Mois : Mai 2019

L’histoire de la Cosmologie (4ème partie) : Un siècle avant la Révolution, l’étude de l’éther Luminifère.

Publié Par youssefsherlock
© Pixabay/CC0

La mécanique de Newton présentait le problème majeur des forces à distances qu’il fallait résoudre pour rendre compte des phénomènes de gravitation dans le Cosmos. L’éther était donc la solution évidente aux yeux des physiciens du 19ème siècle, et toute une panoplie de recherches ont été effectuées pour construire l’ultime formalisme mathématique et avoir les clés de la compréhension du réel. Cependant ils se sont rapidement trouvés devant des impasses.

L’éther problématique.

L’histoire de l’éther remonte à l’époque de Newton, évidement face au problème majeur de sa théorie, il travaillait d’arrache-pied pour en finir avec les apories demeurant. Il a donc imaginé un éther gravitationnel qui serait responsable de la transmission de la gravité. Après Newton, de nombreux physiciens ont essayé de comprendre et mettre en évidence cette substance. Au 19ème siècle, les études concernant l’éther atteignaient leurs apogées, surtout après les découvertes de Faraday et Maxwell. L’électrodynamique classique[1], stipulait que de la même manière que le son a besoin de l’air pour se propager, les ondes électromagnétiques nécessitait elles aussi un milieu pour leurs propagation. Ce milieu était appelé l’éther Luminifère, une substance continue qui submerge l’univers et remplit le vide entre les atomes. Mais, à une époque où la majorité des physiciens commençaient à accepter l’idée de la nature atomistique de la matière, stipuler l’existence d’un objet physique continu interagissant avec la matière discontinue compliquait les choses.

En 1887, Albert Michelson et Édouard Morley conduisaient une expérience pour mesurer la vitesse de la Terre par rapport à cet éther : elle consistait à mesurer la vitesse de la lumière par rapport à la Terre à six mois d’intervalle : Techniquement, on considère « c »  la vitesse de la lumière et « v » la vitesse de la Terre en rapport avec l’éther. Selon les lois de transformation des vitesses de Galilée, la vitesse de la lumière mesurée en mouvement dans le même sens que la Terre serait « c-v », six mois plus tard l’expression de cette vitesse change en raison du déplacement de la Terre au sens contraire pour devenir « c+v ». Ainsi, il est possible de calculer et déterminer ces deux vitesses. Mais la chance n’a pas sourit aux physiciens, la vitesse de la lumière mesurée était la même dans les deux cas. En d’autres termes, la quantité c-v (Terre et lumière dans le même sens) et la quantité c+v (Terre et lumière dans des directions opposées) sont égales, cela suggère que la vitesse de la Terre est égale à 0. On en déduit que celle-ci reste « immobile » dans l’éther.

L’électrodynamique de Lorentz.

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928).
Source : Wikipédia.

Le dernier chapitre des recherches sur l’éther fut avec Hendrik Lorentz. En 1895, il introduit sa théorie d’électrodynamique afin d’unifier les recherches concernant l’éther luminifère et résoudre les interrogations qui subsistaient. Il démontra que les équations de Maxwell étaient compatibles avec l’éther comme substance continue, présente partout, même à l’intérieur des atomes. Il arriva aussi au résultat que les corps en mouvement dans l’éther subissent une « contraction des longueurs » : la mesure de la longueur d’un objet en mouvement est diminuée par rapport à la mesure faite dans le référentiel où l’objet est immobile, ainsi qu’une « dilatation temporelle » : l’horloge d’un objet en mouvement semble ralentie par rapport à celle d’un objet immobile. Conclusion : il devient impossible de mesurer les vitesses des corps par rapport à l’éther. Comme on vu un peu plus tôt, l’expérience Morley-Michelson a donné comme résultat que la vitesse de la Terre par rapport à l’éther était égale à 0. Lorentz proposa une ébauche de solution à ce problème en introduisant les notions de contractions des longueurs et dilatation temporelle. Pour ceux qui trouvent que ces explications sont obscures, il faut simplement se rappeler la formule de la vitesse que vous avez certainement vu à l’école v= d/t , la vitesse est égale à la longueur divisée par le temps. Et voilà Vous comprenez mieux maintenant !!! A cause de ces contractions de longueurs et dilatations temporelles, il est pas possible de calculer la vitesse de la terre par rapport à l’éther, il existe une vitesse mais elle est indéterminable.

