ALBERT EINSTEIN (1879-1955), PHYSICIEN ET REBELLE (5/8)

On peut montrer de manière très intuitive ce qu’Einstein va affirmer par une expérience de pensée impliquant une «horloge à lumière», qui permet de mettre en évidence l’idée de la relativité du temps et de retrouver, avec un outillage mathématique élémentaire, les formules de Lorentz-Fitzgerald qui sont centrales dans la théorie de la Relativité restreinte.

Notre horloge est bien spéciale. Elle comprend un émetteur de signal lumineux, un senseur (un détecteur de photon) et un miroir. Lorsque la lumière est émise, elle va jusqu’au miroir et revient au senseur, d’où elle fait repartir un nouveau signal. La durée de ce trajet peut être ajustée à volonté, en faisant varier la distance entre le senseur et le miroir. Disons qu’on la fixe à 150 000 kms. Nous imaginerons d’abord notre horloge immobile; puis en mouvement par rapport à un observateur immobile.

Tout cela peut être représenté comme suit :




Le faisceau lumineux part et revient : c’est le tic-tac de notre horloge, qui dépend de la distance parcourue par la lumière. Mais, dans le deuxième cas, pour un observateur immobile, la distance qu’il doit parcourir est plus grande et, en conséquence, les tic-tac sont espacés et l’horloge à lumière semble ralentir! On aura remarqué les deux triangles rectangles que dessine le parcours du faisceau lumineux dans le deuxième cas illustré plus haut. À l’aide du simple théorème de Pythagore, on peut calculer très précisément cette dilatation du temps. Ce calcul, dont nous passerons ici le détail, permet de retrouver la formule de Lorentz- Fitzgerald.

Le tableau qui suit replace en contexte cet effet relativiste. Il montre qu’à des vitesses inférieures à 16 000 kilomètres par seconde (relativement à l’observateur), les effets relativistes sont à peine détectables. Par contre, si la vitesse relative d’un objet pouvait atteindre 299 792 kilomètres par seconde (la valeur exact de c) , le facteur de Lorentz correspondant étant de 0 , le temps semblerait s’arrêter pour cet objet !

Outre cette dilation du temps, et l’équivalence masse-énergie, la Relativité restreinte prédit que deux autres conséquences bien étranges vont survenir lorsque les vitesses relatives approchent celles de la lumière : d’abord, que lorsque la vitesse d’un objet relative à un observateur augmente, sa longueur décroît; ensuite, que la masse d’un objet augmente avec sa vitesse (ce qui est lié à E = mc2 : plus de vitesse = plus d’énergie, donc plus de masse). Toutes ces conséquences ont été amplement confirmées et ces résultats de la Relativité restreinte sont aujourd’hui au principe du fonctionnement de bien des objets courants

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EINSTEIN ET LES GPS

Un GPS — c’est-à-dire un Global Positioning System ou Système de positionnement mondial — est un système fonctionnant par satellite et qui indiquera très précisément où une personne ou un objet se trouve, n’importe où sur la surface de la Terre. Or, on peut remercier Einstein pour cette précision. Voici pourquoi.

En raison de la vitesse des satellites utilisés par le GPS, les horloges qui s’y trouvent sont quelque 7 microsecondes par jour plus lentes que celles qui sont sur la terre; mais la force gravitationnelle sur le satellite fait en sorte que ces horloges sont aussi 45 microsecondes par jour plus rapides.

Pour que les données traitées par le GPS soient fiables, il faut donc apporter aux horloges une correction de 38 microsecondes.

Vous utilisez un GPS? Merci Einstein.

(D’après Philip Yam, «Everyday Einstein», Scientific American, Septembre 2004, page 55.)
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La Relativité générale

En 1915, dix ans après la parution de la théorie de la Relativité restreinte, Einstein met un point final à la théorie de la Relativité générale (RG). C’est son chef-d’œuvre et cette théorie extrêmement complexe (en particulier en raison de son formalisme mathématique) reste une des pièces maîtresses de la physique et de la cosmologie contemporaines — et notamment des travaux et recherches sur les lentilles gravitationnelles, les pulsars, les quasars, les trous noirs, la constante cosmologique et ainsi de suite.

