Version Juin 2005

 

 

Ce site a été créé en mars 2004. Les réactions qu'il a suscitées ont conduit à approfondir les racines des situations qu’il est destiné à clarifier.

C’est dans ce contexte qu’une Mise à jour du site - Juin 2005 est présentée ici. Cette rubrique constitue, en outre, un résumé des points-clés présentés dans le site.

 

La crise de la physique:

ses racines,

son dénouement.

 

 

La théorie de la relativité et la théorie des quanta,

les sœurs ennemies

réconciliées !

  

Le talent du théoricien scientifique d’aboutir  à des conclusions valables en partant de prémisses reconnues plus tard inexactes n’est pas le moindre de ses dons, car il est doué d’une intuition clairvoyante.

Banesh HOFFMANN (1949)

 

 La crise de la physique

Pendant tout le XXe siècle, la physique a réalisé des avancées ininterrompues et, dans le même temps, elle subissait une crise profonde marquée, initialement, par les divergences qui séparaient les conceptions d’Albert EINSTEIN, et de quelques autres physiciens avec lui, de celles des théoriciens de l’Ecole de COPENHAGUE. Ce schisme de la pensée scientifique a impliqué plusieurs aspects imbriqués les uns dans les autres, mais l’un d’eux a pris une importance particulière. Alors que la théorie de la relativité restreinte et la mécanique quantique se sont révélées profondément complémentaires et interdépendantes sur le plan général, ces théories s’opposent sur un domaine précis: la mécanique quantique prévoit l’existence d’une forme de couplage, impliquant une interaction instantanée, entre des particules qui ont eu une origine commune ou qui ont été en interaction étroite (particules intriquées), quelle que soit la distance qui les sépare; cela apparaît contradictoire avec la logique de la relativité einsteinienne et la structure de l’espace-temps, dans leur acception habituelle. Les oppositions qui s’étaient amorcées, lors du Congrès SOLVAY de 1927, ont évolué en étapes successives: débat déterminisme-indéterminisme, interprétation du lien entre l’observation et la réalité physique, Paradoxe EINSTEIN-PODOLSKY-ROSEN, débats sur les variables cachées, Inégalités de BELL, expériences réelles bénéficiant des avancées scientifiques et technologiques et prenant la relève des expériences de pensée des raisonnements initiaux (Universités de BERKELEY, ORSAY, GENEVE....). En même temps que les expériences réalisées confirmaient les prévisions de la mécanique quantique, elles mettaient en évidence la discordance entre certains aspects de la théorie de la relativité restreinte et les phénomènes en cause, c’est à dire la divergence de cette théorie vis à vis de certaines composantes de la réalité physique.

 

Dans les années 30, Albert EINSTEIN imputait à l’inséparabilité quantique des actions-fantôme et Niels BOHR répliquait en postulant que la physique quantique est inséparable. Un demi-siècle plus tard, en juin 1980, lors d’un congrès consacré aux Implications Conceptuelles de la Physique Quantique, John BELL, un des plus éminents spécialistes de la question, exprimait la déception générale de ne pas voir apparaître de piste de recherche pouvant conduire à la clarification, en constatant qu’il fallait se résigner à vivre avec l’inséparabilité quantique.

 

Bien avant que les expériences concrètes aient apporté leurs données inédites, Albert EINSTEIN avait pris conscience de la présence de points faibles dans sa position et déclarait, en 1949: « Il n’y a pas un seul concept dont je sois convaincu qu’il demeurera et je ne suis pas sûr, en général, d’avoir été sur la bonne piste. » En 1954, il écrivait à Louis de BROGLIE: « Je suis comme l’autruche qui sans cesse cache sa tête dans le sable relativiste pour n’avoir pas à regarder en face ces vilains quanta.» De telles prises de position avaient valeur de testament scientifique, et venant du plus éminent des pères fondateurs de la physique moderne, elles méritent de ne pas rester sans suite. Sachant ce que les pistes qu’il a suivies en introduisant la relativité et les quanta, sous les formes que l’on connaît, ont apporté, on peut imaginer à quelles avancées nouvelles pourraient conduire des pistes sur lesquelles la réalité physique serait serrée de plus près par la théorie.

 

Si, jusqu’à maintenant, il n’y avait pas de voie de travail pour avancer vers une solution du problème posé par l’inséparabilité quantique, des anomalies mises en évidence dans les présentes recherches, au niveau des racines de l’électromagnétisme, de la théorie de la relativité restreinte et des théories quantiques, en ouvrent une qui est présentée ici.

