Histoire de La physique (Travaux Pratiques Encadrés)

« LA DYNAMIQUE : DE CiALIÙE À NEWTON Galilée est le fondateur de la « dynamique » moderne , dont il énonce les principes.

• Tous les corps, quelle que soit leur masse, chutent à la même vitesse (on néglige les frottements de l'air).

Cette dernière est telle que la distance parcourue croît en raison du carré du temps -dès lors le temps devient un des paramètres du mouvement.

• Un corps qui n'est soumis à aucune contrainte est immobile ou en déplacement rectiligne uniforme.

• Les lois du mouvement sur un bateau en déplacement rectiligne uniforme (référe ntiel « galiléen »)sont les mêmes que sur la terre ferme.

Ce principe s'accompagne d'une loi de « composition des vitesses », qui permet de décrire un même mouvement dans les deux référentiel s.

lsooc Newton étend le troisième prin cipe à tout l'Univers et en ajoute deux autres : • l'accéléra tion d'un corps est proportionnelle à la force qui s'exerce sur lui; • les actions que deux corps en contact exercent l'un sur l'autre sont égales et opposées.

Enfin , il intègre la loi de chute des corps dans sa théorie de l a grav itation universelle : les forces qui s'exercent entre deux corps éloign és sont proportionnelles au produit de leur masse et inversement proportionnelle s au carré de la distance.

LUMIÈRE ET OPTIQUE La constitution de l'optiq ue moderne est ponctuée par l'opposition entre ceux qui considèrent la lumière comme une onde (théorie ondulatoire) e t ceux qui l'imagi nent formée de particules (théorie corpusculaire).

Au XVII' siècle, Kepler établit les premiers principes (concep t de« foyer» d'un faisceau lumineu x, loi « approchée » de réfraction, etc.).

Mais c'est Descartes {1596-1650) qui fonde l'optique géométrique et définit la lumière comme propr iété mécanique d'un « éther » incom­ pressible qui remplit l'espace.

Il en déduit que sa propagation est instantanée .

Pour Huy gens {1629 - 1695 ), l'éther étan t un fluide élastique, la lumière se propage à vitesse finie.

Newton décompose la lumière blanche.

Sous son autorité, la théorie corpusculaire s'impose jusqu'au début du XIX' siècle .

Entre 1800 et 1820, Young {1773 -1829), Arago (1786·1853 ) et surtout Fresnel (1788- 1827 ) démontrent sa nature ondula­ toire par des expériences de diffraction et d 'interfér ence .

Maxwell (1831- 1879) découvre la nature électro­ magnétique des ondes lumineuses.

Enfin , en 1905, Einst ein (1879-1955) arrive à la synt hèse en étab lissant la « dualité onde-corpuscule » de la lumière.

L'tlECTRICIJt ET U MA'NÈTISME L'étude scientifique des phénomènes électriques et magnétiques, connus depuis des lustres, ne débute qu'à la fin du XVIII' siècle.

C'est Coulomb (1736· 1806 ) qui lance le mou vement e n 1785 , avec la mesure des forces d'attraction­ répulsion entre charges électriques et entre aimants .

Il découvre que ces forces s'atténue nt en raison du carré de la distance .

Avec Lapla ce (1749- 1827) et Poisson (1781-1840) les quelques lois connues sur l'électr icité et le magnétisme statique s (forces, distribution de l'électricité sur les solides, etc.) acquièrent leur forme mathéma­ tique .

En 1800 , l ' Italien Volta ( 1745 ·1827 ) conçoit la première pile électrique , facilitant aux scientifiques l'étude du courant électrique.

En 1820 , le Danois Œrsted {1777 -1851 ) fait le premier pas dans l 'unification des deux disciplines en montrant qu'un courant électrique dévie l'aiguille d 'un aimant.

Entre 1820 et 1825 , Ampère (1775 · 1836) met en lum ière l'existence d'une force d'attract ion-répul sion entre courants électriques.

Il fonde par-là l'é lectrodyna mique .

Jusqu'à cette p ériode, on considère les forc es magnétique et électrique comme instantanées et à distance.

LA CHALEUR On sait que les Grecs considéraient le chaud et le froid comme deux qualités distinctes.

Vers 100 av.

J.-C., Héron d'Alexandrie remarque la vertu motr ice de la vapeur d'eau chaude et construit même un« moteur» (élémentaire).

Mais l'étude de la chaleur démarre véritab lement à la Renaissance .

Dès le XVII' siècle , l'idée que le chaud et le froid sont des manifestations d'un même phénomène s'affirme.

Au XVIII' siècle, on commence à s'intéresse r à la capacité de différents corps à emmaga sine r la chaleur, à leur inertie thermique et aux changements d'état (fusion, vaporisation, etc.).

On se demande si la chaleur est une matière en soi, un «fluide calorique », o u un état particulier de la matièr e lié à l'agitat ion des molécule s :à l'orée du X IX', les deux écoles s'opposent.

L e prem ier à élaborer une analyse mathématique de la chaleur est Joseph Fourier (1768-1830) :il étudie sa propagation dans les corps solides établit les équations différentielles de son mouvement.

Mais il faudra attendre l'avène ment de la thermodynamique pour voir apparaître une théorie globale .

LA PHYSIQUE MODERNE LA THERMODYNAMIQUE Avec l e développement industriel de la machine à vapeur, au XIX' s iècle, on se demande si l'on peut construire un moteur à rendement parlai~ et réutiliser « perpétuellement » une quant it é finie de chaleur .

La thermodynamique apporte r a une réponse négative à ces deux questions .

En 1824, Sadi Carnot {1796 -1832) publie une étude sur la perte de qualité de la chaleur utilisée pour produire du travail mécanique.

