Éther (physique)
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L'éther dans l'Antiquité
À l'origine, Éther est un dieu primordial de la mythologie grecque, personnifiant les parties supérieures du ciel, ainsi que sa brillance (cela nous est resté au travers de la langue poétique classique, où l'on parle d'éther pour un ciel pur).
Se basant sur le principe dictant que la Nature a horreur du vide, Aristote emploie le terme d'éther pour désigner un supposé cinquième élément, composant la sphère céleste, par opposition aux quatre éléments terrestres classiques (eau, feu, air, terre).
Cette vision ambiguë de l'éther comme « matière incarnant le vide » connut un succès qui s'étendit bien au-delà de l'Antiquité (on en discute encore au XVIIIe siècle), et dépassa largement le cadre de l'optique et l'électromagnétisme, sous des formes plus ou moins adaptées (les métaphysiciens notamment s'en emparèrent, mais aussi les alchimistes et les magiciens).
L'éther en physique pré-relativiste
Pendant très longtemps, les physiciens, dont Christian Huygens, ont supposé que, comme le son dans l'air ou les ondes à la surface d'un milieu liquide, la lumière se propageait dans un fluide: l'éther. L'éther était censé remplir l'univers, puisque la lumière des étoiles nous parvient.
Partisan de la théorie vibratoire de la lumière, Thomas Young adopta ce point de vue, et Lord Kelvin (William Thomson) étendit les propriétés à la transmission des phénomènes électriques et magnétiques. Cette idée fut reprise en 1861 par James Clerk Maxwell lors de sa théorie qui synthétise électricité et ondes magnétiques, l'électromagnétisme.
Mais ce fluide avait des propriétés étranges : il aurait dû être d'une rigidité quasi infinie pour nous transmettre la lumière d'étoiles situées à plusieurs années-lumière, tout en offrant une résistance nulle au déplacement des objets matériels (puisque la Terre tourne autour du Soleil sans en être ralentie). On fera en fin de compte l'économie de ce concept qui n'apportait pas grand-chose (voir rasoir d'Occam).
L'idée que la lumière devait avoir une vitesse fixe par rapport à son milieu porteur, l'éther, a amené Albert Michelson à tenter de mesurer la vitesse de la terre par rapport à l'éther, imaginé comme le le repère absolu. Une première expérience tentée en 1881 ne put mesurer de déplacement de la terre par rapport à l'éther. Une seconde, à laquelle s'associa Edward Morley en 1887 avec un appareillage beaucoup plus précis, fut également négative (voir Expérience de Michelson-Morley).
L'éther s'efface devant la Théorie de la Relativité
Il fut donc démontré que l'éther n'existe pas, en même temps que la constance de la vitesse de la lumière. En effet, si l'éther existe :
- ou bien il est indépendant de la matière, et, dans ce cas, il constitue un référentiel fixe, absolu : la relativité est inutile et on doit observer une variation de la vitesse de la lumière selon la direction (en raison de notre propre déplacement dans l'espace, par rapport à l'éther) ;
- ou bien il est au moins partiellement dépendant de la matière (de sorte que la matière entraîne l'éther dans son mouvement), et on doit là encore observer des phénomènes optiques (comparables à ceux qu'on observe dans une eau tourbillonante), phénomènes en fait absents.
Parmi les physiciens qui tentèrent d'expliquer cette apparente vitesse absolue de la lumière (même si le référentiel est lui-même en mouvement par rapport à l'éther), Hendrik Lorentz imagina un ensemble d'équations. Celles-ci, retravaillées par Henri Poincaré et reconsidérées par Albert Einstein, aboutirent en 1905 à la théorie de la relativité restreinte. Le concept d'éther fut alors progressivement abandonné.
L'éther en physique post-relativiste
Selon l'adage que la nature a horreur du vide les contradictions internes du paradigme relativisme ont permis la résurgence de l'éther... mais sous un autre nom, celui de l'énergie sombre.
Complément historique de §2
pour en savoir plus: nulle modification du paragraphe antérieur; simplement un approfondissement français :référence : les œuvres de Lorentz; l'histoire de la relativité de Marie-Antoinette TONNELAT, et leurs références;l'article de Maxwell paru en 1878, où il fait le point sur la question.
de Huygens à Young
Après la mort de Huygens(1695), Newton publiera Optiks(1704), rédigé bien avant, avec toute l'autorité que lui confère sa notoriété , due en particulier à la publication des PRINCIPIA(1687) et son célèbre: hypothesis non fingo : je ne feins pas d'hypothèses (sous-entendu : je traite le problème de l'action à distance si contraire à Aristote-Descartes, comme un matheux : le problème physique de l'ORIGINE de la gravitation universelle ne sera pas évoqué. On sait que cet épineux problème ne sera résolu qu'avec Einstein en 1915).Dans Optiks, la lumière est déclarée de nature corpusculaire, donc de transport « balistique », et donc nul besoin de l'éther. La lumière doit donc tomber , mais comme Roemer a évalué sa vitesse ( et non sa célérité), l'effet est insensible.