 

 

Une contradiction aux racines de la théorie de

la relativité restreinte

 

 

Dans l’article qu’il présente en1905, Albert EINSTEIN amorce sa démarche vers la théorie de la relativité restreinte en faisant remarquer « qu’une dissymétrie apparaît dans la façon dont l’électrodynamique de MAXWELL traite l’action réciproque entre un aimant et un conducteur, que cette dissymétrie n’est pas dans la nature des choses et que le phénomène observable ne dépend que du mouvement relatif de l’aimant et du conducteur ». Ayant réinterprété la notion de simultanéité et introduit la relativité des longueurs et des temps, il montre qu’un changement de référentiel mettant en oeuvre la Transformation de LORENTZ conserve la forme des relations entre le champ électrique et le champ magnétique, et il en conclut que « la dissymétrie mentionnée disparaît ainsi.» Autrement dit, il pense avoir démontré que le mouvement de l’aimant par rapport au conducteur est identique, dans la théorie comme dans la réalité physique, au mouvement du conducteur par rapport à l’aimant. Or, dans l’une de ses conséquences, la théorie de l’électromagnétisme relativiste prolonge ce qui découlait déjà des théories maxwelliennes: lorsque l’aimant est déplacé, ce déplacement implique (selon la théorie) un phénomène de propagation de son champ magnétique (associé à de l’énergie et de la quantité de mouvement d’espace) alors que, lorsque le conducteur est déplacé, dans le même mouvement relatif, ce phénomène de propagation n’existe pas. Avec une conséquence qui peut être à la racine d’un vaste programme d’expérimentation: lorsque l’aimant est déplacé entre deux positions de repos, la propagation impliquerait que l’apparition d’une force électromotrice dans la spire soit retardée par rapport à l’instant où l’aimant quitte la position de repos alors que, lorsqu’on déplace la spire par rapport à l’aimant dans le même mouvement relatif, l’établissement de la force électromotrice serait concomitant avec le début du mouvement; la même situation se présente lorsque l’aimant, ou la spire, revient à sa position de repos. Ainsi, ce qui découle de la théorie contredit les prémisses qui ont conduit à l’établir et l’objectif visé n’est pas atteint.

 

A l’aube du XXIe siècle, il n’est plus possible de mettre en doute la validité de la position de départ qui conduit à l’établissement de la théorie: l’interaction aimant-conducteur ne dépend que du mouvement relatif de ces deux éléments, mais cela remet en cause le phénomène supposé de propagation du champ. Postuler la propagation du champ lorsqu’il y a mouvement de l’aimant, c’est supposer l’existence d’un état qui correspondrait au repos absolu, or, cela est contradictoire avec l’une des racines de la démarche einsteinienne qui prévoit que les phénomènes de l’électrodynamique aussi bien que ceux de la mécanique ne possèdent aucune propriété correspondant à l’idée de repos absolu.

 

Ce problème peut être abordé sous un autre angle, en réexaminant l’interprétation de l’interaction d’un aimant et d’un conducteur telle qu’elle ressort de la théorie électromagnétique actuelle, fruit de l’actualisation relativiste des théories d’inspiration maxwellienne. Pour prendre une configuration simple et claire, on considère l’interaction d’un aimant en déplacement en face d’une spire conductrice. La variation du champ magnétique induit une force électromotrice dans la spire, donc un courant qui implique un transfert d’énergie. Ce phénomène bien connu correspond à la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique et au transfert de cette énergie au travers de l’espace. Le transfert d’énergie implique l’action du champ magnétique de l’aimant sur la spire et la réaction du champ du courant induit, sur l’aimant. Ainsi, l’énergie présente dans la spire a sa source soit dans une perte d’énergie cinétique de l’aimant qui se trouve ralenti, soit dans le travail d’une force appliquée, soit dans l’une et dans l’autre. De tels phénomènes sont mis en oeuvre de façon courante dans le domaine de l’électrotechnique où il s’est toujours trouvé que les distances entre les éléments inducteurs et induits étaient aussi faibles que possible, en fonction de quoi, on a considéré que les temps de propagation des champs prévus par la théorie classique étaient négligeables; finalement, on a fait comme s’ils étaient nuls, ce qui revenait à se placer, pour interpréter les phénomènes, dans le cadre de la théorie électromagnétique pré-maxwellienne qui considérait ces interactions comme instantanées. La compréhension de la réalité physique impose de traiter le problème, au moins une fois pour toutes, en prenant en compte cet élément-clé de la théorie en vigueur que constitue la propagation. On constate alors que la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement n’est pas respectée entre le moment où le courant prend naissance dans la spire et le moment où le champ du courant induit parvient à l’aimant. De plus, on dispose d’une configuration particulièrement significative et clarificatrice: l’aimant est déplacé entre deux positions de repos dont les distances à la spire font que le champ du courant induit dans celle-ci ne peut réagir sur l’aimant que postérieurement à son immobilisation. Dans ces conditions, la théorie postule que l’aimant effectue son déplacement comme si la spire n’existait pas, donc sans possibilité de mise en œuvre de relations de cause à effet en fonction desquelles il pourrait y avoir transfert d’énergie à destination de celle-ci, alors que la variation inéluctable du flux du champ magnétique sur sa surface (prévue par la théorie mais supposée retardée) va impliquer un courant induit, donc la présence d’énergie: il y a contradiction entre deux facettes de la théorie, d’une part, entre les conséquences de la théorie et la réalité physique, d’autre part. On aboutit à la même conclusion en transposant ce raisonnement à l’interaction d’une charge électrique en mouvement (par exemple en mouvement rectiligne uniforme qui exclut toute possibilité de rayonnement) et d’une spire conductrice fixe. Cette analyse rejoint celle faite sur les racines de la théorie de la relativité. Elles conduisent, l’une comme l’autre, à considérer que le phénomène supposé de propagation du champ n’a pas d’autre réalité que celle d’une hypothèse inexacte et que les transferts d’énergie de l’aimant à la spire sont instantanés. Dans ces conditions, le champ magnétique est lié rigidement à l’aimant, et les phénomènes électromagnétiques qui interviennent sont identiques dans les deux cas envisagés. De même, le champ d’une charge électrique est lié rigidement à celle-ci. Il s’agit là des processus élémentaires et fondamentaux des interactions électromagnétiques et les hypothèses que l’on est amené à faire pour éliminer ces anomalies peuvent être soumises à des vérifications expérimentales simples et décisives.

