• Ondes et matière Un historique (1750-1930)

     

    PHYSIQUE DES ONDES

    ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

    RUBRIQUE N°4 Ondes et matière Un Historique (1750-1930)

    Par Paul Bouchard Le 02/06/2015

    1) INTRODUCTION

    '' eklablog physique des ondes '' expose des hypothèses qui concernent la nature de l'électron, particule élémentaire de la matière, et son rôle dans l'atome. Les 6 chapitres, 4 post-scriptum et 4 rubriques forment un ensemble dont il est nécessaire de prendre connaissance avant d'aborder cette nouvelle rubrique. Nous allons préciser ici notre conception de l'interaction des rayonnements de ''type lumière'' avec la matière, et en particulier avec les atomes, électrons et nucléons. D'après nos hypothèses, tous ceux-ci sont constitués d'ondes, il s'agit donc de l'interaction d'ondes lumières (longitudinales) énergétiques avec les véritables ondes électromagnétiques que sont les électrons. Énoncer ceci suppose d'avoir choisi entre les deux conceptions de la lumière, ondes ou particules ainsi qu’entre plusieurs théories qui concernent l'atome et la matière. Ces choix effectués ne sont pas le fruit d'une imagination personnelle (mis à part la notion d'onde de structure de l'électron). Ils proviennent de l'étude analytique que je mène depuis 7 ans des travaux théoriques et expérimentaux réalisés par les scientifiques du 19ème siècle et du début du 2Oème. Les thèses les plus récentes auxquelles j'ai accès, grâce à internet, ne font que conforter ces choix. On touche ici au cœur de la matière ainsi qu'au transfert de l'énergie entre tous les constituants des divers matériaux existant dans l'univers.

    Par une analyse historique, j'espère faire comprendre pourquoi la communauté scientifique a dû, dans ces domaines, enchaîner les théories pour se conformer aux réalités expérimentales successives et pourquoi, par refus de choisir, elle reste, par exemple, dans l'incapacité de définir avec certitude la nature de la lumière. Celle-ci est toujours considérée, suivant le besoin des études et contre toute logique, tantôt comme une onde, tantôt comme une particule. Ce non-choix se justifie par le fait que les scientifiques peuvent profiter des deux modes de raisonnement, et que, pour décrire un phénomène, chacun peut choisir les explications qui lui paraissent les plus adaptées à ce qu'il veut démontrer, (pas forcément les plus logiques et les plus simples). Seul le résultat expérimental et son utilisation pratique sont importants. Ce sont ces éléments qui justifient la théorie employée et son choix initial.

    Dans les faits, c'est l'ensemble de la physique, de la chimie et de l'astrophysique qui est concerné. Quel est le scientifique qui se prétendrait capable d'intervenir au cœur de chacune de ces sciences ? D'autant plus que les résultats obtenus par l'ensemble des travaux scientifiques sont considérables, notamment sur le plan des instruments scientifiques et des techniques industrielles. Dans la réalité, tous les progrès essentiels relèvent finalement de la physique des ondes, mais, dans ses explications, une théorie sérieuse se doit d'employer les mathématiques traditionnelles en usage dans la physique statistique, (l'opérateur hamiltonien par exemple), et se référer en permanence aux théorèmes et équations de base de la physique classique, ( l'équation de Maxwell-Lorentz en fait partie). Les méthodes de l'optique et de l'acoustique qui sont des sciences très anciennes mais un peu négligées, devraient pouvoir, dans l'avenir, inspirer les chercheurs.

     2)    LES ANCÊTRES   (1750-1850)    LA PHYSIQUE DES ONDES

    Les premières théories de la lumière ont été établies au 17ème siècle par Huygens (ce sont des ondes) et par Newton (non, des corpuscules). Au 18ème siècle, la première étude mathématique des ondes et de leur propagation a été initiée par Jean le Rond d'Alembert, mathématicien, physicien et philosophe des lumières (équation d'onde de d'Alembert). Dans la 1ère partie de 19ème siècle, par leurs expériences sur la diffraction, les interférences et la polarisation, Young et Fresnel confirmèrent la théorie de Huygens, la lumière se comporte indubitablement comme une onde. D'autre part la vitesse de la lumière dans le vide a été calculée avec précision par Fizeau et Foucault. Ce dernier ainsi qu’Angström ont relié la spectroscopie et l'analyse chimique. Doppler a mis en évidence le décalage de la fréquence d'une onde en mouvement dû à ''l'écrasement'' de cette onde dans le sens de sa marche. La fréquence est plus grande à l'avant et diminue à l'arrière. Ce phénomène se met en évidence sonore lors du passage d'un véhicule de secours devant soi.

     A cette même époque, (1820) l’électromagnétisme a été découvert par Oersted (relation entre phénomènes électriques et magnétiques), par Ampère (relations entre intensité et tension du courant), par Faraday (induction et électrochimie).

    3)  (1850-1880)    L'ELECTROMAGNETISME    James Clerk MAXWELL

    C'est à cette époque que Maxwell (1831-1879 étudie les relations et données précédemment déterminées par les physiciens des ondes de type lumière. Leur vitesse dans le vide (dans ''l'éther'' communément admise) se révèle identique à celle des ''courants de déplacement'', de type électromagnétique, découverts par les spécialistes en électricité et magnétisme précédemment indiqués. La lumière est émise par la matière, le courant électrique également. Tout semble indiquer à Maxwell que la ''confusion'' des deux types ''d'ondes'' est possible. Il publie alors ses travaux sous la forme d'équations intégrales formant ainsi un ''condensé'' mathématique de la théorie électromagnétique. Ses équations expriment les lois fondamentales de la physique moderne. Il a rassemblé dans sa théorie de l'électromagnétisme toutes les connaissances de son époque. Son travail a permis de donner une signification mathématique aux notions de ''particules chargées'', de champ électrique, de champ magnétique, de ''rayonnement'' électromagnétique, de courant de déplacement, de densité de courant. Tous ces éléments font encore partie du langage mathématique des thèses actuelles et sont considérées comme des références absolues qu'on ne peut discuter.

