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Ce qu' ILS en pensent...Le concept de propagation : une anomalie dans les fondements de la théorie électromagnétique ?L'évolution pré-relativiste de la Théorie et des Equations de MaxwellLes Equations de MAXWELL et les quanta originels

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En tant que créateur de ce site, je suis heureux de vous souhaiter la bienvenue à bord et, pour commencer la visite, je vous propose une brève présentation de son contenu.

 La Dualité de l'Espace-Temps:
Un nouveau fondement pour la physique du XXIe siècle ?

 De quoi s'agit-il?

Au début du XXe siècle, la physique avait réalisé des avancées considérables dues, pour une large part, à l'apport de James Clerk MAXWELL, mais les théories en vigueur conduisaient à des contradictions. En 1905, Albert EINSTEIN apporte des solutions aux problèmes soulevés par ces anomalies en introduisant, à quelques semaines d'intervalle, la théorie des quanta qui élargit considérablement le socle amorcé par Max PLANCK, puis la théorie de la relativité. La relativité fait reposer les lois de la physique sur un univers différent de celui dont nous nous servons habituellement: disons, en schématisant sur deux cas simples, que l'on sort de la physique classique lorsqu'une vitesse importante intervient dans les phénomènes que l'on veut interpréter ou lorsqu'il s'agit de formuler les relations entre des charges électriques en mouvement et le champ électromagnétique qu'elles engendrent. En 1908, Hermann MINKOWSKI exprime, sous forme mathématique, les caractéristiques de cet univers en énonçant: " le temps, par lui-même, et l'espace, par lui-même, sont condamnés à s'évanouir en ne laissant rien de plus que des ombres; il n'y a qu'une sorte d'union des deux qui pourra conserver une réalité indépendante (1)." (Les chiffres entre parenthèses renvoient aux références bibliographiques.) Par sa nature, cet univers exclut toute forme d'interaction instantanée d'un point à un autre de l'espace; or, la mécanique quantique, dès ses premiers développements des années 30, postule l'existence d'une sorte de lien instantané entre des particules qui sont en éloignement l'une par rapport à l'autre, après avoir eu une origine commune ou avoir été en interaction, et cela quelle que soit la distance qui les sépare. Il se trouve aussi que les résultats des recherches, auxquelles ce site est consacré, font apparaître des contradictions dans les fondements conceptuels de la Physique, au niveau de l'électromagnétisme classique, et semblent imposer de réintroduire l'instantanéité dans les interactions de couplage. On est ainsi conduit à supposer qu'il existe, entre ces phénomènes, une parenté cachée, et à attribuer à l'espace-temps une dualité de caractéristiques le rendant compatible avec cette situation.

C'est ainsi que s'introduit le nouveau concept, la Dualité de l'Espace-Temps, dont le contenu va se révéler au fur et à mesure de la présentation des éléments dont il est issu. Pour résumer, il s'agit d'une voie de travail qui semble s'ouvrir sur une actualisation de la relativité et de l'espace-temps.

Avec, comme conséquences:

Le phénomène supposé de propagation des champs n'existe pas.

Les interactions de couplage sont instantanées.

Mais avec, aussi, une question que chacun peut légitimement se poser: est-il imaginable qu'un remaniement de fondements considérés comme intangibles et qui ont constitué un socle pour les avancées scientifiques du XXe siècle, puisse surgir ailleurs que dans un centre de recherches doté des moyens d'investigation les plus récents et les plus puissants?

Et avec une réponse à cette question: lorsque les problèmes à résoudre sont difficiles, et c'est le cas (il y a un conflit latent entre la mécanique quantique et la relativité depuis trois quarts de siècle et les plus grands noms de la Physique s'y sont affrontés), il peut devenir indispensable d'être guidé par un fil conducteur pour faire avancer les choses; s'il se trouve qu'une extrémité de ce fil conducteur se présente ailleurs que dans l'un des secteurs les mieux préparés à l'exploiter, que faut-il faire sinon aller de l'avant?

