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La Science et l’Hypothèse/Chapitre 12

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Flammarion (p. 245-259).

CHAPITRE XII

L’Optique et l’Électricité.



La théorie de Fresnel. — Le meilleur exemple[1] que l’on puisse choisir est la théorie de la lumière et ses rapports avec la théorie de l’électricité. Grâce à Fresnel, l’optique est la partie la plus avancée de la physique ; la théorie dite des ondulations forme un ensemble vraiment satisfaisant pour l’esprit ; mais il ne faut pas lui demander ce qu’elle ne peut nous donner.

Les théories mathématiques n’ont pas pour objet de nous révéler la véritable nature des choses ; ce serait là une prétention déraisonnable. Leur but unique est de coordonner les lois physiques que l’expérience nous fait connaître, mais que sans le secours des mathématiques nous ne pourrions même énoncer.

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.

Mais ce jour-là même, les lois de l’optique et les équations qui les traduisent analytiquement resteront vraies, au moins comme première approximation. Il sera donc toujours utile d’étudier une doctrine qui relie entre elles toutes ces équations.

La théorie des ondulations repose sur une hypothèse moléculaire ; pour les uns qui croient découvrir ainsi la cause sous la loi, c’est un avantage ; pour les autres, c’est une raison de méfiance ; mais cette méfiance me paraît aussi peu justifiée que l’illusion des premiers.

Ces hypothèses ne jouent qu’un rôle secondaire. On pourrait les sacrifier ; on ne le fait pas d’ordinaire parce que l’exposition y perdrait en clarté, mais cette raison est la seule.

En effet, si on y regardait de près, on verrait qu’on n’emprunte aux hypothèses moléculaires que deux choses : le principe de la conservation de l’énergie et la forme linéaire des équations qui est la loi générale des petits mouvements, comme de toutes les petites variations.

C’est ce qui explique pourquoi la plupart des conclusions de Fresnel subsistent sans changement quand on adopte la théorie électro-magnétique de la lumière.


La Théorie de Maxwell. — C’est, on le sait, Maxwell qui a rattaché par un lien étroit deux parties de la physique, jusque-là complètement étrangères l’une à l’autre, l’optique et l’électricité. En se fondant ainsi dans un ensemble plus vaste, dans une harmonie supérieure, l’optique de Fresnel n’a pas cessé d’être vivante. Ses diverses parties subsistent, et leurs rapports mutuels sont toujours les mêmes. Seulement, le langage dont nous nous servons pour les exprimer a changé, et d’autre part, Maxwell nous a révélé d’autres rapports, jusqu’à lui insoupçonnés, entre les différentes parties de l’optique et le domaine de l’électricité.

La première fois qu’un lecteur français ouvre le livre de Maxwell, un sentiment de malaise, et souvent même de défiance se mêle d’abord à son admiration. Ce n’est qu’après un commerce prolongé et au prix de beaucoup d’efforts, que ce sentiment se dissipe. Quelques esprits éminents le conservent même toujours.

Pourquoi les idées du savant anglais ont-elles tant de peine à s’acclimater chez nous ? C’est sans doute que l’éducation reçue par la plupart des Français éclairés les dispose à goûter la précision et la logique avant toute autre qualité.

Les anciennes théories de la physique mathématique nous donnaient à cet égard une satisfaction complète. Tous nos maîtres, depuis Laplace jusqu’à Cauchy, ont procédé de la même manière. Partant d’hypothèses nettement énoncées, ils en ont déduit toutes les conséquences avec une rigueur mathématique, et les ont comparées ensuite avec l’expérience. Ils semblent vouloir donner à chacune des branches de la physique la même précision qu’à la mécanique céleste.

Pour un esprit accoutumé à admirer de tels modèles, une théorie est difficilement satisfaisante. Non seulement il n’y tolérera pas la moindre apparence de contradiction, mais il exigera que les diverses parties en soient logiquement reliées les unes aux autres et que le nombre des hypothèses distinctes soit réduit au minimum.