1728:Bradley(James,1693-1762) publie son effet d'aberration de la position des étoiles ( il cherchait l'effet de parallaxe!):quand on va vers une étoile, il faut abaisser légèrement sa lunette, exactement comme on baisse son parapluie quand on court sous la pluie. C'est un effet du premier ordre en v/c; avec ici v=30km/s (vitesse orbitale de la Terre autour du Soleil).Interprétable en terme corpusculaire, ce phénomène conforte la théorie de Newton. Et les écrits de Huygens, les expériences de Grimaldi tombent en désuétude : l'Ether n'est pas nécessaire, on l'oublie.
de 1800 à 1900
Young(Thomas,1773-1829) (puis Fresnel(1788-1827)) démontre la puissance explicative de la théorie ondulatoire en optique (la célèbre expérience de diffraction avec le Point de Poisson-Arago convainc définitivement l'Académie).
L'interprétation de Fresnel de la célérité c/n dans un milieu matériel est la nôtre : l'onde plane incidente trouble le milieu qui réemet à son tour , etc. L'Ether est donc à nouveau nécessaire comme « substance » support de l'ondulation,car ondulation du vide ne paraît pas sérieux !
Du coup , il faut réinterpréter l'aberration de Bradley. Mais aussi, il faut aussi interpréter la relation de la liaison entre l'éther et la matière: éther lié à la matière ou pas : c'est le problème d'Arago du vent d'Ether (nous dirons vent d'Arago pour simplifier).
Dès 1845 deux théories s'opposent : celle de Fresnel(1818) , celle de Stokes(1845):
Pour Fresnel, l'Ether est immobile dans le vide de l'Espace Absolu: l'aberration de Bradley s'explique aisément.Pour le vent d'Arago , sa théorie élimine le vent d'éther, après un calcul somptueux ("tour de force"), appelé : entraînement partiel de l'Ether ( le fameux facteur (1-1/n^2))par la matière en mouvement.
Pour Stokes, l'Ether est immobile par rapport à la matière donc à la Terre (donc pas de vent d'Arago!); le problème du vent est rapporté au monde loin de la Terre : en prenant un fluide sans rotationnel, le mouvement de la Terre dans ce fluide est estompé :c'est le classique problème d'hydrodynamique qu' a précisément traité Stokes : à la limite des très faibles viscosités , on ne voit rien: l'aberration stellaire s'explique donc.
1850: expérience de Fizeau (Hippolyte,1819-1896):de l'eau en mouvement de vitesse v sur un bras de l'interféromètre et -v sur l'autre bras. Confirmation éclatante de la théorie de Fresnel, avec un problème subtil à résoudre pour la dispersion ( n(λ. En Angleterre , on « boude » cette expérience.
1855-1865 : célèbres travaux de Maxwell(1831-1879) : équations de Maxwell, rerédigées par Hertz plus tard, écartant les théories de Weber, Riemann(bernhard,1826-1866)et Lorenz(pas Lorentz, attention); mise en chantier de la théorie d' Helmholtz, qu'Hertz doit « démontrer expérimentalement »,mais Hertz courageusement dira : Maxwell suffit !
1881 Expérience de Michelson(1852-1931,nobel 1907) reprise en 1887.
1886 : Michelson refait l'expérience de Fizeau et confirme Fizeau.
1887 : Michelson reprend avec Morley sa célèbre expérience de Michelson-Morley :confirme Stokes
Michelson pose donc le paradoxe des 2 Ethers : en aucun cas , à cette époque, il n'est question de propagation dans le vide ! Bien au contraire, on va rechercher les propriétés de cet Ether universel.Par exemple, après la découverte des gaz rares par Ramsey(William,1852-1916,nobel 1904), Mendéleiev(1834-1907) va chercher les propriétés chimiques de l'Ether !!
de Maxwell à 1905
La théorie de l'Ether est à son acmé :Mascart( théorème de Mascart ) , Voigt en France , mais bcp d'autres à l'étranger publient(Fitzgerald(George,1851-1901),...)(:à développer).
Mais 2 personnalités marquent somptueusemnt cette période : Lorentz(1853-1928)dès 1890 et Poincaré (Henri,1854-1912), dès 1887.
Lorentz publie son magistral traité sur la matière composée d'ions ( les ions d'Arrhénius; l'électron n'existe pas encore; mais il suffira de retranscrire ensuite):il énonce les équations dites microscopiques de Maxwell, et donne, le premier , une théorie microscopique conforme au voeu de Maxwell.
Confronté au problème des charges en mouvement et de la théorie des 2 Ethers,dont il a fait un récapitulatif, il s'intéresse déjà à éliminer tous les effets du premier ordre, comme Mascart. Il opte pour une théorie de l'Ether immobile dans le référentiel absolu,R°, et doit résoudre le problème du vent d'ether.Il effectue la transformation de Galilée : x' = x- V° t et t' = t.Les eq de Maxwell, dans R(V°) sont compliquées à résoudre et bon mathématicien, il utilise un changement de variable T = t' - V°x'/c2 ( Il appelle T, le temps local en x').Tous les effets en v/c disparaissent. Il lui reste à traiter les problèmes du second ordre: le célèbre terme Γ0 = 1 / sqrt(1 − V2 / c2) de Fitzgerald donne la solution.
