Comment l’expérience de Michelson-Morley a mené à la théorie de la relativité ?

Le plus grand échec expérimental mena
à la plus grande révolution théorique en physique.
 

Jean-Michel Tucny est doctorant à l'École Polytechnique de Montréal en Génie chimique

Jean-Michel Tucny est doctorant à l'École Polytechnique de Montréal en Génie chimique

par Jean-Michel Tucny

« La fin de la physique était pour bientôt » : cette phrase a longtemps été faussement attribuée à Lord Kelvin, mais c’était tout de même l’ambiance générale à la fin du XIXe siècle dans la communauté scientifique (Robinson & Buchwald, 2015). Plusieurs grandes découvertes avaient été effectuées au cours du siècle, entres autres dans les domaines de l’optique, l’électricité, le magnétisme, la thermodynamique et de la mécanique statistique. Encore plus fulgurant était le travail en mathématique qui avait été fait pour relier ces domaines qui semblaient séparés au départ.

Le meilleur exemple des réussites de cette période était les équations de Maxwell, qui ont fusionné l’électricité et le magnétisme en un seul phénomène : l’électromagnétisme. Une des conséquences de cette équation était la découverte, purement théorique d’abord, d’une onde qui véhiculerait l’énergie électromagnétique et qui se déplacerait à une vitesse d’environ 300000 kilomètres par seconde (Benson & Séguin, 2009a). Grâce aux connaissances en électricité et au magnétisme, on était capable d’inférer l’existence de la lumière, seulement par le mouvement de la pensée se révélant par les nouvelles avancées dans ce nouveau domaine du calcul différentiel et intégral qu’était le calcul vectoriel. C’était le triomphe de la pensée humaine sur la nature.

Mais comment cette onde découverte en théorie pouvait-elle se déplacer ? Certainement pas dans le vide, pensaient les physiciens de l’époque. Toutes les ondes avaient besoin d’un milieu pour se propager. Les vagues dans la mer avaient besoin de l’eau. Les vibrations dans une corde ont besoin d’un milieu solide. Les ondes sonores se déplacent dans un fluide. Toutes ces ondes obéissent à des lois qui dépendent des propriétés physiques de leur milieu. Alors pour la lumière, les physiciens ont inventé le concept de l’éther (Séguin & Villeneuve, 2002).

L’expérience de Michelson-Morley consistait en un montage créé pour détecter des différences dans la vitesse des ondes lumineuses par rapport à l’éther. Mais comme la vitesse de la lumière est très grande, il fallait trouver une autre source de déplacement pour mettre en évidence la différence. La vitesse de la Terre autour du Soleil était cependant suffisante. Tout ce qu’il restait à faire était de prendre des mesures à six mois d’intervalle pour s’assurer d’aller dans la direction opposée par rapport à l’éther à celle où on était six mois auparavant. C’est en 1887 que cette expérience a été réalisée pour la première fois (Séguin & Villeneuve, 2002).

Cette expérience a été un échec. À chaque mesure, Michelson et Morley ont trouvé des façons d’améliorer la précision de leur montage, et à chaque fois, la vitesse de la lumière était toujours la même, quelle que soit la direction de la vitesse de la Terre (Séguin & Villeneuve, 2002). C’était un résultat particulièrement choquant. Après tout, quand on est dans une voiture qui se déplace à 50 kilomètres à l’heure, et qu’on lance une balle de baseball à 50 kilomètres à l’heure vers une personne immobile dans la même direction que celle où la voiture s’avance, on s’attend à ce que quelqu’un qui est immobile par rapport au sol attrape une balle qui se déplace par rapport à 100 kilomètres à l’heure. Le même principe s’applique aux ondes. Que se passait-il ?

Cette énigme n’a seulement été résolue qu’une fois qu’un jeune physicien allemand, multipliant les expériences de pensée où il surfait en pensée sur la vague imaginée de la lumière en déplacement, s’est révélé au grand jour par ses publications sur la relativité restreinte. Son nom était Albert Einstein (Benson & Séguin, 2009b ; Séguin & Villeneuve, 2002). Sans mauvais jeux de mots, cette publication a été une onde de choc dans la communauté scientifique.

Même si ce n'est pas pour cette découverte qu'Einstein a reçu le Prix Nobel, sa théorie représentait tout un changement de paradigme dans la conscience scientifique. Plutôt que d’inventer d’autres explications sur l’éther, il a simplement abandonné l’idée que l’éther existait, il a fait le postulat suivant : Quelle que soit notre vitesse, la vitesse de la lumière que nous percevons est la même (Benson & Séguin, 2009b; Séguin & Villeneuve, 2002). Cela a des conséquences qui peuvent paraître étranges dans la vie de tous les jours. Entres autre, si on prenait en photo un train qui passe devant nous à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, on la verrait écrasée. En synchronisant nos montres avant le départ du train, on s’apercevrait que moins de temps se serait écoulé sur sa montre que sur la nôtre. L’espace et le passage du temps deviennent relatifs.

Cette découverte sur la nature de l’espace et du temps n’a pas fait qu’inspirer des découvertes dans d’autres domaines de la science. Lors du 100e anniversaire de l’échec de l’expérience de Michelson-Morley, Philip Glass, compositeur minimaliste américain, a écrit une pièce nommée The Light en commémoration de cette découverte (Glass, 1987). Cette pièce a été écrite dans l’esprit même que le développement de la science s’est faite après l’expérience de Michelson-Morley. D’abord, on a une introduction lente, où il semble que la science ne fera que continuer dans le calme, où peut-être rien ne nous surprendra. Dans le deuxième quart du morceau, un mouvement de va-et-vient entre ces moments de chocs et ces moments de doute où on tente de revenir à l’état de départ. Au troisième quart de la pièce, on comprend de mieux en mieux par les sons des trompettes qu’on se dirige vers une nouvelle époque. La finale résout la tension de cet état de fait pour terminer au repos. Elle calque bien le mouvement de la découverte et de l’incubation des changements de paradigme. Une bonne pièce à écouter pour quiconque s'intéresse à la création.

La preuve qu'un échec peut être à la racine de la floraison de beaucoup de réussites.


Références

Benson, H., & Séguin, M. (2009a). Physique: 2. Électricité et magnétisme: De Boeck Supérieur.
Benson, H., & Séguin, M. (2009b). Physique: 3. Ondes, optique et physique moderne: De Boeck Supérieur.
Glass, P. (1987). The Light. Dans Heroes Symphony.
Robinson, A., & Buchwald, D. K. (2015). Einstein: A Hundred Years of Relativity: Princeton University Press.
Séguin, M., & Villeneuve, B. (2002). Astronomie et astrophysique: cinq grandes idées pour explorer et comprendre l'Univers: De Boeck université.