans l’éther sans le perturber. Cette conséquence donna la matière nécessaire à Michelson et Morley (fin du XIXème siècle) pour mettre en place leur célèbre expérience : ils s’intéressèrent à la vitesse de la lumière (c) constatée dans le sens de rotation de la terre (qui se déplace à une vitesse (v) sur son orbite) et dans le sens contraire. Selon les règles élémentaires d’additivité des vitesses (si je marche à 5 km/h dans un train qui va à 30 km/h, ma vitesse réelle par rapport à la terre est de 35 km/h, non ?). Pour le cas de lumière la réponse fut effectivement négative… Que l’on mesure dans le sens de rotation ou dans l’autre sens, la vitesse de la lumière reste égale à c. Ainsi, si l’on était à bord d’une fusée qui se déplace à 200 000 km/s, les rayons lumineux qui iraient dans le même sens que la fusée continuerait, pour nous, à se déplacer à 300 000 km/s ! Ce résultat avait déjà été établi par ARAGO en 1810 lorsqu’il mesura la lumière venant des étoiles lointaines.

Alors, l’éther existait-il ? POINCARÉ prédit rapidement sa disparition. EINSTEIN en 1905 lui assena le coup de grâce : il démontra que les lois de la physique étaient invariantes dans les systèmes en mouvement de translation uniforme (relativité restreinte) ou en accélération continue (relativité générale). La lumière devint une onde se déplaçant dans le vide, mais aussi un flux de particule (les photons).

Ceci dit l’éther n’a pas dit son dernier mot. S’il a été jeté par la fenêtre avec la découverte du vide (absence absolu de matière), et s’il n’a plus rien à voir avec les idées cartésiennes, il est revenu par la porte de la théorie des champs. EINSTEIN a ainsi établi la notion de champs gravitationnels qui emplissent l’espace-temps, qui expliquent notamment comment la gravitation fonctionne. On retrouve aussi dans les fluctuations quantiques rendues nécessaires par le principe d’incertitude d’Heisenberg, des relents d’éthers : ainsi, même dans le vide le plus absolu, des couples de particules et d’antiparticules se forment en permanence avant de s’annihiler et de disparaître dans le néant. Le vide absolu est donc plein de particules virtuelles qui ne demandent qu’un peu d’énergie pour sortir du néant… Attention, Dieu n’est plus très loin.

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Les pères de la mécanique quantique, Philosophie

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