Une des biographes d’Einstein, Françoise Balibar, a écrit : « [Avec la RG] Einstein a réalisé un tour de force. Si, en 1905, il n’avait pas expliqué l’effet photoélectrique ni exposé la Relativité restreinte, d’autres physiciens l’auraient fait un peu plus tard. Mais la théorie de la Relativité générale n’appartient qu’à lui seul. Combien de temps aurait-il fallu attendre pour avoir l’équivalent s’il n’avait pas existé? 50 ans? 100 ans?»

Je ne peux même pas tenter de donner ici ne serait-ce qu’une idée impressionniste de la Relativité générale, qui traite de tous les référentiels y compris ceux qui sont en accélération. Rappelons simplement qu’au cœur de celle-ci, on trouve une nouvelle expérience de pensée dont on peut donner une idée comme suit.

Imaginez vous trouver dans une pièce fermée dans un vaisseau spatial qui accélère à 1g — ce qui est l’accélération due à la pesanteur à la surface de la terre ( en moyenne, g=9.81 m/s²). Vous serait-il possible de distinguer entre être sur la terre et sur le vaisseau ?


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UNE CROIX D'EINSTEIN




Une galaxie à plusieurs noyaux — au lieu d’un seul ? Non. En fait, le champ gravitationnel de cette galaxie a agi comme une lentille qui dévie la lumière d’un lointain quasar pour former cette espèce de jolie fleur.
Observé d’abord en 1979, ce phénomène a été magnifiquement capté par le télescope Hubble en 1990.
Il s’agit d’une prédiction de la RG, d’où son nom.


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Dans la RG, développant ce qu’il appellera «la plus heureuse pensée de sa vie», Einstein répond non. Il montre l’équivalence entre attraction gravitationnelle et accélération et aussi que la distinction entre l’une et l’autre est arbitraire et dépend de nos référentiels (ce n’est cependant que lorsqu’il y a de très puissantes forces gravitationnelles que les prédictions de la RG diffèrent de celles de lois de Newton). Là où Newton envisageait un univers plat, avec des masses se déplaçant en ligne droite et à des vélocités constantes (à moins qu’une force n’agisse sur elles), Einstein propose un univers courbe et où les masses suivent les contours de cette surface courbe.

La RG prédisait que la lumière suivrait cette courbure de l’espace et ce phénomène est aujourd’hui bien documenté. Il a été démontré la première fois en 1919, par une expédition dirigée par Arthur Eddington qui confirmait les prédictions de la RG et propageait Einstein au faîte d’une notoriété qui l’accompagnerait le reste de sa vie.

Mais Einstein, cet innovateur qui bouscule toutes les certitudes, ne devait étrangement jamais accepter tout à fait l’autre grande théorie physique qui se développe à la même époque, la Mécanique Quantique (MQ) et les profonds et troublants bouleversements conceptuels qu’elle entraîne — et cela bien qu’il ait lui-même, par un de ses articles de 1905, contribué à enfanter cette théorie.

Venons-en à présent ce sujet.


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MADAME EINSTEIN ET LA RELATIVITÉ

Depuis une vingtaine années, quelques voix se font entendre pour affirmer que Mileva Maric-Einstein est la clé de l'énigme de l'Annus mirabilis.

Selon ces voix, elle aurait pris une part décisive dans la rédaction de trois articles de 1905 (ceux portant sur le mouvement brownien, l'effet photoélectrique et la Relativité restreinte). Cette thèse a été défendue dans un documentaire de la PBS intitulé : Einstein's Wife, qui lui a assuré une grande diffusion.

