Histoire de la Physique

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Préambule

Des façons de voir le monde

Le monde peut être vu de plusieurs façons. Jusqu'à Galilée, les mouvements avaient un but final, c'est les principes extrémaux. Selon Aristote, les corps tombaient car ils étaient constitués d'éléments de terre, et tendait à retourner à elle. Le feu montait car il était constitué des éléments d'air, etc.
Avec Galilée, on ne s'intéresse plus au but des actions mais à leur cause. Un corps est mis en mouvement par qu'il subit une force qui le pousse au mouvement.
On s'aperçoit alors que les objets ne sont pas mis en branle de la même façon. Il faut une seule personne pour pousser une méhari vide, mais deux personne si la méhari est remplie de bottes de pailles. Dans le dernier cas, la méhari demande plus de force pour se mettre en branle. Comme c'est la différence de masse qui explique cela, on appelle cela la masse inertielle. Plus la masse inertielle est grande, plus le corps sera difficile à accélérer.
Une fois que la méhari est lancée à une même vitesse, qu'elle soit vide ou pleine de bottes de paille, sa vitesse sera ensuite la même. Par contre, si on veut accélérer la méhari vide, cela demandera moins de force que si elle est pleine. Quand à ralentir son mouvement, si on peut essayer sur la méhari vide, autant ne pas se mettre devant la méhari chargée à bloc!
Le mouvement devient donc un état à part entière, aussi stable que le repos. Pour mesurer la quantité de mouvement, on utilise la formule p=m.v, avec p la quantité de mouvement (en kg.m/s), m la masse inertielle (en kg), et v la vitesse du solide (en m/s).
Comme la quantité de mouvement se conserve, le solide roulera à la même vitesse indéfiniment tant qu'on ne lui applique pas une force pour modifier cette vitesse. La force est donc vue comme la variation de quantité de mouvement, les variations étant exprimées en mathématiques par la notion de dérivée.
f = dp/dt.
Comme la masse m d'un corps dans un problème donné varie très peu (sauf si l'on tient compte du carburant qui est brûlé puis retiré au solide sous forme d'émanation gazeuse, comme une fusée par exemple ou une voiture que l'on suivrai sur une distance suffisamment grande pour que le réservoir se vide), on considère la masse constante. Elle n'intervient donc pas dans la variation de la quantité de mouvement, seule la vitesse varie quand on applique une force, la masse est sortie de la dérivée.
On obtient donc la relation fondamentale de la mécanique :
f = m . dv/dt, ou encore ΣF = m . Γ , avec Γ l'accélération (c'est la dérivée de la vitesse, soit le terme dv/dt, en m/s²), et ΣF la somme des forces appliquées au solide. Attention, cette relation n'est valable que si l'on considère la masse constante!
La force est exprimée en N dans le Système International actuel.

On s'est par la suite aperçu que si on lâchait deux corps de masse différente, il tombait tous les deux en même temps (en négligeant les forces de frottement de l'air, c'est à dire en lâchant un bidon vide et un bidon rempli de plomb, encore que la surface frontale soit couplée avec le poids). On en a déduit que la masse inertielle (résistance à la mise en mouvement d'un corps sous l'effet d'une force, ici la force d'attraction gravitationnelle, équivalait à la masse gravitationnelle, celle qui est proportionnelle à la force d'attraction gravitationnelle. Ainsi, certe le bidon plein est plus lourd que le bidon vide, il subira une force d'attraction beaucoup plus importante que le bidon vide, mais il va s'opposer au mouvement d'une façon proportionnelle à sa masse inertielle, alors que le bidon vide va moins s'opposer au mouvement.
Il en résulte pour les deux corps une accélération identique. Par contre, la quantité de mouvement des corps sera bien différente, ce qui se traduit par un plus gros trou dans le sol à l'arrivée de la part du bidon plein...