    Grâce au travail de Maxwell, des scientifiques universitaires de différents pays ont pu développer considérablement l'étude et l'utilisation de ce qui a été généralisé ensuite sous le nom ''d'ondes électromagnétiques''. Entre 1880 et 1910, les universités ont connu, chacune de leur coté (et en concurrence de méthode et de concepts), un foisonnement considérable de découvertes en physique et en chimie, réalisées par de remarquables scientifiques expérimentateurs. Mais il faut remarquer que la ''confusion'' entre ondes et particules demeure, de même celle entre ondes électromagnétiques et ondes de type lumière, quant à l'éther, malgré son abandon officiel depuis Einstein, il reste cependant indispensable pour conduire les ondes dans le vide.

    4)   (188O-1901)    LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES

    La suite de l'historique et l'explication des choix de notre thèse exigerait une analyse détaillée de ces concepts de base qui sont différents d'une école scientifique à l'autre. Chaque université, à chaque époque, a été marquée par un leader, chef d'une école spécialisée dans un domaine de recherche. Ceux-ci devenant de plus en plus ''pointus'', les concepts et méthodes de calcul se spécialisent, les termes scientifiques prennent des connotations appropriées à la discipline et au Maître (nommés ''effet'' ou ''équation'' du nom du Maître). Pour ceux-ci, il semble alors inutile de remettre en cause ou même de discuter la physique théorique standard qui, elle, fait l'objet d'un consensus, ou plutôt d'une ''non décision'' commune, car les interprétations philosophiques (ou religieuses) viennent perturber les scientifiques, (l'interprétation de l'école de Copenhague sur la physique quantique en est un exemple). Nous allons, ci-dessous, exprimer brièvement les idées des scientifiques qui ont marqués les recherches de cette époque, et montrer en quoi elles diffèrent ou non de celles de notre thèse.

    41)   Heinrich Rudolf HERTZ    Les ondes radio

    Ce physicien allemand (1857-1894), découvre en 1888 les ondes radio (hertziennes) qui se propagent dans l'éther (le vide) à la vitesse de la lumière (299792 Km/s), contrairement aux ondes sonores qui ne peuvent circuler dans le vide et qui, dans l'air, ont une vitesse de 340 m/s environ. C'est pourquoi, en suivant les idées de Maxwell, les ondes radio ont été rapprochées des ondes de type lumière, et donc baptisées également ondes électromagnétiques, alors que les ondes sonores sont appelées ondes mécaniques. Notons que l'unité de fréquence de toutes les ondes est le ''Hertz''. C'est justement cette notion de fréquence qui est à la base de l'étude de la propagation des ondes par H.R. Hertz. L'intuition de ce scientifique a été confirmé par la suite par la physique quantique (voir plus loin). Elle a montré en effet que l'énergie d'une onde de type lumière dépend de sa fréquence et non de son amplitude ou de son intensité. C'est donc la classification par fréquence qui est importante et non la vitesse de l'onde. Pour une onde harmonique monochromatique, la relation de base entre ces notions est la suivante :

    Célérité d'une onde dans un milieu (sa vitesse) = sa longueur d'onde x sa fréquence

    Voici, ci dessous un tableau très bien fait tiré d'un livre de Bernard Valeur et Alexandre Garcia, intitulé ''Sons et Lumière'', qui montre l'étalement considérable des fréquences et des longueurs d'ondes.

    Extrait de la conférence de Bernard Valeur et Alexandre Garcia du lundi 16 Novembre 2009

    ''Sons et lumière : d'intimes relations'' Espace Pierre-Gilles de Gennes

    Conservatoire National des Arts et Métiers

    radium.net.espci.fr

    Il faut également indiquer que c'est à H.R. Hertz que revient le mérite d'avoir, le premier, compris et présenté en 1887 l'existence de l'effet photoélectrique. Mais c'est Einstein qui a expliqué que ce phénomène était provoqué par l'absorption par les matériaux de photons, (ces fameux ''grains'' virtuels de lumière ???), lors de l'interaction du matériau avec la lumière. Cette explication lui valut le prix Nobel de physique en 1921 !!!.

    Concernant l'existence et la différence entre les deux types d'ondes, notre thèse fournit les explications suivantes :    La vitesse d'une onde dépend du milieu dans lequel elle se propage ( ou ne peut pas se propager). Cette propagation dans le milieu peut se faire si un ou plusieurs de ses éléments peut se mettre en vibration à la fréquence de l'onde. La condition de mise en vibration du milieu de propagation ne dépend pas uniquement de la concordance des fréquences et des phases, il faut également que la dimension des éléments qui entrent en vibration dans le milieu soient en rapport de la dimension de l'élément émetteur de l'onde.

    L'onde lumière émise par un électron peut naviguer dans la ''substance de l'espace'' car l'électron est en rapport d'énergie avec le ''quantum de mouvement minimum'' (le dit photon) qui est une des propriétés propre à cette substance (voir les premiers chapitres du blog). Cette onde lumière est également à la même échelle que les électrons des atomes d'une matière cible. Elle peut traverser l'eau et une substance transparente, ou mettre en vibration les électrons des atomes de cette matière. Par contre, à faible fréquence (ondes radio en dessous de 300 MHz), ces ondes ne possèdent pas l'énergie suffisante pour circuler dans l'espace. Les UHF (ultra hautes fréquences) sont les premières ondes-radio à pouvoir rejoindre les satellites et autre engins spatiaux.

    Dans le cas des ondes sonores (ondes mécaniques), d'une part leur fréquence ( leur énergie) est bien plus faible que celle des ondes lumière, (voir le tableau plus haut). D'autre part, ces ondes existent à une toute autre échelle, celle des molécules et des corps qui entrent en collision ou en frottement et émettent une onde (bruit ou son). La ''structure'' de l'émetteur n'est pas à la même échelle que les particules internes à l'atome. Je rappelle qu'une goutte d'eau liquide (qui, par exemple, émet un bruit en tombant), contient plusieurs centaines de milliards de milliards de molécules d'eau contenant chacune deux atomes d’hydrogène et un d'oxygène. On est loin de la structure élémentaire de l'électron et de celle de la substance de l'espace. C'est pourquoi, même si les ultrasons ont des fréquences élevées analogues aux micro-ondes, (de type lumière), ces ultrasons ne peuvent pas se propager dans le vide (dans la substance de l'espace).