Conclusion.

Une impasse !!! La nature de l’éther toujours incomprise, impossible de mesurer les vitesses par rapport à celui-ci et d’autres problèmes qu’on a pas pu en parler dans cet article vu leurs complexités (non que ceux déjà mentionnés le sont moins), telles étaient les résultats des recherches du 19ème siècle. Plusieurs physiciens brillants se sont adonné pour compléter la Théorie de Newton et comprendre la force gravitationnelle, mais sans succès. Heureusement, l’éclair de génie du plus célèbre des physiciens Albert Einstein est venu à la rescousse. Grâce à lui la physique a connu une nouvelle phase de « Déconstruction, une des plus belles -sinon la plus belle – de l’histoire des sciences.

Notes:

[1] La théorie courante de l’époque et qui était basée sur les équations de Maxwell décrivant le mouvement des particules chargées et du champ électromagnétique dans le cadre de la physique Newtonienne.

Bibliographie :

-/https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/physique-relativite-restreinte-naissance-espace-temps-509/page/5/

-/https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_de_la_relativit%C3%A9_restreinte

-/https://fr.wikipedia.org/wiki/Relativit%C3%A9_restreinte#cite_ref-7

-/https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_de_l%27%C3%A9ther_de_Lorentz

L’histoire de la Cosmologie (3ème Partie) : L’électromagnétisme.

Publié Par youssefsherlock
Source : http://www.nanotechinnov.com/tenseurs-equations-maxwell

La théorie de Gravitation universelle de Newton a certainement résolu bon nombre de problèmes et a offert une vision élégante des mouvements dans le cosmos. Mais des zones d’ombres demeuraient malgré tout: il fallait bien connaître, comprendre et formuler mathématiquement les autres forces de la nature, mais surtout il était primordial de résoudre le problème tortueux de l’attraction à distance. Dans le présent billet, nous allons faire un saut vers le 19ème siècle, à l’époque de deux légendes de la physique moderne: Michael Faraday et James Maxwell, et découvrir leurs remarquable contribution à la résolution des interrogations de la théorie Newtonienne.

Introduction de la notion de « Champ ».

La physique va connaître une autre phase de déconstruction durant le 19ème siècle, grâce au génie de Michael Faraday. Tout commença dans un laboratoire à Londres, où il étudiait de près les phénomènes électriques et magnétiques . Il faisait tout genres d’expériences à l’aide de bobines, aiguilles, couteaux, cages de fer … et explorait les phénomènes d’attraction et répulsion entre objets électriquement chargés et magnétiques. C’est là où fleurit son idée géniale : Au lieu de penser que les interactions dans la nature se font à distance sans médiateur apparent comme est le cas dans la théorie de Newton, il a supposé l’existence d’une entité diffuse dans l’espace (ce qu’aujourd’hui on appelle « champ »), qui modifiée par les objets électriques et magnétiques, agit en retour sur ceux-ci : les attire ou les repousse. Faraday imagina des lignes fines diffuses partout dans l’espace, des lignes de  » forces  » responsables de la transmission des forces d’un objet à un autre.

Michael Faraday (1791 – 1867).
Source : Futura-sciences.

On se rappelle alors les mots de Newton décrivant les faiblesses de sa théorie : « … La Gravité doit être une force transmise par un agent médiateur agissant constamment selon certains lois. Mais que cet agent soit matériel ou immatériel,  je laisse cette question à la considération de mes Lecteurs … ». Il fallait attendre près de deux siècles, pour avoir enfin la clé de l’énigme de l’agent médiateur qui taraudait Newton. La notion de champ avait ouvert une nouvelle porte vers le développement de la physique moderne. Cependant, n’ayant aucune notion en mathématique, Faraday était incapable de traduire en équations son idée. C’est là où entre en scène l’autre personnalité mentionnée au début de ce billet : James Maxwell.


Dans cette figure les deux charges distordent les lignes de Faraday environnantes par leurs présences, et en contrepartie, celles-ci produisent une force qui va soit attirer ou repousser les deux charges.
Source :http://histoires-de-sciences.over-blog.fr/article-histoire-de-l-electricite-quand-faraday-64942395.html

L’électromagnétisme.

