Hypothèse de l'éther

Cet article de physique fait partie de la série relativité

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Histoire de la physique

Michelson - Lorentz

Mach - Poincaré - Hilbert

exp:Michelson et Morley - éther

Avec Einstein

Principe de relativité

Principe d'équivalence

c - transformation de Lorentz

espace-temps - E=mc² - temps

exp:pensée?-jumeaux-train

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En physique, le terme d'éther a recouvert plusieurs notions différentes selon les époques.

Sommaire 1 L'éther dans l'Antiquité 2 L'éther gravitationnel en physique pré-relativiste 3 L'éther luminifère en physique pré-relativiste 4 L'éther s'efface devant la théorie de la Relativité Restreinte 5 L'éther après 1905 6 Autres approches de l'éther 7 Notes 8 Bibliographie 9 Liens externes

L'éther dans l'Antiquité

À l'origine, Éther est un dieu primordial de la mythologie grecque, personnifiant les parties supérieures du ciel, ainsi que sa brillance (cela nous est resté au travers de la langue poétique classique, où l'on parle d'éther pour un ciel pur). L'origine de la notion d'éther remonterait au pythagoricien Occelos : "Occelos de Lucanie et Aristote, aux quatre Éléments ont adjoint un cinquième corps, doté d'un mouvement circulaire et dont ils pensent qu'il est la matière des corps célestes" (Sextus Empiricus, Contre les mathématiciens, X, 316).

Se fondant sur le principe dictant que la Nature a horreur du vide, Aristote emploie le terme d' 'Éther' pour désigner un supposé cinquième élément, composant la sphère céleste, par opposition aux quatre Éléments physiques classiques (Terre, Eau, Air, Feu). Suivons André-Jean Festugière (Études de philosophie grecque, Vrin, 1971, p. 389-400). "Dans les plus anciens auteurs, 'éther' désigne le ciel (Homère, Iliade, 412 ; Hésiode, Les travaux et les jours, 18)... Le mot 'éther' avait été employé déjà par Empédocle, mais pour désigner l'air atmosphérique, par opposition au brouillard... Anaxagore est le premier à avoir fait la distinction entre air et éther, mais ce qu'il désignait sous le nom d'éther était le feu (fragments 59 A 43, 59 A 73)... A partir du Phédon de Platon, l'espace entre l'air et le ciel des fixes (région du feu) devient l'éther, séjour des dieux astres. Platon attribue à l'éther son caractère spécifique d'être toujours en mouvement. L'éther est considéré comme une espèce de l'air, l'espèce la plus pure. Platon distinguait trois sortes d'éther : l'air supérieur, l'air atmosphérique, l'air brouillard... C'est avec lÉpinomis [de Philippe d'Oponte, assistant de Platon] et le De la philosophie d'Aristote [jeune], deux ouvrages contemporains [vers 350 av. J.-C.], que nous voyons apparaître la notion d'éther, cinquième corps. LÉpinomis mentionne une première fois l'éther comme cinquième corps (981c6), comme une sorte d'air plus subtil et plus pur : l'éther n'est pas, d'ailleurs, le séjour des astres (celui-ci est le feu), mais, comme l'air, celui d'êtres démoniques de nature translucide, qui servent d'intermédiaires entre les hommes et les dieux visibles [les astres] (984 b). Les fragments du De la philosophie d'Aristote montrent que la notion d'éther cinquième corps y tient une place importante. Les Anciens ont unanimement regardé Aristote comme l'inventeur de la doctrine de l'éther cinquième Élément. Aristote a toujours la suite éther, feu, air, eau, terre, et c'est l'ordre qui prévaudra, l'éther (et non le feu) étant alors considéré comme la matière des astres et l'élément où ils séjournent. L'âme est un mouvement perpétuel parce qu'elle est tirée de l'éther qui court toujours. Enfin, cet éther aristotélicien est une chaleur, il est principe de chaleur, donc de vie." Lachanaud le rappelle : l'éther est une variété d'air pour Platon (Timée, 56b, 58 d), une variété de feu pour Philippe d'Oponte (Épinomis, 891e).