    Par contre, ces ultrasons se propagent très bien dans l'eau, à la même fréquence que les ondes radio UHF. Les baleines dont les molécules des ouïes et du cerveau vibrent aux ultrasons, utilisent cette fréquence pour se diriger et pour converser. Lorsque ces mammifères marins sont exposés aux ondes radio UHF des radars des sous-marins qui excitent les atomes de leurs molécules, il se produit dans leur cerveau des ondes de résonance perturbatrices (de battement ou Larsen). Ce résultat, catastrophique pour les baleines, explique sûrement leur échouage, de plus en plus fréquent, constaté sur les plages. Nous mêmes sommes entourés d'ondes de toutes sortes, au point que certaines personnes ultra-sensibles en deviennent malades. Pour les rassurer les scientifiques disent que les ondes de basse et moyenne fréquence ne sont pas dangereuses pour nos organismes, ce qui semble exact. C'est la rencontre des ondes de fréquence voisine qui est dangereuse, mais cela, je ne l'entends pas expliquer correctement. L'insupportable effet Larsen, pourtant bien connu des conférenciers, est provoqué par la résonance amplifiant les ondes sonores (et les autres qu'on entend pas). Il peut agir sur le cerveau sans que l'on en ai conscience.

    42) La transformation des ondes    (ondes radio<=>ondes sonores)    la TSF

    Entre les ondes de type lumière de fréquence radio, les ondes sonores et les électrons existe une autre sorte de rencontre qui, elle, a été très bénéfique pour l'humanité. On peut même dire que sa découverte a révolutionné toutes les relations humaines. Il s'agit de la dite ''télégraphie sans fil'' (la TSF), maintenant appelée radio et télé. Son véritable inventeur est un hongrois Tivadar Puskas qui installa en 1877 à Boston le premier central téléphonique. Il pris le brevet de la TSF en 1892. Cette technique a été considérablement développée par Tesla, Branly, Popov, Marconi et tous les industriels qui, par la suite, ont permis de ''brancher'' progressivement le monde entier.

    D'après notre thèse, toutes les relations entre les diverses ondes sont basées sur une mise en résonance de ces ondes. Cela a lieu aux niveaux émetteur et récepteur radio grâce a la mise en résonance des circuits (bobines et capacités), et au niveau de l'onde porteuse grâce à la modulation des ondes (amplitude ou fréquence). On peut dire en généralisant que le passage des ondes de ''type lumière'' aux ondes dites ''mécaniques'' se fait grâce à l'électron qui (suivant la thèse) est une onde de type lumière ''structurée'' par une onde magnétique. C'est cette dernière qui fait le lien avec les ondes mécanique (sonores) dans les circuits électriques des appareils du type microphone ou haut-parleur. Ce lien est en fait une ''transformation'' qui joue dans les deux sens entre deux énergies différentes, et surtout entre deux échelles de structure, ceci grâce à cet intermédiaire qui est LA véritable onde électromagnétique, (l'électron). Celui-ci peut sortir de sa propre structure (l'atome), créer un courant (électrique) ainsi donc qu'un champ magnétique (les ondes de structure) entre les atomes et entre les molécules. Ce sont les ondes de structure ( magnétiques) qui ont la capacité d'agir, par induction, sur un aimant rattaché à la membrane du haut-parleur, donc d'émettre une onde mécanique (sonore). C'est le même processus en sens inverse avec le microphone.

    43)   Hendrik LORENTZ    La force électromagnétique

    C'est un physicien néerlandais (1853-1928) qui s'est illustré par ses travaux théoriques sur la nature de la lumière et la constitution de la matière. Il a travaillé avec son élève le néerlandais Pieter Zeeman avec lequel il a obtenu le prix Nobel de physique de 1902. Mais sa contribution la plus importante a été réalisée en correspondance avec Henri Poincaré, célèbre mathématicien français. (Voir plus loin au N°234). Ces collaborations entre scientifiques ont fait de Lorentz le pivot central de la physique de cette époque, le précurseur et initiateur de celle du 20ème siècle dans tous les domaines : intérieur de l'atome, électron, énergie électrique, ondes électromagnétiques, relation de la matière avec la lumière et le magnétisme, spectroscopie et chimie-physique.

    L'effet Zeeman, couronné par le prix Nobel conjoint avec Lorentz, consiste en une modification des raies spectrales d'une source de lumière lorsque cette source est soumise à un champ magnétique. Ces deux scientifiques ont montré que la subdivision des raies spectrales de la lumière, émise dans ce cas, a un rapport avec les différents niveaux d'énergie des électrons des atomes de la source, lorsque ces derniers sont soumis à un champ magnétique. Le lien est évident avec la classification périodique des éléments imaginée par Mendeleïev en 1869. On peut considérer que le travail de Lorentz et de Zeeman est une des pistes qui est à l'origine de la physique quantique.

    L'autre piste, qui est liée à la première, est la certitude exprimée par Lorentz que l'électron est une particule chargée qui est interne à l'atome et qui possède plusieurs niveaux d'énergie. Le plus haut niveau lui permet de devenir l'électron libre du circuit électrique. Le britanique J.J.Thomson, ''découvreur'' de l'électron en 1897 le voyait plutôt comme un corpuscule en mouvement formant le rayonnement cathodique dans un gaz ainsi que le courant électrique dans un conducteur. Pour Lorentz, le champ électromagnétique précédemment défini par Maxwell est le résultat de la force électromagnétique dite ''force de Lorentz'', à la fois interne et externe à l'atome. Inversement la force de Lorentz, ou force électromagnétique, est la force que va subir une particule chargée dans un champ électromagnétique. Cette force concerne l'ensemble des interactions électriques et magnétiques observées, principalement celles qui sont étudiées en physique et en chimie. Mais dans l'idée de Lorentz, l'électron qui produit cette force reste une particule et non une onde.