Le hasard des circonstances (si toutefois il y a une part de hasard dans les circonstances) m'a permis d'apercevoir, alors que j'étais encore étudiant, un tel fil conducteur qui s'est ensuite débobiné, d'étape en étape, jusqu'aux résultats actuels. L'une des extrémités de ce fil conducteur a émergé de l'enseignement de l'École Supérieure d'Électricité, dans la période 1944-1946, où j'ai bénéficié du cours d'électromagnétisme relativiste de Marc JOUGUET et, de façon concomitante, des conférences de Louis de BROGLIE sur la mécanique ondulatoire. Marc JOUGUET attirait l'attention de ses étudiants sur le caractère hypothétique de certaines démarches conduisant à des formulations fertiles mais n'ayant pas valeur de démonstrations, comme la localisation de l'énergie de la charge électrique dans l'espace ou la Relation de POYNTING rattachant le rayonnement d'énergie électromagnétique aux Équations de MAXWELL. Il avait précisé son argumentation sous la forme suivante: " je dois vous dire qu'on ne comprend pas comment l'énergie sort d'une antenne radioélectrique…. !" Simultanément, les conférences de Louis de BROGLIE ouvraient aux étudiants une fenêtre sur des horizons obscurs et fascinants avec l'évocation de bien des points à clarifier. Il me semblait, en particulier, que la solution du problème soulevé par Marc JOUGUET pouvait venir de là, sur la base d'un raisonnement simple: si tout rayonnement électromagnétique est constitué de photons, c'est la création et l'émission de ces photons qui constitue l'onde hertzienne et celle-ci ne résulte, en aucune manière, de la propagation du champ du courant d'antenne. Il se trouvait, en outre, que j'abordais l'étude de la Théorie de MAXWELL, remarquablement présentée par Marc JOUGUET, avec une assez bonne connaissance du domaine de l'électrotechnique et de la façon dont les choses s'y présentent pour l'étude des moteurs électriques et des générateurs électromécaniques; je ne voyais pas comment le concept de propagation pouvait être rendu compatible avec la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement dans le phénomène élémentaire de l'induction. Dès lors que l'onde électromagnétique pouvait découler de la création et de l'émission des photons, il n'y avait plus lieu de rester ancré sur la propagation pour l'expliquer et, pour ce qui concerne le phénomène de l'induction et les transferts d'énergie qu'il implique, l'élimination de la propagation rendait l'ensemble cohérent. Il me semblait qu'il y avait là une voie de travail, répondant à l'incitation et aux encouragements d'enseignants qui s'efforçaient de sensibiliser leurs étudiants à l'existence de difficultés conceptuelles sous-jacentes.

Il sortirait du cadre de ce qui est présenté ici de tenter de décrire les laborieuses itérations par lesquelles les choses ont évolué au travers des contraintes et des apports inhérents à toute recherche qui s'insère dans la durée; les problèmes de cette nature ont été décrits, pour ce qui concerne leurs aspects généraux, par René TATON, dans l'ouvrage: Causalités et accidents de la découverte scientifique (2). La particularité du travail, dont il est question ici, est d'avoir été mené en action solitaire (par la force des choses), et en marge d'activités professionnelles dont il ne constituait pas l'objectif, mais dont, cependant, il n'était pas totalement déconnecté.

Si la première étape de ce cheminement est celle qui, en 1946, a conduit à prendre en main une extrémité du fil conducteur comme cela vient d'être indiqué, l'étape ultérieure la plus significative est survenue un demi-siècle plus tard, avec l'intérêt marqué par l'Académie des Sciences et le rapport qu'elle a fait établir, en 1996, sur un document de synthèse que je lui avais présenté. Les remarques et suggestions mentionnées dans ce rapport ont constitué une contribution décisive à l'évolution du présent travail et à son aboutissement actuel.

Je vous propose de vous faire découvrir, en parcourant les chapitres suivants, et avec d'abord un résumé de chacun d'eux, le cheminement qui conduit à proposer la dualité de l'espace-temps comme nouveau fondement conceptuel et expérimental pour la Physique du XXIe siècle.

Résumé des chapitres

Chapitre 1

Actualiser les fondements de la physique ?

Ce qu' ILS en pensent.… Avis et suggestions

Les grandes avancées de la Physique, au cours du XXe siècle, se sont effectuées dans le cadre de la mécanique quantique, avec l'efficacité et les succès que l'on sait. Malgré sa fertilité, cette discipline suscite généralement une insatisfaction profonde chez de nombreux physiciens parmi ceux qui la mettent en œuvre, insatisfaction dont les racines apparaissent sous la forme suivante: " Une part de l'enseignement de Niels BOHR consistait en ceci: ne cherchez pas à comprendre la mécanique quantique ; elle est presque complètement incompréhensible (3). " Aussi, depuis les Pères Fondateurs de la physique contemporaine jusqu'aux chercheurs en activité à l'aube du XXIe siècle, les avis autorisés n'ont pas manqué pour exprimer l'attente d'idées nouvelles. Quelques uns de ces avis sont présentés, avec les suggestions qui les accompagnent.

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Chapitre 2

Le concept de propagation : une anomalie dans les fondements de la théorie électromagnétique?

