Les lois de l'Univers : Pré-relativité

Période pré-relativiste

La terre tourne sur elle-même

Ce n'est qu'en 1838 que Bessel, astronome allemand, prouve d'une manière indirecte mais irréfutable que la terre tourne autour du Soleil. Il observe qu'une étoile, proche de la terre par rapport à celles qui l'entourent, décrit une petite ellipse, ce qui ne peut être dû qu'au mouvement de la terre autour du Soleil.

Le 31 mars 1851, Léon Foucault réalise, à la demande de Louis Napoléon Bonaparte une expérience célèbre sous la coupole du Panthéon en attachant un pendule de 67 m constitué d'un câble acier et d'une boule de 28 kg équipée d'une pointe. Le pendule est soumis à deux forces : la pesanteur et Coriolis. Bien que le pendule oscille dans un plan toujours fixe, on constate une rotation lente apparente de ce plan (car c'est la Terre qui tourne) dans le sens de Coriolis et la pointe laisse une trace, dans deux petits monticules de sable humide opposés, qui s'élargit vers leur gauche. Comme il est indiscutable que le plan d'oscillation est fixe, c'est la preuve que la terre tourne sur elle-même d'ouest en est.

Géométrie non euclidienne de l'Univers

Les 10 axiomes d'Euclide (considérés comme vrai à l'évidence) sont restés une référence pendant 2000 ans. Un de ces axiome est : « par un point donné on ne peut tracer qu'une parallèle, et une seule, à une droite donnée ne passant pas par ce point. »

L'architecte Brunelleschi découvre en 1415 le principe de la perspective linéaire : il démontre par l'expérience (avec une planchette percée et un miroir) que la projection d'un édifice à trois dimensions sur une surface plane à deux dimensions se superpose parfaitement à l'édifice réel. Il en ressort que des lignes parallèles projetées sur une surface convergent vers un point de fuite à l'horizon et ne sont donc plus parallèles. La notion de courbure de l'espace apparaît et permet de comprendre les notions d'espace sans limite, fini ou infini.

Au XIXe siècle, Carl Gauss propose que cet axiome d'Euclide soit indépendant des 9 autres. Riemann le remplace par le postulat suivant : « à partir d'un point on ne peut tracer aucune parallèle à une droite donnée. » et Lobatchevski et Bolyai le remplace par « à partir d'un point une infinité de parallèles peuvent être tracées ».

On peut alors commencer à imaginer 3 types de courbures possibles de l'Univers :

1- Courbure nulle d'une surface plane où la géométrie euclidienne peut être appliquée.

2- Courbure positive d'une sphère compatible avec la géométrie de Riemann.

3- Courbure négative d'une surface de selle de cheval où la géométrie de Lobatchevski-Lobyai peut être appliquée.

Dans ces ces trois représentations, l'Univers est sans limites mais seule la sphère représente un Univers fini, les deux autres étant infinis. A noter que la géométrie non euclidienne a bien servi à Einstein lorsqu'il découvrit que la gravité courbait l'espace.

Électromagnétisme - vitesse de la lumière

Maxwell (1831-1979), physicien écossais, étudie les travaux de Faraday qui montre que la force magnétique oriente les paillettes de métal selon des boucles, du pôle nord vers le pôle sud d'un aimant, qu'il appelle ces boucles des lignes de champ. Maxwell décrit, en 1864, tous les phénomènes électromagnétiques avec seulement 4 équations, et unifie l'électricité et le magnétisme, ainsi que la lumière qui lui donne une solution particulière : la lumière apparaît comme une onde électromagnétique formée d'un champ magnétique et d'un champ électrique oscillants.

L'énergie de l'onde, qui peut être transmise à la matière, se propage à la vitesse de la lumière que ses équations prévoient constante :

- la 1re équation est la loi de Gauss qui décrit la forme et la force du champ électrique généré par un objet chargé ;

- la 2e équation décrit la forme et l'intensité du champ magnétique (dessin des lignes d champ magnétiques autour de l'aimant) ;

- la 3e décrit l'induction électromagnétique en disant comment les courants variables produisent des champ magnétiques ;

- la 4e est identique mais dit comment les champs magnétiques variables induisent des courants électriques (loi de Faraday ou d'induction).

En 1888, Hertz vérifie par l'expérience la théorie de Maxwell selon laquelle la lumière est une onde électromagnétique. Ses travaux ouvrent la voie à la télégraphie sans fil et la radiophonie dont les ondes radio sont appelées des ondes hertziennes.

Il découvre la photoélectricité en constatant une émission d'électrons, fonction de l'intensité lumineuse, par une plaque métallique soumise au rayonnement lumineux. Ces résultats permettront à Einstein de formuler l'hypothèse des quanta de lumière en 1905.

Mais avant qu'Einstein ne donne son explication, on ne peut imaginer un champ sans support matériel, et Maxwell propose que ce soit l'éther, un milieu physique très dilué baignant tout l'univers, avec un référentiel inertiel et absolu constitué de 3 axes d''espace et un de temps.