    44)    La relativité selon Lorentz

    C'est justement cette force électrique et (ou) magnétique qui a conduit Lorentz à travailler avec le mathématicien Henri Poincaré sur le problème mathématique nouveau posé par cet électron qui, agit dans et hors de l'atome, (on supposait même en dehors de la matière), et surtout qui circule comme les ondes lumière à la vitesse de la lumière. C'est ce dernier fait qui oblige à revoir les équations de Maxwell en y ajoutant la notion de temps. Le système de coordonnées terrestre ( x,y,z,) doit s'adapter au plus petit (à l'atome et à l'électron) et au plus grand (à l'espace dans lequel circule la lumière). Pour expliquer cela, je cite ci-dessous Wikipedia :

    << En physique un référentiel est un système de coordonnées de l'espace et du temps permettant de repérer les événements sous forme d’un quadruplet de nombres : 3 coordonnées d’espace et une coordonnée de temps. Un référentiel permet de quantifier les positions et les vitesses et ainsi de représenter une trajectoire par une courbe mathématique et de mathématiser l’effet des forces physiques sur les corps. L’expression des lois de la physique dépend du choix du référentiel utilisé pour les exprimer.... En mécanique newtonienne, le temps étant absolu (c’est-à-dire partout le même et quelles que soient la position et la vitesse) les référentiels se limitent aux coordonnées d’espace....>>

    << Historiquement, la force de Lorentz était une donnée indépendante de l'équation décrivant le champ électromagnétique. On peut retrouver la force de Lorentz grâce au formalisme Lagrangien. Le lagrangien permettant de retrouver les équations de Maxwell permet également de retrouver la force de Lorentz. Les équations de Maxwell sont les équations sources, et la force de Lorentz est l'équation d'évolution (équation dynamique). On retrouve les deux grâce aux équations d'Euler-Lagrange. Pour retrouver les équations dynamiques on applique les équations d'Euler-Lagrange aux coordonnées d'espaces (positions, vitesses), et pour retrouver les équations sources (équation de Maxwell), on applique les équations d'Euler-Lagrange aux coordonnées généralisées (champs, et dérivées du champ). >>

    Tous les scientifiques de cette époque se sont posés la question d'une géométrie adaptée aux nouvelles découvertes. << La géométrie est l'étude des systèmes de relations ordonnées entre des points dont l'ensemble constitue l'espace >> (Persée, Thomas Greenwood). Mais toute géométrie nouvelle doit être confrontée aux réalités du monde sensible. Or la connaissance de ces réalités dépend du choix d'hypothèses de base telles que celles que nous avons déterminées et choisies au début de notre thèse. Les question que nous avons posée sont par exemple : Le temps est-il un ''absolu'', l'espace dans laquelle circule les ondes est il un absolu, la vitesse des ondes dans cet ''éther'' est elle un absolu, l'électron est-il une onde, l'univers est-il infini et éternel ?

    Je ne possède pas les connaissances mathématiques qui permettraient de confronter les hypothèses que j'ai choisi au départ de mon blog, a un système de coordonné de l'espace et du temps qui lui serait adapté, et donc à des équations dynamiques permettant de passer d'un référentiel à un autre. Étant donné que Lorentz a soutenu jusqu'à sa mort l'existence de l'éther (qui ressemble à la ''substance de l'espace'' de Micalef base de ma thèse), alors que Poincaré a longtemps hésité à ce sujet, je pense que les ''transformations de Lorentz'' sont les meilleures explications de ce que Poincaré a appelé le ''principe de relativité''. D'autre part, ni le temps ni l'espace ne sont des absolus seuls, mais, s'ils sont liés, ils forment un ''continuum espace-temps'' que l'on peut bien considérer comme une base de référence, la vitesse de la lumière étant une constante. Cet espace-temps de quatre dimensions (trois d'espace et une de temps) est appelé l'espace-temps de Minkowski.

    Tous les phénomènes physiques, qu'ils soient matériels, mécaniques, optiques ou radioélectriques, sont assujettis aux transformations de Lorentz. La caractéristique principale de celles-ci est que les lois physiques s'expriment de manière identique dans tous les référentiels (inertiels ou non). On dit alors que les lois sont « covariantes ». Autre caractéristique essentielle, ces transformations expriment des changements dans la mesure des intervalles de temps, des longueurs et des vitesses, d'un référentiel inertiel à l'autre. Le principe de relativité s'exprime aussi dans l'invariance des équations de la physique par ces transformations. Enfin la vitesse de la lumière dans le vide est une vitesse indépassable dans tout référentiel.

    C'est précisément la question de la constance de la vitesse de la lumière qui a posé le problème de la pertinence des transformations de Lorentz. A la suite d'une expérience menée par Michelson et Morley, pour laquelle ils ont utilisé un appareil fort délicat appelé interféromètre, ces scientifiques ont pu affirmer que la vitesse de la lumière était identique à la fois dans le sens de son mouvement et dans le sens perpendiculaire à ce mouvement. Cela signifie que, dans l'espace, la vitesse de la lumière reste une constante dans toutes les directions, par exemple, le mouvement de la terre dans l'espace, qui s'éloigne ou se rapproche du soleil, n’a pas d'influence sur la vitesse de la lumière en provenance de celui-ci. Les vitesses ne s'additionnent pas, ce qui est curieux. Malgré l'amélioration en précision de leur interféromètre, aucune différence de phase de l'onde lumière entre les deux directions perpendiculaires n'a pu être décelée. Cela posait la question de l'existence de l'éther qui avait la charge de conduire les ondes dans l'espace. L'éther que l'on pensait un référentiel de base existe-il réellement ? Lorentz en était persuadé car il savait que ce milieu est indispensable pour la conduite de la lumière qui est une onde.