Ce serait, avouons-le, une découverte considérable. Une pionnière de l'entrée des femmes dans les carrières scientifiques de haut niveau honteusement pillée par son mari qui recueille, seul, toute la gloire après avoir occulté l’immense apport de son épouse!

Mais cette histoire n'aura été crédible que parce ses promoteurs ont pris avec les faits des libertés inadmissibles.

Et c’est pourquoi ce documentaire a fait l'objet de vigoureuses et décisives critiques, qui ont mis en évidence les nombreuses et graves faiblesses et erreurs historiques sur lesquelles repose sa thèse. Saisi d'une plainte, l'ombudsman de PBS vient de rendre son rapport. J'y renvoie pour les détails de l'affaire [http://www.pbs.org/ombudsman/2006/12/einsteins_wife_the_relative_motion_of_facts.html].

Au total, il semble clair que son épouse n'a été pour Einstein ni plus ni moins qu'une personne parmi quelques autres avec qui il a abondamment échangé et sur laquelle il s'essayait à présenter ses idées nouvelles de manière claire et compréhensible — notamment à ses propres yeux. Mais la légende présentée dans le documentaire, hélas, a fait bien des émules — d'autant que son site Internet propose des documents pédagogiques pour l'enseignement de la physique et de son histoire: on imagine les dégâts en classe ...

Historiquement, l'exclusion des femmes des sciences — et plus généralement de la vie intellectuelle (ou du moins la minoration de leur place dans tout cela) — est un fait largement avéré et tragique. Mais c'est un bien mauvais service à rendre que de réparer les injustices d'hier en se rendant aujourd’hui coupable de promouvoir des approximations, des demi-vérités, voire des falsifications.

L'histoire de sciences, la sociologie des sciences et la philosophie, depuis, disons, une cinquantaine d'années, ont considérablement enrichi notre conception de la science comme entreprise humaine, historiquement située et faillible. Mais ces apports dépendent précisément de la mise en oeuvre des principes sur lesquels la science elle-même repose: la rigueur; le respect des faits et de la vérité; la méfiance envers l'opinion et envers ces vérités confortables et qui consolent — celles qui doivent être démontrées deux fois, disait Jean Rostand!

La légende de madame Einstein était peut-être, pour certains, une telle vérité consolante. Mais cela ne suffit pas à faire de la bonne histoire des sciences.

Inévitablement, c'est un mot de Richard Feynman qui me revient ici en mémoire. Feynman, on s'en souvient, avait fait partie du comité qui avait enquêté sur l'explosion de la navette Challenger, en 1986. Selon lui, les estimations de fiabilité de la navette par la NASA étaient incroyablement irréalistes. Dans son rapport (minoritaire), il a cette phrase admirable: «Pour qu'une technologie soit efficace, la réalité doit avoir préséance sur les relations publiques: et cela parce qu'on ne peut pas tromper la nature».

De même, pour qu'une histoire, une sociologie et une philosophie des sciences soient crédibles et saines, les faits pertinents doivent avoir préséance sur nos convictions et préférences idéologiques.

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ALBERT EINSTEIN (1879-1955), PHYSICIEN ET REBELLE (4/8)

Cela demandait une grande audace. Rappelons toutefois que la conception newtonienne du temps et de l’espace ne s’était pas imposée sans combattre. Prenons l’exemple de l’espace, justement.

Quand la physique classique s’est constituée, deux réponses s’affrontaient. La première assurait que l’espace, ce n’est rien d’autre que les relations entre les objets du monde. Si vous voulez, l’espace, ici, est compris un peu sur le modèle d’un contrat, dans le sens où un contrat est quelque chose qui lie deux personnes. Supprimez l’une ou l’autre de ces personnes (ou les deux) ou leurs relations et il n’y a plus de contrat, lequel n’existe donc pas en dehors des contractants et des relations qui les lient. De même, le monde est constitué d’objets en relation et l’espace, assurent les partisans de cette théorie, n’est rien d’autre que ces objets et leurs relations. Cette position était défendue par plusieurs personnes, dont le philosophe et mathématicien G. W. von Leibniz (1646-1716).

