Accueil

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

Les Equations de MAXWELL et la relativitéLes Equations de MAXWELL et les théories quantiquesSynthèseBibliographie

 

CHAPITRE 4

Les Équations de MAXWELL et les quanta originels

Dans son mémoire sur " Un point de vue heuristique concernant l'émission et la transformation de la lumière ", Albert EINSTEIN développe et élargit l'approche de Max PLANCK sous la forme suivante: " L'énergie d'une radiation lumineuse émise par une source de lumière ponctuelle est, selon la théorie de MAXWELL, (ou selon toute théorie ondulatoire), distribuée de façon continue sur un volume sans cesse croissant… Selon l'hypothèse envisagée ici, l'énergie est constituée d'un nombre fini de quanta localisés en des points de l'espace, chacun se déplaçant sans se diviser et ne pouvant être produit ou absorbé que tout d'un bloc (20)."

Au-delà de ce qui ressort d'une première analyse de ce processus d'émission de la lumière, celui-ci exprime les fondements d'une découverte d'une ampleur considérable: l'introduction du " quantum d'énergie émis tout d'un bloc " n'est rien moins que la description, au niveau le plus élémentaire mais aussi le plus fondamental, de ce qui n'allait apparaître explicitement que beaucoup plus tard: le processus physique de conversion d'énergie avec création de paires de particules, la création du quantum électromagnétique constituant un cas particulier par le fait qu'il est à la fois la particule et l'antiparticule. Le quantum d'énergie lumineuse va s'intégrer parfaitement dans le concept de l'Atome de BOHR, avec une conséquence qui sépare ce processus de celui qui découlerait des théories maxwelliennes: le rayonnement procède d'un phénomène physique totalement différent de celui qui correspondrait à la propagation du champ de l'électron émetteur. Cet aspect des choses avait d'ailleurs guidé initialement Niels BOHR dans ses recherches et il était arrivé à la conclusion qu'un électron atomique orbital qui rayonnerait de l'énergie électromagnétique conformément aux Équations de MAXWELL émettrait un spectre continu et rejoindrait très rapidement le noyau.

Malgré l'importance des problèmes auxquels Albert EINSTEIN avait apporté des solutions avec l'introduction des quanta dans la structure de la lumière et malgré les évidences qui découlaient de l'effet photoélectrique, ses concepts avaient suscité des réticences, par exemple chez Hendrik Antoon LORENTZ et même chez Max PLANCK (lui-même, d'ailleurs, étant réticent vis à vis de sa propre découverte). En fait, ce n'est que très progressivement que le quantum d'énergie électromagnétique va être considéré comme un corpuscule à part entière, et c'est seulement en 1926 que Gilbert LEWIS va lui donner son identité définitive, le photon, treize ans après que le concept de l'Atome de BOHR, et les vérifications expérimentales associées, eussent renforcé la validité de ce concept et trois ans après que l'Effet COMPTON eût mis complètement en évidence ses caractéristiques corpusculaires. Simultanément, le problème se posait avec de plus en plus d'acuité de savoir si l'unicité de nature des ondes électromagnétiques allait résister à l'introduction des quanta.

