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Les théories de la lumière

A l'époque de Kepler ou Newton, l'hypothèse d'une lumière qui provenait des objets pour atteindre les yeux était admise. Restait cependant encore ouverte la question de la nature de cette lumière. Ainsi, à cette époque, on discutait déjà de deux modèles apparemment incompatibles 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 XXème siècle, sorte de compromis les traitant tous deux sur un même pied d'égalité.

Le modèle corpusculaire

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 interférences.

Le modèle ondulatoire

Ce deuxième modèle, introduit en 1678 par le physicien et astronome hollandais Christiaan 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 contre-coeur, 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 XVIIIème siècle, avec le 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'interférométries, qui furent reprises par Fresnel, lequel travailla également sur la théorie de Huygens dont il montra qu'elle prédisait bien les interférences lumineuses.

Les interférences

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, deux ondes de lumière peuvent se croiser puis continuer leurs chemins comme s'il ne s'était rien passé
  • Une onde, qui peut être visualisée 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 les deux effets ci-dessus 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.

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 était une onde, on voit bien 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.

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. Mais 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 clé de sa théorie, omniprésent dans les calculs. Or, l'existence nécessaire de cet éther se révéla problématique.

L'électromagnétisme de Maxwell

L'électrostatique et le magnétisme

La grande étape suivante dans l'histoire de la lumière commença de manière complètement indépendante, puisqu'elle est liée à la matière, via la force électrostatique et le magnétisme. Les philosophes grecs constatèrent que mis face à face, deux morceaux de fer 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.

André Marie Ampère

Au XVIIIème siècle, l'électrostatique et l'électricité, étudiées et développées par divers scientifiques, parmi lesquels le Français Charles Augustin Coulomb, 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).

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.

Le concept de champ

Cette théorie fut suivie de nombreux travaux et expériences, parmi lesquels ceux de l'Anglais Michael Faraday. Expérimentateur dénué de toute connaissance formelle et mathématique, 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.

Michael Faraday

Comme Newton autrefois, Faraday ne pouvait accepter la notion d'interaction à distance. Mais 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'énergie, 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 quelques sortes 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.

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.

L'unification par Maxwell

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell s'illustra pour ses travaux en théorie cinétique des gaz, qu'il contribua à créer, 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 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 subtance était fondamentalement continue, dénuée 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 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.

Le problème de l'éther

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 XIXème siècle. 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

Hendrik Antoon Lorentz

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 génant 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. Mais 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 survint lorsque, après un raisonnement semblable à celui-ci, furent exécutées des expériences dont la plus célèbre est celle, en 1881, de l'américain Albert Michelson, 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".

Mais 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.