Le fondateur de la physique moderne, Isaac Newton, n’était pas d’accord. Il pensait, lui, qu’il existe un espace (et un temps) absolu(s). Newton, si on ose simplifier beaucoup, pense l’espace sur le modèle d’une boîte de céréales. De ce point de vue, il existe bel et bien un espace (l’intérieur de la boîte) dans lequel les objets (les morceaux de céréales) se trouvent et on peut décrire les relations de ces objets par rapport à ce référent absolu. Vous l’avez deviné : il y a une grosse différence entre la boîte de céréales et l’espace absolu : pour Newton, l’espace absolu est un contenant comme la boîte mais qui se prolonge infiniment dans toutes les directions. De la même façon, pour Newton, il existe un temps absolu.

Comment décider entre ces deux théories, celle de Newton et celle de Leibniz? Newton a cru pouvoir trancher en faveur de la sienne à l’aide d’une expérience de pensée.

Imaginez un seau à demi rempli d’eau. Il est suspendu par une longue corde au plafond d’une pièce. Moment 1 : l’eau est immobile relativement au seau et la surface de l’eau est plane. À présent vous tournez la corde, de très nombreuses fois. Puis vous relâchez. Moment 2 : le seau se met à tourner; l’eau reste plane et immobile pendant que le seau est en mouvement (il tourne) par rapport à l’eau. Moment 3 : le seau continue à prendre de la vitesse et communique son mouvement à l’eau qui se meut avec lui et à sa vitesse; eau et seau sont alors immobiles l’un par rapport à l’autre; on constate alors aussi que l’eau a monté sur la paroi du seau et que sa surface n’est plus plane, mais se creuse au centre.

Newton pose la question suivante : qu’est-ce qui fait monter l’eau sur les parois du seau au moment 3? Son mouvement, sans doute. Mais mouvement par rapport à quoi? Pas par rapport au seau, évidemment puisqu’ils sont alors immobiles l’un par rapport à l’autre, comme au moment 1. Newton répond à sa propre question : l’eau est en mouvement par rapport à l’espace absolu et c’est ce qui explique la courbature de sa surface. C’est aussi ce qui permet de distinguer absolument le moment 1 du moment 3. L’espace absolu existe donc, conclut Newton, et il a, on vient de le voir, des effets observables. CQFD.



C’est à cette conception de l’espace et du temps qu’Einstein va s’en prendre. Ou plutôt, il va faire remarquer que si on l’abandonne, les contradictions apparentes que connaît la physique s’estompent. Il est vrai que des conséquences extrêmement étonnantes surgissent alors, mais, encore une fois, elles ne sont étranges que parce que nos concepts de temps et d’espace sont issus de notre expérience courante où nous ne faisons jamais l’expérience des vitesses s’approchant de c. Il écrit :

Ces échecs répétés suggèrent plutôt que […] les mêmes lois de l’électrodynamique et de l’optique seront valables pour tous les référentiels pour lesquelles vaudront les équations de la mécanique. Nous élèverons cette conjoncture (que nous appellerons dorénavant le «Principe de relativité») au statut de postulat et nous introduirons un deuxième postulat, lequel n’est qu’en apparence irréconciliable avec le premier, à savoir que la lumière se propage toujours dans le vide à la vitesse c laquelle est indépendante du mouvement du corps qui l’émet. Ces deux postulats suffisent pour produire une théorie simple et cohérente de l’électrodynamique des corps en mouvement fondée sur la théorie de Maxwell pour les corps stationnaires. On montrera que l’introduction d’un «éther luminiférien» est superflue puisque la conception développée ici ne suppose pas une «espace absolument stationnaire» pourvu de propriétés spéciales […]

[à suivre]

