Blog de Paul Jorion

Ce texte est un « article presslib’ » (*)

Dans un article publié en 1905, « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement », l’un des cinq articles qu’il rédigea cette année-là (et dont John Stachel qui les republia dans un volume, dit à juste titre qu’ils « changèrent la face de la physique » – Stachel 1998 : 6), Einstein évoque, pour reprendre ses propres termes : « la conjecture dont le contenu sera appelée par la suite, « le principe de relativité »… » (Stachel 1998 : 124). En 1969, l’historien des sciences Gerald Holton se pencha sur un paradoxe apparent à propos de cet article d’Einstein. Comment est-il possible, alors que les explications habituelles de l’origine de ce que nous appelons aujourd’hui la « théorie de la relativité » considèrent que sa justification expérimentale est l’« expérience cruciale de Michelson et Morley » (que je décrirai un peu plus loin), Einstein non seulement ignore cette expérience dans son article mais aussi n’établira jamais qu’à regret un lien entre sa théorie, telle qu’il la formula pour la première fois dans cet article de 1905, et l’expérience qui avait eu lieu dix-huit ans auparavant à Cleveland dans l’Ohio (au Case Institute of Technology, dont le nom est aujourd’hui « Case-Western Reserve University »). Ou, en inversant alors la perspective, pourquoi la plupart des exposés relatifs à la physique au XXe siècle s’évertuent-ils à établir une connexion entre cette expérience et la théorie de la relativité, alors qu’Einstein dénie implicitement qu’il existe entre les deux une connexion déterminante (Holton [1969] 1973 : 261 – 352) ?

La réponse à ces questions n’est pas indifférente car elle touche à l’essence-même de la démarche scientifique et révèle le fossé inquiétant existant entre l’image que le public profane se fait du travail du savant et sa réalité profonde.

En 1887, à l’aide d’un appareil qu’il avait inventé, appelé depuis interféromètre de Michelson, Michelson aidé de Morley mirent en évidence qu’un principe familier des physiciens, établi par Newton, celui de l’additivité des vitesses, ne s’applique pas à la lumière.

Le principe newtonien se comprend aisément de manière intuitive. Disons que quand vous frappez une balle de golf, elle se déplace à une vitesse de 100 km à l’heure. Imaginons maintenant que vous vous trouviez sur le toit d’un train qui se déplace lui aussi à du 100 km à l’heure et que, visant vers l’avant du train, vous frappiez la balle de golf. Le fait que le train se déplace déjà à du 100 à l’heure, et que l’impulsion que vous êtes à même de donner à une balle de golf soit elle aussi de 100 km à l’heure, signifie-t-il que vous serez incapable de déplacer la balle quand vous la frapperez ? La réponse est bien sûr non : si vous frappez la balle dans le sens de la marche du train, les 100 km à l’heure résultant de l’impulsion que vous donnez à la balle s’additionneront à la vitesse du train : les vitesses de la balle et du train s’additionneront et la balle s’envolera à du 200 kilomètres à l’heure. Cette additivité est très précisément le principe que Newton établit en son temps.

(Que se passe-t-il si vous frappez la balle en direction de l’arrière du train ? Oui, bien entendu : les deux vitesses, celle de la balle et celle du train s’annuleront par rapport au monde extérieur au train et la balle se dirigera verticalement vers le sol, comme si elle tombait de la tête de votre club.)

Ce que Michelson et Morley parvinrent à établir grâce à l’expérience qu’ils réalisèrent en 1887 (Michelson la répéterait en 1897 à l’Université de Chicago où il enseignait désormais), c’est que le principe newtonien ne s’applique pas à la lumière. Imaginons cette fois, que vous vous trouvez sur le toit d’un vaisseau intergalactique se déplaçant dans l’espace à la moitié de la vitesse de la lumière et que vous dirigez le faisceau de lumière émanant d’une torche d’un modèle courant dans la direction où progresse le vaisseau stellaire. Si le principe newtonien d’addition des vitesses s’appliquait à la lumière émanant de votre torche, elle voyagerait maintenant à une vitesse égale à une fois et demie celle de la lumière. Or, ce que l’« expérience cruciale » de Michelson et Morley révéla, c’est que ce n’est pas le cas : le principe d’additivité des vitesses ne s’applique pas : quelle que soit la vitesse à laquelle se déplace l’émetteur de lumière, la vitesse de la lumière dans le faisceau émis est c : 300 000 kilomètres par seconde, ni plus ni moins. Autrement dit, la vitesse de la lumière est constante (c représente en fait la vitesse de la lumière dans un vide).

