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.
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 ».
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