On est en 1904. Poincaré a réféchi aussi beaucoup depuis son enseignement de l'optique en 1887.Sa contribution essentielle va être de donner un sens physique à T : il ne s'agit pas d'une astuce mathématique: c'est un problème fondamental de synchronisation des horloges distantes, dit de "transport du temps":il se produit une erreur systématique en -V°x'/c2.Les champs E' et B' sont les VRAIS champs mesurés dans R(V°)et il fait la théorie de l'électron relativiste: en 1905 et 1906, il va utiliser les vraies transformations de Lorentz-Fitzgerald, démontrer leurs propriétés de Groupe, généralise, invente le Groupe de Poincaré,et surtout,il exige le Principe de Relativité de Galilée comme vrai pour toute la physique (mais bien sûr avec les Transformations de Lorentz !). L'Ether est au repos dans le Référentiel Absolu , MAIS les calculs le montrent: tout se passe de manière identique dans le référentiel R(V°), dont il prouve qu'on ne pourra jamais mesurer sa vitesse V° : au fond , tous les référentiels inertiels jouent le même rôle : le Principe de Relativité de Galilée, perfectionné par Huygens (Lorentz demandera la publication intégrale de la Relativité Totale de Huygens) entre en physique par la Grande Porte.Poincaré envisage même la vitesse de propagation de la gravitation !
Mais il restera toujours profondément attaché à la notion d'éther.
1905
Le coup de tonnerre rétrospectif est un petit pet d'Einstein(1879-1955), qui n'est pas très célèbre à l'époque: étudiant à Zurich, il croît à l'Ether. Vers 1901, le Principe de Relativité de Galilée lui semble tellement important qu'il pense devoir l'appliquer à toute la physique(il a 22ans!). Ce qui le choque , c'est la loi de Faraday ( e= - dΦ/dt ) , qui , comme le dit si bien Feynman, requiert deux lois, pour un seul et même phénomène, selon que l'on se place dans le référentiel de l'aimant ou celui de la bobine.L'entrainement des lignes de champ électromagnétique dans la magnéto unipolaire est lui aussi très troublant : Bref, on est en plein XIXème siècle !
Pour surmonter ces difficultés , et celle d'un éther subtil et éthéré,il préfère : hypothesis non fingo. Mais il est confronté au célèbre paradoxe c' = c + V° = c ! C'est l'addition_relativiste qu'il invente([V+V°] = (V+V°)/(1+VV°/c^2) et, printemps 1905, après discussion avec Michel Besso, cela devient : SI ON ADOPTE la synchronisation à la Poincaré, et les transformations de Lorentz, alors le paradoxe est résolu. Réciproquement, si on adopte Principe de Relativité de Galilée ET invariance de c, on peut retrouver les transformations de Lorentz comme conséquence : la Relativité Restreinte est née. Dans un somptueux article en deux parties, il va écrire :1/. la cinématique et la résolution de tous les paradoxes ( comme Poincaré le fait au même moment); 2/. la dynamique relativiste et sa conséquence , l'inertie de l'Energie : E(p) = sqrt(m2c4 + p2c2) ,qui , chacun le sait , donne:
E(0) = mc2
Et l'Ether dans tout cela? « Sire, je n'ai pas besoin de cette hypothèse », pour paraphraser Laplace.
L'éther est MORT , le fossoyeur en est Einstein: place au vide.
Complément historique de §3
pour en savoir plus: l'abandon progressif de l'Ether.
Il est impressionnant de voir le temps de réception de la Relativité Restreinte: surtout les conséquences aussi absurdes que le paradoxe des jumeaux de Langevin, la dilatation du temps,la contraction des longueurs, la précession de Thomas, bref tout ce qui contre-carrait la notion de temps absolu, faisaient obstacle.
Pauli(1900-1958) , par son célèbre article(1921) dans le Handbuch der Physik, fit beaucoup pour emporter la conviction. Jean-marc Levy-Leblond et sa théorie ( c n'est pas c° forcément)réduisant la RR ( Relativité Restreinte) à : Principe de Relativité + causalité à vitesse finie , théorie qui est très élégante , n'a pas le succès qu'on lui devrait.
Bref, il y a réticence. Et des dizaines de contradicteurs et d'Einstein_fâlots, ou éthérés, encombrent la littérature scientifique : mais les faits sont têtus ; des dizaines d'accélérateurs ont délimité la précision de la RR: au-delà des étalons primaires .
Et puis surtout, la RG ( relativité générale , qu'il vaudrait mieux appeler la théorie de la gravitation d'Einstein, 1915) en déformant « la texture de l'espace » en une géométrie riemannienne a fait disparaître définitivement l'Ether du XIXème siècle.
Enfin , bizarrerie du XXIème siècle , le Vide , avec toutes ses propriétés et en particulier son énergie(noire) qui serait nettement plus que la moitié de celle visible dans nos 3 dimensions spatiales, ce Vide ne serait-il pas un nouvel avatar d'éther?smiley pensif.