Avec l'introduction des quanta dans la structure de la lumière, Albert EINSTEIN avait résolu deux problèmes majeurs de l'époque: les anomalies qui apparaissaient dans le rayonnement lumineux par rapport à la théorie ondulatoire (la catastrophe ultraviolette, problème dont la solution avait été amorcée par Max PLANCK) et l'effet photoélectrique. Mais qu'en était-il alors de l'unicité de la nature du rayonnement électromagnétique dans l'ensemble du spectre? Tout ce qui se faisait dans le domaine de la radioélectricité s'appuyait sur la théorie maxwellienne, essentiellement celle développée par Hendrick Antoon LORENTZ, et il n'y apparaissait aucune anomalie, la théorie accompagnant toutes les avancées avec un succès total. Pourtant les quanta dans l'énergie lumineuse ne constituaient qu'une partie du problème. Il allait s'écouler une vingtaine d'années avant que l'on prenne conscience que le phénomène de création de particules associé à l'émission de lumière était valable pour tout le spectre du rayonnement électromagnétique, donc pour les ondes radioélectriques. C'est Louis de BROGLIE qui, le premier, avait attiré l'attention de la communauté scientifique sur le point suivant: " Il faudrait d'abord constituer une théorie électromagnétique nouvelle… rendant compte de la structure discontinue de l'énergie radiante, laissant enfin à la Théorie de MAXWELL-LORENTZ un caractère d'approximation statistique qui expliquerait la légitimité de son emploi et l'exactitude de ses prévisions dans un très grand nombre de cas (21). " Les circonstances l'avaient amené à travailler sur les problèmes de liaisons radioélectriques pendant six ans avant de se consacrer aux recherches sur la théorie des quanta. Ce problème lui avait paru d'une importance capitale puisqu'il consacrait, à cette recommandation, les dernières lignes de la thèse par laquelle il introduisait la mécanique ondulatoire en physique. Or, c'est bien une théorie électromagnétique nouvelle qui va voir le jour, mais dans une voie différente de celle qu'avait prévue Louis de BROGLIE, et aussi Albert EINSTEIN.

La mécanique quantique va avoir deux racines: la mécanique ondulatoire et ses développements dans la voie de l'Équation de SCHRÖDINGER et la mécanique des matrices introduite initialement par Werner HEISENBERG. Or, c'est essentiellement dans une voie qui prolonge celle de la mécanique des matrices que va se faire la quantification du champ électromagnétique et selon une philosophie qui a été explicitée par Werner HEISENBERG en considérant "qu'une description visuelle dans l'espace et le temps des processus se déroulant à l'intérieur de l'atome est impossible… qu'il ne faut pas rechercher les orbites des électrons… que, dans une physique de ce genre, seules les grandeurs observables doivent jouer un rôle (22). " La conséquence de cette philosophie va être de privilégier le formalisme mathématique aux dépens de la compréhension des processus physiques. Dans le cas des ondes radioélectriques, cela va conduire à faire apparaître, sous forme de quanta, l'énergie rayonnée, par exemple par une antenne d'émission, les observables (intensité du champ électromagnétique, polarisation, diagramme de rayonnement) étant fournies par les Équations de MAXWELL-POYNTING, de façon pleinement satisfaisante et la fréquence étant celle de l'émetteur. Or, les théories concernées (en fait, elles sont nombreuses à s'être développées autour de la quantification du champ) conformément à ce qui précède, ne se sont pas intéressées directement au phénomène unitaire de création du quantum d'énergie. Au niveau élémentaire, il y a un phénomène-clé: même si la théorie ne s'en préoccupe pas, on sait depuis l'Atome de BOHR que, pour la lumière, c'est un électron atomique qui émet un photon à un instant donné. D'ailleurs les progrès de l'expérimentation ont fait que l'on en est arrivé à l'époque actuelle, sinon à voir du moins à visualiser l'émission de photons par un électron périphérique d'un ion isolé (23). Mais alors, l'unicité de nature du rayonnement électromagnétique implique que, dans le cas de l'antenne d'émission, les quanta hertziens soient émis de la même façon: chaque photon est émis par un électron, l'énergie injectée par l'émetteur se transformant, pour l'essentiel, en un flux de photons. Autrement dit, cela correspond tout simplement à l'extension au domaine hertzien de l'avancée d'Albert EINSTEIN de 1905 avec l'émission de quanta émis ou absorbés tout d'un bloc et se déplaçant (dans le vide) sans se diviser.

Un aspect inapparent des choses a pris une importance considérable: dans tous les cas où intervenaient des phénomènes radioélectriques, dans la période où les théories quantiques étaient en cours d'élaboration, les puissances rayonnées qui étaient mises en jeu et qui correspondaient à une possibilité de détection, impliquaient toujours un nombre de photons très grand et, de ce fait, la discontinuité quantique se trouvait totalement masquée. Rien d'équivalent à l'effet photoélectrique n'apparaissait dans le domaine radioélectrique (l'énergie quantique unitaire est extrêmement faible) et les flux d'énergie pouvaient être traités parfaitement par des équations des milieux continus (ce qui est le cas des équations de MAXWELL) de la même façon que les lois usuelles de l'aérodynamique ou de l'hydrodynamique peuvent ignorer totalement la discontinuité moléculaire des milieux concernés.

