Relativité (1) – Éther

 

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Bacon (1214-1294)

« Que le vide ne puisse être cela paraît. En effet, s’il existait il serait une substance ou un accident. Mais le vide n’est pas une substance incorporelle, car il serait âme ou intelligence. Il n’est pas non plus une substance qui soit corps car il occuperait un lieu. Enfin il n’est pas un accident, car aucun accident ne peut exister séparé d’une substance et le vide est une dimension séparée. Il n’est donc rien du tout, ce que j’accorde avec Aristote. »

 

Descartes (1596-1650)

Lettre à Chanut, La Haye, 6 juin 1647. « Ainsi il me semble qu’on ne peut prouver, ni même concevoir, qu’il y ait des bornes en la matière dont le monde est composé. Car en examinant la nature de cette matière, je trouve qu’elle ne consiste en autre chose qu’en ce qu’elle a de l’étendue en longueur, largeur et profondeur, de façon que tout ce qui a ces trois dimensions est une partie de cette matière ; et il ne peut y avoir aucun espace entièrement vide, c’est-à-dire qui ne contienne aucune matière, à cause que nous ne saurions concevoir un tel espace, que nous ne concevions en lui ces trois dimensions, et, par conséquent, de la matière. »

 

Huygens (1629-1695)

« L’on ne saurait douter que la lumière ne consiste dans le mouvement de certaine matière. […] ce qui marque assurément du mouvement, au moins dans la vraie philosophie, dans laquelle on conçoit la cause de tous les effets naturels par des raisons de mécanique. […] Mais l’extrême vitesse de la lumière, et d’autres propriétés qu’elle a, ne sauraient admettre une telle propagation de mouvement, et je vais montrer ici de quelle manière je conçois qu’elle doit être. Il faut expliquer pour cela la propriété que gardent les corps durs à transmettre le mouvement les uns aux autres. […] Or, pour appliquer cette sorte de mouvement à celui qui produit la lumière, rien n’empêche que nous n’estimions les particules de l’éther être d’une matière si approchante de la dureté parfaite et d’un ressort si prompt que nous voulons. »

 

Isaac Newton (1643-1727)

Lettre de Newton à Richard Bentley (1692) : « Que la gravité soit innée, inhérente et essentielle à la matière, en sorte qu’un corps puisse agir sur un autre à distance au travers du vide, sans médiation d’autre chose, par quoi et à travers quoi leur action et force puissent être communiquées de l’un à l’autre est pour moi une absurdité dont je crois qu’aucun homme, ayant la faculté de raisonner de façon compétente dans les matières philosophiques, puisse jamais se rendre coupable. »

Emmanuel Kant (1724-1804)

Recueil de notes destinées à l’élaboration d’un ultime traité philosophique et publié de manière posthume. 

« De l’espace vide, il ne peut y avoir aucune expérience, il ne peut y avoir non plus aucune conclusion concernant son objet. Pour être instruit de l’existence d’une matière j’ai besoin de l’influence d’une matière sur mes sens. La proposition donc « il y a des espaces vides » ne peut jamais être une proposition ni médiate, ni immédiate d’expérience : elle est seulement une ratiocination. […]

Accepter l’existence d’une matière partout répandue, pénétrant tout et mouvant tout (on peut, en ce qui concerne le temps, ajouter encore : donnant le premier commencement à tout mouvement), qui remplit l’espace cosmique est une hypothèse qui, certes n’est pas garantie, ni ne peut l’être par une expérience, et donc si elle a un fondement, elle devrait résulter à priori comme une idée de la raison […].

 

Joseph Thomson (1824-1907)

« La physique est définitivement constituée avec ses concepts fondamentaux ; tout ce qu’elle peut désormais apporter, c’est la détermination précise de quelques décimales supplémentaires. Il y a bien deux petits problèmes : celui du résultat négatif de l’expérience de Michelson et celui du corps noir, mais ils seront rapidement résolus et n’altèrent en rien notre confiance… »

 

Henri Poincaré (1854-1912)

La Science et l’hypothèse (1902). « Peu nous importe que l’éther existe réellement, c’est l’affaire des métaphysiciens ; l’essentiel pour nous c’est que tout se passe comme s’il existait et que cette hypothèse est commode pour l’explication des phénomènes. Après tout, avons-nous d’autre raison de croire à l’existence des objets matériels ? Ce n’est là aussi qu’une hypothèse commode ; seulement elle ne cessera jamais de l’être, tandis qu’un jour viendra sans doute où l’éther sera rejeté comme inutile. »

Einstein (1879-1955)

Discours de Leyde (1920). « Nous pouvons résumer comme suit : selon la théorie de la relativité générale, l’espace est pourvu de propriétés physiques, et dans ce sens, par conséquent, il existe un éther. Selon la théorie de la relativité générale, un espace sans éther est impensable, car dans un tel espace non seulement il n’y aurait pas de propagation de la lumière, mais aussi aucune possibilité d’existence pour un espace et un temps standard (mesuré par des règles et des horloges), ni par conséquent pour les intervalles d’espace-temps dans le sens physique du terme. Cependant, cet éther ne peut pas être conçu comme pourvu des qualités des media pondérables et comme constitué de parties ayant une trajectoire dans le temps. L’idée de mouvement ne peut pas lui être appliquée. »

 

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Le travail proposé porte sur les bouleversements de la physique au début du XXe siècle, induits par les contradictions soulevées par la théorie électromagnétique de Maxwell.  

