décembre 5, 2020

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De Descartes à Einstein, comment l’étude de la lumière a changé notre représentation du monde

Pendant des siècles, les scientifiques ont cherché à comprendre la nature de la lumière – © Christophe Daussy / Université Sorbonne Paris Nord

  • Une meilleure compréhension de notre monde est née de l’étude de la lumière, selon une étude publiée par notre partenaire The Conversation.
  • Les recherches sont toujours en cours et devraient un jour permettre de formuler une théorie quantique et relativiste de la gravité.
  • L’analyse de cette évolution a été réalisée par Christophe Daussy, physicien, enseignant-chercheur au Laboratoire de Physique des Lasers, CNRS, Université Sorbonne Paris Nord – USPC.

Les technologies basées sur la connaissance et la maîtrise de la lumière sont devenues incontournables: écrans, télécommunications, imagerie ou laser et ses nombreuses applications. Dans le domaine de la recherche, l’optique et la photonique ont fourni ces dernières décennies des instruments à haute sensibilité qui ont permis, par exemple, la détection d’un trou noir au centre de notre galaxie (grâce à l’optique adaptative), la détection de ondes gravitationnelles (grâce à
interféromètres géants) ou la réalisation de
horloges les plus stables dans le monde.
Au-delà de ces succès remarquables, le travail sur la lumière – ou avec la lumière – a marqué nos représentations du monde physique depuis des siècles. Nous nous attacherons ici à montrer les liens étroits qui existent entre les découvertes dans ce champ de recherche et l’émergence au XXe siècle de théories qui ont bouleversé notre compréhension de la lumière, mais aussi de l’espace, du temps et de la matière. .

Lumière, particule ou vague?

L’histoire qui nous intéresse commence au 17ème siècle. L’étude quantitative de la déviation des rayons lumineux permet alors à Snell et Descartes d’établir le lois de l’optique géométrique. Modéliser ce phénomène amène les scientifiques à prendre position sur deux questions fondamentales: quelle est la nature de la lumière et à quelle vitesse se propage-t-elle? Ces deux problèmes seront débattus pendant plus de deux siècles et conduiront les physiciens vers deux révolutions: la théorie de la relativité et la théorie quantique.

Au 17ème siècle, pour Descartes et Newton, la lumière était de nature corpusculaire et se propageait plus vite dans le verre que dans l’air. De son côté, Huygens a développé une théorie des ondes qui l’a amené à considérer que la lumière se propage plus lentement dans le verre que dans l’air. Alors vague ou particule? Le succès écrasant de la mécanique newtonienne éclipsera totalement le modèle des vagues pendant plus d’un siècle. Au début du 19e siècle, les expériences d’interférence lumineuse menées par Young mettent en défaut la théorie des particules de Newton. Le débat semble alors définitivement réglé lorsqu’en 1850, Fizeau et Foucault montrent expérimentalement que la vitesse de la lumière est plus faible dans l’eau que dans l’air. Huygens avait donc raison: la lumière est bien une vague!

Notre compréhension de la nature de cette onde doit alors beaucoup au travail de Maxwell qui associe des phénomènes électriques, magnétiques et optiques et montre que la lumière est une onde électromagnétique. Mieux encore, sa vitesse dans le vide doit être invariante: elle est toujours c, quelle que soit la vitesse de la source ou de l’observateur. Et ici les choses se compliquent! En effet cette invariance de la vitesse de la lumière est incompatible avec une loi centrale en mécanique newtonienne la
Loi galiléenne de composition de vitesse.
Malgré cette tache noire et un autre problème non résolu, le calcul de la quantité de lumière émise par le rayonnement thermique (le problème du corps noir), de nombreux scientifiques à la fin du 19e siècle considéraient que notre représentation du monde physique était pleinement accomplie. et la physique pratiquement terminée. Cependant, les réponses qui seront apportées à ces deux problèmes seront les bases d’une véritable révolution.