Les pythagoriciens récents, dans les Mémoires pythagoriques (III^e s. av. J.-C.) semblent admettre trois éthers : 1)le chaud (le feu solaire astral et divin), 2) le froid (l'air) et 3) le dense (l'eau, le sérum, le liquide, le sang...), et deux sortes d'âmes : 1) une âme faite d'éther chaud, l'intellect (correspondant à la vie animale), et 2) une âme faite de d'un mélange de deux éthers, chaud et froid, vapeur, l'âme végétative (correspondant au non-vivant, c'est-à-dire au non sentant et non mobile)^[1].

Cette vision ambiguë de l'éther comme « matière incarnant le vide » connut un succès qui s'étendit bien au-delà de l'Antiquité. On en discute encore au XVIII^e siècle en dépassant largement le cadre de l'optique et l'électromagnétisme sous des formes plus ou moins adaptées : les métaphysiciens notamment s'en emparèrent, mais aussi les alchimistes et les magiciens.

L'éther gravitationnel en physique pré-relativiste

René Descartes élabora une mécanique des tourbillons pour expliquer que le mouvement des planètes est dû à de grands tourbillons d'éther (matière subtile composée de minuscules globules transparents) remplissant l'espace et qui les emportent et les maintiennent sur leurs trajectoires. Cette physique qualitative était propre à justifier le mouvement des planètes de manière mécaniste, en réfutant l'existence du vide. Ce même éther était supposé transmettre instantanément la lumière sous la forme d'une pression^[2].

Après avoir réfuté la théorie des tourbillons de Descartes (vers 1680)^[3], Isaac Newton élabore sa théorie de la gravitation universelle où la force gravitationnelle se transmet instantanément d'un corps à l'autre, sur des distances quelconques et à travers l'espace, vide ou non.

Newton, bien que satisfait de l'efficacité de sa théorie, ne se satisfaisait de cette situation où une force se transmet à travers le vide. Dans une lettre de Newton à Richard Bentley en 1692 : « Que la gravité soit innée, inhérente et essentielle à la matière, en sorte qu'un corps puisse agir sur un autre à distance au travers du vide, sans médiation d'autre chose, par quoi et à travers quoi leur action et force puissent être communiquées de l'un à l'autre est pour moi une absurdité dont je crois qu'aucun homme, ayant la faculté de raisonner de façon compétente dans les matières philosophiques, puisse jamais se rendre coupable^[4]. »

Ainsi, dans le Scholium général du livre III des Principia, conçoit-il un « espèce d'esprit très subtil qui pénètre à travers tous les corps solides », ajoutant que « c'est par la force, et l'action de cet esprit que les particules des corps s'attirent mutuellement » : un éther mécanique, emplissant l'espace et justifiant la transmission de la force gravitationnelle.

Cet éther est médiateur de la force gravitationnelle mais n'y est pas soumis, et semble soustrait aux caractéristiques et principes physiques énoncés dans les Principa. Newton soutenait ce point de vue à partir de considérations théologiques, disant que l'espace est le sensorium Dei, sorte d'organe sensoriel de Dieu qui Lui permet de transmettre les influences d'un corps à l'autre^[5]. Cet éther est toujours resté une hypothèse passive, n'intervenant pas dans les calculs, ayant le statut d'hypothèse rassurante quant à la cohérence de cette théorie. De plus, pour Newton, cet éther se semble pas identifiable à l'éther luminifère, mais la confusion fût souvent faite par ses successeurs^[6].

L'éther luminifère en physique pré-relativiste

Pendant très longtemps, les physiciens, dont Christian Huygens, ont supposé que, comme le son dans l'air ou les ondes à la surface d'un milieu liquide, la lumière se propageait dans un fluide : l'éther. L'éther était censé remplir le vide de l'univers, puisque la lumière des étoiles nous parvient. Il n'était pas nécessaire dans la théorie corpusculaire de la lumière de Newton, mais celle-ci fut définitivement réfutée par Fresnel.

Partisan de la théorie vibratoire de la lumière, Thomas Young adopta ce point de vue, et Lord Kelvin (William Thomson) étendit les propriétés à la transmission des phénomènes électriques et magnétiques. Cette idée fut reprise en 1861 par James Clerk Maxwell lors de sa théorie qui synthétise électricité et ondes magnétiques, l'électromagnétisme.

L'interprétation de Fresnel de la célérité c/n dans un milieu matériel va dans ce sens: l'onde plane incidente trouble le milieu qui ré-émet à son tour, etc.