    Rapidement, furent envisagées plusieurs explications des résultats négatifs de l'expérience de Michelson et Morley. Parmi celles-ci, on peut mentionner l'hypothèse du physicien irlandais George Francis Fitzgerald, qui supposa que les objets en mouvement subissent une contraction (d'origine supposée électromagnétique) dans le sens de leur mouvement. L'idée de Lorentz était que la lumière ne peut être réfléchie correctement sur la lame séparatrice de l'interféromètre de Michelson que si le bras qui se trouve sur l'axe du déplacement se contracte, ce qui provoque un ralentissement de la fréquence d'émission et une avance de phase à l'arrière. Le résultat se trouve analogue à celui d'un ''effet Doppler'' pour les ondes. Je cite Gabriel Lafrenière (la matière est faite d'ondes) :

    <<L'interféromètre s'est contracté sur l'axe du déplacement (ici, le bras horizontal) selon le coefficient de contraction g de Lorentz, qui vaut 0,9428. La longueur de ce bras a donc été réduite à 94,28 % de sa longueur originale. Alors la différence de marche fut annulée et les ondes se sont retrouvées parfaitement en phase à l'arrivée. Le fait de faire pivoter l'appareil de 90° n'a rien modifié car c'est l'autre bras qui s'est contracté. C'est pour cette raison que l'interféromètre n'a pas pu détecter le ''vent d'éther''.>>

    web.archive.org/web/20110901222346/http://glafreniere.com/matiere.htm

    C'est l'étude de ce site, il y a maintenant 8 ans, qui m'a convaincu que la matière est faite d'ondes. Telle est l'origine de mon blog ''eklablog physique des ondes''. Examinons donc ce que devient le principe de relativité dans notre hypothèse. L'univers est éternel et infini ce qui signifie, tout d'abord, que le temps absolu n’existe pas. Il n'existe que des intervalles de temps, entre le début et la fin d'un événement, entre la naissance et la mort, entre la création et la disparition (ou renaissance) de la matière. Quant à l'espace (sa substance), l'univers en est constitué, la matière également, mais cette substance ''n'existe'' en temps que ''matière'' que si l'onde énergétique (lumière) a été ''structurée'' par une onde magnétique pour former un électron (une onde électromagnétique). C'est lorsque cette ''matière'' est au repos (en l’absence de mouvement de type lumière), que se crée un point singulier dans l'espace. La notion de mouvement de matière dans l'espace est donc déterminée par un début et une fin, (un départ et un arrêt du mouvement) Il y a alors pour la dite matière un ''espace d'existence'' et un ''intervalle de temps d'existence. Il s'agit de son ''référentiel''.

    Quel que soit le mouvement de l'électron dans son référentiel, il se fait à la vitesse des ondes lumière et quantum par quantum, car ce sont les propriétés caractéristiques de la ''substance de l'espace''. Le passage d'un référentiel à un autre, se fait selon les ''transformations de Lorentz'' et en conformité avec les lois de la propagation des ondes.

    5 )   (1901- 1930)    LES QUANTA     L’ÉTHER      ONDE  OU  (ET)  PARTICULE

    51)    Max PLANCK    Le quantum de mouvement   La constante ''h''

    Dans une étude sur l'action réciproque des rayonnements sur la matière, le physicien allemand Max Planck (1858-1947) constitue un incontournable. C'était à l'origine un thermodynamicien, il s'est intéressé au rayonnement thermique du ''corps noir'', à son équilibre thermique en fonction de sa température, à la ''luminance énergétique spectrale'' de son rayonnement thermique. Voici les définitions correspondantes données par Wikipedia :

    << Le corps noir est un objet idéal qui absorbe toute l'énergie électromagnétique qu'il reçoit sans en réfléchir ni en transmettre.>> ( comme un four idéal sans perte de chaleur)

    << La luminance énergétique spectrale d'une surface est le flux énergétique émis par la surface par unité d'aire de la surface et suivant la fréquence des ondes émises. >> (suivant le spectre des ondes émises).

     Le rayonnement thermique du corps noir avait été étudié avant Planck par divers physiciens, en accord avec les théories et les lois ''macroscopiques'' de la physique classique, de la mécanique statistique et de la thermodynamique.

    -La loi de Stefan-Boltzmann donne l'énergie totale rayonnée par un corps noir proportionnellement à sa température.

    -La loi de Rayleigh-Jeans décrit la distribution spectrale d'énergie pour les grandes longueurs d'ondes.

    -La loi de Wien décrit la distribution spectrale d'énergie pour les petites longueurs d'ondes.

    -La loi du déplacement de Wien établit le rapport entre le maximum d'émission d'un corps noir et sa température.

    -La constante de Boltzmann peut s'interpréter comme le facteur de proportionnalité reliant la température d'un système à son énergie thermique.

    Max Planck publie sa loi spectrale du rayonnement en 1901. Il essaye de réconcilier la loi de Rayleigh-Jeans qui fonctionne aux grandes longueurs d'ondes (basses fréquences) et la loi de Wien qui fonctionne aux petites longueurs d'ondes (hautes fréquences). En effet, à partir de l'ultra-violet, la loi de Rayleigh fournit des valeurs infinies ce qui est impossible, les physiciens de l'époque appelaient cela ''la catastrophe ultra-violette''. Planck a étudié ces lois et expérimenté lui-même pour résoudre ce problème. De façon empirique il a déterminé une constante et une loi qui permet de les unifier. Sa propre fonction correspond remarquablement bien aux données pour toutes les longueurs d'ondes. Il la justifie en postulant que l'énergie émise ou absorbée par les oscillateurs ne se fait que par petits paquets d'énergie (E). Ces paquets seraient directement reliés à la fréquence des oscillations selon la formule qu'il expose le 14 décembre 1900 : E=hν

    est la constante de Planck qui vaut : 6,626 069 57(29)×10−34 J⋅s

    ν (nu) .est la fréquence du rayonnement électromagnétique.

    L'importance de cette formule et de cette constante est considérable. Elle est à l'origine de la physique quantique du 20 ème siècle et de la révolution (encore en devenir) de la future ''physique des ondes'' (qui est également quantique). Planck en était conscient puisque, dans une conférence à la fin de sa vie, il s'exprime ainsi :

    « Pour moi qui ai consacré toute ma vie à la science la plus rigoureuse, l'étude de la matière, voilà tout ce que je puis vous dire des résultats de mes recherches : il n'existe pas, à proprement parler, de matière ! Toute matière tire son origine et n'existe qu'en vertu d'une force qui fait vibrer les particules de l'atome et tient ce minuscule système solaire qu'est l'atome en un seul morceau. >>

    Les lecteurs de mon blog qui en ont accepté les hypothèses, auront compris comme moi que les ''particules de l'atome'' sont des ondes qui ''vibrent'' et qui ''structurent'' cet atome en un ''seul morceau''.

