Science

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

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

  • Une meilleure compréhension de notre monde est venue de l’étude de la lumière, selon une étude publiée par notre partenaire The Conversation.
  • La recherche est toujours en cours et devrait un jour permettre la formulation d’une théorie de la gravitation quantique et relativiste.
  • L’analyse de cette évolution a été menée par Christophe Daussy, physicien, professeur-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 encore lasers 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
montres plus stables dans le monde.
Au-delà de ces réalisations 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. La modélisation de ce phénomène conduit 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 XVIIe siècle, pour Descartes et Newton, la lumière était de nature corpusculaire et se propageait plus rapidement 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 XIXe siècle, les expériences d’interférence lumineuse de Young ont défié la théorie des particules de Newton. Le débat semble donc définitivement résolu lorsqu’en 1850 Fizeau et Foucault démontrent expérimentalement que la vitesse de la lumière dans l’eau est plus faible que dans l’air. Huygens avait donc raison: la lumière est vraiment une vague!

Notre compréhension de la nature de cette onde doit donc beaucoup aux travaux de Maxwell qui associe les 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 l’est toujours c, quelle que soit la vitesse de la source ou de l’observateur. Et ici les choses se compliquent! En vérité, cette invariance de la vitesse de la lumière est incompatible avec une loi centrale de la mécanique newtonienne la
Loi galiléenne de la composition de la vitesse.
Malgré cette tache noire et un autre problème non résolu, en calculant la quantité de lumière émise par le rayonnement thermique (le problème du corps noir), de nombreux scientifiques de la fin du 19e siècle considéraient que notre représentation du monde physique était pleinement réalisée. et la physique pratiquement terminée. Cependant, les réponses à ces deux problèmes seront à la base d’une véritable révolution.

Relativité

La solution qui permettra de concilier électromagnétisme et mécanique est fournie en 1905 par Einstein. L’invariance galiléenne cède la place à l’invariance relativiste pour donner naissance à la relativité restreinte. Cette nouvelle théorie va perturber notre vision de l’espace, du temps et de la matière. c ce n’est plus simplement la vitesse de toutes les ondes électromagnétiques dans le vide, cela devient une limite de vitesse insurmontable. En 1983, il acquerra le statut de
constante de référence fondamentale lorsqu’il est défini pour redéfinir l’unité de longueur du nouveau système international.
L’existence d’une telle limite nécessite une révision de la notion de simultanéité de deux événements: elle dépend du mouvement de l’observateur. Par conséquent, 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! La notion de masse doit également être redéfinie à la lumière du fameux rapport EST = mc2 qui place l’équivalence entre la masse et l’énergie.

La naissance du concept photon

En 1900, la solution au problème du corps noir a été fournie par Planck avec une hypothèse déroutante: la lumière est émise de manière discontinue par des grains d’énergie, des quanta. Dans le processus, Einstein aborde l’effet photoélectrique. Basé sur les travaux de Planck, il interprète cet effet en considérant que la lumière est composée de grains d’énergie (h est la constante e de Planck 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, quantité 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 donc attendre les travaux de Planck et l’introduction du quantum d’action. h, par Einstein qui quantifie la lumière, à tel point 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 déconcertant encore, il généralise cette dualité à la matière: il faut donc pouvoir transposer les expériences d’optique ondulatoire aux électrons et aux atomes. C’est sur cette base que se développera une nouvelle mécanique, mécanique quantique dont Schrödinger établit l’équation centrale, l’équation d’onde pour une particule.

Mécanique quantique

Ce nouveau cadre théorique perturbe 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 la probabilité de la fonction d’onde dont le module carré représente la probabilité de trouver la particule en un point de l’espace. La prévisibilité déterministe classique laisse donc 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 il 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 ça devient aussi un fichier
constante de référence set pour définir l’unité de masse.

Prise en compte des constantes dans le même cadre théorique h est c il 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 et des interactions des particules élémentaires. Au niveau ultime de cette approche unificatrice, prenant en compte la constante gravitationnelle G. devrait vous permettre de formuler un dossier
théorie quantique et relativiste de la gravité. Cette théorie, qui reste à construire, va à son tour ébranler 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.

READ  anticorps 4 mois après l'infection

Delphine Perrault

"Solutionneur de problèmes extrêmes. Chercheur avide de bacon. Écrivain maléfique. Geek du Web. Défenseur des zombies depuis toujours."

Articles similaires

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Bouton retour en haut de la page
Fermer
Fermer