Les forces sont donc exprimées sous la forme f = m . a. Par exemple, la force de gravitation s'exprime par f = m.g, g étant l'accélération de la pesanteur, la force de frottement pour freiner un véhicule sera f = m.d, d étant l'accélération négative, c'est à dire la décélération du véhicule, etc.

Les forces sont les causes du mouvement.

Est venu ensuite le temps ou l'on a regardé les mouvements non d'après leur cause, mais d'après leur but final (on revenait aux principes extrémaux de l'antiquité), notamment avec la thermodynamique. La quantité primordiale est alors l'énergie dont dispose le solide, et celui-ci va suivre le principe de base selon lequel tous les corps tendent vers leur énergie minimale. Ainsi, une bille placée en haut d'une rampe possède une énergie potentielle de pesanteur, et elle va dévaler la pente pour diminuer cette énergie de pesanteur. Tout en dévalant la pente, son énergie potentielle diminue, mais comme l'énergie ne peut disparaitre (principe de conservation de l'énergie), alors l'énergie cinétique de la bille va s'accroître (elle va prendre de la vitesse).
La thermodynamique mesure aussi cet effet, que toute énergie contient en elle-même un côté sombre, une énergie qui est réfractaire au travail et préfèrera se dissiper sous la forme la plus fainéante de l'énergie, la chaleur. Cette quantité d'énergie ne pouvant être transformer en travail est nommé l'entropie (symbole S), alors que la "bonne" énergie est nommée l'enthalpie (nommée H).

Une troisième façon d'expliquer le monde arrive au 18eme siècle avec l'électricité : les particules. La matière n'est plus influencée par aucune force, mais son comportement est dictée par des particules qu'elle reçoit. Par exemple, les électrons sont attirés par des charges plus comme les protons du noyaux uniquement par ce qu'il y a échange de particules.
L'étude de la lumière permet à Planck d'établir son fameux quantum d'action. Une force n'est plus continue, et ne peut pas prendre toutes les valeurs. Elle fait de petits sauts d'une valeur à l'autre.

Ensuite arrive Einstein, qui a démontré en 1905 que E=mc² (m la masse de l'objet en question, c la célérité de la lumière). Il est partie de l'équation du travail (f*l=W, W étant le travail (une énergie) et l la distance), et f=m.dv/dt (la masse se conservant), v étant une distance l par le temps, f=m.dl/d²t, ce qui nous amène, placé dans l'équation du travail, W=E=m.dl.l/(dt.dt)=mv². Dans le cas de la lumière, comme cela peut-être vu comme une onde, on aura v=c (on parle de célérité et plus de vitesse).

Pour la gravitation, comme la chute des corps provoque le même mouvement qu'une accélération, pour lui il n'existe pas de forces qui pousse les objets, ceux-ci suivent donc une trajectoire droite et non contrainte, dans un espace-temps (un objet aura 4 coordonnées : 3 pour décrire sa position dans l'espace, et une pour décrire sa position suivant l'axe des temps). Pour donner un exemple, quand je marche droit, je me déplace suivant l'axe x. Si je fait 2 pas, je me trouve à la position x=2, la position 0 étant le départ de mon mouvement. Si maintenant je me déplace latéralement d'un pas, ma position actuelle est décrite par x=2, y=1. Si ensuite je monte sur une chaise, je prends de la hauteur, ma position devient x=2, y=1, et z=1 (que nous écrirons 2,1,1). Maintenant, je ne bouge plus, et j'ai pourtant changé de position! En effet, j'étais précédemment à la position (2,1,1, t=3 secondes (depuis le point zéro, le temps s'écoule), et une seconde après, même si géographiquement je n'ai pas bougé (les trois coordonnées dans l'espace x, y et z restant les mêmes), j'ai bougé dans le temps, puisque celui-ci s'est écoulé.
Cet espace est modifié par les objets massiques, qui courbent les trajectoires vers leur centre de gravité. Ainsi, une pomme qui tombe suit une trajectoire qui est déformée par l'énorme masse de la terre. On a l'impression que la pomme va de plus en plus vite, car la terre courbe non seulement l'espace mais aussi le temps. Alors qu'en fait sur sa trajectoire la vitesse de la pomme est constante.