Comment Michelson et Morley procédèrent-ils dans leur expérience ? Ce qui correspond au train ou au vaisseau intergalactique dans mes illustrations, c’est dans ce cas-ci, la planète Terre. Ils dirigèrent un faisceau de lumière dans la direction du mouvement général de la Terre (combinaison de sa rotation sur son axe et de sa rotation autour du Soleil) et un autre faisceau perpendiculairement au premier, disons en direction du ciel au-dessus du Pôle Nord. L’interféromètre de Michelson, par un jeu de miroirs, renvoie chacun des deux faisceaux perpendiculaires vers son point d’émission, ce qui permet d’enregistrer la durée exacte d’un trajet aller-retour, l’un dans la direction du mouvement général de la Terre et l’autre, perpendiculairement. Ce que l’on constate, c’est que le temps pris par les deux faisceaux pour revenir à leur point d’émission est identique, montrant que la vitesse de la lumière ne subit aucune influence du moment de la Terre dans son déplacement.

Bien entendu – et la chose n’est pas indifférente – dans le contexte de l’époque, la lumière étant censée se déplacer à travers l’éther, un médium dont le concept a été abandonné (1) (la lumière voyagerait à travers l’éther de la même manière que le son se déplace dans l’air). L’expérience de Michelson et Morley avait donc mis en évidence sans qu’aucun doute ne soit permis, que la vitesse de la lumière est constante, une constance centrale à l’argumentation d’Einstein dans « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement ».

Alors pourquoi Einstein ne mentionne-t-il pas dans son texte, l’« expérience cruciale » ? Parce qu’à ses yeux, elle était superflue. Selon lui, la constance de la vitesse peut être établie par un simple raisonnement, tel celui qu’il propose dans son article. Pour Einstein, il est possible d’aboutir à la constance de la vitesse de la lumière de manière déductive et ceci pratiquement sans effort, en partant d’un phénomène familier de l’électrodynamique de son temps. On avait ainsi mis en évidence que si un aimant et une bobine se déplacent l’un par rapport à l’autre, un courant électrique est induit dans la bobine. Mais la physique de son temps offrait deux explications distinctes de ce phénomène, selon que c’était l’un ou l’autre qui était considéré comme en mouvement et l’autre, immobile. Aux yeux d’Einstein, il allait de soi que le mouvement de la bobine et de l’aimant était relatif l’un par rapport à l’autre et que la même explication devait s’appliquer à ce qui était en réalité la même expérience.

Pour Einstein, la constance de la vitesse de la lumière pouvait être établie selon le même principe. Dans un récit autobiographique qu’il rédigea bien des années plus tard, Einstein écrivait : « Plus le temps passait et plus mon effort semblait désespéré, plus je me convainquais que seule la découverte d’un principe formel universel pouvait déboucher sur des résultats solides. L’exemple qui s’offrait à moi était celui de la thermodynamique […] Comment un tel principe universel pouvait-il être découvert ? Après dix ans de réflexion, un principe de cette nature émergea d’un paradoxe qui m’était déjà apparu à l’âge de seize ans : si je poursuis un faisceau lumineux dont la vitesse est c (la vitesse de la lumière dans le vide), un tel faisceau lumineux devrait m’apparaître comme un champ électromagnétique spatialement oscillatoire au repos » (Einstein 1949 : 53). Et ceci semble intuitivement impossible : le « voyageur lumineux » ainsi que la lumière constituent ensemble un système que l’on ne peut envisager qu’arbitrairement comme étant soit en mouvement, soit au repos, et la perception que peut avoir un observateur dans l’un et l’autre cas ne peut pas être différente.

Alors qu’aux yeux d’Einstein, l’expérience de Michelson et Morley constituait une confirmation inutile d’un fait allant de soi, Michelson de son côté demeura perplexe durant plusieurs années, convaincu que son expérience – dont il avait espéré qu’elle mettrait en évidence l’effet de friction de l’éther sur la lumière (« the ether-drift ») – constituait un échec retentissant. Ce n’est qu’à regret qu’il affirma à la fin de sa vie que l’inexistence de son éther « chéri » avait été prouvée [ce qui n’est cependant pas le cas si l’on admet l’argumentation de Cassirer présentée en note (1)] et qu’il se réconcilia avec le fait qu’il était désormais considéré comme l’auteur de l’« expérience cruciale » ayant ouvert la voie à Einstein. Pendant ce temps-là, à Bâle en Suisse, le jeune Albert Einstein considérait que cette expérience – même si elle était remarquable en soi – était superflue, et c’était par ailleurs une telle confiance en soi qui faisait que le jeune Albert n’était pas uniquement un jeune physicien mais celui qui deviendrait Albert Einstein.

