Les ondes électromagnétiques et le vide

En 1865, James Clerk Maxwell [1], l’un des grands physiciens de l’histoire, incorpora l’ensemble des phénomènes connus concernant les charges électriques et les champs magnétiques, dans une théorie dynamique unifiée qui aura pour effet de bouleverser complètement notre compréhension du monde¹. Cette théorie prévoit d’abord qu’il est possible de créer des ondes électromagnétiques, c’est-à-dire de produire et de faire propager des champs électriques et magnétiques oscillant dans l’espace et dans le temps.

Il réussit à calculer la vitesse de propagation de ces ondes à l’aide des constantes connues qui régissent l’électricité et le magnétisme : il trouva ainsi numériquement une vitesse proche de la vitesse de la lumière qu’avait déterminée Fizeau en 1851 [2]. Il imagina d’abord qu’il y avait là une simple coïncidence, mais rapidement il postula que la lumière était elle-aussi une onde électromagnétique qui se propageait dans l’espace. Il fallut attendre l’expérience de Hertz en 1886, Maxwell n’était plus de ce monde, pour créer et détecter les ondes qu’il avait prédites.

Fig. 1 : Découverte des ondes électromagnétiques.

Nul ne soupçonnait encore que ces ondes électromagnétiques allaient servir de base aux télécommunications de toute nature qui ont changé notre vie depuis plus d’un siècle. Sans aucun doute était-ce bien là l’une des plus importantes prédictions de toute l’histoire de la physique théorique.

Mais un mystère d’un nouveau type apparaissait simultanément : toutes les ondes connues jusqu’alors se propageaient dans un milieu qui les transmet. C’est l’atmosphère qui transporte les ondes sonores créées par un instrument de musique, ou par nos cordes vocales. C’est l’eau qui transporte les ondulations créées à sa surface par le passage d’un bateau. Quel est le milieu qui permet la propagation de ces ondes électromagnétiques, et en particulier de la lumière ? Maxwell et ses contemporains imaginent alors que tout l’Univers baigne dans un éther luminifère, une substance inconnue mais nécessaire pour transmettre la lumière, ainsi que ces nouvelles oscillations électromagnétiques. Mais très vite des questions bien embarrassantes s’ensuivent :

• La vitesse de ces ondes calculée par Maxwell dépend a priori du référentiel de l’observateur. Est-ce la vitesse par rapport au centre du système solaire, ou par rapport à un observateur terrestre, que l’on détermine en résolvant ses équations ?
• Les équations de Maxwell pour deux observateurs en mouvement relatif uniforme sont modifiées si on leur applique les lois de transformation usuelles connues depuis Galilée (celles qui affirment par exemple que si l’on marche dans un couloir à 4 km/h sur un trottoir mobile, qui se déplace à la vitesse de 6 km/h, on parcourt le couloir à la vitesse de 10 km/h par rapport aux murs). Puisque les équations ne sont pas les mêmes pour deux observateurs en déplacement relatif, une expérience pourrait-elle déterminer la vitesse du référentiel de l’expérimentateur ? Il y aurait là une contradiction fondamentale avec le principe Galiléen qui postule qu’aucune expérience de physique ne permet de déterminer un mouvement uniforme du référentiel de l’observateur. Cette question remettait donc en cause toute la conception sur l’espace et le temps admise à cette époque puisque les équations de l’électromagnétisme contredisaient le principe de relativité Galiléen.
• Si, fidèle à l’héliocentrisme, on imagine que cet éther hypothétique est immobile par rapport au soleil, alors la Terre, qui tourne autour du soleil à environ 30 km/s, doit subir un vent d’éther, de même qu’une voiture un jour sans vent subit un vent lorsqu’elle roule.

La question du vide était donc à nouveau posée et nous ne pouvons ici reprendre tous les débats. Notons simplement une expérience essentielle conduite en 1885 par les Américains Michelson et Morley [3]. Pour mesurer l’éventuel vent d’éther, qui aurait eu pour conséquence une vitesse de la lumière différente dans la direction du déplacement de la Terre le long de son orbite et dans une direction perpendiculaire, ils construisirent un interféromètre susceptible de détecter une légère différence de la vitesse de la lumière entre les deux bras.

Fig. 2 : L’interféromètre de Michelson (1881).

Le résultat fut négatif : aucune différence de vitesse de la lumière entre les deux bras, aucun vent d’éther. Le mystère demeurait entier et les contradictions avec l’espace-temps Galiléen étaient plus que jamais manifestes.