Au début du 18ème siècle , tout ce qu’on savait de l’électricité et du magnétisme était de simples ruses qu’on utilisait pour émerveiller. C’était magique, mais personne ne comprenait les lois qui rendait ces phénomènes d’attractions et répulsions possibles. Après le longues recherches et d’expérimentations, la lumière est venue avec Faraday. Mais ce qui était aussi important que comprendre un phénomène physique, c’est avoir sous la main un formalisme mathématique qui le décrit quantitativement. Ceci est rendu possible grâce à James Maxwell, qui a tout de suite saisi l’importance des idées de Faraday, et les a traduites en équations. Ceux-ci ont ouvert la porte vers la compréhension de ce qu’est la « lumière ».

James Maxwell (1831-1879).
Source : Wikipédia.

Maxwell réalise que ses équations prédisent que « les lignes de Faraday » peuvent tressaillir et onduler. Il calcule la vitesse à laquelle ondulent ces lignes et SURPRISE !!! … il trouve que c’est la même que celle de la lumière. Il arrive ainsi à la déduction que la lumière n’est autre qu’une vibration des lignes de Faraday, une onde électromagnétique. Ainsi, il arrive aussi à donner une définition physique et mathématique de ce qu’est une « couleur » : c’est la vitesse d’oscillation (techniquement on appelle ça la fréquence) de l’onde électromagnétique qu’est la lumière. En d’autres termes, la vitesse d’oscillation de la lumière génère les couleurs : plus la vitesse est grande plus elle vire au bleu, plus elle est petite plus elle vire au rouge.

Et ça ne s’arrête pas là, puisque les équations  de Maxwell prédisent aussi l’existence d’autres ondes électromagnétiques vibrant à des vitesses bien en dessous de celle de la lumière. Ce résultat théorique fabuleux a conduit à la découverte d’ondes de basses fréquences invisibles à l’œil nue comme les Ondes Radio.


Figures des ondes  électromagnétiques existants. Source : http://monplanamoi.blogspot.com/2013/10/infographie-echelle-des-ondes.html

Toutes les technologies de communications modernes : Radio, télévision, téléphones, ordinateurs, satellites, WI-FI, internet … pour n’en mentionner que celles-ci, n’aurait vu le jour sans le travail extraordinaire de James Maxwell qui a traduit en équations les idées géniales de Michael Faraday. Ces résultat ont crée une vague d’enthousiasme parmi les physiciens de l’époque, et on a imaginé une entité de la même nature que le champ électromagnétique. Un champ gravitationnel existant où baignent toutes les particules et qui fait le même travail que les lignes de Faraday, c’est à dire un médiateur de la force de gravitation. Cette entité fut bâti  » l’éther « …

A suivre ….

Bibliographie :

-/ Carlo Rovelli : « Reality is not what it seems : the journey to quantum gravity » – Pages « 30-35.

-/ Stephen Hawking : « Une brève histoire du temps » – Pages 27-28.

-/ La Biographie  de Michael Faraday :

http://www.ampere.cnrs.fr/histoire/parcours-historique/faraday-expo1900/bio-faraday

L’histoire de la Cosmologie (2ème Partie) : Forces et Faiblesses de la théorie Newtonienne.

Publié Par youssefsherlock
Le chef d’œuvre d’Isaac Newton. Source : Wikipédia.

Dans le précédent billet, on a vu comment Newton, s’inspirant des travaux de deux géants de la pensée scientifique : Kepler et Galilée, a réussi à planter les jalons de sa théorie de gravitation universelle. Dans ce présent article, nous allons nous approfondir un peu plus dans le modèle d’Univers Newtonien, ses forces et ses faiblesses.

Espace-boite !!

La simplicité et l’élégance conceptuelle de la vision newtonienne étaient sans appel. L’univers est une sorte d’espace-boîte infini, absolu, homogène (le même en tout point) et isotrope (sans direction privilégiée) dans lequel se déroulent les événements. Un grand conteneur où se déplacent les particules et interagissent entre elles par l’intermédiaire de forces. Le Temps, tout comme l’espace, est absolu et immuable. C’est non seulement une vision simple et élégante, mais aussi familière qui peut très facilement être acceptée. Pourquoi? Parce qu’on a sous les yeux un exemple de modèle réduit de l’Univers Newtonien : Notre planète. La Terre est comme un conteneur pour nous Humains, où nous vivons et interagissons. Le temps y est aussi absolu: la durée des événements se mesure de la même manière dans tous les coins du globe. Génial n’est ce pas? Grâce à cela, elle semblait être la pièce manquante pour la compréhension de la Réalité.

Les zones d’ombres.