Relativité

La solution qui permettra de concilier électromagnétisme et mécanique est apportée en 1905 par Einstein. L’invariance galiléenne cède la place à l’invariance relativiste pour donner naissance à la relativité restreinte. Cette nouvelle théorie bouleversera notre vision de l’espace, du temps et de la matière. c n’est plus simplement la vitesse de toutes les ondes électromagnétiques dans le vide, elle devient une vitesse limite insurmontable. En 1983, il acquerra le statut de
constante de référence fondamentale lorsqu’il est configuré pour redéfinir l’unité de longueur du nouveau système international.
L’existence d’une telle limite oblige à revoir la notion de simultanéité de deux événements: elle dépend du mouvement de l’observateur. En conséquence, l’espace et le temps ne sont plus absolus et doivent être repensés sous l’angle d’un nouveau concept, l’espace-temps. Les durées et les durées ne sont plus absolues. Les règles se contractent et les horloges ralentissent lorsqu’elles sont en mouvement! Le concept de masse doit également être redéfini à la lumière de la fameuse relation E = mc2 qui pose l’équivalence entre masse et énergie.

La naissance du concept de photon

En 1900, la solution au problème du corps noir était apportée par Planck au moyen d’une hypothèse déconcertante: la lumière est émise de manière discontinue par des grains d’énergie, les quanta. Dans le processus, Einstein s’attaque à l’effet photoélectrique. Sur la base des travaux de Planck, il interprète cet effet en considérant que la lumière est composée de grains d’énergie (h est la constante de Planck et ν la fréquence). C’est la naissance du concept de photon et avec lui une nouvelle page du débat sur la nature de la lumière.

Comment concilier les ondes électromagnétiques de Maxwell et les photons d’Einstein? La solution à cette question trouve ses racines au 17e siècle. Fermat formule le principe du «temps minimum» qui lui permet de retrouver les lois de l’optique géométrique. Ce principe est ensuite étendu à la mécanique par Mauperthuis pour donner le principe de «moindre action»: La trajectoire d’un point matériel est toujours celle qui minimise l’action, grandeur obtenue en multipliant la quantité de mouvement et la distance parcourue.
On voit dans ces deux principes une forme de similitude entre le traitement de la lumière et celui de la matière, similitude qui sera formalisée par Hamilton dans une nouvelle écriture des lois de la mécanique. Il faudra alors attendre les travaux de Planck et l’introduction du quantum d’action. h, par Einstein qui quantifie la lumière, de sorte qu’en 1924 de Broglie apporte la solution inattendue qui réconciliera définitivement onde et photon: la lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme des corpuscules, tout dépend des conditions de l’expérience. On parle de dualité onde-particule.

Plus déroutant encore, il généralise cette dualité à la matière: il faut donc pouvoir transposer aux électrons et aux atomes, les expériences de l’optique ondulatoire. C’est sur cette base que se développera une nouvelle mécanique, la mécanique quantique dont Schrödinger établit l’équation centrale, l’équation d’onde pour une particule.

Mécanique quantique

Ce nouveau cadre théorique bouleverse à son tour notre représentation de la matière et des interactions. La notion de trajectoire d’une particule doit être repensée à la lumière de l’amplitude de probabilité de la fonction d’onde dont le module au carré représente la probabilité de trouver la particule en un point de l’espace. La prévisibilité déterministe classique laisse alors place à la prévisibilité probabiliste quantique.
Enfin, les conditions de mesure, l’observateur, doivent être intégrées dans la description du système quantique. Dans ce contexte, h acquiert le statut de constante fondamentale pour devenir le «quantum d’action» qui traduit la discontinuité des interactions et représente la limite inférieure de toute action. En 2019, h devient même un
constante de référence set pour définir l’unité de masse.

Prise en compte dans le même cadre théorique des constantes h et c conduira ensuite, au cours de la seconde moitié du XXe siècle, à l’unification des théories relativistes et quantiques pour aboutir aux théories de l’interaction électromagnétique, de l’interaction faible et de l’interaction forte. Le modèle standard rassemble ces trois théories et définit aujourd’hui notre représentation de la physique des particules élémentaires et des interactions. Au niveau ultime de cette approche unificatrice, prenant en compte la constante gravitationnelle g doit permettre de formuler un
théorie quantique et relativiste de la gravité. Cette théorie, qui reste encore à construire à ce jour, va à son tour bousculer notre représentation du monde.

Cette analyse a été rédigée par Christophe Daussy, physicien, enseignant-chercheur au Laboratoire de Physique des Lasers, CNRS, Université Sorbonne Paris Nord – USPC. L’article original a été publié sur le site Web de La conversation.

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