don_pet
Nouveau Né
  
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 |  Sujet: Les explications de Tonton Don - Relativité restreinte  Mar 31 Mar - 15:32 | |
| Mes très cher(e)s ami(e)s,
Bien le bonjour,
Reprenons le cours de nos pensées. Newton pose désormais un nouveau socle, qui nous permet de décrire les mouvements des objets dans notre espace, et qu’en plus il pose comme postulat que la force qui relie le soleil à la Terre est la même que celle qui nous ancre au sol, et s’il avait pu faire cet anachronisme il aurait signifié que c’est aussi cette même force qui fait tourner en orbite nos satellites.
Et voici qu'un homme, le génial Maxwell, réfléchit au concept photoélectrique. Je sais, présenter comme ça, cela ne fait pas rêver. Un mec qui tout seul dans son coin réfléchit au concept même de l’électricité, ça fait briller les yeux. Mais ce scientifique, avec quelques comparses, sans rentrer dans les détails, va poser les bases de ce que nous appelons aujourd’hui les équations de Maxwell. Pour faire simple, il va réunifier électricité et magnétisme ! Bon et en quoi cela nous passionne ?
Un autre physicien va se tripoter la moustache en lisant ce que décrit Maxwell. En fait cela implique certaines vues d’esprit assez saisissantes ! Pour que nous puissions aussi nous tripoter la moustache (ou les cheveux, pas de sexisme hein ?!), nous allons nous interroger sur le principe suivant : Mais damned qu’est-ce donc que la lumière ?
Commençons par en étudier d’abord le comportement avant d’en avoir une image plus précise. Observons tout d’abord sa vitesse. En physique Newtonienne les vitesses s’ajoutent. Si je roule en ligne droite à 100 km/h et que derrière moi à bord de votre Twingo super sonique vous rouliez à 120 km/h, alors fatalement vous allez me péter ma bagnole toute neuve avec un différentiel de vitesse de 20 km/h (heureusement je suis bien assuré, sinon c’était un crocodile kick). A l’inverse si je roule à 120 et-vous à 100, alors je m’éloigne de vous et une demie heure 10 kilomètres nous sépareraient (en même temps une Twingo…)
Voici la logique Newtonienne. Maintenant parlons de la lumière.
Différentes expériences de l’époque, et même actuelles, ont montré une chose qui a bouleversé beaucoup de concepts. La vitesse de la lumière est finie et mesurable. Elle n’est pas instantanée, mais est d’environ 300 000 km/s, constante que nous appelons célérité.
Très bien mais alors ? L’une des réflexions que menait notre physicien tripoteur de moustache, était de se demander ce qu’il se passerait s’il pouvait courir à côté d’un « grain » de lumière ? En imaginant pour reprendre nos exemples qu’il puisse courir à une vitesse proche de la moitié de celle-ci (il a de très bonnes jambes), verrait-il le « grain » s’éloigner de lui à une vitesse de 150 000 km/s ?
Que répondriez-vous intuitivement ?
Installez-vous confortablement car voici le premier constat qui devrait vous défriser un peu.
Même si vous couriez à l’exacte moitié de la vitesse de la lumière, celle-ci s’éloignerait de vous toujours à la vitesse constante de 300 000 km/s et non à 150 000 comme le prévoit la physique Newtonienne.
La classe à Dallas non ?
Sans se compliquer la vie avec des lignes d’équations, retenez que Maxwell et plus tard notre physicien à moustache ont montré que la vitesse de la lumière ne dépendait que des propriétés électriques et magnétiques du milieu et non de la vitesse du repère de mesures. Car rappelez-vous que l’on observe toujours quelque chose par rapport à un repère.
Conclusion la lumière a un comportement bien curieux. Sa vitesse est invariante, et quel que soit la direction que vous prenez par rapport à elle (que vous vous dirigiez vers elle ou au contraire que vous vous en éloigniez) cette vitesse reste identique, pas de différentiel.
Interrogeons-nous maintenant sur le comportement de la lumière.