    En revenant à notre thèse, voici notre explication concernant l'oscillateur, le paquet d'énergie (E) et la constante (h) : L'électron, particule élémentaire de l'atome est un oscillateur (une onde). C'est cet électron qui émet et absorbe l'énergie de l'onde de type lumière. Le niveau de cette énergie ne dépend pas de l'intensité lumineuse mais de la fréquence de cette onde. La constante (h) est le quantum élémentaire d'action qui correspond à la quantité de mouvement minimum imposée par la nature (inconnue) de la ''substance de l'espace''. Cette constante est en relation avec l'énergie de l'électron au repos dans l'atome. On peut la considérer comme l'unité d'énergie de toute matière. Comme le niveau d'énergie de l'électron est relié à la fréquence (ν) de l'onde lumière qu'il reçoit, ou qu'il émet, la quantité d'énergie échangée par un électron vaut : E=hν . Dans un corps noir (four idéal), l'énergie interne des électrons de toute sa matière est mesurée par la température interne qui dépend de la fréquence de l'onde lumière reçue (ou émise). Mais c'est le nombre d'électrons contenu dans la matière de ce corps ( de sa masse) qui détermine l'intensité du rayonnement du corps noir (son débit énergétique). On voit donc que la physique quantique n'est pas si compliquée, à condition d'admettre que l'électron est un oscillateur (est une onde)

    52)   Albert EINSTEIN    L'effet photoélectrique    L’éther

    521) La photoélectricité

    Né en Allemagne en 1879, il eu également la nationalité suisse et américaine (mort en 1955). Ayant travaillé à l'office des brevets de Berne, il a eu la possibilité d'accéder aux documents scientifiques de son époque. Son esprit vivace et curieux lui ont permis d'étudier et d'intervenir dans plusieurs problèmes de physique en cours ( relativité, nucléaire, mécanique céleste). Il obtint le prix Nobel en 1921 pour son explication de l'effet photoélectrique. C'est à H.R. Hertz que revient le mérite d'en avoir le premier décelé l'existence en 1887, mais c'est Einstein qui a rapproché ce phénomène du quantum d'action de Planck et qui a pu en donner une explication plausible. Malheureusement, à cette époque, personne ne pouvait ''sérieusement'' imaginer que l'électron était une onde (cela est toujours le cas). Einstein a donc tout naturellement attribué le phénomène quantique non à l'électron, mais à l'onde lumière (dite électromagnétique). Ceci n'est pas faux puisque l'onde lumière, comme toutes les ondes, est ''quantique'' L'explication d'Einstein, exprimée par Vincent Boqueho dans son excellent livre ''toute la physique sur un timbre-poste'' est la suivante : <<L'intensité lumineuse ''pilote le nombre'' d'électrons émis, donc l'amplitude des champs électriques et magnétiques liée à l'énergie de l'onde, tandis que la fréquence de l'onde lumière, qui est également liée à la notion d'énergie par le biais de la constante de Planck, ''pilote leur énergie cinétique''.>>

    Vincent Boqueho poursuit : << Par la suite ces ''quanta de lumière'' ont été appelés des ''photons'' pour plus d'aisance...Notons qu'Einstein lui-même s'en tenait à la notion de ''quantum de lumière''. Le mot photon n'est apparu que bien après. A ce stade, le vocabulaire d'Einstein apparaît sans aucun doute plus judicieux, car il évite les mauvaises interprétations sur la nature de la lumière : un ''photon'' n'a rien d'une bille, c'est simplement une onde électromagnétique dont on ne peut réduire l'énergie !...>>

    Personnellement, je dirais que ce quantum est l'unité de l'énergie de mouvement de toutes les ondes qui circulent dans la ''substance de l'espace'' et non un ''grain d'énergie'' comme on l'entend souvent dire (ce qui n'a aucune signification réelle).

    522) L'existence de l'éther

    C'est la question du vide de l'espace et de l'énergie transportée qui a alimenté les discussions nombreuses et animées des physiciens entre 1905 et 1920. Ces dates correspondent à deux prises de position par Einstein (parmi d'autres sujets), sur l'existence et la nature du vide de l'espace, ce qui était appelé éther depuis très longtemps. Les connaissances scientifiques acquises au siècle précédent ont été considérables dans les domaines suivant : transmission des ondes lumière, nature des champs électriques et magnétiques, force électromagnétique, particules atomiques, relations de la lumière avec la matière, etc, Tous ces sujets sont en rapport direct avec la nature du vide de l'espace (avec l'éther). Les études menées et les découvertes réalisées ont-elles permis de préciser le rôle de cet éther au début du nouveau siècle ? J'essaye de répondre ci-dessous.

    Jusqu'en 1930 ( date à laquelle j’arrête mon historique), les scientifiques ont échangé leurs idées d'un pays à l'autre sur toutes ces questions. Voici celles des principaux spécialistes dans le domaine du vide de l'espace : L'espace-temps est considéré par Henri Poincaré et H.Lorentz comme une notion de géométrisation de l'espace permettant d'effectuer les calculs mathématiques utiles pour relier les domaines de la mécanique et de l'électromagnétisme. Mais pour Lorentz et Hermann Minkowski, en plus de cette notion d'espace-temps mathématique, l'éther a toujours conservé une réalité physique et même ''mécanique''. Pour eux, il est immobile et constitue un espace absolu.

    En 1905 Einstein fait paraître un article intitulé ''De l'électrodynamique des corps en mouvement'' qui expose sa théorie de la relativité restreinte, dans laquelle il rejette le concept de repère absolu de l'éther, car il estime ''que cela introduit une asymétrie inacceptable entre les lois de la mécanique et la théorie de l'électromagnétisme''. ''L'éther est une notion arbitraire qui n'est pas utile à l'expression de la théorie de la relativité''. ''L'éther, en tant que support matériel de la lumière n'a pas de raison d'exister puisqu'il est dénué de toute propriété mécanique, si ce n'est l'immobilité absolue''.

    Ces travaux d'Albert Einstein sur la théorie de la relativité, restreinte en 1905, ont profondément influencé la communauté scientifique de cette époque qui s'est vu ''libéré'' d'une ''matérialité'' difficile à interpréter. La physique ''moderne'', oubliant la rigueur de l'expérimentation des physiciens dits classiques (du 19 ème siècle) a évolué avec Einstein. Celui-ci a poursuivi ses travaux sur la relativité générale et sur la ''grande unification des champs''. C'est une période de grand foisonnement des idées dont nous parlerons au chapitre suivant.