Avec une première conséquence de ce qui précède: l'émission d'ondes électromagnétiques par une antenne hertzienne ne correspond pas à la propagation du champ du courant d'antenne mais à la création physique de photons, qui deviennent les sources du champ, et à leur émission au niveau de l'antenne.

Avec une seconde conséquence: les ondes radioélectriques ne constituent en aucune manière la vérification expérimentale de la propagation du champ électromagnétique. Ce qui a été dit précédemment montre qu'il n'est pas envisageable de garder l'hypothèse de la propagation dans les interactions de couplage.

Avec une troisième conséquence: le phénomène supposé de propagation du champ n'existe pas.

On est ainsi conduit à s'écarter délibérément de l'orientation initiale de la mécanique quantique dans sa composante issue de la mécanique des matrices et à interpréter les phénomènes physiques qui se déroulent au niveau d'une antenne d'émission radioélectrique, étant entendu que, en l'état actuel des choses, cette interprétation imbrique des hypothèses et des évidences et que la clarification globale ne pourra valablement intervenir que dans le cadre des vérifications expérimentales qu'elle implique. Les phénomènes de base peuvent être décrits simplement dans le cas de l'antenne d'émission de type dipôle (figure 3-8). Le champ de rayonnement résulte de la création physique de photons, chaque photon étant créé par un électron qui subit une accélération. Les électrons de conduction qui sont en surface du conducteur sont sollicités radialement par le champ électrique résultant de la charge alternativement positive et négative (excédent ou déficit du nombre d'électrons par rapport au nombre de protons des différents éléments de l'antenne, sous l'action de l'énergie injectée par l'émetteur); c'est le phénomène bien connu et couramment enseigné de la pression électrostatique en régime stationnaire qui, en régime variable, devient une pression électrodynamique). Les électrons de conduction, en surface, soumis à un mouvement alternatif radial limité par la barrière de potentiel, se comportent comme des oscillateurs et émettent des photons dont l'énergie est liée à la fréquence d'oscillation (w=hv). Le transfert d'une partie de l'énergie d'un électron pour la création d'un photon porteur d'énergie et de quantité de mouvement correspond à la mise en œuvre d'un processus qui appartient à la même classe de phénomènes que celui qui préside à l'émission de rayons X, à l'émission de rayonnements par des charges électriques accélérées (rayonnement synchrotron ou rayonnements émis par les particules chargées dans les champs magnétiques de l'espace cosmique) ou à la création d'une paire proton-antiproton à partir de l'énergie cinétique d'un proton initial, pour ne citer que quelques exemples très caractéristiques. Les photons étant engendrés dans le champ de couplage du courant d'antenne, leur phase, leur polarisation, leur orientation (qui conduit au diagramme de rayonnement) sont déterminées par les caractéristiques de ce champ: le processus physique de l'émission projette dans l'espace, par photons interposés, une réplique du champ du courant d'antenne. Ainsi le champ électromagnétique, constitué par la résultante des champs élémentaires des photons, se retrouve équivalent à ce qui correspondrait à la propagation du champ du courant d'antenne, tel qu'il aurait été exprimé par les Équations de MAXWELL-POYNTING. Dans un volume unité autour d'un point donné, à un instant donné, l'énergie que la théorie classique impute à e0 ou à B²/µ0 correspond à l'énergie des photons qui sont dans ce volume à cet instant, et la résultante des champs de ces photons reproduit le champ en 1/r; les photons s'intègrent dans l'espace et interagissent en fonction de leurs caractéristiques de corpuscules-bosons et de la loi statistique propre à ces corpuscules. Le mouvement oscillatoire radial des électrons en surface du conducteur constituant l'antenne est une réalité expérimentale qui apparaît quand le conducteur est chauffé, moyennant quoi les électrons sortent et rentrent dans le conducteur si le milieu environnant est le vide. Si le milieu environnant est l'air, les électrons s'accrochent aux molécules d'air et les font osciller, fonctionnant ainsi en haut-parleur lorsque la fréquence est suffisamment basse (vérification expérimentale réalisée dans les années 50).