Dans une large mesure, les deux conceptions concurrentes de la démarche scientifique, l’approche expérimentale et l’approche déductive correspondent à la dichotomie que Holton découvrit dans son article : la conception expérimentale correspond à l’image de la science proposée au profane dans les manuels scolaires ou de vulgarisation, tandis que l’approche déductive correspond bien davantage à la véritable démarche du savant. Une telle dichotomie clairement établie pourrait cependant déboucher sur une simplification brutale de la réalité des pratiques : en réalité, les deux sont pratiquées, et d’ailleurs souvent combinées par le même scientifique. Parfois aussi, elles empruntent des voies entièrement distinctes et, dans ce cas-là, bien plus souvent qu’il ne serait souhaitable pour l’entreprise scientifique elle-même, débouchent sur des conclusions contradictoires.

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(1) J’écrivais, il y a quelques mois, pour présenter le billet invité de Henri-François Defontaines : L’éther et la théorie de la relativité restreinte, la chose suivante :

… l’éther, hypothèse abandonnée par les physiciens depuis le début du XXe siècle. On lit souvent que l’existence de l’éther a été infirmée par l’expérience de Michelson et Morley. Ce n’est pas le cas. Comme l’expliqua fort bien Ernst Cassirer dans La théorie de la relativité d’Einstein considérée d’un point de vue épistémologique (1923) :

« Il n’était pas possible de trancher entre les théories de Lorentz [supposant l’existence d’un éther] et celle d’Einstein [qui l’exclut] sur une base expérimentale. Il était devenu clair qu’on ne pouvait mettre au point pour les départager une experimentum crucis. »

Mais Cassirer ajoutait, et ceci est fondamental :

« Il apparaissait surtout que la supposition de Lorentz était insatisfaisante sur un plan épistémologique parce qu’elle attribuait à un objet physique, l’éther, des effets spécifiques, alors qu’il résulterait de ces mêmes effets que l’éther ne pourra jamais constituer un objet d’observation. [L’éther] contrevenait à un principe général que Leibniz avait invoqué lorsqu’il combattait les concepts newtoniens d’espace et de temps, principe qu’il appela le principe de l’observabilité. »

Tout ça ne sont bien sûr encore que des considérations précisément, « épistémologiques » : cela ne prouve pas que l’éther n’existe pas. Que faudrait-il pour que nous considérions qu’il existe du point de vue de la science ? Il faudrait encore, pour utiliser un terme qu’Henri Poincaré chérissait, qu’il soit « commode » en tant que concept scientifique. Je cite ce que celui-ci disait à propos des systèmes de Ptolémée et de Copernic dans La valeur de la science (1913) :

Voici le mouvement diurne apparent des étoiles, et la mouvement diurne des autres corps célestes, et d’autre part l’aplatissement de la Terre, la rotation du pendule de Foucault, la giration des cyclones, les vents alizés, que sais-je encore ? Pour le Ptoléméen, tous ces phénomènes n’ont entre eux aucun lien ; pour le Copernicien, ils sont engendrés par une même cause. »

… ce qui fait que le système copernicien est beaucoup plus « commode » que le système ptoléméen. De même, me semble-t-il, il ne vaudrait la peine de ressusciter l’éther que s’il s’avérait un jour que supposer son existence se révélait beaucoup plus « commode » – au sens de Poincaré – que supposer son inexistence.

Références :

Cassirer, Ernst, Einstein’s Theory of Relativity Considered from the Epistemological Standpoint, New York : Dover [1923] 1953

Einstein, Albert, « Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt », Annalen der Physik, 1905, No 17 : 132-148

Einstein, Albert, « Autobiographical Notes », in Schilpp, P.A., Albert Einstein, Philosopher-Scientist, Vol. 1, La Salle (Ill.) : Open Court, 1949, 3 – 94

Holton, Gerald, Thematic Origins of Scientific Thought. Kepler to Einstein, Cambridge (Mass.) : Harvard University Press 1973

Poincaré, Henri, La Valeur de la Science, Paris : Flammarion 1913

Schilpp, P.A., Albert Einstein, Philosopher-Scientist, Vol. 1, La Salle (Ill.) : Open Court, 1949

Stachel, John (présenté par), Einstein’s Miraculous Year. Five Papers That Changed the Face of Physics, preface de Roger Penrose, Princeton (N.J.) : Princeton University Press, 1998

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