L'éther est donc nécessaire comme « substance » support de la vibration, car la vibration de l'espace vide n'est pas envisagée à l'époque !

Mais ce fluide avait des propriétés étranges : il aurait dû être d'une rigidité quasi infinie pour nous transmettre la lumière d'étoiles situées à plusieurs années-lumière, tout en offrant une résistance nulle au déplacement des objets matériels (puisque la Terre tourne autour du Soleil sans en être ralentie). On fera en fin de compte l'économie d'un concept qui, en apparence, n'apportait pas grand-chose (voir rasoir d'Occam).

Pour Fresnel, l'éther est immobile dans le vide de l'espace absolu : l'aberration de Bradley s'explique ainsi très aisément. Pour le vent d'Arago, sa théorie élimine le vent d'éther, après un calcul somptueux (« tour de force »), appelé « Entraînement partiel de l'éther [le fameux facteur (1-1/n^2)] par la matière en mouvement. »

Pour Stokes, l'éther est immobile par rapport à la matière, donc à la Terre (donc, comme pour Fresnel, pas de vent d'Arago). Le problème du vent est rapporté au monde loin de la Terre : en prenant un fluide sans rotationnel, le mouvement de la Terre dans ce fluide est estompé : c'est le classique problème d'hydrodynamique qu'a précisément traité Stokes : à la limite des très faibles viscosités, on ne voit rien et l'aberration stellaire s'explique donc ainsi parfaitement.

1850 : expérience de Hippolyte Fizeau : de l'eau en mouvement de vitesse v sur un bras de l'interféromètre et -v sur l'autre bras. Confirmation très claire de la théorie de l'éther de Fresnel, avec toutefois un petit problème subtil à résoudre pour la dispersion n(λ).

1855-1865 : célèbres travaux de James Clerk Maxwell : équations de Maxwell, re-rédigées par Hertz plus tard, écartant les théories de Weber, de Bernhard Riemann et de Ludvig Lorenz (pas Hendrik Lorentz, attention). Mise en chantier de la théorie d'Helmholtz, qu'Hertz doit « démontrer expérimentalement », mais Hertz réplique : « Maxwell suffit ! »

1881 : Expérience de Michelson (1852-1931, Nobel 1907), reprise en 1887.

1886 : Michelson refait l'expérience de Fizeau, et confirme de manière cette fois irréfutable la théorie de l'éther de Fresnel.

1887 : Michelson reprend avec Edward Morley sa célèbre expérience de Michelson-Morley : confirmation éclatante de la théorie de l'éther de Stokes.

L'idée que la lumière devait avoir une vitesse fixe par rapport à son milieu porteur, l'éther, a amené Michelson à tenter de mesurer la vitesse de la terre par rapport à l'éther, imaginé comme le repère absolu.

• Une première expérience tentée en 1881 ne put mesurer de déplacement de la terre par rapport à l'éther.
• Une seconde, à laquelle s'associa Edward Morley en 1887 avec un appareillage beaucoup plus précis, fut également négative (voir Expérience de Michelson-Morley).

Michelson posa alors solennellement à la communauté scientifique le « paradoxe des deux éthers » : en aucun cas il n'était encore question de propagation dans un milieu absolument vide. Bien au contraire, on va même chercher à analyser les propriétés de cet éther universel. Par exemple, après la découverte des gaz rares par William Ramsay, Mendeleïev ira jusqu'à effectuer des recherches sur les propriétés chimiques de l'éther.

L'éther s'efface devant la théorie de la Relativité Restreinte

Il fut démontré que l'éther n'existait pas, en même temps que la constance de la vitesse de la lumière.

En effet, si l'éther existait :

• Ou bien il serait indépendant de la matière et, dans ce cas, il constituerait un référentiel fixe, absolu : la relativité serait inutile et l'on devrait observer une variation de la vitesse de la lumière selon la direction (en raison de notre propre déplacement dans l'espace, par rapport à l'éther) ;

• Ou bien il serait au moins partiellement dépendant de la matière (de sorte que la matière entraînerait l'éther dans son mouvement) et, on devrait là encore observer des phénomènes optiques (comparables à ceux qu'on observe dans une eau tourbillonante), phénomènes en fait absents.