Autre problème, les équations de l'électromagnétisme ne sont pas invariantes dans le cas de deux repères, l'un en déplacement à vitesse constante par rapport à l'autre, on ne retrouve pas les mêmes équations avec les référentiels de Galilée.
On ne retrouve celles-ci qu'en appliquant la transformation de Lorentz beaucoup plus compliquée, voire incompréhensible à l'époque.

Pour démontrer l'existence de l'éther, entre 1881 et 1894, Albert Michelson et Edward Morley veulent détecter le mouvement relatif de la terre par rapport à cet éther en mesurant la vitesse de la Terre par rapport à l'éther en 1887. Ils ont l'idée de mesurer la vitesse de la lumière dans le sens de déplacement de la Terre autour du Soleil, puis dans le sens opposé, la différence donnant la vitesse de la terre. Pour cela ils comparent deux faisceaux lumineux dans deux trajectoires différentes, partant à angle droit et se réfléchissant dans des miroirs également éloignés. Selon la loi d'addition des vitesses établie par Galilée, une variation de la vitesse de la lumière doit être décelée.

Mais, contre toute attente, les deux faisceaux lumineux reviennent toujours exactement au même moment. La vitesse de la lumière reste inchangée, 299 792 km/s, quelque soit sa direction et malgré la vitesse de rotation de la terre de 29 km/s autour du Soleil.

En 1889, Fitzgerald pense que la seule explication des résultats des expériences de Michelson-Morley est que tous les objets en mouvement dans l'éther raccourcissent suivant le coefficient :

γ = (1 - v²/c²)^-1/2

Lorentz en 1892 met au point les « transformations de Lorentz » dans le cas d'un changement de repère qui mettent en relation les coordonnées d'espace et de temps. Il retrouve la formule de Fitzgerald.

Mach, (1838-1916), philosophe et physicien autrichien, fut le premier à émettre l'hypothèse que l'éther n'existe pas. Il était persuadé qu'un mouvement n'avait de sens que par rapport à un autre objet, et non par rapport à une toile de fond absolue composée d'une grille de lignes invisibles se coupant à angle droit comme le pensait Newton : « L'espace absolu, sans relation aux choses externes, demeure toujours similaire et immobile. » Mach montre que l'interaction entre deux masses ne pouvait s'étudier sans considérer le reste de l'Univers.

Influencé par Leibniz, Mach déclare : « Puisqu'une balle roule de la même manière en France ou en Australie, faire appel à un espace absolu est inutile, seule la gravitation peut affecter son mouvement . »

Chaque corps ressent la présence d'autres corps par leur attraction gravitationnelle mutuelle : « Le mouvement doit dépendre, in fine, non des propriétés de l'espace lui même mais de la distribution de la matière ou de sa masse. »

Einstein considère Mach comme un maître, impressionné par son esprit critique de l'espace absolu de Newton et ses conclusions : « puisque la vitesse de la lumière est fixe, l'éther n'existe pas et tous les mouvements sont relatifs. » Mais Mach ne savait pas pourquoi, et ces conclusions étaient difficiles à accepter par beaucoup. Il a fallu Einstein pour comprendre.

Atome

L'atomisme, théorie du « grain indivisible » composant la matière est une théorie défendue au Ve siècle dans la Grèce antique par Leucippe, Démocrite et Platon. Le mot atome vient du grec atomos signifiant « indivisible », le plus petit élément de la matière. Il est intéressant de noter que cette théorie s'oppose à la conception de Thalès du VIe siècle pour qui le monde se composait d'éléments (l'eau, l'air, la terre et le feu) qui peuvent, comme toutes choses à terme, disparaître avec pour conséquence le néant.

En 1808 Joseph Dalton démontre par l'expérience que deux gaz se combinent toujours dans des proportions de poids simples : 1 g d'hydrogène réagit avec 8g d'oxygène pour donner 9 g d'eau.

En 1809, Louis Joseph Gay-Lussac arrive à la même conclusion mais avec des proportions de volume.

En 1832, Michael Faraday découvre que le courant électrique scinde l'eau, par électrolyse, en deux éléments chimiques, l'hydrogène et l'oxygène, proportionnellement à la quantité d'électricité circulant dans l'eau, et donc que les atomes se lient entre eux par des forces électriques.

Électron

L'atome était considéré comme la plus petite parcelle de matière jusqu'en 1897, date à laquelle le physicien anglais Joseph Thomson constate qu'un rayonnement lumineux, généré entre deux plaques métalliques traversées par un courant électrique, est dévié. Cette déviation prouve qu'il ne s'agit pas d'une onde mais de particules chargées négativement qu'il appelle « électron ».

En 1903, Ernest Rutherford et Frédérick Soddy comprennent que la radioactivité découverte par Pierre et Marie Curie est due à la scission de l'atome. D'autres expériences, montrant que les électrons peuvent traverser de fines feuilles d'or sans déviation, prouvent que la matière comprend beaucoup de vide.

En 1913 Niels Bohr propose un modèle atomique à l'image du système solaire avec des électrons tournant autour d'un noyau.

Ce n'est qu'en 1925 que Werner Heisenberg démontre que l'électron ne décrit pas une orbite autour du noyau mais se situe partout à la fois comme dans un nuage électronique et que l'on peut connaître soit la vitesse soit la position, mais pas les deux à la fois.

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