Tout semblait marcher à merveille, la vision globale était là !

Sauf que, et Newton le savait, les équations de sa théorie ne décrivent pas toutes les forces qui existent. Dans le billet précédent, on a parlé de son raisonnement à l’origine de l’idée de la gravité universelle : « Les lois qui régissent le mouvement de la Terre autour du Soleil ou le mouvement de la Lune autour de la Terre doivent être les mêmes que ceux de la chute des corps ». Cette idée aurait suffit à donner une vision claire des choses si les objets ne bougeaient qu’en chutant, ce qui n’est pas le cas. il existe alors d’autres forces en action dans la Nature, et il faut les bien cerner pour mieux comprendre la Réalité.

Cependant, un autre problème beaucoup plus sérieux se présenta aussi : La vraie nature de la force gravitationnelle !!! Newton était évidemment perplexe devant la notion qu’il a lui même introduit. En fin de compte, comment accepter l’idée que deux objets si lointains l’un de l’autre comme est le cas du Soleil et la Terre puissent être liés par cette attraction à distance. Chacun de nous trouve, à tort, celle-ci comme une représentation familière, ce qui ne doit pas être le cas. On est si habitué à l’idée de forces à distance, mais en fin de compte on l’a jamais comprise, en fait elle défie même la raison. C’est non seulement une idée contre-intuitive – Quoique ce n’est pas un critère pour l’abandonner, l’exemple le plus parlant étant celui de la Mécanique Quantique (on en parlera dans les prochains articles) – mais paraît aussi d’une absurdité flagrante. Newton lui même avouait sa perplexité et son impuissance face à cette difficulté en disant :

« C’est totalement inconcevable que des Objets inanimés, sans l’intervention de quelque chose, puissent influer et subir l’influence d’autres objets sans aucun contact mutuel … L’idée de la Gravité comme force innée et essentielle à la matière, et qui fait que des objets distants puissent  interagir sans médiateur est pour moi d’une grande absurdité. La Gravité doit être une force transmise par un agent médiateur agissant constamment selon certains lois. Mais que cet agent soit matériel ou immatériel,  je laisse cette question à la considération de mes Lecteurs … »

Newton critiqua son propre travail, le même qui lui a valu tant de reconnaissance et qui a longtemps été considéré comme l’ultime réalisation de l’histoire de la science. Il était conscient des limites de sa théorie comme le scientifique de génie qu’il était, et a laissé la question insoluble à la considération de ses lecteurs. Néanmoins, sa théorie fonctionnait à merveille. Il fallait donc attendre plus de deux siècles pour avoir la solution à ce problème tortueux de forces à distance, grâce à la profondeur de pensée d’une des figures marquantes de la physique du 19ème siècle : Michael Faraday.

Bibliographie :

-/ Carlo Rovelli : « Reality is not what it seems : the journey to quantum gravity » – Pages 30-33.

L’histoire de la Cosmologie (1ère Partie): Isaac Newton.

Publié Par youssefsherlock

Depuis la nuit des temps, les Humains ont été émerveillés par ce vaste ciel qui nous entoure, par les petites lampes qui brillent dans ce ciel nocturne. Cette sensation de mystère devant un tel paysage instigua la flamme de l’intellect humain pour aller au delà de nos croyances sur le monde et étudier le Cosmos.

Notre quête vers la compréhension de la nature était pleine de merveilles mais aussi parsemées de difficultés, la Nature ne donne pas ses clés facilement. Ça a demandé beaucoup d’efforts et d’ingéniosité pour arriver au stade actuel des connaissances. Mais là c’est encore loin de dire que notre compréhension du monde aujourd’hui est parfaite, comme on va voir (j’espère) dans d’autres billets de blog, la physique est en crise et plusieurs apories demeurent. Mais ce courage intellectuel  qu’ont eu plusieurs penseurs tout au long des siècles passés à tacler les questions reliés à l’existence, à la Nature et à L’être Humain lui même, a permit l’ascension de l’humanité vers les plus hauts échelons d’évolution.

Dans cette série de billets, on va faire un petit survol de l’histoire de la physique moderne. En partant de la révolution Newtonienne jusqu’au Modèle Standard de la physique des particules en passant par la Théorie de Relativité d’Einstein. C’EEEEST PARTIS !!!

Newton et la Théorie de Gravitation universelle.