Parmi les physiciens qui tentèrent d'expliquer cette apparente vitesse absolue de la lumière (même si le référentiel est lui-même en mouvement par rapport à l'éther), Hendrik Lorentz imagina un ensemble d'équations pour prouver que cela était dû à une contraction des longueurs dans le sens du mouvement. Celles-ci furent retravaillées par Henri Poincaré dans une optique voisine de celle de Lorentz, puis reconsidérées par Albert Einstein dans le cadre d'un modèle où l'éther était cette fois absent, et aboutirent en 1905 à la théorie de la relativité restreinte.

Poincaré disait: ”Peu nous importe que l'éther existe réellement, c'est l'affaire des métaphysiciens ; l'essentiel pour nous c'est que tout se passe comme s'il existait et que cette hypothèse est commode pour l'explication des phénomènes. Après tout, avons-nous d'autre raison de croire à l'existence des objets matériels. Ce n'est là aussi qu'une hypothèse commode ; seulement elle ne cessera jamais de l'être, tandis qu'un jour viendra sans doute où l'éther sera rejeté comme inutile.”^[7]

Cette dernière phrase fut prophétique: dans la théorie de la relativité restreinte, suivant le sens physique que lui donna initialement Einstein, l'éther est un postulat inutile et même encombrant; par conséquent, cette hypothèse fut définitivement abandonnée.

L'éther après 1905

Le temps de réception de la Relativité Restreinte fut long : surtout les conséquences aussi « absurdes » que le paradoxe des jumeaux de Langevin, la dilatation du temps, la contraction des longueurs, la précession de Thomas, tout ce qui contre-carrait la notion de temps absolu, faisaient obstacle. Dans les années 1920, Gamow fut écœuré de voir que les plus grands physiciens soviétiques croyaient encore à l'éther.

Bref, il y eut réticence. Et des dizaines de contradicteurs d'Einstein encombrent encore la littérature scientifique, alors que des dizaines d'accélérateurs ont délimité la précision de la Relativité Restreinte, au-delà des étalons primaires.

Et surtout, la Relativité Générale en déformant la « texture de l'espace » en une géométrie riemannienne, a fait disparaître définitivement l'éther du XIX^e siècle.

Néanmoins, le développement de la Relativité Générale conduira Einstein a revenir de façon radicale sur ses conceptions de 1905, ainsi qu’il l’explique dans la célèbre conférence qu’il prononça à l’Université de Leyde le 5 mai 1920. Le texte de celle-ci, intitulée « L’éther et la théorie de la Relativité Générale, » a été traduit en français par Maurice Solovine, publié par les Editions Gauthier-Villars en 1921, puis réédité en 1964. Einstein y indique notamment :

« La théorie du champ électromagnétique de Maxwell - Lorentz a servi de modèle à la théorie d'espace-temps et à la cinématique de la théorie de la relativité restreinte. Cette théorie satisfait par conséquent aux conditions de la théorie de la relativité restreinte, mais elle reçoit, quand on l'envisage au point de vue de la dernière, un aspect nouveau. Soit K un système de coordonnées, par rapport auquel l'éther de Lorentz se trouve au repos. Les équations de Maxwell - Lorentz restent tout d'abord valables par rapport à K. Mais, d'après la théorie de la relativité restreinte les mêmes équations restent valables dans le même sens par rapport à tout nouveau système de coordonnées K' qui se trouve dans un mouvement de translation uniforme par rapport à K. Il se pose maintenant la question troublante : pourquoi faut-il que je donne en théorie au système K auquel les systèmes K' sont physiquement tout à fait équivalents, une préférence marquée, en supposant que l'éther se trouve en repos par rapport à lui ? Une telle asymétrie dans l'édifice théorique, à laquelle ne correspond aucune asymétrie dans le système des expériences, est insupportable pour le théoricien. Il me semble que l'équivalence physique entre K et K', si elle n'est pas logiquement irréconciliable avec la supposition que l'éther est immobile par rapport à K et en mouvement par rapport à K', ne s'accommode cependant pas bien avec elle.

Le point de vue qu'on pouvait, au premier abord, adopter en face de cet état de choses semblait être le suivant : l'éther n'existe point du tout. Les champs électromagnétiques ne représentent pas des états d'un milieu, mais sont des réalités indépendantes, qui ne peuvent être réduites à rien d'autre et qui ne sont liées à aucun substratum, exactement comme les atomes de la matière pondérable. Cette conception s'impose d'autant plus que, selon la théorie de Lorentz, le rayonnement électromagnétique porte avec soi le pouvoir d'impulsion et de l'énergie, comme la matière pondérable, et parce que, d'après la théorie de la relativité restreinte, la matière et le rayonnement ne sont tous les deux que des formes particulières de l'énergie éparse. La masse pondérable perd ainsi sa position privilégiée et n'apparaît que comme une forme particulière de l'énergie.