ALBERT EINSTEIN (1879-1955), PHYSICIEN ET REBELLE (3/8)

Annus mirabilis : la théorie de la Relativité restreinte

«Annus mirabilis», cela veut dire : année miraculeuse. Dans l’histoire des sciences, cette expression n’avait jusque là été employée que pour désigner les 18 mois (entre 1665 et 1666) durant lesquels Isaac Newton (1642-1726), fuyant la Grande Peste qui s’abattait sur Londres et qui avait forcé la fermeture de l’Université Cambridge, avait trouvé refuge à la ferme familiale. Là, seul, il avait : développé le calcul différentiel et intégral; formulé plusieurs lois de l’optique; formulé les lois du mouvement qui portent aujourd’hui son nom; et formulé la loi de la gravitation universelle! Ce qui est un bilan stupéfiant, à n’en pas douter.

Qu’a donc accompli de si important Einstein en 1905 pour qu’on en parle comme d’une autre «Annus mirabilis»?

Pour bien l’apprécier, remontons à 1902.

Cette année-là, un physicien et mathématicien français de très grand renom appelé Henri Poincaré explique, dans La science et l’hypothèse, que trois énigmes très embêtantes perdurent en physique: le mouvement brownien, d’abord, qui est le mouvement chaotique de petites particules dans un liquide; l’émission d’électrons par des métaux exposés à une lumière ultraviolette, ou effet photoélectrique, ensuite; enfin, le fait qu’on n’ait pas encore pu détecter l’éther, ce milieu dans lequel la lumière est supposée se propager.

(Pour être complet, il faudrait ajouter à cette liste l’incapacité de représenter par une unique loi mathématique le rayonnement du corps noir, c’est-à-dire la lumière qu’un objet émet pour se débarrasser de son surplus de chaleur — qui se situe principalement dans l’infrarouge pour les objets à la température de la pièce. Ce problème sera résolu en 1900 par Max Planck (1858-947), qui introduisit le concept de quanta de lumière ainsi que la constante qui porte son nom, voie qui allait mener à la mécanique quantique — nous aurons à y revenir.)

Considérez maintenant ceci : en 1905, Albert Einstein, jeune physicien inconnu de 26 ans qui travaille au Bureau des brevets de Berne et s’apprête à soutenir son doctorat, va résoudre les trois énigmes de Poincaré tout en approfondissant le concept de quanta. Tout cela, il l’accomplit en publiant, entre mars et septembre, cinq textes qui vont littéralement révolutionner la physique et notre vision du monde et qui auront d’innombrables conséquences théoriques et pratiques. Voici ces textes — je donne entre parenthèses la date de la parution des articles dans les Annalen Der PhysiK.

Einstein va d’abord proposer une nouvelle théorie (corpusculaire) de la lumière (18 mars) : reprenant l’idée de Planck, la prolonge et l’approfondit. Planck avait supposé que l’énergie des ondes lumineuses est émise, par un corps noir, par paquets (par quanta ; quantum au singulier) plutôt que de manière continue. Einstein affirme que ces quanta ne sont pas uniquement le mode d’émission de l’énergie lumineuse, mais correspondent à la nature physique de la lumière. Celle-ci n’est pas seulement une onde continue dont l’énergie est émise par quanta discrets (discontinus) : elle est réellement composée de particules, les photons).

Il va ensuite proposer une nouvelle manière de déterminer les dimensions moléculaires (30 avril). Puis expliquer le mouvement brownien (11 mai) avant de formuler la théorie de la Relativité restreinte (30 juin) et d’ en tirer lui-même une conséquence qui tient en une formule, peut-être la plus célèbre de toutes les formules scientifiques : E = mc2 , celle de l'équivalence masse-énergie (27 septembre).