 

La situation du début du XXIe siècle présente des similitudes avec celle du début du XXe, lorsque la physique, selon Lord KELVIN, constituait un ensemble parfaitement harmonieux et pratiquement achevé... à l’exception de deux petits nuages sombres, lesquels furent à l’origine de relativité et des quanta. Aujourd’hui, l’inséparabilité quantique prend la place qu’occupait hier la catastrophe ultraviolette et l’effet photo-électrique. Dès lors que le concept de propagation se révèle comme étant inexact, et qu’il apparaît que les interactions de couplage impliquent des transferts instantanés d’énergie, l’inséparabilité quantique rentre dans la même classe de phénomènes que le couplage et l’anomalie en cause disparaît ainsi que celles mentionnées ici, au niveau des racines de la théorie de la relativité restreinte et de l’électromagnétisme relativiste. En contre-partie, on doit, de nouveau, introduire une mutation profonde des fondements de la physique.

 

Toutefois, la situation actuelle présente une différence avec celle du début du XXe siècle: alors que les anomalies rencontrées à cette époque empêchaient la physique de progresser, celles qui ont jalonné le siècle ont perduré sans empêcher, en quoi que ce soit, les avancées. Cette situation surprenante tient à l’importance de la place prise par la physique mathématique qui a eu la particularité de parvenir à des résultats valables en partant de bases inexactes et, surtout, en occultant les anomalies sous-jacentes. Ce qui est développé dans les recherches sur la dualité de l’espace-temps constitue un ensemble d’éléments qui permettent, à la lumière des connaissances d’aujourd’hui, de déceler en quoi les théories mises en oeuvre se sont écartées d’une expression fidèle de la réalité physique.

 

L’abandon du concept de propagation conduit à une physique dont des pans entiers seront profondément différents de ce que l’on a imaginé et pour lesquels presque tout reste à découvrir. La démarche qui conduit à cette situation conduit aussi à redécouvrir certains aspects de la réalité physique qui se sont trouvés profondément enfouis sous les formalismes mathématiques. On peut penser que ces nouveaux développements amplifieront ce mouvement, rendant l’étude de la physique incomparablement plus attractive pour les chercheurs comme pour les étudiants.

 

 

Une faille dans la théorie des quanta

 ouvre la voie

vers la relativité restreinte

 

 

En introduisant les quanta dans la structure de la lumière, Albert EINSTEIN amorçait des avancées considérables de la physique. Pourtant, on sait aujourd’hui qu’il manquait un maillon dans sa découverte: la structure quantique ne concerne pas seulement la lumière mais l’ensemble de l’énergie électromagnétique radiante donc, en particulier, les ondes radioélectriques; cela allait rester, pour longtemps, en dehors du domaine d’action des physiciens et avoir des conséquences importantes sur l’évolution générale des théories de la physique. Dans son article introduisant la relativité restreinte, il s’appuie sur ce qu’il désigne comme les Equations de MAXWELL-HERTZ et dans son article introduisant la relativité générale, sur ce qu’il désigne comme les Equations de MAXWEL-POYNTING; dans les deux cas, les équations en cause conduisent à l’interprétation du rayonnement hertzien par la propagation du champ électromagnétique, à l’exclusion des quanta, et ce qu’il développe ainsi diverge par rapport à la réalité physique qu’il a mise en évidence, mais seulement pour la lumière. Dès lors que l’on postule la structure quantique de l’énergie radiante dans l’ensemble du champ électromagnétique, celle-ci est constituée, selon sa propre expression, de quanta émis tout d’un bloc et se déplaçant sans se diviser et la propagation du champ n’y a plus sa place puisqu’elle correspondrait à une énergie distribuée de façon continue sur un volume sans cesse croissant. En outre, compte tenu de ce qui a été dit précédemment concernant le couplage, il ne reste plus aucun domaine dans lequel la propagation du champ maxwellien ait sa place.