Une réflexion plus attentive nous apprend pourtant que cette négation de l'éther n'est pas nécessairement exigée par le principe de la relativité restreinte. On peut admettre l'existence de l'éther, mais il faut alors renoncer à lui attribuer un état de mouvement déterminé, c'est-à-dire il faut le dépouiller par l'abstraction de son dernier caractère mécanique que Lorentz lui a encore laissé. [...] »

« Il est vrai que Mach, pour échapper à la nécessité de supposer une réalité inaccessible à l'observation, s'efforça d'introduire en mécanique, à la place de l'accélération par rapport à l'espace absolu, l'accélération moyenne par rapport à la totalité des masses de l'univers. Mais la force d'inertie envers l'accélération relative de masses éloignées suppose une action à distance sans milieu intermédiaire. [...] La pensée de Mach reçoit son plein épanouissement dans l'éther de la théorie de la relativité générale. D'après cette théorie, les propriétés métriques du continuum spatio-temporel sont différentes dans l'entourage de chaque point spatio-temporel et conditionnées par la matière qui se trouve en dehors de la région considérée. Ce changement spatio-temporel des relations entre les règles et les horloges, ou la conviction que l'espace vide n'est physiquement ni homogène ni isotrope – ce qui nous oblige à représenter son état par dix fonctions, les potentiels de gravitation g_µν – ces faits, dis-je, ont définitivement écarté la conception que l'espace serait physiquement vide. Par là, la notion de l'éther a de nouveau acquis un contenu précis, contenu certes qui diffère notablement de celui de l'éther de la théorie ondulatoire mécanique de la lumière. L'éther de la théorie de la relativité générale est un milieu privé de toutes les propriétés mécaniques et cinématiques, mais qui détermine les phénomènes mécaniques (et électromagnétiques). »

Einstein termine son exposé en ces termes :

« En résumant, nous pouvons dire : d'après la théorie de la relativité générale, l'espace est doué de propriétés physiques ; dans ce sens, par conséquent un éther existe. Selon la théorie de la relativité générale, un espace sans éther est inconcevable, car non seulement la propagation de la lumière y serait impossible, mais il n'y aurait même aucune possibilité d'existence pour les règles et les horloges et par conséquent aussi pour les distances spatio-temporelles dans le sens de la physique. Cet éther ne doit cependant pas être conçu comme étant doué de la propriété qui caractérise les milieux pondérables, c'est-à-dire comme constitué de parties pouvant être suivies dans le temps : la notion de mouvement ne doit pas lui être appliquée. »

Notons enfin, bizarrerie du XXI^e siècle, que les propriétés déconcertantes découvertes concernant le vide (énergie du vide, énergie sombre) rappellent étrangement les propriétés mystérieuses de l'éther. Mais les physiciens soulignent bien qu'il ne s'agit pas de revenir aux hypothèses d'avant 1905. Il règne néanmoins une certaine incompréhension sur ce sujet, qui devient de fait une porte ouverte à la pseudo-science.

Autres approches de l'éther

S'il est bien clair que la physique n'a définitivement plus besoin du concept d'éther, le mot et l'idée sont maintenant employés en heroic fantasy. L'éther est donc souvent décrit comme le milieu de transmission de la Magie.

Notes

Bibliographie

• Dictionnaire d'histoire et philosophie des sciences , sous la direction de Dominique Lecourt, Éditeur PUF, 2006 (4ème édition), ISBN 213054499-1. On y trouve, entre autres, l'article « Champ », rédigé par Mme Françoise Balibar, ainsi que l'article « Éther », rédigé par Mr Scott Walter.
• Einstein 1905. De l'éther aux quanta de Françoise Balibar, éd PUF, 1992, ISBN 2 13 044298 6
• W. K. Guthrie, A History of Greek Philosophy, Cambridge University Press, 1962-1965, t. I, p. 270 ss. Sur le cinquième Elément (l'Ether).

Liens externes

• (en) Article de 1911 de l'EB

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