    Pour les ondes de type lumière, il est question à la fois d'ondes et de particules (au choix), voire de ''grains d'énergie'', d'action de photons sur des particules (des sphères) de matière. C'est le début d'un langage scientifique axé sur le conceptuel, le virtuel et même l'utopie. La science expérimentale, basée sur la simple réalité est progressivement abandonnée aux laboratoires des industriels. Désormais un ''vrai'' scientifique se doit de côtoyer les problèmes philosophiques et de fournir aux ''journalistes'' des pistes alimentant leurs articles de science-fiction, (je pense ici au big-bang et à tout ce qui va avec.)

    La deuxième ''date'' de 1920 dont nous avons parlé, correspond à une conférence qu'Einstein a donné à l'Université de Leyde sur ''l'éther et la théorie de la relativité''. Je viens d'en trouver le texte intégral que j'ai relu plusieurs fois pour bien en saisir tout l'esprit, car celui-ci me paraît à l'opposé des précédentes déclarations d'Einstein sur ce sujet. D'autre part, la ''substance de l'espace'' de Jean-Jack Micalef qui est une des bases sur laquelle mon blog est fondée, me semble correspondre aux exigences de ce nouvel éther d'Einstein à condition de lui adjoindre les deux autres hypothèses qui sont également à la base de ma thèse : ''La matière est faite d'ondes DE et circulant DANS cette substance'', (thèse de J.J.;Micalef) ainsi que'' l'électron, onde électromagnétique et particule élémentaire de toute matière''. Notre thèse semble bien apporter des réponses adaptées aux questions posées par le texte d'Einstein. Voici la référence du site où il est possible de trouver la conclusion d'Einstein :

    (http://quanthomme.free.fr/energielibre/energie/Einstein.htm

    << Ce serait naturellement un progrès considérable, si l'on réussissait à réunir en une représentation unique le champ de gravitation et le champ électromagnétique. C'est alors seulement que l'ère de la physique théorique, inaugurée par Faraday et Maxwell, aboutirait à un résultat satisfaisant. Alors l'opposition éther-matière s'évanouirait et toute la physique représenterait, au moyen de la théorie de la relativité générale, le même système cohérent d'idées que la géométrie, la cinématique et la théorie de la gravitation.>>

    << En résumant, nous pouvons dire : d'après la théorie de la relativité générale, l'espace est doué de propriétés physiques ; dans ce sens, par conséquent un éther existe. Selon la théorie de la relativité générale, un espace sans éther est inconcevable, car non seulement la propagation de la lumière y serait impossible, mais il n'y aurait même aucune possibilité d'existence pour les règles et les horloges et par conséquent aussi pour les distances spatio-temporelles dans le sens de la physique. Cet éther ne doit cependant pas être conçu comme étant doué de la propriété qui caractérise les milieux pondérables, c'est à dire comme constitué de parties pouvant être suivies dans le temps : la notion de mouvement ne doit pas lui être appliquée. >>

    53 )  Louis DE BROGLIE    L'électron = particule + onde associée

    Mathématicien et physicien français (1892-1987) il devient lauréat du prix Nobel de physique de 1929 pour sa découverte de la nature ondulatoire des électrons. Cette thèse a été confirmée grâce à l’expérience de diffraction d'électron par un cristal menée par Davisson et Germer en 1927. Ces scientifiques américains ont rapproché les propriétés des électrons de celles des rayons X et montré, comme notre thèse l'affirme, que ceux-ci sont des électrons et que la matière est bien de nature ondulatoire. Malheureusement, c'était trop tôt pour lever l'hypothèque de dualité ''onde-particule'' (ça l'est encore) et pour déclarer, sans se cacher, que l'électron est une onde. De Broglie, qui semble-il en était persuadé, n'a donc pu parler dans sa thèse que d'une onde ''associée'' à la particule (théorie de l'onde pilote). Dans l'introduction de sa thèse, il déclare :

    « Bref, le moment semblait venu de tenter un effort dans le but d’unifier les points de vue corpusculaire et ondulatoire et d’approfondir un peu le sens véritable des quanta. C’est ce que nous avons fait récemment et la présente thèse a pour principal objet de présenter un exposé plus complet des idées nouvelles que nous avons proposées, des succès auxquels elles nous ont conduit et aussi des très nombreuses lacunes qu’elles contiennent. »

    Et à la fin de sa vie, il a déclaré ceci :

    «... que la particule doit être le siège d’un mouvement périodique interne et qu’elle doit se déplacer dans son onde de façon à rester en phase avec elle, [fait] ignoré des physiciens quantistes actuels [qui ont] le tort de considérer une propagation d’onde sans localisation de particule, ce qui était tout à fait contraire à mes idées primitives. »

    De Broglie nous a donc laissé sa thèse de ''mécanique ondulatoire'' ainsi que les équations suivantes qui la résume : 

                                      

    où (lambda) est la longueur d'onde de la particule, (p) sa quantité de mouvement, E son énergie, (nu) sa fréquence et (h) la constante de Planck.

    54 ) Erwin SCHRÖDINGER La mécanique quantique

    Ce physicien autrichien (1887-1961) généralisa la ''fonction d'onde'' introduite par L. de Broglie à toutes les particules. Il établit en 1926 une équation qui revenait à donner à toute particule les propriétés d'interférence typiques d'une onde. Je cite Wikipedia << Le succès de l'équation, déduite de cette extension par utilisation du ''principe de correspondance'', fut immédiat quant à l'évaluation des niveaux quantifiés d'énergie de l'électron dans l'atome d'hydrogène, car elle permit d'expliquer les raies d'émission de l'hydrogène : séries de Lyman, Balmer, Brackett, Paschen, etc. >>

    Niels Bohr proposa ce principe de correspondance, selon lequel «La mécanique classique doit se retrouver, comme approximation de la mécanique quantique pour des objets plus gros ».

    En fait ce principe pose le très difficile problème de la mise en corrélation des mesures, des phénomènes et des postulats de base entre le mécaniques classiques, ondulatoire, quantiques, relativistes. C'est toute la question de la différence d'échelle entre les particules intra-atomique, les échelles nanométrique, microscopiques, macroscopique et l'univers.

