Éther (physique) - Définition

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En physique, le terme d'éther a recouvert plusieurs notions différentes selon les époques.

L'éther dans l'Antiquité

À l'origine, Éther est un dieu primordial de la mythologie grecque, personnifiant les parties supérieures du ciel, ainsi que sa brillance (cela nous est resté au travers de la langue poétique classique, où l'on parle d'éther pour un ciel pur).

Se basant sur le principe dictant que la Nature a horreur du vide, Aristote emploie le terme d'éther pour désigner un supposé cinquième élément, composant la sphère céleste, par opposition aux quatre éléments terrestres classiques (eau, feu, air, terre).

Cette vision ambiguë de l'éther comme " matière incarnant le vide " connut un succès qui s'étendit bien au-delà de l'Antiquité. On en discute encore au XVIIIe siècle en dépassant largement le cadre de l'optique et l'électromagnétisme sous des formes plus ou moins adaptées : les métaphysiciens notamment s'en emparèrent, mais aussi les alchimistes et les magiciens.

L'éther en physique pré-relativiste

Pendant très longtemps, les physiciens, dont Christian Huygens, ont supposé que, comme le son dans l'air ou les ondes à la surface d'un milieu liquide, la lumière se propageait dans un fluide : l'éther. L'éther était censé remplir l'univers, puisque la lumière des étoiles nous parvient. Il n'était pas nécessaire dans la théorie corpusculaire de la lumière de Newton, mais celle-ci fut réfutée par Fresnel.

Partisan de la théorie vibratoire de la lumière, Thomas Young adopta ce point de vue, et Lord Kelvin (William Thomson) étendit les propriétés à la transmission des phénomènes électriques et magnétiques. Cette idée fut reprise en 1861 par James Clerk Maxwell lors de sa théorie qui synthétise électricité et ondes magnétiques, l'électromagnétisme.

L'interprétation de Fresnel de la célérité c/n dans un milieu matériel va dans ce sens: l'onde plane incidente trouble le milieu qui réemet à son tour, etc. L'Éther est donc nécessaire comme " substance " support de l'ondulation, car l'ondulation du vide n'est pas envisagée à l'époque.

Mais ce fluide avait des propriétés étranges : il aurait dû être d'une rigidité quasi infinie pour nous transmettre la lumière d'étoiles situées à plusieurs années-lumière, tout en offrant une résistance nulle au déplacement des objets matériels (puisque la Terre tourne autour du Soleil sans en être ralentie). On fera en fin de compte l'économie de ce concept qui n'apportait pas grand-chose (voir rasoir d'Occam).

Pour Fresnel, l'Éther est immobile dans le vide de l'Espace Absolu : l'aberration de Bradley s'explique aisément. Pour le vent d'Arago, sa théorie élimine le vent d'éther, après un calcul somptueux ("tour de force"), appelé : entraînement partiel de l'Éther (le fameux facteur (1-1/n^2)) par la matière en mouvement.

Pour Stokes, l'Éther est immobile par rapport à la matière, donc à la Terre (donc pas de vent d'Arago !) Le problème du vent est rapporté au monde loin de la Terre : en prenant un fluide sans rotationnel, le mouvement de la Terre dans ce fluide est estompé : c'est le classique problème d'hydrodynamique qu'a précisément traité Stokes : à la limite des très faibles viscosités, on ne voit rien et l'aberration stellaire s'explique donc.

1850 : expérience de Fizeau (Hippolyte, 1819-1896) : de l'eau en mouvement de vitesse v sur un bras de l'interféromètre et -v sur l'autre bras. Confirmation éclatante de la théorie de Fresnel, avec un problème subtil à résoudre pour la dispersion ( n(λ. En Angleterre, on " boude " cette expérience.

1855-1865 : célèbres travaux de Maxwell (1831-1879) : équations de Maxwell, rerédigées par Hertz plus tard, écartant les théories de Weber, de Riemann (Bernhard, 1826-1866) et de Lorenz (pas Lorentz, attention.) Mise en chantier de la théorie d'Helmholtz, qu'Hertz doit " démontrer expérimentalement ", mais Hertz courageusement dira : Maxwell suffit !

1881 : Expérience de Michelson (1852-1931, nobel 1907), reprise en 1887.

1886 : Michelson refait l'expérience de Fizeau et confirme Fizeau.

1887 : Michelson reprend avec Morley sa célèbre expérience de Michelson-Morley : confirme Stokes.

