physique (suite)

La relativité*

Les expériences faites en 1887 par les Américains Albert Michelson (1852-1931) et Edward Williams Morley (1838-1923), destinées à mettre en évidence le mouvement de la Terre par rapport à l’hypothétique éther remplissant tout l’espace (comme d’ailleurs celles, plus précises, de Charles Hard Townes [né en 1915] utilisant un laser en 1954), conduisirent à des résultats négatifs. Pour expliquer cet échec, Einstein admit que les ondes électromagnétiques se propagent à la même vitesse dans tous les repères galiléens. Plus généralement, il énonça le principe de la relativité restreinte : « Les lois physiques sont les mêmes dans tous les référentiels animés les uns par rapport aux autres d’un mouvement de translation uniforme. »

Pour que les équations de Maxwell*, qui décrivent tous les phénomènes électromagnétiques, soient invariantes dans tous les repères galiléens, il fallut établir de nouvelles formules de changement de coordonnées qui constituent la transformation de Lorentz* et dont voici quelques conséquences.
— Le temps et l’espace ne sont plus absolus, mais relatifs. Pour un observateur en mouvement de vitesse v, le temps n’a pas même mesure que pour un observateur au repos : il est multiplié par c désignant la vitesse de la lumière dans le vide. Une horloge dans un système en mouvement ralentit donc par rapport aux horloges extérieures. En conséquence, un corps qui se déplace se contracte dans la direction du mouvement. On peut expliquer ainsi que les mésons μ, qui, dans un système au repos, ont une durée de vie de 2 μs — ce qui leur permet de parcourir au maximum 600 m —, peuvent atteindre la Terre alors qu’ils ont été produits à une altitude de 10 km. Ainsi, nous évoluons dans un espace-temps déterminé et non pas séparément dans l’espace et dans le temps.
— La masse m d’une particule animée d’une vitesse v est liée à la masse au repos m₀ par la formule

— La loi fondamentale de la dynamique doit être écrite
— Un objet possède de l’énergie du fait même de son existence ; une masse m est équivalente à une énergie E = mc².

La quantité ne peut exister que si v < c ; la vitesse de la lumière apparaît donc comme une vitesse limite ; cela interdit l’instantanéité des actions à distance.

Pour tenir compte de la gravitation, Einstein admet une courbure de l’espace-temps. Posant l’équivalence de la masse inerte et de la masse pesante, il admet que les rayons lumineux, possédant une énergie, donc une masse, sont courbés dans un champ de gravitation. On a constaté, en effet, que les étoiles voisines du Soleil, que l’on peut observer au cours d’une éclipse, paraissent déplacées en position. Ce déplacement ainsi que celui du périhélie de Mercure, dont les valeurs sont voisines de celles qui sont prévues, constituent une vérification du principe de relativité générale, qui, en raison de la courbure de l’espace-temps, peut s’énoncer ainsi : « Les lois de la physique sont les mêmes dans tous les systèmes de référence quel que soit leur mouvement. » Une autre vérification du principe fut faite sur Terre en 1960 grâce à l’effet Mössbauer.

Pour des systèmes possédant des vitesses faibles vis-à-vis de celle de la lumière, les lois de la relativité se réduisent à celles de Newton, qui, dans ce cas, sont une excellente approximation.

La mécanique* ondulatoire

La théorie des photons, qui rend compte de l’effet photo-électrique, de l’émission et de l’absorption de la lumière, est incapable d’expliquer, comme le fait la théorie de Maxwell, les phénomènes d’interférence et de diffraction.

Pour concilier l’aspect ondulatoire et l’aspect corpusculaire de la lumière, apparemment contradictoires, mais, en réalité, complémentaires, Louis de Broglie*, en 1924, supposa que tout corpuscule de quantité de mouvement p est guidé par une onde associée de longueur d’onde La première vérification des propriétés ondulatoires de l’électron fut réalisée en 1927 par les Américains Clinton Joseph Davisson (1881-1958) et Lester Halbert Germer (1896-1971) en envoyant un faisceau d’électrons sur un cristal de nickel ; ils obtinrent des phénomènes de diffraction analogues à ceux qui sont obtenus avec les rayons X et vérifièrent quantitativement la formule de Louis de Broglie.

Les ondes associées aux particules étant beaucoup plus courtes que les ondes lumineuses, on a pu réaliser des microscopes électroniques ou protoniques ayant de meilleures limites de résolution que les microscopes ordinaires.

D’après les travaux d’Erwin Schrödinger* et de Paul Dirac*, l’onde associée à un corpuscule permet de définir en chaque point M (x, y, z, t) la probabilité de présence de ce corpuscule, ce qui donne à la mécanique ondulatoire un caractère probabiliste. Si ψ est l’amplitude de l’onde, la probabilité de trouver la particule dans un volume dv autour du point M est dP = ψ (x, y, z, t) ψ* (x, y, z, t) dv, ψ* étant la fonction imaginaire conjuguée de ψ. À la notion d’orbite d’un électron dans un atome doit être substituée celle de nuage électronique, ou zone de probabilité de présence.

L’Allemand Werner Karl Heisenberg* déduisit de ce qui précède le principe d’incertitude : « En raison de l’interaction entre un phénomène et l’instrument grâce auquel on le mesure, il est impossible de déterminer rigoureusement au même instant la position et la vitesse de ce corpuscule et, par suite, de décrire exactement sa trajectoire. » L’incertitude Δx sur la position est liée à l’incertitude Δp sur la quantité de mouvement par la formule Il existe une relation analogue entre l’incertitude ΔE sur l’énergie d’un processus dont le temps d’évolution est évalué avec l’incertitude Δt, soit

La physique des particules*

L’électron et le proton furent longtemps considérés comme les seules particules fondamentales. Le neutron, découvert en 1932 par James Chadwick*, et le proton semblent, aujourd’hui, être deux états différents d’un même constituant du noyau. La même année, l’Américain Carl David Andersen* découvrait le positon (électron positif). En 1931, on découvrait le neutrino, de masse et de charges nulles. Le méson π, prévu par le Japonais Hideki Yukawa (né en 1907) pour assurer la cohésion du noyau, fut découvert en 1947 par Cecil Frank Powell (1903-1969). Depuis, on a observé une foule de particules, la plupart ayant des vies extrêmement brèves, ce qui rend leur étude difficile. En outre, on a constaté qu’à chaque particule correspond une antiparticule de même masse, mais de charge et de moment magnétique opposés, la collision d’une particule et de son antiparticule conduisant à leur annihilation, avec dégagement d’énergie sous forme de rayonnement.