Ce n’est pas tout, il aura encore d’autres exigences qui me paraissent moins raisonnables. Derrière la matière qu’atteignent nos sens et que l’expérience nous fait connaître, il voudra voir une autre matière, la seule véritable à ses yeux, qui n’aura plus que des qualités purement géométriques et dont les atomes ne seront plus que des points mathématiques soumis aux seules lois de la dynamique. Et pourtant ces atomes invisibles et sans couleur, il cherchera, par une inconsciente contradiction, à se les représenter et par conséquent à les rapprocher le plus possible de la matière vulgaire.

C’est alors seulement qu’il sera pleinement satisfait et s’imaginera avoir pénétré le secret de l’univers. Si cette satisfaction est trompeuse, il n’en est pas moins pénible d’y renoncer.

Ainsi, en ouvrant Maxwell, un Français s’attend à y trouver un ensemble théorique aussi logique et aussi précis que l’optique physique fondée sur l’hypothèse de l’éther ; il se prépare ainsi une déception que je voudrais éviter au lecteur en l’avertissant tout de suite de ce qu’il doit chercher dans Maxwell et de ce qu’il n’y saurait trouver.

Maxwell ne donne pas une explication mécanique de l’électricité et du magnétisme ; il se borne à démontrer que cette explication est possible.

Il montre également que les phénomènes optiques ne sont qu’un cas particulier des phénomènes électromagnétiques. De toute théorie de l’électricité, on pourra donc déduire immédiatement une théorie de la lumière.

La réciproque n’est malheureusement pas vraie ; d’une explication complète de la lumière, il n’est pas toujours aisé de tirer une explication complète des phénomènes électriques. Cela n’est pas facile, en particulier, si l’on veut partir de la théorie de Fresnel ; cela ne serait sans doute pas impossible ; mais on n’en arrive pas moins à se demander si l’on ne va pas être forcé de renoncer à d’admirables résultats que l’on croyait définitivement acquis. Cela semble un pas en arrière ; et beaucoup de bons esprits ne veulent pas s’y résigner.

Quand le lecteur aura consenti à borner ses espérances, il se heurtera encore à d’autres difficultés, le savant anglais ne cherche pas à construire un édifice unique, définitif et bien ordonné, il semble plutôt qu’il élève un grand nombre de constructions provisoires et indépendantes, entre lesquelles les communications sont difficiles et quelquefois impossibles.

Prenons comme exemple le chapitre où l’on explique les attractions électrostatiques par des pressions et des tensions qui régneraient dans le milieu diélectrique. Ce chapitre pourrait être supprimé sans que le reste du volume en devînt moins clair et moins complet, et d’un autre côté il contient une théorie qui se suffit à elle-même et on pourrait le comprendre sans avoir lu une seule des lignes qui précèdent ou qui suivent. Mais il n’est pas seulement indépendant du reste de l’ouvrage ; il est difficile de le concilier avec les idées fondamentales du livre. Maxwell ne tente même pas cette conciliation, il se borne à dire : « I have not been able to make the next step, namely, to account by mechanical considerations for these stresses in the dielectric. »

Cet exemple suffira pour faire comprendre ma pensée ; je pourrais en citer beaucoup d’autres. Ainsi, qui se douterait en lisant les pages consacrées à la polarisation rotatoire magnétique qu’il y a identité entre les phénomènes optiques et magnétiques ?

On ne doit donc pas se flatter d’éviter toute contradiction ; mais il faut en prendre son parti. Deux théories contradictoires peuvent en effet pourvu qu’on ne les mêle pas, et qu’on n’y cherche pas le fond des choses, être toutes deux d’utiles instruments de recherches, et peut-être la lecture de Maxwell serait-elle moins suggestive s’il ne nous avait pas ouvert tant de voies nouvelles divergentes.

Mais l’idée fondamentale se trouve de la sorte un peu masquée. Elle l’est si bien, que dans la plupart des ouvrages de vulgarisation, elle est le seul point qui soit complètement laissé de côté.