Huygens puis Fresnel avaient soutenu, contre Newton et ses héritiers, une conception ondulatoire de la lumière, très efficace pour l’interprétation de la diffraction et des interférences. Les physiciens (et Newton lui-même), généralement réticents aux concepts de « vide » et « d’interaction à distance », trouvaient leur compte à concevoir à nouveaux frais un « Éther luminifère » comme support des ondes lumineuses et, plus généralement, des ondes électromagnétiques. De plus cet éther donnait de la substance au concept de champ électrique et magnétique (Faraday, dans les années 1850). Les travaux de Maxwell installent efficacement la théorie de l’électromagnétisme et englobent le modèle des ondes lumineuses (en effet la célérité de la lumière coïncide admirablement avec celle des ondes électromagnétiques).

Mais c’était sans compter avec deux contradictions majeures.

• Les équations de Maxwell ne sont pas invariantes par changement de référentiel galiléen et ne sont opératoires que dans un référentiel absolu qui serait donc lié à l’éther.
• L’expérience de Michelson et Morlay montre que la célérité de la lumière est indépendante du référentiel galiléen choisi, alors que la relativité galiléenne classique postule l’additivité des vitesses relatives…

 Il faut donc choisir : équations de Maxwell ou relativité galiléenne classique, et conservation ou non du référentiel absolu qui serait lié à l’éther !

 

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier relativité (1)).

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Consigne 1 individuel puis en groupe (60 min)

 

On utilise le document [1 michelson.pdf] et en support le document [ether et univers.pdf]

 

1. Expliciter la problématique de Michelson.

2. Encadré 1 : développer, compléter et vérifier les calculs proposés.

3. Encadré 2 : expliciter les calculs d’approximation et montrer pourquoi on devrait observer une interférence destructive dans les conditions proposées.

 

Comparaison en groupe.

Animation tableau pour la mise au point.

Discussion.

 

Commentaires.

On peut revenir sur l’additivité des vitesses dans la relativité galiléenne classique. L’expérience de Michelson et Morlay semble montrer que la célérité de la lumière est indépendante du référentiel galiléen choisi. Les tentatives pour surmonter la difficulté (entrainement de l’éther, contraction des longueurs) sont des hypothèses ad-hoc pour sauver la mécanique classique qui vont mobiliser les physiciens (Lorentz, Fitzgerald, Larmor, Poincaré…) pendant plusieurs années.

Corrigé :  [michelson corrigé.pdf]

 

 

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Consigne 2 en groupe (30 min)

 

La contradiction entre la théorie électromagnétique de Maxwell et la relativité galiléenne.

 

On utilise les documents  [2-contradiction.pdf]  et [lorentz.pdf] ainsi que, en complément, [galilée.pdf] et [rothen.pdf].

 

 

 

Elaborer une affiche expliquant la problématique et montrant pourquoi les transformations de Lorentz permettent de surmonter le problème de l’invariance de la célérité de la lumière (on réutilisera les éléments du document [1 michelson.pdf]).

 

Comparaison des affiches et présentation de certaines d’entre-elles. Mise au point.

 

Commentaires. 

Le raisonnement est plus subtil qu’il n’y parait. On utilise :  

La longueur L, (horizontale donc selon Ox, et la vitesse de la Terre), est immobile sur Terre.
Donc c’est le Dx’ dans :

Alors dans le référentiel de l’éther L doit être remplacé par :

Ce qui donne finalement Dt₁ = Dt₂ et explique donc qu’on n’observe pas d’interférence destructive !!!

 

Voir également : [relativité.pptx] ou [relativité.pdf] et [histoire.pptx]

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Consigne 2 en 5 groupes puis jeu de rôle (50 min)

 

Le débat scientifique : existence de l’Ether ?

 

Chaque groupe est chargé d’un ou plusieurs personnages et prépare une intervention pour un débat scientifique sur l’existence de l’Ether : voir dossier [personnages].

 

Jeu de rôle du débat.

 Discussion.

 

 

Commentaires.

Pour newton la question ne se pose pas vraiment puisque la lumière est constituée de particules en mouvement (même s’il ne nie pas la possibilité d’une perturbation de l’éther).Pour Huygens, il y a nécessairement un support puisque la lumière est une onde. Idem pour Euler et Maxwell.Pour Einstein (1 – 1905) et Planck l’éther est inutile.Mais plus tard (1616) Einstein (2) admet l’idée d’Ether (puisque l’espace est doué de propriétés physiques) ; de même De Broglie et Dirac reviennent, dans le cadre de la mécanique quantique, à la notion d’éther, le « vide » étant un « immense réservoir d’énergie sous-jacente ».

Voir notamment : http://www.scilogs.fr/signal-sur-bruit/matiere-noire-ether-des-temps-modernes/

Certains physiciens contemporains, Frank Wilczek par exemple (prix Nobel 2004), laissent entendre que les théories modernes de l’énergie noire et du vide quantique rappellent l’éther.