L’histoire de la science porte sur un thème principal :  » La Déconstruction « . Bien des siècles avant Newton, Nicolas Copernic a mis en pièce le modèle d’univers ptoléméen , qui a régné pendant un millénaire comme le seul modèle de la révolution des planètes, un modèle qui met la Terre au centre de l’univers. Le modèle Héliocentrique de Copernic était certes beaucoup plus élégant que celui de Ptolémée, mais sa version mathématique marchait moins bien. Il fallait attendre Johannes Kepler pour résoudre le problème et montrer la valeur mathématique de la vision copernicienne.

A gauche Galileo Galilei (1564-1642), à droite Johannes Kepler (1571-1630). Source : Centre Atlantique de Philosophie

Un autre génie de la même génération de Kepler, Galilée lui aussi apporta sa touche au développement de la vision copernicienne dont il était fervent défendeur. Il inventa par ailleurs le premier Télescope dans un geste de sublime transcendance et le pointe vers le ciel. Galilée fut aussi le fondateur de la mécanique en tant que science. Convaincu qu’il existe des lois mathématiques bien précises qui régissent le mouvement des objets sur Terre, il décida d’étudier la chute des corps. Il fait cette expérience simple de laisser tomber des objets et mesurer précisément leurs vitesses de chute. Il a ainsi pu constater qu’ils ne chutait  pas à vitesse constante comme on croyait à l’époque, au contraire ils subissaient une « accélération » : augmentation progressive de la vitesse. Galilée a fait une panoplie de mesures et trouve que la valeur de cette accélération ne change presque pas quel que soit l’objet étudié. Cette valeur est de 9.8 m/s-² (ça veut dire presque 10 mètres par seconde par seconde, en d’autres termes à chaque seconde la vitesse de la chute augmente de 10 mètres par seconde).       

{ 9.8 mètres par seconde fait à peu près 36 Km/h}

Isaac Newton (1643-1727). Source : Wikipédia

C’est là où arrive Newton pour apporter sa pierre à l’édifice de ses prédécesseurs. Il étudia leurs travaux de près, et les combina dans  son ouvrage majeur  « Principia mathematica philosophiae naturalis « . Les lois de gravitation Newtoniennes reposent principalement sur l’idée que : « Les lois qui régissent le mouvement de la Terre autour du Soleil ou le mouvement de la Lune autour de la Terre doivent être les mêmes que ceux de la chute des corps ». En d’autres termes, de la même manière qu’un corps qu’on fait chuter accélère vers le sol (attiré vers le sol), la Lune par exemple subit la même loi et est constamment attirée vers la Terre et accélère vers le centre de celle-ci. Cette loi est la « Gravité », responsable de la chute des corps sur Terre, la même en jeu dans l’espace et qui fait que certains objets célestes tournent autour d’autres. Une vision universelle se dessine, une vision élégante qui mit fin au centrisme. L’univers est immense, infini, rempli d’étoiles et de planètes. Un univers où les objets se déplacent tout droit vers l’infini, sauf s’ils sont attirés par d’autres objets, là leurs course rectiligne se voit déviée. Newton a ainsi pu élaborer le formalisme mathématique nécessaire pour sa théorie de gravitation  et a réussi à formuler précisément l’expression de la force gravitationnelle ( la célèbre formule qu’on a tant vu au lycée 🙂 ) :

                                                                     F = – G M1 M2 u/r²

-/ M1  et  M2 : deux objets de masses.

-/ r :  c’est la distance qui sépare les objets M1  et  M2 .

-/ G  :  la constante de Newton (constante Gravitationnelle ) :

6,674 08 × 10−11 m3 kg−1 s−2

L’ampleur des résultats de cette théorie a dépassé les espérances, c’est en partie à elle qu’on doit toute la technologie de notre monde moderne.  Sans celle-ci on n’aurait pu bâtir ni ponts, ni grattes ciel ni trains. Les domaines comme l’aéronautique, la Météorologie ou l’astronomie  reposent largement sur l’effort intellectuel d’Isaac Newton. C’est en 1687, date de publication de cet ouvrage fondamental, qu’est véritablement née la physique moderne.

Bibliographie :

-/ Carlo Rovelli : « Reality is not what it seems : the journey to quantum gravity » – Pages 28-30.

-/ Stephen Hawking : « Une brève histoire du temps » – Pages 12-15.

-/ Intéressant dossier sur Futura-science dédié à l’évolution des théories de gravitation :

https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/physique-relativite-generale-espace-temps-devint-dynamique-510/page/2/