    Je cite à nouveau Wikipedia : << L'interprétation physique communément admise de la fonction d'onde de Schrödinger ne fut donnée qu'en 1926 par Max Born. En raison du caractère probabiliste qu'elle introduisait, la mécanique ondulatoire de Schrödinger suscita initialement de la méfiance chez des physiciens de renom comme Albert Einstein, pour qui ...« Dieu ne joue pas aux dés » .>>

    <<La densité de probabilité de présence du système dans la position {r} à l'instant (t) est alors donnée par le carré du module de la fonction d'onde. Cette interprétation probabiliste de la notion de fonction d'onde a été développée dans les années 1925-1927 par Max Born, Werner Heisenberg et d'autres, et constitue ''l'interprétation de Copenhague'' de la mécanique quantique, laquelle interprète ce caractère probabiliste dans l'interaction entre le système de mesure (macroscopique, donc classique) et le système quantique, conduisant à la ''réduction du paquet d'onde''. Si elle est la plus couramment admise en pratique, cette interprétation soulève divers problèmes épistémologiques (cf. Problème de la mesure quantique). >>

    6)    LA PHYSIQUE QUANTIQUE EN 1930

    J’arrête ici mon historique car je n'ai pas trop envie de me lancer dans la critique de la ''dérive quantique'' amorcée par ''l'interprétation de Copenhague''. Je cite Wikipedia :

    << L’école de Copenhague ou interprétation de Copenhague est un courant de pensée qui donne une interprétation cohérente de la mécanique quantique. Elle considère que le caractère probabiliste de la mécanique quantique et que les relations d’incertitude de Heisenberg proviennent de l’interaction entre l’appareil de mesure et ce qui est mesuré, c’est-à-dire du fait que, au niveau atomique, l’effet de l’appareil de mesure sur son objet ne peut pas être négligé. D’autre part, elle considère que parler d’objets indépendamment de toute mesure n’a pas de sens ; en particulier, on ne peut pas connaître l’évolution d’un système entre deux mesures. >>

    << Cette interprétation proposée par Niels Bohr, Werner Heisenberg, Pascual Jordan, Max Born porte le nom de Copenhague car l’institut de physique, que dirigeait Bohr et où Heisenberg et Pauli étaient de fréquents visiteurs, était situé dans cette ville. Cette interprétation sert de référence en physique, même si d’autres interprétations ont été proposées. >>

    Même si cette interprétation est valable, elle a donné lieu à des discussions philosophiques, et même religieuses, qui ont pris une importance disproportionnée. En intervenant dans les choix des postulats de la physique quantique, ce sont ces idées qui ont orienté les scientifiques sur l'interprétation probabiliste des ''états quantiques'' et également sur la ''théorie quantique des champs''. Celle-ci a pour objet de combiner les règles de la mécanique quantique avec celles de la relativité restreinte. En 1925, Werner Heisenberg, Max Born et Pascual Jordan construisent cette théorie en exprimant les degrés internes du champ libre comme une infinité d'ensembles d'oscillateurs harmoniques. La première théorie assez complète de l'électrodynamique quantique, qui inclut à la fois le champ électrodynamique et la matière électriquement chargée (spécifiquement les électrons) comme objets mécaniques quantiques, a été élaborée par Paul Dirac en 1927.

    7)   CONCLUSION DE CE COURT HISTORIQUE

    Dans cette nouvelle rubrique du blog ''eklablog physique des ondes'', j'avais voulu aborder les relations entre ondes et matière sous l'aspect du phénomène de résonance, et donc parler des lasers. C'est mon travail sur la notion ''onde et (ou) particule'' qui a conduit mon orientation dans cette optique historique (1850-1930). Les lasers feront donc l'objet d'une prochaine rubrique. Mon but, ici, a été de montrer que les thèses à la base de mon blog avaient, presque toutes, déjà été étudiées et choisies (ou laissée de côté) par plusieurs scientifiques. A mon avis, l'idée que la matière puisse être faite ''réellement'' d'ondes, choque tellement un ''solide bon sens'' qu'aucun scientifique, même s'il le voudrait, ne peut s'aventurer à en faire une base de sa théorie. J'espère avoir pu montrer, sinon convaincre, à la fin de chaque chapitre, que cette thèse, loin d'être hors de la réalité, apporte des solutions simples aux différents problèmes posés au fil des expérimentations scientifiques. Cependant, pour accepter vraiment cette thèse, il est indispensable de s'en imprégner en lisant l'ensemble de ce blog, et spécialement la partie qui concerne l'onde de structure, celle qui permet à l'électron, onde énergétique, de devenir particule de matière, et donc à l'atome d'être un corpuscule matériel.

     J'ai volontairement laissé de côté des domaines importants de physique, pour lesquels la période traitée a pourtant été un tremplin essentiel : la relativité générale, la radioactivité, la force atomique...par exemple. La raison en est que cette rubrique m'a déjà demandé beaucoup de travail et que ces sujets se trouvent un peu en dehors de ma ligne directrice actuelle.

     Je ne pense pas dans l'avenir pousser cet historique plus loin dans le temps. En effet la théorie quantique des champs dont j'ai expliqué la genèse, s'est développée jusqu'à devenir un champ de particules virtuelles et de particules ''médiatrices'' qui me paraissent déconnectées de la réalité. Elle se trouve donc en dehors de mes préoccupations. La physique théorique standard qui n’arrête pas de courir après le virtuel de plus en plus mathématisé et complexifié est le domaine des chercheurs en physique dite fondamentale. Ces recherches intéressent finalement peu tous les ''véritables'' laboratoires de recherches qui, eux, sont axés sur des domaines plus pointus, à destination d'un usage industriel (plus ''utile''). Les états, depuis 1940 veulent des ''résultats'' à destination militaire, industriel ou médicaux. Tous les financements sont orientés dans ce sens. Les milieux intéressés par la recherche fondamentale sont ceux de l'édition et de la presse pour son coté nouveauté et spectaculaire, limite science-fiction. On ne peut reprocher a ces chercheurs d'essayer d'en profiter, mais il faudrait qu'ils soient mieux soutenus financièrement afin de pouvoir poursuivre de plus ''véritables'' études ''fondamentales''.