Je crois donc devoir, pour en mieux faire ressortir l’importance, expliquer en quoi consiste cette idée fondamentale. Mais pour cela une courte digression est nécessaire.


De l’explication mécanique des phénomènes physiques. — Dans tout phénomène physique, il y a un certain nombre de paramètres que l’expérience atteint directement et qu’elle permet de mesurer. Je les appellerai les paramètres q.

L’observation nous fait connaître ensuite les lois des variations de ces paramètres et ces lois peuvent généralement se mettre sous la forme d’équations différentielles qui lient entre eux les paramètres q et le temps.

Que faut-il faire pour donner une interprétation mécanique d’un pareil phénomène ?

On cherchera à l’expliquer soit par les mouvements de la matière ordinaire, soit par ceux d’un ou de plusieurs fluides hypothétiques.

Ces fluides seront considérés comme formés d’un très grand nombre de molécules isolées m.

Quand dirons-nous alors que nous avons une explication mécanique complète du phénomène ? Ce sera d’une part quand nous connaîtrons les équations différentielles auxquelles satisfont les coordonnées de ces molécules hypothétiques m, équations qui d’ailleurs devront être conformes aux principes de la dynamique ; et d’autre part quand nous connaîtrons les relations qui définissent les coordonnées des molécules m en fonctions des paramètres q, accessibles à l’expérience.

Ces équations, je l’ai dit, doivent être conformes aux principes de la dynamique et en particulier au principe de la conservation de l’énergie et au principe de moindre action.

Le premier de ces deux principes nous apprend que l’énergie totale est constante et que cette énergie se divise en deux parties :

1o L’énergie cinétique ou force vive, qui dépend des masses des molécules hypothétiques m et de leurs vitesses, et que j’appellerai T ;

2o Et l’énergie potentielle qui dépend seulement des coordonnées de ces molécules et que j’appellerai U. C’est la somme des deux énergies T et U qui est constante.

Que nous enseigne maintenant le principe de moindre action ? Il nous enseigne que pour passer de la situation initiale qu’il occupe à l’instant t0 à la situation finale qu’il occupe à l’instant t1, le système doit prendre un chemin tel que, dans l’intervalle de temps qui s’écoule entre les deux instants t0 et t1 la valeur moyenne de « l’action » (c’est-à-dire de la différence entre les deux énergies T et U) soit aussi petite que possible. Le premier des deux principes est d’ailleurs une conséquence du second.

Si l’on connaît les deux fonctions T et U, ce principe suffit pour déterminer les équations du mouvement.

Parmi tous les chemins qui permettent de passer d’une situation à une autre, il y en a évidemment un pour lequel la valeur moyenne de l’action est plus petite que pour tous les autres. Il n’y en a d’ailleurs qu’un, et il en résulte que le principe de moindre action suffit pour déterminer le chemin suivi et par conséquent les équations du mouvement.

On obtient ainsi ce qu’on appelle les équations de Lagrange.

Dans ces équations, les variables indépendantes sont les coordonnées des molécules hypothétiques m ; mais je suppose maintenant que l’on prenne pour variables les paramètres q directement accessibles à l’expérience.

Les deux parties de l’énergie devront alors s’exprimer en fonction des paramètres q et de leurs dérivées ; ce sera évidemment sous cette forme qu’elles apparaîtront à l’expérimentateur. Celui-ci cherchera naturellement à définir l’énergie potentielle et l’énergie cinétique à l’aide des quantités qu’il peut directement observer[2].

Cela posé, le système ira toujours d’une situation à une autre par un chemin tel que l’action moyenne soit minima.

Peu importe que T et U soient maintenant exprimés à l’aide des paramètres q et de leurs dérivées ; peu importe que ce soit également par le moyen de ces paramètres que nous définissions les situations initiale et finale ; le principe de moindre action reste toujours vrai.