J’ai mentionné plus haut le terme « grain », il est effectivement intuitif de se représenter la lumière comme un ensemble de petits grains ou paquets. Un rayon lumineux pourrait être dès lors considéré comme une succession de petites billes qui se suivent les unes des autres. Ce que la physique appelle quanta.
Certaines expériences tendent à faire apparaître la lumière comme effectivement une petite bille de matière, que l’on appelle un photon. Mais d’autres expériences nous montrent un tout autre aspect, qui est même contradictoire. Voici venu le temps de vous exposer la dualité corpusculaire.
Voilà un terme bien barbare, voyons un peu ce que cela signifie. Et pour ce faire je vais vous présenter ce qu’il y a de plus connu dans le domaine pour mettre en évidence cette dualité, l’expérience des fentes de Young.
Prenons une source lumineuse, devant elle une planche avec deux petites fentes parallèles et derrière tout ça un écran qui recevra nos rayons lumineux. Pour parfaire notre expérience nous allons bricoler un peu la planche avec les deux fentes, de telle sorte que toutes les deux sont munies d’un petit clapet ayant pour fonction de boucher les fentes à notre guise. Aussi nous pouvons laisser pour l’expérience soit les deux fentes ouvertes, soit simplement une seule. Si nous fermons les deux il ne se passera pas grand-chose cela va de soi!
Première étape nous laissons les deux fentes ouvertes, que se passe-t-il ? La source de rayonnement passe par les deux fentes et nous obtenons la figure ci-dessous.  Figure 1 diffraction de la lumière - source WikipédiaDe la même manière que sur l’océan, lorsque deux vagues identiques se croisent, la vague résultante est deux fois plus grosses si la crête de l’une correspond à la crête de l’autre ou nulle si la crête de l’une correspond au creux de l’autre. Ici dans notre cas de figure, les rayons ou se superposent ou s’annulent. Nous avons donc toutes les caractéristiques d’une onde.
Dans la zone où ils se croisent, les rayons vont se superposer, c’est l’image caractéristique d’une onde.
Si maintenant je ferme l’une des fentes à l’aide de notre clapet, alors la lumière se comporte comme un rayon unique filant en ligne droite. Un paquet de grains qui passent tous du même côté et le résultat sur l’écran ne sera pas du tout le même. Il sera ici illuminé à l’endroit où frapperont les photons, mais il n’y aura pas de phénomène d’interférence.
Alors question, si je laisse les clapets ouverts la lumière établit un comportement d’ondes, si j’en ferme un, la lumière reprend un comportement de grains !
Mais dis donc dis donc ?
Malheureusement, personne ne peut réellement l’expliquer (enfin avec une certitude absolue). Un peu à l’image de Newton devant la nature de la force de gravité, nul ne sait véritablement expliquer cette double nature que prend la lumière. Elle est à la fois une onde lumineuse, et à la fois une particule de matière. En fait elle ne prend de forme que lorsque nous y prêtons attention, nous reviendrons sur ce drôle de sujet.
De toutes ces réflexions va naître en 1905 la théorie de la relativité restreinte, postulée par un homme qui le jour travaillait à l’office des brevets de Berne (en Suisse), et qui la nuit griffonnait des lignes géantes d’équation. Cet homme bien entendu n’est autre qu’Albert Einstein. Pour la petite histoire, son métier consistait à attribuer des brevets pour les inventions les plus diverses, comme quoi !
Voici donc ses postulats quant à sa nouvelle théorie :
- L’éther n’a pas besoin d’exister pour justifier le comportement de la lumière dans l’espace. (Les scientifiques pensaient que l’espace entier baignait dans une substance, l’éther, et que celle-ci véhiculait la lumière, de la même manière que l’air véhicule le son.)
- La vitesse de la lumière est finie et ne dépend nullement de la vitesse de l’observateur de référence.
- Ce principe est dit relativiste car quel que soit le repère observationnel choisit il en sera de même pour tout autre. Ce qui se traduira bientôt par le principe d’équivalence et d’invariance, amenant à conceptualiser notre univers comme étant homogène et isotrope (en clair, quel que soit le point choisit dans l’univers, il garde les mêmes propriétés).
To be continued …
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