 

Pour reprendre l’image d’Albert EINSTEIN lui-même, la bonne piste s’arrête au point du cheminement où il ne fait pas entrer les quanta dans le domaine radioélectrique. Cela va amorcer la plus grande itération qu’ait connu la physique en maintenant l’adhésion de la communauté scientifique au concept de propagation qui implique les interactions retardées et exclut les interactions instantanées. On est là au cœur de la discordance entre la relativité et les quanta.

 

Si la clairvoyance et l’audace scientifique d’Albert EINSTEIN lui avaient fait prendre conscience de la réalité quantique dans l’ensemble du spectre électromagnétique, il aurait été inévitablement conduit à rejeter la propagation, mais on va voir l’impact positif que ce concept inexact a eu sur la suite du développement de la physique. Le concept de propagation, précisément parce qu’il exclut les interactions instantanées, intervient d’entrée dans la démarche vers la relativité restreinte, puisque le premier problème qui se pose à Albert EINSTEIN consiste à synchroniser des horloges situées en des points différents et qu’il est convaincu de ne disposer d’aucun signal, quelle qu’en soit la nature, qui puisse transiter instantanément d’un point à l’autre de l’espace. D’où la remise en cause de la notion de simultanéité et la synchronisation des horloges par des signaux lumineux. On est là aux racines de la théorie de la relativité et toute la suite connue en découle, de la Transformation de LORENTZ redécouverte par un cheminement nouveau et introduite au cœur de la théorie, à l’Espace-Temps de MINKOWSKI et à la formulation quadri-dimensionnelle de l’électromagnétisme (la relation x²+y²+z²-c²t² = 0 apparaît déjà dans son texte, ce qui impliquera que le Laplacien, qui exprime la Loi de Coulomb, devienne un Dalembertien et soit supposé exprimer la propagation, aux racines les plus profondes de l’espace-temps).

 

Lorsqu’on se place dans la configuration conceptuelle qui fait que l’interaction d’un aimant (ou d’une charge) avec un conducteur, ne dépend effectivement que du mouvement relatif des deux éléments concernés, on est conduit à postuler que le champ est solidaire de l’aimant (ou de la charge) et, en conséquence, se déplace en bloc avec lui (ou avec elle), comme le prévoyait la théorie électromagnétique pré-maxwellienne. Dans ces conditions, le déplacement d’un aimant engendre des forces électromotrices simultanées dans tous les conducteurs existant dans l’espace, et on retrouve alors la réalité physique de la simultanéité, au sens classique du terme. Si Albert EINSTEIN avait eu conscience de cela, il n’aurait plus eu aucune raison de remettre en cause la simultanéité classique, ni de prévoir la synchronisation de ses horloges par des signaux optiques; il ne pouvait plus alors aboutir à la relativité telle qu’il l’a développée et à son extraordinaire fertilité liée à son adéquation à l’expression de pans entiers de la réalité physique. Le concept de propagation ayant exclu l’instantanéité dans les prémisses de la relativité einsteinienne, il est normal que l’instantanéité soit restée exclue de ce qu’implique la théorie, mais celle-ci a ancré encore plus profondément la propagation dans la physique, les succès spectaculaires de la théorie ayant pris valeur de confirmation expérimentale de la validité de ses fondements. La fausse piste liée au fait que les quanta ont été exclus de l’onde radioélectrique a conduit à la bonne piste de la relativité qui va assimiler pleinement et conforter la fausse piste de la propagation. On se trouve en face d’une extraordinaire imbrication des apparences, des concomitances et des réalités, des bonnes pistes et des fausses pistes.      

 

 

La propagation et les théories quantiques

 

 

Comme on l’a vu ci-dessus, dès lors que l’on considère que l’énergie portée par les ondes radioélectriques est constituée, comme celle de la lumière, de quanta, il ne reste plus de place pour le champ maxwellien supposé se propager. A la fin des années 20, la quantification du champ électromagnétique ayant été réalisée, il devenait possible de considérer l’ensemble du rayonnement électromagnétique comme constitué de quanta. Pourtant, cette évolution n’a pas conduit à remettre en cause la propagation. On retrouve ainsi un autre aspect de la situation qui s’est amorcée avec la contradiction mentionnée aux racines de la relativité, et qui est restée inapparente. Il s’agit de comprendre pourquoi les démarches qui ont conduit à la quantification du champ (théories quantiques des champs, électrodynamique quantique) n’ont pas suscité des conclusions similaires à celles qui auraient résulté de l’extension directe, aux ondes radioélectriques, de l’apport initial d’Albert EINSTEIN.