Or, ici encore, de tous les chemins qui mènent d’une situation à une autre, il y en a un pour lequel l’action moyenne est minima et il n’y en a qu’un. Le principe de moindre action suffit donc pour déterminer les équations différentielles qui définissent les variations des paramètres q.

Les équations ainsi obtenues sont une autre forme des équations de Lagrange.

Pour former ces équations, nous n’avons pas besoin de connaître les relations qui lient les paramètres q aux coordonnées des molécules hypothétiques, ni les masses de ces molécules, ni l’expression de U en fonction des coordonnées de ces molécules. Tout ce que nous avons besoin de connaître, c’est l’expression de U en fonction des q et celle de T en fonction des q et de leurs dérivées, c’est-à-dire les expressions de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle en fonctions des données expérimentales.

Alors de deux choses l’une, ou bien pour un choix convenable des fonctions T et U, les équations de Lagrange, construites comme nous venons de le dire, seront identiques aux équations différentielles déduites des expériences ; ou bien il n’existera pas de fonctions T et U, pour lesquelles cet accord ait lieu. Dans ce dernier cas, il est clair qu’aucune explication mécanique n’est possible.

La condition nécessaire pour qu’une explication mécanique soit possible, c’est donc que l’on puisse choisir les fonctions T et U, de façon à satisfaire au principe de la moindre action, entraînant celui de la conservation de l’énergie.

Cette condition est d’ailleurs suffisante ; supposons en effet qu’on ait trouvé une fonction U des paramètres q, qui représente une des parties de l’énergie, qu’une autre partie de l’énergie que nous représenterons par T soit une fonction des q et de leurs dérivées, et qu’elle soit un polynôme homogène du second degré par rapport à ces dérivées ; et enfin que les équations de Lagrange formées à l’aide de ces deux fonctions T et U soient conformes aux données de l’expérience.

Que faut-il pour déduire de là une explication mécanique ? Il faut que U puisse être regardé comme l’énergie potentielle d’un système et T comme la force vive de ce même système.

Pas de difficulté en ce qui concerne U ; mais T pourra-t-il être regardé comme la force vive d’un système matériel ?

Il est aisé de montrer que cela est toujours possible, et même d’une infinité de manières. Je me bornerai à renvoyer pour plus de détails à la préface de mon ouvrage : Électricité et optique.

Ainsi si on ne peut pas satisfaire au principe de moindre action, il n’y a pas d’explication mécanique possible ; si on y peut satisfaire, il y en a non seulement une, mais une infinité, d’où il résulte que dès qu’il y en a une, il y en a une infinité d’autres.

Une observation encore.

Parmi les quantités que l’expérience nous fait directement atteindre, nous regarderons les unes comme des fonctions des coordonnées de nos molécules hypothétiques ; ce sont celles-là qui seront nos paramètres q ; nous envisagerons les autres comme dépendant non seulement des coordonnées, mais des vitesses, ou, ce qui revient au même, des dérivées des paramètres q, ou comme des combinaisons de ces paramètres et de leurs dérivées.

Et alors une question se pose : parmi toutes ces quantités mesurées expérimentalement, quelles sont celles que nous choisirons pour représenter les paramètres q ? Quelles sont celles que nous préférerons regarder comme les dérivées de ces paramètres ? Ce choix reste arbitraire dans une très large mesure, mais il suffit qu’on puisse le faire de façon à rester d’accord avec le principe de moindre action pour qu’une explication mécanique soit possible.

Et alors Maxwell s’est demandé s’il pouvait faire ce choix et celui des deux énergies T et U, de façon que les phénomènes électriques satisfassent à ce principe. L’expérience nous montre que l’énergie d’un champ électromagnétique se décompose en deux parties, l’énergie électrostatique et l’énergie électrodynamique. Maxwell a reconnu que si l’on regarde la première comme représentant l’énergie potentielle U, la seconde comme représentant l’énergie cinétique T ; si, d’autre part, les charges électrostatiques des conducteurs sont considérées comme des paramètres q et les intensités de courants comme les dérivées d’autres paramètres q ; dans ces conditions, dis-je, Maxwell a reconnu que les phénomènes électriques satisfont au principe de moindre action. Il était certain, dès lors, de la possibilité d’une explication mécanique.