Comme je l’ai dit, je vais essentiellement consacrer les développements qui suivent à la Relativité restreinte. Il faut dire à ce propos qu’Einstein a développé deux théories de la relativité. La première, celle de 1905, la Relativité restreinte, traite des mouvements uniformes; la deuxième, avancée dix ans plus tard, est la Relativité générale et concerne les mouvements accélérés.

Einstein hérite de l’histoire de la physique deux grandes et fortes idées mais qui semblent alors, à la plupart des physiciens, irréconciliables. Ces deux grandes idée sont, la première : un principe, celui de relativité galiléenne; la deuxième, la constance de la vitesse de la lumière (notée c et qui vaut environ 300 000 kms/seconde; c provient de celeritas, qui signifie « rapide » en latin.)

Le principe de relativité galiléenne nous dit que les lois de la nature sont les mêmes pour tous les référentiels inertiels (voir encadré) et permet de comprendre les opérations permettant de passer de l’un à l’autre. En d’autres termes: différents observateurs décrivent le même événement différemment dans leurs différents référentiels ; il n’y a pas de référentiel privilégié; les vitesses sont additives. Tout cela cadre parfaitement avec notre expérience courante et est amplement confirmé par la physique classique.

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Galilée dans le texte

Enfermez-vous avec un ami dans la plus vaste cabine d’un grand navire, et faites en sorte que s’y trouvent également des mouches, des papillons et d’autres petits animaux volants, qu’y soit disposé un grand récipient empli d’eau dans lequel on aura mis des petits poissons; suspendez également à bonne hauteur un petit seau et disposez-le de manière à ce que l’eau se déverse goutte à goutte dans un autre récipient à col étroit que vous aurez disposé en dessous; Puis, alors que le navire est à l'arrêt, observez attentivement comment ces petits animaux volent avec des vitesses égales quel que soit l’endroit de la cabine vers lequel ils se dirigent; vous pourrez voir les poissons nager indifféremment dans toutes les directions; les gouttes d'eau tomberont toutes dans le récipient posé par terre; si vous lancez quelque objet à votre ami, vous ne devrez pas fournir un effort plus important selon que vous le lancerez dans telle ou telle direction, à condition que les distances soient égales; […]

Une fois que vous aurez observé attentivement tout cela, […] faites se déplacer le navire à une vitesse aussi grande que vous voudrez, pourvu que le mouvement soit uniforme et ne fluctue pas de-ci de-là : vous n'apercevrez aucun changement dans les effets nommés, et aucun d'entre eux ne vous permettra de savoir si le navire avance ou bien s'il est arrêté : si vous sautez, vous franchirez sur le plancher les mêmes distances qu'auparavant et, si le navire se déplace, vous n'en ferez pas pour autant des sauts plus grands vers la poupe que vers la proue, bien que, pendant que vous êtes en l’air, le plancher qui est en dessous ait glissé dans la direction opposée à celle de votre saut; si vous jetez quelque objet à votre ami, il ne vous faudra pas le lancer avec plus de force pour qu'il lui parvienne, que votre ami se trouve vers la proue et vous vers la poupe, ou que ce soit le contraire; les gouttes d'eau tomberont comme auparavant dans le récipient qu'on aura mis en dessous, sans qu'une seule goutte ne tombe du côté de la poupe, bien que, pendant le temps où la goutte est en l’air, le navire ait parcouru plus d'un empan; les poissons dans leur eau nageront sans plus d'effort vers l’une ou l’autre partie du récipient dans lequel on les aura mis, et ils se dirigeront avec autant d'aisance vers la nourriture quel que soit l’endroit du bord du bocal où elle aura été placée; enfin, les papillons et les mouches continueront à voler indifféremment dans toutes les directions. Et on ne les verra jamais s'accumuler du côté de la cloison qui fait face à la poupe; ce qui ne manquerait pas d'arriver s'ils devaient s'épuiser à suivre le navire dans sa course rapide.»

GALILÉE, Dialogue concernant les deux principaux systèmes du monde.