 

En 1924, Louis de BROGLIE concluait sa thèse introduisant la mécanique ondulatoire en écrivant: « 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. »

 

La démarche de Louis de BROGLIE, prolonge celle d’Albert EINSTEIN, dans la même ligne de pensée et d’action: dans les deux cas, les théories maxwelliennes sont considérées comme incompatibles avec les quanta qu’elles ignorent totalement. C’est dans une voie fondamentalement différente que vont s’orienter les démarches engagées pour aboutir à une structure quantique du champ électromagnétique et de l’énergie que la théorie lui associe. A cette époque, excepté le souci de l’unicité de nature de l’énergie radiante, rien n’était venu remettre en cause la validité de l’électromagnétisme relativiste vis à vis de l’interprétation du rayonnement d’énergie résultant de la présence d’un courant à haute fréquence dans un conducteur. On a donc pris les Equations de MAXWELL comme point de départ, en postulant la validité de ce qui apparaissait comme l’une de leurs conséquences: la propagation du champ. Synthétiquement, les traités d’électrodynamique quantique (ou de théorie quantique du champ électromagnétique) expriment habituellement la propagation du champ libre (champ en l’absence de charges) à partir de la relation concernant le potentiel-vecteur  A  : 

 

  

 

Cette équation, et celles de même nature concernant les champs électrique et magnétique, englobent la faille qui met la relativité en contradiction avec elle-même au niveau de ses racines, et qui a déjà été analysée ici sous plusieurs angles. En fait, cette équation n’exprime pas la réalité physique, et cela à deux niveaux.

 

A un premier niveau. Comme indiqué précédemment, lorsqu’il y a rayonnement hertzien, ce n’est pas le champ électromagnétique du courant parcourant l’antenne d’émission qui se propage; il y a, comme pour la lumière, création des particules que sont les photons qui, en même temps qu’ils se déplacent dans l’espace à la vitesse de la lumière, deviennent les sources du champ.

 

A un second niveau. On sait depuis la fin du XIXe siècle que les ondes électromagnétiques sont émises lorsque des charges électriques sont accélérées, avec un niveau suffisant d’accélération. Cela intervient, en particulier, dans une antenne émettrice parcourue par un courant à haute fréquence parce que certains des électrons de conduction sont animés d’un mouvement oscillatoire et subissent une telle accélération. Mais on a vu aussi que les théories maxwelliennes avaient conféré une interprétation plus large au concept de propagation du champ et l’avaient impliqué à la racine des interactions retardées. Ainsi un aimant qui est en mouvement est supposé émettre en permanence un champ magnétique à partir de chaque position successive de sa trajectoire. En prenant le cas d’une charge électrique en mouvement rectiligne uniforme (on est sûr ainsi qu’elle n’émet pas de rayonnement), la théorie conduit à considérer que le champ électromagnétique en un point P de l’espace et à un instant donné, dépend du passage de la charge en une position antérieure de sa trajectoire, à un instant antérieur. Cela suppose que le champ s’est propagé de la position antérieure de la charge au point P, pendant que la charge se déplaçait de sa position antérieure à sa position actuelle. Cela implique que, en chacun des points de sa trajectoire, la charge émette son champ électromagnétique associé à de l’énergie et de la quantité de mouvement. Contrairement au cas de l’énergie rayonnée lorsque des charges électriques sont accélérées, le flux de cette énergie sur une sphère entourant la zone d’émission de la charge décroît quand le rayon croît et s’annule à l’infini. Une telle situation ne peut pas correspondre à la réalité physique. Il n’est pas possible qu’une charge qui se déplace dans l’espace en restant à énergie constante émette, vers l’infini du temps et de l’espace, de l’énergie et de la quantité de mouvement, et il n’est pas possible que de l’énergie et de la quantité de mouvement, émises dans l’espace, s’y évanouissent sans laisser de traces.

 

C’est pourtant sur ces bases que la quantification générale du champ électromagnétique a été effectuée. Sachant qu’elle a été remarquablement fertile malgré la faille que constitue la propagation, il devient essentiel de pénétrer les arcanes de cette situation en examinant comment la quantification mathématique a été mise en oeuvre.

 

Lorsque Albert EINSTEIN introduit la quantification de la lumière, il fait une démarche de physique théorique dans laquelle on a la possibilité de faire des images mentales qui tentent de représenter la réalité physique (quanta d’énergie émis tout d’un bloc..., énergie distribuée de façon continue...). La quantification générale du champ électromagnétique est réalisée dans le cadre d’une physique mathématique qui exclut les représentations intellectuelles; elle correspond à une sorte de pilotage sans visibilité, dont les automatismes sont gérés largement par l’inconscient, beaucoup plus proche des lois de la nature que la pensée consciente. Cette physique mathématique, portant sur un champ qui est supposé se propager, met en oeuvre des instruments subtils: décomposition du champ en ondes progressives (décomposition en Séries de FOURIER), opérateurs qui ne commutent pas substitués aux champs et aux potentiels, introduction de la Constante de PLANCK dans les relations de non-commutation. Au terme de cette démarche, l’énergie que la théorie associe au champ libre dans l’espace, ou dans un volume donné (cube de quantification), apparaît comme une somme d’énergies élémentaires, chacune étant proportionnelle à la Constante de PLANCK et à une fréquence; le champ libre étant supposé en propagation, cette énergie est considérée comme constituée de photons.