S’il avait exposé cette idée au début de son livre au lieu de la reléguer dans un coin du second volume, elle n’aurait pas échappé à la plupart des lecteurs.

Si donc un phénomène comporte une explication mécanique complète, il en comportera une infinité d’autres qui rendront également bien compte de toutes les particularités révélées par l’expérience.

Et cela est confirmé par l’histoire de toutes les parties de la physique ; en optique, par exemple, Fresnel croit la vibration perpendiculaire au plan de polarisation ; Newmann la regarde comme parallèle à ce plan. On a cherché longtemps un « experimentum crucis » qui permit de décider entre ces deux théories et on n’a pu le trouver.

De même sans sortir du domaine de l’électricité, nous pouvons constater que la théorie des deux fluides et celle du fluide unique rendent toutes deux compte d’une façon également satisfaisante de toutes les lois observées en électrostatique.

Tous ces faits s’expliquent aisément, grâce aux propriétés des équations de Lagrange que je viens de rappeler.

Il est facile de comprendre maintenant quelle est l’idée fondamentale de Maxwell.

Pour démontrer la possibilité d’une explication mécanique de l’électricité, nous n’avons pas à nous préoccuper de trouver cette explication elle-même, il nous suffit de connaître l’expression des deux fonctions T et U, qui sont les deux parties de l’énergie, de former avec ces deux fonctions les équations de Lagrange et de comparer ensuite ces équations avec les lois expérimentales.

Entre toutes ces explications possibles, comment faire un choix pour lequel le secours de l’expérience nous fait défaut ? Un jour viendra peut-être où les physiciens se désintéresseront de ces questions, inaccessibles aux méthodes positives, et les abandonneront aux métaphysiciens. Ce jour n’est pas venu ; l’homme ne se résigne pas si aisément à ignorer éternellement le fond des choses.

Notre choix ne peut donc être guidé que par des considérations où la part de l’appréciation personnelle est très grande ; il y a cependant des solutions que tout le monde rejettera à cause de leur bizarrerie et d’autres que tout le monde préférera à cause de leur simplicité.

En ce qui concerne l’électricité et le magnétisme, Maxwell s’abstient de faire aucun choix. Ce n’est pas qu’il dédaigne systématiquement tout ce que ne peuvent atteindre les méthodes positives ; le temps qu’il a consacré à la théorie cinétique des gaz en fait suffisamment foi. J’ajouterai que si, dans son grand ouvrage, il ne développe aucune explication complète, il avait antérieurement tenté d’en donner une dans un article du Philosophical Magazine. L’étrangeté et la complication des hypothèses qu’il avait été obligé de faire, l’avaient amené ensuite à y renoncer.

Le même esprit se retrouve dans tout l’ouvrage. Ce qu’il y a d’essentiel, c’est-à-dire ce qui doit rester commun à toutes les théories, est mis en lumière ; tout ce qui ne conviendrait qu’à une théorie particulière est presque toujours passé sous silence. Le lecteur se trouve ainsi en présence d’une forme presque vide de matière qu’il est d’abord tenté de prendre pour une ombre fugitive et insaisissable. Mais les efforts auxquels il est ainsi condamné le forcent à penser et il finit par comprendre ce qu’il y avait souvent d’un peu artificiel dans les ensembles théoriques qu’il admirait autrefois.

  1. Ce chapitre est la reproduction partielle des préfaces de deux de mes ouvrages : Théorie mathématique de la lumière (Paris, Naud, 1889) et Électricité et optique (Paris, Naud, 1901).
  2. Ajoutons que U dépendra seulement des q, que T dépendra des q et de leurs dérivées par rapport au temps et sera un polynôme homogène du second degré par rapport à ces dérivées.