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La constance de la vitesse de la lumière, elle, est inscrite dans les quatre équations de James Clerk Maxwell (1831-1879). Ces équations permettent une description complète des phénomènes électromagnétiques, montrent les relations intimes entre électricité et magnétisme et permettent de comprendre la lumière comme une forme de radiation électromagnétique. Au coeur de ces remarquables équations se trouve cette constance universelle, qui est notre fameux c.

Mais que la vitesse de la lumière soit posée comme constante pour tout observateur, joint au principe de relativité, conduit à un formidable paradoxe. Si la vitesse de la lumière est constante, je ne mesurerai pas c’-c si je mesure la vitesse de la lumière d’une lampe quand je m’en approche à la vitesse c’, mais bien c.

Insistons sur ce point.

Imaginons trois observateurs A, B et C. A tient une lampe de poche et envoie un faisceau lumineux. Par rapport à lui, la vitesse du faisceau = c.

B est un formidable coureur. Il court dans la même direction que le faisceau lumineux, cherchant à le rattraper, s’éloignant ainsi de A, à la vitesse de 80% de c. Par rapport à lui, la vitesse du faisceau n’est pas 20% de c … mais c : 100% de c ! Bref, le faisceau s’éloigne de B aussi rapidement qu’il s’éloigne de A ! Il est impossible à tout corps matériel de rattraper un faisceau lumineux. Un faisceau lumineux qui s’éloigne d’un corps matériel le fait toujours à la vitesse c, en toutes circonstances.

C est un autre formidable coureur, qui court vers A et vers le faisceau lumineux à la vitesse de 99,9% de c. Par rapport à lui, la vitesse du faisceau n’est pas 199,9% de c … mais c !

Voilà d’assez extraordinaire paradoxes!

Pour s’en sortir, on pourrait imaginer qu’il existe, pour les phénomènes électromagnétiques, une sorte de «référentiel absolu». Et c’est une voie qui est explorée à la fin du XIX ème siècle. On pense en effet à cette époque que la lumière est une onde qui se propage à travers un médium appelé éther. Si on pouvait détecter l’éther, on aurait, croit-on, le référentiel absolu qui résoudrait la contradiction. Selon cette approche, le fait que les équations de Maxwell entraînent que la vitesse de la lumière est une constante signifie que ces équations ne sont valides que par rapport au référentiel de l’éther. Pour les autres référentiels, en mouvement par rapport à l’éther, il faudrait modifier les équations de Maxwell, et on devrait alors obtenir comme résultat que la vitesse de la lumière est effectivement relative au référentiel, comme toute vitesse.

Derrière ces tentatives de détection, il y avait l’idée suivante.

La Terre se déplace autour du soleil à environ 30 kilomètres par seconde — ce qui, en passant, fait 100 000 km/h ! et nous sommes tous en mouvement à cette vitesse à chaque instant, ce qui constitue une belle illustration du principe de relativité de Galilée.

Par définition, la Terre se déplacerait à travers l’éther — bien entendu, on pourrait aussi bien dire : l’éther est en mouvement relatif par rapport à la Terre. Quoiqu’il en soit, cela doit produire un «vent d’éther», un peu comme le fait de se déplacer à vélo produit un «vent» qu’on sent sur notre visage. Si c est la vitesse de la lumière uniquement par rapport à l’éther et si on projette un faisceau lumineux dans le sens du vent d’éther et simultanément un autre perpendiculaire à lui, alors ces deux faisceaux devraient avoir des vitesses différentes par rapport à la Terre et on devrait donc déceler une différence entre les temps nécessaires que mettront ces deux faisceaux pour parcourir des distances identiques.

En 1887, A. A. Michelson (1852-1931) et E. W. Morley (1838-1923), sur la base de ce raisonnement, conçurent une bien belle et maintenant célèbre expérimentation destinée à détecter le vent d’éther — ils la refirent à plusieurs reprises, en la perfectionnant à chaque nouvel essai. L’illustration suivante montre leur dispositif expérimental, qu’ils appelèrent un Interféromètre.