 

Examinons comment les choses se passent pour le champ libre qui parvient à un cube de quantification avec son énergie et sa quantité de mouvement. Evidemment, ce champ a des sources, et l’équation      implique, outre le fait qu’il est supposé s’être propagé jusqu’au cube de quantification, qu’il a été émis conformément à ce que prévoient les Equations de MAXWELL. Jusque là, on n’a fait aucune hypothèse sur les conditions dans lesquelles se trouvent les sources du champ, et, en particulier, s’il y a ou non des charges qui sont ou ont été accélérées. Si tel est le cas, et qu’il y ait eu rayonnement d’énergie dont une part serait parvenue au cube de quantification, les hypothèses que l’on a faites impliquent de considérer que cette énergie est distribuée dans l’espace de façon continue sur un volume sans cesse croissant: à partir de là, on ne peut pas postuler que le formalisme mathématique mis en œuvre va transformer cette structure physique continue de l’énergie en une structure discontinue. Par contre, si le formalisme mathématique conduit à une expression du champ et de l’énergie qui s’avère extraordinairement fertile, ce qui est le cas, alors il faut en conclure que l’on est parti de bases inexactes pour aboutir à des résultats cohérents avec la réalité physique. On est parti du postulat de la propagation qui correspond à une fausse piste, la démarche mathématique effectuée n’est pas intervenue sur la structure de l’énergie, mais elle nous conduit à découvrir que celle-ci n’a pas été émise comme nous le supposions, mais sous forme de quanta. Cela signifie que les physiciens qui ont élaboré cette démarche ont cru qu’elle procédait de la logique des mathématiques alors qu’elle procédait des facultés transcendantes de l’esprit, c’est à dire du génie. Lorsque des avancées ont été réalisées dans de telles conditions, on peut aussi attendre que l’élimination de ce qu’il y a d’inexact, à leurs racines, conduise à de nouveaux progrès.

 

On arrive ainsi à la situation suivante: entre la mécanique quantique et l’électrodynamique quantique qui, ensemble, résolvent sans faille tous les problèmes qui se posent en physique, physico-chimie et chimie, en parfaite cohérence avec les données expérimentales, comment se fait-il que l’anomalie de la propagation ne soit pas apparue? Il peut y avoir plusieurs éléments de réponse à cette question. Un de ces éléments, entre autres à découvrir, pourrait être le suivant. Le traitement mathématique du problème conduit à exprimer l’énergie supposée associée au champ sous forme hamiltonienne ce qui revient à assimiler le champ à un ensemble d’oscillateurs, évidemment fictifs (décomposition du champ en oscillateurs), qui deviennent, sans doute plus inconsciemment que consciemment, les pseudo-sources du champ. On a, en quelque sorte, concrétisé (virtuellement) la déconnexion entre le champ et ses sources, lesquelles ne seront plus prises en compte dans les interactions. On s’intéresse au champ là où il est, comme il est, et sa propagation à partir de ses sources n’intervient pratiquement plus dans les raisonnements. Il y aura là matière à une intéressante analyse épistémologique.

 

Le renoncement à la propagation, telle qu’elle avait émergé des théories maxwelliennes, conduit à une physique largement différente de celle que l’on connaît et dans laquelle l’électromagnétisme classique devra lui-même être profondément remanié: on devra prendre en compte des retards proportionnels à la distance mais liés à une réalité physique totalement différente de la propagation (corrélation ou intrication des charges concernées). On pourra se reporter au chapitre 2 du site où cet aspect des choses a été esquissé. Les fausses pistes sont extraordinairement imbriquées dans les bonnes pistes.

 

 

Réflexions sur l’accès intellectuel à la réalité physique

 

 

Après le congrès Solvay de 1927, Albert EINSTEIN disait à Louis de BROGLIE: « Toute théorie physique devrait pouvoir, en dehors de tout calcul, être illustrée par des images si simples qu’un enfant même devrait pouvoir les comprendre. » Un quart de siècle plus tard, Louis de BROGLIE écrit « Ce qui m’apparaît comme essentiellement désirable, c’est le retour à des images spatio-temporelles précises permettant de comprendre clairement de quoi l’on parle. »

 

Pour illustrer ces propos, il faut revenir, une fois encore, sur la façon dont Albert EINSTEIN a déconnecté l’émission de la lumière de la Théorie de MAXWELL, tout en admettant que la théorie ondulatoire de la lumière s’est avérée parfaite pour ce qui est de la description des phénomènes purement optiques, mais en notant qu’il ne faut pas cependant perdre de vue que les observations optiques portent sur des valeurs moyennes et pas sur des valeurs instantanées, sa démarche aboutissant, en conclusion, à introduire les quanta d’énergie émis tout d’un bloc et se déplaçant sans se diviser. Il s’agissait là d’une remarquable anticipation des phénomènes de création de particules sous une formulation compréhensible par tout le monde. De plus, il devenait clair que la théorie compatible avec cette situation ne pouvait pas être celle qui prévoyait une énergie distribuée de façon continue sur un volume sans cesse croissant. Lorsque la théorie de l’Atome de BOHR a été élaborée, les conditions d’émission des quanta sont apparues pleinement cohérentes avec la théorie. Il était possible alors de faire des images intellectuelles des phénomènes en revenant aux grains de lumière d’Isaac NEWTON.