Alors que les principales avancées de la physique se sont effectuées sur la base de la complémentarité entre la théorie de la relativité et la théorie des quanta, une sorte d'incompatibilité oppose ces deux théories sur certains points, faisant d'elles des sœurs ennemies. Le conflit sous-jacent a pris un relief considérable avec la mise en évidence des interactions qui interviennent entre particules corrélées. Cet aspect des choses est rappelé ici, en vue de faire apparaître une parenté cachée avec les anomalies qui émergent de la théorie de l'électromagnétisme classique. L'analyse met en évidence la nécessité de réinterpréter le contenu des Équations de MAXWELL et ce qui en découle. Des expériences simples, qui peuvent apporter une clarification décisive, sont décrites.

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Chapitre 3

L'évolution pré-relativiste de la Théorie et des Équations de MAXWELL

La Théorie et les Équations de MAXWELL ont pris la place qu'elles occupent en physique lorsque les Expériences de HERTZ eurent vérifié l'existence des ondes électromagnétiques et l'appartenance de la lumière à cette classe de phénomènes. Alors que ces équations sont restées identiques à elles-mêmes, leur interprétation a été en évolution permanente. L'éther et le courant de déplacement qui avaient servi de tremplin initial ont été abandonnés alors que l'élément fondamental qui a été retenu est la propagation du champ électromagnétique.

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Chapitre 4

Les Équations de MAXWELL et les quanta originels

En mars 1905, Albert EINSTEIN, s'appuyant sur un certain nombre de raisons théoriques et essentiellement sur l'effet photoélectrique, montre que l'émission de lumière ne peut pas se produire selon les prévisions de la Théorie de MAXWELL, mais qu'il faut adopter le concept de quanta d'énergie, véritables corpuscules qui se déplacent dans le vide en restant identiques à eux-mêmes. Ce n'est que deux décennies plus tard qu'il apparaîtra que cette structure corpusculaire doit être étendue aux ondes radioélectriques; entre-temps, le concept de propagation du champ électromagnétique se sera profondément ancré dans les esprits et les raisonnements, et l'on ne percevra pas que le phénomène physique de création et d'émission de photons est incompatible avec la propagation du champ.

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Chapitre 5

Les Équations de MAXWELL et la relativité.

En introduisant la théorie de la relativité, en juin 1905, Albert EINSTEIN établit un socle qui complète celui correspondant à la théorie des quanta, et la physique du XXe siècle va s'appuyer sur cet ensemble. Pourtant la relativité elle-même repose sur deux anomalies.
La première. Un des objectifs de la théorie de la relativité est de compléter la Théorie de MAXWELL en mettant en évidence que les phénomènes qui interviennent dans l'interaction d'un aimant en mouvement par rapport à un conducteur sont identiquement les mêmes que ceux qui interviennent dans le même mouvement relatif du conducteur par rapport à l'aimant. Contrairement à ce qu'a pensé Albert EINSTEIN, cet objectif n'est pas complètement atteint par la relativité.
La seconde. La relativité ignore la structure quantique de l'émission radioélectrique, alors qu'elle y a la même réalité que dans la lumière. De ce fait, il reste inapparent que les ondes radioélectriques procèdent d'un flux de photons et en aucune manière de la propagation du champ électromagnétique du courant de l'antenne d'émission ou du système rayonnant. Ainsi la propagation du champ va s'ancrer comme dogme de la physique, alors que le phénomène qu'elle implique n'existe pas.

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Chapitre 6

Les Équations de MAXWELL et les théories quantiques

En introduisant les quanta d'énergie dans la structure de la lumière, Albert EINSTEIN montrait que celle-ci n'était pas compatible avec la Théorie de MAXWELL. Au contraire, l'électrodynamique quantique prend les Équations de MAXWELL pour point de départ et introduit un processus mathématique qui fait apparaître sous forme de photons l'énergie supposée associée au champ électromagnétique considéré comme un champ libre, qui se trouve ainsi lui-même quantifié dans son ensemble (et non seulement les champs de rayonnement). La quantification mathématique a tenté de réaliser une impossible symbiose entre la propagation du champ et l'émission des photons. C'est ainsi que les théories quantiques se sont avérées être d'une extrême fertilité, mais sur la base de prémisses inexactes.

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Chapitre 7

Synthèse

Les remaniements conceptuels qui sont proposés impliquent évidemment des vérifications expérimentales qui deviennent la priorité dans les prolongements des présentes recherches. Dans l'attente de ces vérifications, tous les éléments qui sont avancés ici sont à considérer comme des hypothèses de travail récapitulées dans ce chapitre.

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Forum de discussion

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©  Pierre Poubeau