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L’UNIVERS EN PERSPECTIVE

- 25 mars 2007 -

par Jean-Marie VIGOUREUX, Éditions Ellipses.

ISBN 978-2-7298-3113-4

286 pages en 21 × 14.

Prix : 17,50 €.

J.-M. Vigoureux, professeur de physique à l’Université de Franche-Comté, est bien connu des adhérents de l’APMEP : il a été invité l’an dernier par la régionale Lorraine pour une conférence sur « Albert Einstein, engagé dans son siècle », et il participera aux journées nationales de Besançon avec une conférence sur « Le temps dans la physique moderne, de Newton à Einstein et en physique quantique ».

Dans cet ouvrage, il est d’ailleurs partout question d’Einstein qui, à 16 ans déjà, se demandait « De quoi pourrait avoir l’air une onde lumineuse pour quelqu’un qui se déplacerait avec elle à la même vitesse ? ».

L’ouvrage se lit (presque) comme un roman policier, et est agrémenté de très nombreux petits schémas qui permettent d’illustrer les problèmes posés et les paradoxes à surmonter.

Dans le premier chapitre, l’auteur fait l’état des lieux de la science à la fin du XIXe siècle : alors qu’au XVIIIe siècle tout était expliqué par les principes de la mécanique newtonienne (une branche des mathématiques), la découverte des interférences lumineuses, puis la naissance de la thermodynamique, allaient poser des problèmes insolubles et tout remettre en question.

J.-M. Vigoureux aborde le problème de la relativité du mouvement dans le deuxième chapitre : est-il possible de donner un sens absolu à la notion de vitesse ? La réponse est évidemment non !

Le chapitre 3 décrit l’expérience de Michelson-Morley (dont le principe est le même que celle dite de Galilée : si un marin juché en haut du mât d’un navire « très » rapide dirigeait son rayon laser verticalement vers le pont, l’impact lumineux pourrait- il tomber en arrière du bateau ?). Mais Einstein avait déjà pressenti que, quelle que soit la réponse à cette question, la science resterait dans une impasse : il y a une contradiction fondamentale entre la théorie de la lumière et le principe de la relativité physique.

Au chapitre 4 (« La physique en difficulté »), on apprend qu’Einstein n’a plus qu’une idée en tête : unifier la théorie de Maxwell et la mécanique de Newton. Mais par quel bout prendre ce problème ? Il y travaille durant sept ans avant de comprendre que les concepts de longueur et de largeur ne peuvent être donnés a priori : il va reconstruire la physique en postulant que la vitesse de la lumière est un absolu, dans un espace et un temps relatifs.

Ce que l’auteur explique très clairement au chapitre 5 : « La contraction des longueurs et la dilatation des distances ». Einstein va réussir à unifier la mécanique et l’électromagnétisme, mais au prix d’une transformation radicale de notre mode usuel de pensée, où le temps était considéré comme un absolu.

Cependant, la contraction des longueurs et la dilatation des distances ont des effets réciproques (chapitre 6, « Une perspective dynamique  ») : lorsqu’on observe une personne en mouvement par rapport à soi, son horloge tourne plus lentement ; mais, pour elle, c’est notre horloge qui tourne plus lentement. Mais cette intérprétation de la contraction de Lorentz restera encore mal comprise longtemps après 1905.

Au chapitre 7, les choses se compliquent un peu : J.-M. Vigoureux nous explique pourquoi cette réciprocité, apparamment symétrique, peut être « brisée », et ce à l’aide d’un joli exemple illustré par un manège.

Arrive le chapitre 8 tant attendu, où enfin $E = mc^2$, relation qui nous montre qu’il est bien plus facile d’obtenir de l’énergie à partir d’une masse, que d’augmenter une masse à partir d’énergie ; il faut dire que la première vérification expérimentale de la transformation d’énergie en masse n’a été observée qu’en 1931, soit 26 ans après la publication d’Einstein.

Les chapitres suivants examinent un certain nombre de problèmes qui sont des conséquences de la théorie d’Einstein : le photon a-t-il une masse ?, y a-t-il des phénomènes supraluminiques (c’est-à-dire qui se déroulent plus vite que la lumière) ?, c a-t-elle vraiment les dimensions d’une vitesse ?, etc.

Le chapitre 13 (« L’espace-temps ») est consacré à la difficulté de se construire une énoncé en 1905 par Einstein : « Les lois qui décrivent les phénomènes physiques sont les mêmes dans tous les référentiels galiléens » ; c’est ce qu’on a nommé le principe de covariance (chapitre 14). C’est le point essentiel de la relativité, très bien illustré par l’auteur avec le paradoxe des saisons (Quand la terre passe-t-elle le plus près du soleil ?).

Dans un 14e et dernier chapitre, l’auteur nous montre en quoi la théorie d’Einstein est fondamentalement différente de celle de Poincaré et Lorentz, qui sont contraints à expliquer leurs résultats par l’existence de l’éther (« fluide » sans lequel la propagation des ondes lumineuses serait impossible).

Vient l’épilogue. L’auteur nous décrit la difficulté qu’a eue cette théorie à s’imposer dans le monde scientifique, et y cite Einstein  : « J’ai tout simplement la curiosité et l’obstination d’une mule, et je n’ai jamais cessé de me poser les questions que l’on apprend aux enfants à ne plus jamais se poser ».

Effectivement, nous nous posons souvent de nombreuses questions à propos de la relativité, et ne trouvons dans la littérature que peu de réponses. Dans cet ouvrage, Jean-Marie Vigoureux les présente en détail, avec force explications et illustrations destinées au « grand public » (entendez par là les non-physiciens).

Un livre très riche.

Jacques VERDIER