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La théorie de la Relativité

Newton. Document WSU/Dee.

Le cadre historique

Simultanéité et principe de causalité (VI)

Newton a besoin d'un référentiel absolu pour expliquer l'expérience bien connue du seau[1]. En faisant tourner un seau plein d'eau au bout d'une corde, la surface de l'eau prend une forme concave. Cette concavité n'est pas liée à la rotation de l'eau par rapport au seau, puisque juste après avoir lâché la corde la surface de l'eau est plate, alors que les vitesses relatives du seau et de l'eau sont maximales; à l'inverse, le mouvement du seau entraînant l'eau progressivement, la concavité est maximale lorsque les vitesses relatives du seau et de l'eau sont nulles. Si la "force motrice" n'est pas située dans le référentiel du seau, Newton conclut que ce phénomène est lié à la rotation de l'eau par rapport à l'espace absolu. Mais comment l'eau "sait-elle” que son référentiel n'est pas le seau mais l'espace ? Aujourd'hui encore, la réponse reste incertaine. 

Newton[2] invente "l'espace absolu, en dehors de tout lien extérieur, demeurant toujours similaire et immobile". Il peut ainsi envisager l'accélération des objets par rapport à un référentiel au repos, où la force agissante ne dépend pas du temps. 

Cette condition permet à Newton de déterminer si un mouvement est uniforme ou non. Le temps n'y joue aucun rôle, il est absolu, ce qui lui permet de déterminer la distance réelle entre les objets à tout instant. Mais Newton ignorait le fait que la lumière se propageait à une vitesse finie...

Car nous devons souligner l'absurdité des concepts d'espace absolu et de simultanéité des événements, malgré le fait que ces principes aient été érigés en dogme jusqu'au XXe siècle. Pourtant l'idée d'un espace absolu reste paradoxale aux yeux même de Newton, lui qui posa le principe de causalité. S'il est aisé de déceler un mouvement relatif dans un espace absolu (je me déplace par rapport à quelque chose), il est tout à fait impossible de détecter son mouvement absolu. Quel serait son référentiel puisqu'il est absolu ? En fait nous pouvons calculer la différence entre deux vitesses, mais le mouvement uniforme absolu lui-même n'est pas mesurable.

Newton lui-même se contredit en énonçant sa première loi du mouvement, mais comme tout chercheur il sait que ses postulats peuvent l'amener à découvrir des vérités plus profondes. Pour définir la simultanéité de deux événements, Newton a besoin d'un référentiel absolu. En découvrant la loi de la gravitation, Newton ne parvient pas à expliquer son action instantanée et à distance, action qu'il juge malgré tout absurde sans l'intervention d'un support quelconque. Newton ne sait pas la formuler dans un système de coordonnées euclidien qui serait absolu.

Newton voulait réduire l'attraction à une impulsion, au bombardement par des particules cosmiques par exemple. Mais dans ces conditions le milieu offrirait une résistance aux mouvements des corps, la pression serait plus forte dans le sens du mouvement que de l'autre côté. Newton dut trouver une autre explication pour valider sa loi de l'inertie. Il dut décrire l'espace comme un sensorium Dei, une caractéristique de l'essence divine. 

Mais Descartes s'y opposera. Comme d'autres cartésiens, il jugera qu'une action instantanée à distance n'était pas un concept très scientifique, et avait même une connotation mystique. Il lui suggéra plutôt de voir l'espace non pas comme un volume vide mais comme une étendue remplie de tourbillons, seul mécanisme à même d'expliquer le mouvement des planètes[3] : “La matière du ciel est liquide dit-il, et ce liquide est en mouvement, il tourbillonne autour des astres. Les planètes sont aussi transportées autour du soleil par le vaste tourbillon qui tourne autour de lui, tandis que des tourbillons plus petits, centrés autour de chaque planète, transportent leurs satellites”. Mais Descartes ignorait l'ellipticité des orbites planétaires. La théorie des tourbillons ne peut l'expliquer, comme elle ne peut expliquer la trajectoire des comètes. 

Portrait de Newton dessiné par A.Renshaw en 1960 et scanné par T.Lombry

Ce croquis de Newton rarement publié a été réalisé en 1960 par Arthur G. Renshaw à partir des portraits réalisés par Kneller. Document Doubleday, Random House, Inc. Droits réservés.