 

Les problèmes qui ont été évoqués dans les lignes précédentes se rattachent à la façon dont on a interprété l’évolution des phénomènes quand on passe des quanta du spectre visible aux quanta du spectre hertzien, à l’époque où les quanta sont devenus les photons. En fait, alors que le concept des grains d’énergie a été pleinement accepté pour la structure de la lumière, rien de semblable n’a été élaboré pour la structure des rayonnements allant de l’infrarouge aux ondes longues de la radioélectricité; si cela n’est même pas entré dans les préoccupations, qu’il s’agisse de la recherche ou de l’enseignement, c’est précisément parce que l’évolution de la physique avait conduit à renoncer aux images spatio-temporelles. Ainsi, lorsque les photons sont entrés au cœur de l’électrodynamique quantique, ils y ont pris une place beaucoup plus large que celle qu’ils avaient acquise initialement dans l’interprétation de la lumière, mais en restant dans l’abstraction (cette abstraction qui caractérise les théories quantiques et qui rebute souvent les étudiants de venir vers ces disciplines); ils n’ont pas conduit à dégager le rayonnement hertzien du concept de propagation du champ de la source émettrice, comme cela s’est produit pour la lumière.

 

Essayons de réexaminer cet aspect des choses en suivant les photons dans leur gamme d’énergies depuis les plus hautes jusqu’aux plus faibles. Pour cela, on partira de l’image que l’on peut se faire d’un photon en observant, sur des clichés de Chambres de WILSON, la transmutation d’un rayon gamma issu des profondeurs de l’espace cosmique en une paire e+, e-. Un exemple comme celui-là illustre bien, a posteriori, ce qu’Albert EINSTEIN avait anticipé en évoquant les quanta d’énergie émis tout d’un bloc et se déplaçant sans se diviser. On perçoit physiquement, la différence, dans la nature du phénomène et dans ses effets, avec une onde dont l’énergie se serait étalée sur une sphère centrée sur sa source et dont le rayon atteindrait des années-lumière. On perçoit aussi la continuité du phénomène quantique lorsque l’on passe des rayons gamma ou rayons X, où l’Effet COMPTON est possible, à l’ultraviolet dont les photons peuvent encore produire l’effet photoélectrique sur un métal, puis à la lumière visible dont les photons sont tout juste capables d’extraire des électrons d’un corps plus photosensible. Si les caractéristiques des photons changent avec l’énergie unitaire dont ils disposent, et si les caractéristiques ondulatoires se développent en même temps que les caractéristiques corpusculaires s’atténuent, il n’en reste pas moins que l’essentiel de la caractéristique corpusculaire demeure. Si nous nous appuyons sur l’unicité de nature que la quantification de l’énergie électromagnétique a fait apparaître dans tout le spectre, nous arrivons à une interprétation de la structure de l’énergie d’une onde radioélectrique émise vers l’espace, qui permet de percevoir l’incompatibilité de l’hypothèse de la propagation du champ maxwellien avec la réalité physique: aux confins de l’univers, ce sont des quanta d’énergie (on pourrait parler de bulles ou de nuages d’énergie pour les grandes longueurs d’onde, au lieu de grains d’énergie) identiques à ce qu’ils étaient au moment de leur émission, mais de plus en plus espacés les uns des autres. Il n’est donc pas possible de concevoir qu’ils aient été émis conformément aux théories maxwelliennes qui conduiraient à prévoir que l’énergie serait distribuée de façon continue sur un volume sans cesse croissant.