L'idée que la lumière devait avoir une vitesse fixe par rapport à son milieu porteur, l'éther, a amené Albert Michelson à tenter de mesurer la vitesse de la terre par rapport à l'éther, imaginé comme le repère absolu.

  • Une première expérience tentée en 1881 ne put mesurer de déplacement de la terre par rapport à l'éther.
  • Une seconde, à laquelle s'associa Edward Morley en 1887 avec un appareillage beaucoup plus précis, fut également négative (voir Expérience de Michelson-Morley).

Michelson pose donc le paradoxe des 2 Éthers : en aucun cas, à cette époque, il n'est question de propagation dans le vide ! Bien au contraire, on va rechercher les propriétés de cet Éther universel. Par exemple, après la découverte des gaz rares par Ramsey (William, 1852-1916, nobel 1904), Mendéleiev (1834-1907) cherche les propriétés chimiques de l'Éther.

L'éther s'efface devant la Théorie de la Relativité

Il fut donc démontré que l'éther n'existe pas, en même temps que la constance de la vitesse de la lumière.

En effet, si l'éther existe :

  • Ou bien il est indépendant de la matière et, dans ce cas, il constitue un référentiel fixe, absolu : la relativité est inutile et on doit observer une variation de la vitesse de la lumière selon la direction (en raison de notre propre déplacement dans l'espace, par rapport à l'éther) ;
  • Ou bien il est au moins partiellement dépendant de la matière (de sorte que la matière entraîne l'éther dans son mouvement) et, on doit là encore observer des phénomènes optiques (comparables à ceux qu'on observe dans une eau tourbillonante), phénomènes en fait absents.

Parmi les physiciens qui tentèrent d'expliquer cette apparente vitesse absolue de la lumière (même si le référentiel est lui-même en mouvement par rapport à l'éther), Hendrik Lorentz imagina un ensemble d'équations pour prouver que cela était dû à une contraction des longueurs dans le sens du mouvement. Celles-ci, retravaillées par Henri Poincaré et reconsidérées par Albert Einstein, aboutirent en 1905 à la théorie de la relativité restreinte.

Poincaré disait: ”Peu nous importe que l'éther existe réellement, c'est l'affaire des métaphysiciens ; l'essentiel pour nous c'est que tout se passe comme s'il existait et que cette hypothèse est commode pour l'explication des phénomènes. Après tout, avons-nous d'autre raison de croire à l'existence des objets matériels. Ce n'est là aussi qu'une hypothèse commode ; seulement elle ne cessera jamais de l'être, tandis qu'un jour viendra sans doute ou l'éther sera rejeté comme inutile.”[1]

Cette dernière phrase fut prophétique: dans la relativité restreinte dotée du sens physique que lui donne Einstein, l'Ether est une hypothèse inutile et même encombrante; par conséquent, cette hypothèse est définitivement abandonnée.

L'éther après 1905

Le temps de réception de la Relativité Restreinte est long : surtout les conséquences aussi absurdes que le paradoxe des jumeaux de Langevin, la dilatation du temps, la contraction des longueurs, la précession de Thomas, tout ce qui contre-carrait la notion de temps absolu, faisaient obstacle. Dans les années 1920, Gamow a été écœuré de voir que les plus grands physiciens soviétiques croyaient encore à l'éther.

Bref, il y a réticence. Et des dizaines de contradicteurs et d'Einstein encombrent la littérature scientifique, alors que des dizaines d'accélérateurs ont délimité la précision de la RR, au-delà des étalons primaires.

Et surtout, la relativité générale en déformant " la texture de l'espace " en une géométrie riemannienne, a fait disparaître définitivement l'éther du XIXe siècle.

Enfin, bizarrerie du XXIe siècle, les nouvelles propriétés découvertes concernant le vide (énergie du vide, énergie sombre) rappellent les propriétés mystérieuses de l'éther. Mais les physiciens soulignent bien qu'il ne s'agit pas de revenir aux hypothèses d'avant Einstein. Il règne néanmoins une certaine incompréhension sur ce sujet, qui devient de fait une porte ouverte à la pseudo-science.

Si la physique n'a plus besoin de l'éther, le mot et l'idée sont maintenant employés en heroic fantasy. L'éther est donc souvent décrit comme le milieu de transmission de la magie.

Notes

  1. La Science et l'hypothèse - Chapitre 12, (lien)

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