Fin 19^e siècle, le développement de l’électromagnétisme posait quelques questions très difficiles. En voici trois.

1. Les ondes électromagnétiques (OEM) se propagent dans le vide. On imagine bien la propagation d’une onde, d’une perturbation, dans la matière : une onde sonore dans l’air par exemple. Mais dans le vide, comment est-ce possible ? Quel est le milieu perturbé ? On imaginait dans l’univers l’existence d’un « éther », fluide particulier invisible dans lequel pouvait circuler les OEM. Pouvait-on le mettre en évidence et le caractériser ?
2. D’après les équations de Maxwell, la vitesse d’une OEM dans le vide est donnée comme une constante égale à c, vitesse de la lumière, et ceci quelle que soit la vitesse de la source qui produit l’OEM. Le fait que cette source soit en mouvement n’a aucune influence sur la vitesse de l’OEM. On était donc en pleine contradiction avec la physique connue à l’époque, puisqu’on ne pouvait pas appliquer la loi de composition des vitesses.
3. Enfin, les forces électromagnétiques agissent à distance, dans le vide. Deux charges électriques vont s’attirer ou se repousser par exemple, ainsi que deux champs magnétiques. Par quel phénomène se transmettaient ces forces à distance dans le vide, quelle était leur constitution profonde ?

L’éther subtil et indétectable n’existe pas

Puisqu’une onde a besoin (ce qu’on pensait à l’époque) d’un support pour se propager, la lumière devait se propager dans un éther, milieu indétectable emplissant l’univers, capable de vibrer, de transmettre la lumière ou toute autre OEM.

Pour le mettre en évidence, Michelson et Morley, fin 19^e siècle, imaginent une expérience restée célèbre. Un rayon lumineux est divisé en 2 rayons qui se propagent dans deux directions perpendiculaires, et se recomposent sur une cible. La terre ayant un mouvement par rapport à l’éther, suivant que l’un des rayons se propage dans la direction de ce mouvement ou non, sa vitesse par rapport à l’éther devrait être légèrement différente de la vitesse du 2^e rayon. Ceci devait se concrétiser par une interférence sur la cible, une alternance de bandes claires et foncées (1).

Cette expérience fut refaite un grand nombre de fois, dans plusieurs laboratoires, à des époques différentes dans l’année. Personne ne détecta les interférences prévues, et les physiciens durent, avec difficulté, se rendre à l’évidence et abandonner la notion d’éther : les OEM se propagent bien dans le vide.

Ce résultat valut le prix Nobel à Michelson en 1907.

Einstein élabore sa théorie de la Relativité restreinte

La constance de la vitesse de la lumière, apparue avec la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell, avait en fait déjà été abordée en 1810 par François Arago, physicien et astronome français, à l’aide des expériences suivantes.

Lorsqu’on observe la lumière d’une étoile, suivant que la terre s’en écarte ou s’en rapproche, et suivant la vitesse propre de cette étoile, cette lumière devait avoir, vu de la terre, une vitesse propre non constante (ce qu’on pensait à l’époque). Par ailleurs dans un prisme, l’angle de réfraction ( r ) d’un rayon lumineux dépend entre autre de la vitesse du rayon incident. En comparant les angles de réfraction d’étoiles différentes, à des époques différentes, on devait pouvoir observer des différences. Mais Arago n’en trouva pas. On sait aujourd’hui qu’en fait la vitesse de la lumière est une constante indépendante de la vitesse de sa source. Arago envisagea cette hypothèse, mais sans en accepter la conclusion qui remettait en cause profondément la physique newtonienne.

C’est Einstein qui résolut bien plus tard cette difficulté majeure. Il confirma le postulat que la vitesse de la lumière est constante, remit aussi en question l’existence de l’éther, et élabora en 1905 son extraordinaire théorie de la Relativité Restreinte qui bouleversa les notions de temps et d’espace (2).

Le modèle standard explique la nature des forces

On verra dans le billet Le Modèle Standard l’explication donnée sur la nature des forces, avec l’existence des particules médiatrices, les bosons, celui relatif aux force électromagnétiques étant le photon.

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1. Pour les phénomènes d’interférence, voir le billet Physique Quantique 2 – La dualité onde-corpuscule, c’est fou…
2. Voir à ce sujet le billet Relativité restreinte – 1 – On a chacun son temps… .