Ceci est un peu abstrait je vous l'accorde. Et encore, ce ne sont que la vulgarisation de notions entièrement mathématiques à la base.

On n'a toujours pas répondu à la questions des physiciens de l'époque de Galilée, qui se posent des pourquoi en chaîne.
Pourquoi les choses s'attirent ou se repousse?
Il n'y a que des actions à distance si l'on y réfléchi bien, or notre sens commun ne peut admettre qu'une continuité de matière pour expliquer les actions-réactions.
Par exemple, pourquoi est-ce que les électrons suivent le champ électrique. Quelle est cette force qui les attire. Il doit bien y avoir un câble invisible qui les tire ou pousse?
Quand j'appuie du doigt sur un objet (par exemple le pommeau du levier de vitesse), il n'y a aucun contact physique, et pourtant celui-ci va propager mon action tout le long du levier pour enclencher une vitesse. Mais revoyons l'action au ralenti :
Je dirige ma main vers le levier. Plus je m'en approche, plus les atomes de ma paume vont s'approcher des atomes constituant la boule de bakélite du pommeau de vitesse. Quand il seront très près, ils vont se repousser par une force qui interdit l'interpénétration des atomes (sans quoi ma main traverserait sans coup férir la matière, signe qui ne trompe pas quand à savoir si l'on est vivant ou mort). Cette force va augmenter d'intensité plus je rapprocherais ma main, ma paume va se déformer et augmenter ainsi la surface de contact, mais jamais mes atomes ne vont toucher directement ceux du levier. Plus la distance est faible, plus la force d'antipénétration sera forte, et plus les atomes de part et d'autre vont être repoussé. Adviendra un moment où cette force va dépasser la force de résistance à l'intérieur de la boite de vitesse, et à ce moment la force que j'imprime au levier va le faire reculer, c'est à dire que la force qu'exercent mes atomes vont pousser de proche en proche les atomes du levier pour que tous les atomes du levier subissent un mouvement, sans qu'il n'y ai jamais eu contact!

Mais Einstein disait qu'il ne fallait jamais cesser de se poser des questions, et je n'ai toujours pas répondu à cette question : pour quoi je met le levier en mouvement? Qu'est-ce qu'il y a entre mes atomes et les atomes de bakélite qui explique que je les ai repoussé. Quelle est cette force qui repousse les atomes? Il faut forcément un lien physique, l'action a distance ne pouvant exister. La mécanique nous dit que les atomes sont entourés de vide. Comment le croire, alors que les atomes ne peuvent se toucher. Il faut bien quelque chose de physique entre les deux pour justifier des forces qui apparaissent. C'est pourquoi au 19 eme siècle, quand les actions à distance sont devenues monnaies courantes (le magnétisme et l'électricité), on a d'abord pensé que ces action étaient propagées par un milieu qui nous était invisible mais n'en était pas moins physique, l'éther. Cet éther rempli le vide entre les atomes et les particules.

1927 - Le sommet de Solvay : (extrait de "Sciences et Vie" n°1007; aout 2001; p153)
Depuis toujours, l'homme cherchait à expliquer la nature en fonction des informations que ses sens percevaient.
Les actions à distances sont alors très récentes (magnétisme), la gravitation ayant longtemps passée pour un état de fait, et pas comme une attraction entre les masses. Les actions réactions se faisaient donc uniquement par contact physique (je pousse un objet et sous l'impulsion il se déplace). L'homme en est alors à se demander quel est le milieu qui permet le "contact" entre les objets qui s'attirent, c'est à dire dans quoi les "cordes invisibles" ou forces se déplacent. Ils inventent pour le magnétisme la notion d'éther, en quoi croyait Poincarré et Maxwell notamment.