On a ici un bloc de pierre de près de quatre mètres carré et d’une trentaine de centimètres d’épaisseur. Il repose dans un bain de mercure liquide, ce qui assure la stabilité du dispositif expérimental, absorbe les vibrations et permet d’aisément faire effectuer à la pierre des rotations autour d’un axe central. Des miroirs sont disposés, qui reçoivent et dirigent des faisceaux lumineux dans deux directions perpendiculaires. Pour améliorer la précision des mesures, les faisceaux font quatre aller-retour dans chaque direction, soit huit trajets. Le dispositif permet de détecter des variations d’une fraction de kilomètre à la seconde. On peut déplacer le dispositif autant qu’on veut et prendre à chaque fois des mesures.

Ce qui semblait clair à Michelson et Morley est qu’on finirait bien par se trouver dans une situation où un trajet se ferait dans «sens du vent» à l’aller et «contre le vent» au retour et pendant ce temps, pour l’autre trajet, en travers du vent d’éther à l’aller et au retour. À ce moment-là, on détecterait certainement la différence prédite par notre raisonnement de tout à l’heure et elle serait très précisément ce qui correspond à la vitesse du vent d’éther.

Imaginez la surprise de nos deux expérimentateurs quand ils ne décelèrent aucune différence! L’expérience a maintes fois été reproduite depuis (par eux et par bien d’autres) et avec des instruments bien plus précis encore : ce fut toujours avec le même résultat.

Les physiciens de l’époque, très attachés à l’éther, imaginèrent toutes sortes d’explications (on les appelle des hypothèses Ad hoc) pour sauver la théorie de l’éther du résultat négatif de MM.

La plus fantastique avait été avancée par Francis FitzGerald (1851-1901). Selon lui, le vent d’éther exerce une pression sur les objets qui les fait rapetisser dans la direction de leur mouvement! En somme, les longueurs de l’appareil de MM s’ajusteraient d’elles-mêmes pour donner le résultat nul de l’expérience! H.A. Lorentz (1853-1928) a au même moment la même idée et il propose la formule mathématique de cette contraction appelée depuis «contraction (ou formule) de Lorentz-Fitzgerald». En un mot, elle dit qu’à petite vitesse la contraction est négligeable; mais à grande vitesse — et on a vu que la vitesse de la lumière est une très grande vitesse — cette contraction devient importante.

Ce qui nous ramène à la contradiction évoquée plus haut et qu’Einstein, comme toute la physique de son temps, affronte dans son célèbre article. Celui-ci s’ouvre d’ailleurs sur un rappel des échecs des efforts de détection de l’éther et de leur signification:

[…] les tentatives de découvrir un quelconque mouvement de terre par rapport au «médium de la lumière» sont restées vaines et cela suggère que les phénomènes de l’électrodynamique, tout comme ceux de la mécanique, ne possèdent aucune propriété correspondant à l’idée de repos absolu.

La contradiction qu’il affronte pouvait en effet, en théorie, être résolue de trois manières.

D’abord, en supposant que les lois de la Nature changent avec les référentiels : et qu’il faut donc changer de lois de Maxwell selon les situations. Einstein ne peut accepter cela.

Ensuite, que les équations de Maxwell sont erronées. Cela non plus, Einstein ne peut l’accepter.

La troisième option est de convenir que les lois de Maxwell sont justes, que le principe de relativité l’est aussi et c’est quelque chose que nous présupposons à propos du temps et de l’addition des vitesses qui est erroné — ce qui est plausible si on songe que notre intuition concernant le temps et l’addition des vitesses est née de notre expérience courante, où on ne rencontre pas de vitesses aussi grandes que c. Einstein va adopter ce point de vue, qui le conduira à abandonner les notions de temps, d’espace et de masse héritées de Newton.