 

La structure quantique de l’énergie hertzienne fait émerger une autre facette. Le champ maxwellien agit sur toutes les charges électriques, aussi bien sur un électron lié à un atome (un ion) que sur un électron libre. Par exemple, lorsqu’un électron unique est dans un piège électromagnétique (système utilisé entre autres pour mesurer le moment gyromagnétique de l’électron), il est alors dans un champ de couplage et son mouvement obéit aux lois dérivées des Equations de MAXWELL; de même un électron libre de l’environnement cosmique subit une action d’un champ magnétique tel que le champ terrestre. Mais que se passe-t-il si un électron libre est dans un champ de rayonnement? Lorsqu’un photon de haute énergie (X ou gamma) interagit avec un électron libre par Effet COMPTON, l’interaction a les caractéristiques d’un choc élastique qui permet la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement. Les choses se passent différemment pour des photons de basse énergie. Un photon, tel que ceux des rayonnements lumineux ou hertziens, ne peut déclencher une interaction avec un électron que si celle-ci est de type choc inélastique, dans laquelle il est totalement absorbé; si un choc de cette nature intervenait avec un électron libre, il ne pourrait y avoir simultanément conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement. De ce fait, les photons de basse énergie n’interagissent pas avec un électron libre. La situation est différente, lorsque des photons hertziens sont captés par une antenne, ou plus généralement par un ion: un électron absorbe l’énergie du photon, et l’atome auquel il est lié contribue à l’équilibre du bilan simultané d’énergie et de quantité de mouvement. La structure quantique du rayonnement hertzien (il s’agit exclusivement, en la matière de photons réels) contribue à mettre en évidence que les ondes radioélectriques ne peuvent pas procéder de la propagation maxwellienne du champ du dipôle (ou du circuit) émetteur. Ainsi, tout converge pour démontrer que le phénomène de propagation ne correspond plus à aucune réalité.  

 

Ce qui précède ne conduit pas à sous-estimer l’aspect utilitaire que le concept de propagation du champ a pris dans la formulation des lois du rayonnement: comme il s’est toujours trouvé que les énergies rayonnées, dans le domaine radioélectrique, correspondaient à un très grand nombre de photons, le champ créé par ces photons s’est trouvé systématiquement équivalent au champ calculé à partir des équations issues des théories maxwelliennes; on retrouve ce qu’Albert EINSTEIN disait concernant la validité de la théorie de MAXWELL pour exprimer les lois du rayonnement lumineux, en valeurs moyennes, c’est à dire lorsqu’il y a un grand nombre de photons. Le fait de conférer au photon une place à part entière dans le rayonnement hertzien ne changera rien à cela: la formulation du champ par les potentiels retardés restera la seule voie mathématiquement exploitable.

 

La physique mathématique mise en oeuvre dans la mécanique quantique et l’électrodynamique quantique a été en quelque sorte symbolisée par la position de Werner HEISENBERG concernant les éléments d’entrée de la mécanique des matrices limités aux observables et précisant: « 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. » Sans doute la physique mathématique établie à partir des « observables», a-t-elle été couronnée des plus grands succès. Sans doute aussi, s’est-on dégagé d’une trop grande rigidité intellectuelle et du carcan des images. Mais, lorsque l’expérimentation permet d’observer comment un ion unique enfermé dans un piège électromagnétique émet des photons, on revient vers davantage de visualisation et d’interprétation de la réalité physique. Il n’est pas impensable qu’il soit profitable de recommencer à étayer les raisonnements sur des images reflétant approximativement la réalité physique. L’aboutissement du présent travail doit beaucoup aux tentatives faites pour parvenir à une représentation du photon hertzien; sans doute l’image d’un grain d’énergie  pour représenter un photon gamma, X ou visible n’est-elle que très approximative, comme est approximative l’image d’une bulle ou d’un nuage d’énergie pour un photon hertzien. Mais lorsqu’une telle image est mise en œuvre, elle met bien en évidence l’incompatibilité du rayonnement hertzien avec l’interprétation qui s’appuie sur la propagation du champ; elle peut aider à retrouver la bonne piste. 

 

 

 

Albert EINSTEIN et l’Année de la Physique

 

 

Au moment où l’on célèbre le centenaire des avancées amorcées par Albert EINSTEIN et le cinquantenaire de sa mort, le plus grand hommage que l’on puisse lui rendre sera sans doute de prendre appui sur l’ensemble de son travail, y compris les failles qu’il y a introduites ou qu’il y a laissées, pour aller de l’avant vers la solution des problèmes qu’il nous appartient de résoudre; les prémisses inexactes et les anomalies introduites en cours d’élaboration semblent avoir été systématiquement les éléments indispensables et cruciaux des avancées. L’habitude s’est établie de considérer que le Débat EINSTEIN-BOHR avait tourné à l’avantage des thèses de l’Ecole de COPENHAGUE et que l’expérimentation menée sur les particules intriquées a contredit la relativité einsteinienne. On n’oubliera pas ce que l’on doit au Paradoxe EINSTEIN-PODOLSKY-ROSEN et aux expériences qu’il a suscitées (expériences de pensée devenues des expériences réelles), pour la clarification des problèmes évoqués ici. S’il n’a pas toujours suivi de bonnes pistes, ses mauvaises pistes n’ont été que des maillons transitoires d’un déterminisme qui a contribué au succès de la marche vers la vérité scientifique. Ce sont les prolongements de l’œuvre d’Albert EINSTEIN qui conduisent à renoncer au concept de propagation, sans rien enlever au mérite de tous les travaux qui ont fait la physique d’aujourd’hui.