Heureux de pouvoir contrer la théorie de son concurrent et ennemi, Newton[4] dira : “La théorie des tourbillons est accablée de multiples difficultés”. Dans le Livre II des Principia, Newton insiste sur le fait que ces mouvements n’ont pas leur origine dans des causes mécaniques. Une fois de plus l'intuition de Newton est étonnante.

Newton était très conscient du problème qu’il soulevait. Dans une célèbre lettre adressée au Révérend Richard Bentley datée de 1693, Newton[5] écrit : "je pense qu'il est inconcevable que la matière brute inanimée, sans la médiation d'autre chose qui ne soit pas matériel, agisse sur une autre matière et l’affecte sans contact mutuel [...]. C’est pour moi une si grande absurdité, qu’à mon avis, aucun homme tant soit peu compétent en matière de philosophie ne pourra jamais tomber dans cette erreur”. En d’autres termes, même si la gravité était inhérente à la matière, même dans le vide elle devait agir par un médiateur. Las des confrontations, celui qui ne faisait jamais d’hypothèses abandonnera finalement toute idée de réponse : “La gravité doit être causée par un agent agissant constamment selon certaines lois, mais que cet agent soit matériel ou immatériel est une question que j’ai laissée à l’examen de mes lecteurs”.

Newton jugea que sa théorie fut un échec. Sur le plan théologique, l’intervention des tourbillons ruinait l’influence universelle de Dieu. Sur le plan strictement scientifique, il était conscient de la distinction entre la masse inerte et la masse gravitationnelle. Pourtant elle offrait une explication concernant une propriété essentielle de la matière : l'attraction universelle.

Mais aucune observation ne pouvait l'aider à trouver la cause de la gravitation, tout comme il ne pouvait pas déduire la nature "corporelle" de la matière à partir de ses observations. Cela resta donc sans réponse. Tout au plus confie-t-il, je peux décrire certains de ses effets mais je dois attribuer leur cause à un "esprit universel” : “Les lois de la gravitation écrit-il, gouvernent le mouvement des planètes et des comètes, mais ne permettent pas de déterminer leur état primitif; leur agencement si élégant ne peut être que le fruit du dessein et de la seigneurie d’un Etre intelligent et tout-puissant[6]. Pas mécontent de pouvoir critiquer son adversaire, Leibniz[7] tranchera dans le vif et appellera cette idée “une qualité occulte scolastique ou l’effet d’un miracle”.

25 ans plus tard cependant, dans un passage de l'Optique[8] Newton changea d'opinion : "Il me semble d'ailleurs écrit-il, que ces particules [solides, pesantes, dures, impénétrables] n'ont pas seulement une force d'inertie, d'où résultent les lois passives du mouvement; mais qu'elles sont mues par certains principes actifs, tels que celui de la gravité [...] je considère ces principes, non comme des qualités occultes [...] mais comme des lois générales de la Nature, par lesquelles les choses mêmes sont formées". Une fois encore Newton voyait juste. En fait sa théorie n'était pas achevée.

Si le concept d’instantanéité choquait Newton c’est parce que cela signifiait que le déplacement d’un objet d’un point à l’autre ne prenait pas de temps. Sa vitesse devait être infinie. Il lui fallait donc inventer un médiateur pour attirer les objets les uns vers les autres en un certain temps. Le génie d’Einstein est d’avoir démontré que la vitesse maximale dans le vide est celle de la lumière.

Newton expliqua le comportement des astres en suggérant que l'éther, ce fluide subtil dont Descartes et les Anciens remplissaient l'espace était le siège des réactions dynamiques. Il supposa que l'espace devait avoir une réalité physique pour que ses lois aient un sens. En accordant des propriétés mécaniques à l'éther, Newton compliquait sa théorie. Mais ses lois ont gardé un sens; les théories de Newton s'appliquent à toute la physique classique ! Newton devait éloigner de son esprit les perceptions sensibles du monde et travailler dans l'abstrait des concepts, le cogito de Descartes. Je ne vous apprendrai pas que cette idée prévaut aujourd'hui.

René Descartes. Document CNM

Mais l'idée d'un espace absolu ou relatif fut longtemps débattue parmi les philosophes de son époque. Vers 1660, l'espace de Descartes était une notion qui n'avait de sens qu'au point de vue philosophique. Il imaginait que l'espace était lié aux corps et qu'il ne pouvait par conséquent être vide. A ce propos Descartes fut très proche du concept d'Einstein. 