Mach et son disciple, Bohr (bien que Mach ne croyait pas à l'atome), sont persuadés que la réalité n'existe pas indépendamment de l'observateur. En gros, Bohr dit qu'il ne faut pas chercher à tout prix à tout expliquer avec des analogies par rapport à ce qui est observé tout les jours dans notre monde courant. Un champ magnétique se définit au niveau mathématique, l'électron est un objet probabiliste impossible à expliquer avec nos termes courants et intuitifs. C'est l'école de Copenhague.

Les physicien de la vieille génération, pas habitués à ce nouveau mode de pensée, cherchent toujours une explication "matérielle" à l'atome, et utilisent la notion d'éther comme support physique pour expliquer la propagation des effets du magnétisme, au lieu de la notion mathématiques pure du champ magnétique. Einstein est donc en 1927 le chef de file de la vieille garde, qui refuse de voir la réalité du monde (les atomes expliqués à travers des principes matériels et connus à notre échelle) se dissoudre dans des probabilités.

Mais Bohr veut absolument imposer son mode de pensée, et harcèle sans cesse les physiciens, comme Schröninger qu'il invitât chez lui et qui au bout de plusieurs jours d'âpres discussions, finit par se sentir mal. Bohr le harcela jusqu'à son chevet de malade pour lui faire abjurer sa vision matériel de l'électron. Bohr démontre mathématiquement à Schroninger que son paquet d'onde n'est pas viable. On ne peut définir l'électron comme une onde ou comme une particule (aspect matériel de l'électron, d'après des concepts utilisés pour les milieu solides), c'est "quelque chose d'autre" que seuls les mathématiques peuvent définir. Il ne faut pas chercher à l'expliquer avec des mots courants.

L'apogée de l'affrontement entre classiques et Bohr et ses jeunes loups se déroula lors du congrès de Solvay, qui réunit tous les plus grands noms de la physique du début du siècle (Planck, Einstein, Schröninger, Compton, De Broglie, Marie Curie, Debye, Langmuir, Lorentz, Dirac, Langevin, Pauli, Born, Heisenberg, Bohr, et d'autres encore, bref que du beau monde!).
Pendant la journée, Einstein concoctait une expérience de pensée destinée à porter un coup fatal à la vision quantique. Le lendemain, Bohr, qui avait travaillé toute la nuit, apportait une nouvelle réponse à Einstein, réduisant les tentatives de ce dernier à néant.
lors d'un dernier assaut, Einstein oppose une nouvelle expérience de pensée. Après sa coutumière nuit blanche, Bohr la balaiera de manière magistrale en faisant intervenir le principe de la relativité pour expliquer le principe d'incertitude! Einstein fut pris au piège par sa propre théorie!

En résumé, Einstein avait tout d'abord considéré comme superflu la notion d'éther, puis y est revenu par la suite, n'acceptant pas que les mathématiques se substituent à une explication philosophique de l'atome (Dieu ne joue pas aux dés). Il ira jusqu'à trafiquer ses équations (constante cosmologique), avant de reconnaître au final son erreur face à Bohr.
Malgré toutes les tentatives des savants de la vieille école, aucune vision classique de la réalité microscopique ne s'imposera face aux succès théoriques et expérimentaux de la mécanique quantique. Aujourd'hui, les applications pratiques de la mécanique quantique sont tellement utilisés (lasers, chimie moderne, transistors et micro-électronique) que l'on ne cherche plus à la justifier par des concepts philosophiques, bien que des tentatives de réunification de la physique classique et quantique soit toujours tentées.

De toute façon, la sciences est en mouvement perpétuel, et les connaissances d'aujourd'hui ne sont pas figées. En fonction de ce qu'on observe du monde, on essaie de trouver des modèles de pensée pour coller au mieux avec ce que l'on observe.

à suivre...