Il nous faut passer ici sur les nombreux travaux significatifs sur cette question, en particulier ceux de Lorentz [4] et de Poincaré [5] qui déterminèrent les lois qu’il fallait substituer à celles de Galilée pour deux observateurs en mouvement relatif cherchant à appliquer les équations de Maxwell, si l’on exigeait que leurs résultats de mesure soient indépendants de leur état de mouvement. Mais la question ne fut complétement résolue qu’en 1905 par Einstein [6] qui, sans plus considérer l’électromagnétisme, s’interrogea sur la conception classique de l’espace et du temps. Il postula l’existence d’une vitesse universelle maximale de propagation des signaux, qu’il identifia à celle de la lumière. Cela impliquait immédiatement que la simultanéité entre deux événements dépendait du mouvement des observateurs. Les mesures de distance ou de l’écoulement du temps devaient donc conduire à des résultats différents pour deux observateurs en mouvement relatif. Néanmoins, même si les concepts de temps et d’espace ne sont pas les mêmes dans la relativité d’Einstein que dans celle de Galilée, le fait que deux observateurs en mouvement relatif rectiligne et uniforme ne peuvent pas déterminer leur état de mouvement par une expérience de physique, est préservé. La relativité restreinte (l’adjectif n’est pas très heureux) repose donc sur la constance de la vitesse de la lumière vis-à-vis de tout référentiel inertiel (c’est-à-dire non accéléré) et sur ce principe de relativité, c’est-à-dire l’impossibilité de déterminer par une expérience l’état de mouvement absolu.

Quoiqu’il en soit la démarche d’Einstein, comme celle de Pascal deux siècles et demi plus tôt, abandonnait toute notion d’éther et rétablissait la majesté du vide : les ondes électromagnétiques, et en particulier la lumière, se propagent dans le vide sans qu’il soit besoin d’éther².

Édouard Brézin
Membre de l’Académie des sciences

La rédaction de ce billet fait suite au colloque 2500 ans d’interrogations sur le vide, qui s’est tenu le 19 mars 2024 à l’Académie des sciences. Un exposé bien plus complet sur ce thème a été présenté par Jean-Michel Raimond.

Références

[1] JC Maxwell, physicien écossais (1831-1879), A dynamical theory of the electromagnetic field, publié par la Royal Society en 1865 après une lecture de son article devant cette Académie en décembre 1864.

[2] Hippolyte Fizeau, Sur les hypothèses relatives à l’éther lumineux, et sur une expérience qui paraît démontrer que le mouvement des corps change la vitesse avec laquelle la lumière se propage dans leur intérieur, Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences, t.XXXIII, no13 p.349.

[3] Michelson, Albert A.; Morley, Edward W. (1886), Influence of motion of the medium on the velocity of light, Am. J. Sci. 31(185): 377–386.

[4] Hendrik Lorentz, Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity smaller than that of light, Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences. 6: 809–831 (1904).

[5] Henri Poincaré, Sur la dynamique de l’électron, Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences, 140: 1504–1508 (1905).

[6] Albert Einstein, Sur l’électrodynamique des corps en mouvement (Zur Elektrodynamik bewegter Körper) Annalen der Physik 17 ,891-921 (1905).

Crédits des illustrations

• Illustration de couverture : James-Clerk-Maxwell-1831-1879, Domaine public (source).
  
• Figure 1 : Blog d’histoire des sciences, (source).
• Figure 2 : Michelson1881c, Domaine public, (source).

1. Maxwell montra d’abord que la cohérence des équations de Gauss, Ampère, Faraday, la compatibilité avec la conservation de la charge électrique, impliquait de compléter l’équation d’Ampère. Celle-ci détermine le champ magnétique créé par un courant électrique, mais Maxwell comprit qu’il fallait aussi considérer le champ magnétique créé lorsque le champ électrique était variable dans le temps. [↩]
2. Les ouvrages sur l’électromagnétisme et la relativité restreinte sont très nombreux et de niveaux techniques variés. Signalons sur le site de cours en ligne cel.hal l’ouvrage de Jean-Michel Raimond « Electromagnétisme et relativité » https://cel.hal.science/cel-00092954. L’ouvrage de Serge Haroche « La lumière révélée » (édtions O.Jacob 2020) décrit en termes non techniques les prolongements contemporains en ce domaine. [↩]

Edouard Brézin

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