Pour Leibniz, la notion d'espace n'existait qu'en présence des corps. Il s'opposait à la notion d'espace absolu de Newton. Si l'espace était vide, son concept même n'avait plus de sens. 

A partir de 1778, Kant commença à écrire sa grande oeuvre "Critique de la raison pure". Il y mentionnait le fait que les notions d'espace et de temps étaient liées à notre sensibilité, indissociables des conditions de l'expérience. Cette relation signifiait qu'il n'existait aucun moyen de considérer l'espace ou le temps comme absolu. Mais Newton n'imaginait pas que l'espace puisse être en relation avec les corps, l'espace était vide.

Se ralliant à l'idée de Newton, Kant considéra finalement l'espace et le temps comme des absolus et écarta les idées proposées un siècle auparavant par Descartes et Leibniz. Pourtant Newton se trompait.

La vitesse de la lumière

Concernant la lumière, Descartes comme bien d'autres croyait que l'espace était rempli d'éther et que la lumière se propageait instantanément. Mais en 1676, le mathématicien et astronome danois Olaus Roemer[9] trouva des anomalies dans les éphémérides des occultations des satellites de Jupiter. Ce décalage atteignait 22 minutes et était d'autant plus élevé que la Terre était éloignée de Jupiter. En estimant précisément ces décalages, on estima que la lumière se propageait à une vitesse de 210000 km/s. Peu de personne y crurent, sauf Newton qui une fois de plus révéla son génie. Car nous étions en effet très près de la vérité.

Portrait de James Bradley réalisé par Hudson.

En 1728, l'astronome anglais James Bradley découvrit l'aberration des étoiles - l'écart de leur position dut à la rotation annuelle de la Terre - et sa relation avec la vitesse de la lumière. Après cinq ans de recherches, Roemer et Bradley arrivèrent à la conclusion que la lumière se propageait à une vitesse de 303000 km/s, résultat exact à 1% près de sa valeur réelle. A présent il restait à connaître ses propriétés et sa composition.

En 1761 l'Anglais Harrison invente le chronomètre dont la précision permettra une mesure précise du temps.

En 1799, le médecin et physicien anglais Thomas Young découvre une expérience qui contredit de façon flagrante la théorie corpusculaire de Newton. L'interférence de deux faisceaux lumineux produit des zones sombres ! Seule une théorie ondulatoire permettant d'annuler des phases opposées peut expliquer ce phénomène.

Par contre, la nouvelle théorie n'expliquait pas l'effet de diffraction : la déviation des corpuscules après leur passage dans une petite ouverture donnait des franges d'interférence. 

On discuta de théorie corpusculaire et ondulatoire sans jamais clôturer le débat, jusqu'à l'orée du XXe siècle. Aujourd'hui les physiciens interprètent ces phénomènes sur base des lois de la physique quantique et disent que la lumière est à la fois onde et particule (parton). Aussi, face à ce paradoxe et beaucoup d'autres, faute d'avoir une théorie complète de l'électromagnétisme, la question fondamentale de la nature de la lumière est toujours d'actualité.

Prochain chapitre

Le statut de l'éther : l'expérience de Michelson

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[1] I.Newton, "Principia", Définitions, IV, op.cit.

[2] I.Newton, "Principia", Scholie, II, op.cit.

[3] R.Descartes, “Oeuvres” (Principes), Adam et Tannery, Vrin, 1969-74, IX, 2, p112.

[4] I.Newton, “Principia”, Section Scholie générale, 3e édition, 1726, p526.

[5] Lettre adressée au Révérend R.Bentley le 25 février 1693, citée in “The correspondance of Isaac Newton”, op.cit., Vol.III, p253 - Lire également I.Newton, "De la Gravitation" et "Principia" , Section Scholie générale.

[6] I.Newton, “Principia”, section Scholie Générale, op.cit., p527.

[7] A.Koyré, Etudes Newtoniennes, Gallimard, 1968, p184.

[8] I.Newton, Optique, Question 31, Ed.JP.Marat, op.cit.

[9] O.Roemer, "Démonstration touchant le mouvement de la lumière", Académie Royale des Sciences (F), 1676.


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