En 1842, le médecin Allemand J .

Mayer (1814-1878 ) formule l'équivalence : chaleur= travail.

Reprenant ces travaux, l'Allemand R .

Clausius (1822 -1888 ) aboutit en 1850 à une théorie complète reposant sur deux princip es : le premier exprime la propriété de conservation de l'énergie lors d 'une transformation dans un systè m e isolé ; le secon d introduit l e concept d'entropie comme mesure de la dégradation de qualité de l'énergie et établit que dans un système isolé, l'entropie ne peut qu'augmenter (l'énergie se dégrade ).

En 1872 , Ludwig BoHzmonn {1844 -1906 ) lie les propriété s macroscopiques de la matière (chaleur , pression, etc.) au comportement mécanique des particules , ouvrant à une interpré· talion statistique des principes thermodynamiques .

Dès lors, cette science ne cessera d 'étendre son domaine , jusqu 'à devenir une véritab le « métathéorie » de la physique.

(m a tériali sées par la limaille de fer).

Dans le même mouvement , W .

Thomson {1824-1907), futur Lord Kelvin, associe la force magnétique à d es tourbillons se propageant de proche en proche.

C'est J.

C.

Maxwell (1831-1879 ), i n spiré par les concepts de Faraday et Thomson , qui accomplit l'unification :e n 1868, il établit les 4lois fondamentale s de l'électromagnétisme.

La premi ère lie le champ électrique (E ) à la charge électrique ; la seconde montre que la variation d'un champ magnétique (B ) crée un champ E ; la troisième établit les caractéristiques du champ B ; la quatrième montre que la variatio n d'un champ E engendre un champ B , et relie E et B à la lumière.

De ces lois émerge une nouvelle réalité : la lumi è re est un phénomène électromagnétique.

En 1888 , H .

H ertz (1857 -1894 ) démontre la justesse de la théorie en produisant des ondes électroma gnétiques par l'oscillation d'un champ E.

Les ondes hertziennes sont nées .

ijiti'IWI RELATIVITÈ RESTREINTE ET 'ÈNÈRALE A l'orée du XX' siècle, la mécanique newtonienne et l'électromagnétisme manifestent de graves incompatibi lités.

La première impose le respect du principe de compos ition des vitesses (pour les mouvements rectilignes uniformes ) : si un observateur A voit un objet se déplacer à la vitesse V, un observateur B animé d'une vitesse V' par rapport à A verra ce même objet se déplacer à la vitesse V-V'.

Mais les ondes électromagnétiques (la lumière ) semb lent déroger à ce principe : une expérience effectuée en 1887 par Michelson et Mor ley montre que la vitesse de la lumière (c) est constante pour tout observateur.

Cet « étrange » résultat pose une énigme.

En 1905, le jeune Albert Einstein résout le problème en révolutionnant la physique .

En substance, sa théorie de la r e lativité restreinte d it que c'est la vitesse limite de tout objet matériel.

Il en déduit que le temps peut ralentir , l'espace se contracter, et que matière et énergie sont équivalentes (E=Mc 2).

En 1917, Einstein généralise sa théorie en posant l'équiva lence: masse =accé lération.

Il en déduit que l'espace et le temps peuvent se « courber » sous l'influence de la matière -énergie : la grav itation n'appa raît plus que comme un épiphénomène de la courbure spatio-temporell e.

CONSTITUTION DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE En 1900, Mox Planck (1858 ·1947 ), qui étudie le rayonnement émis par des objets chauffés (exp érience du «cor ps noir »), découvre que l'énergie échangée entre la m atière et le rayonnement se fait non pas de manière continue mais par « paquets » indivisibles, les « quanta » .

En 1905 , Einstein découvre la dualité onde-corpuscule de la lumière en étudiant l'effet photoélectr ique .

En 1913, Niels Bohr (1885· 1962 ) applique le principe de quantification de l'éne rgie au modèle atomique développ é par Ernest Rutherford en 1910.

En 1924, Louis de Broglie {1892 -1987) étend à toute la matière le principe de dualité onde­ corpuscule ..

.

Une théorie unitaire s'ap prête à éclore .

En 1925, Erwin Schrodinger (1887-1961 ) pose l'équation de propagation des ondes associées aux particule s.

La même année, W.

Heisenberg (1901 - 1976) établit un formalisme abstrait _.

_ __._,-.,., rendant compte du comportement des ondes-corpuscules.

Et en 1926, Schrôdinger démontre l'équivalence entre son interprétation et celle d'Heisenber g.

La physique quantiqu e est constituée .

Elle recevra d'éclatantes confirmat ions, notamment en 1981 avec la preuve de « non­ séparabi lité » fournie par A.

Aspect , de l'universi té d'Orsay .

LA RADIOACTIVITÈ En 1896 , H .

Becquerel (1852 -1908) découvre accidentellement que les sels d'uranium émettent spontanéme nt des rayonnements.

En 1898 , Pierre (1859 · 1906) et Marie (1867 -1934) Curie isolent le polonium et le radium.

Ils étudient les lois régissant ces radiations et nomm ent le phénomène : «radioactivité ».

En 1899 , E.

Rutherford (1871 -193 7) identifie deux autres types de rayons émis : les a (noya u x d'hé lium ) et les {J (électro ns).

En 1902 , Rutherford et F.

Soddy (1877 -1956) découvrent le phénomène de « transmutation » radioactive : par l'émission de rayons a et {J, un atome se transfo rme en un autre .

Dans les années 1910, on montre qu'un même élément chimique pe ut avoir de nombreu x « isotopes » dont certains sont instables (ils se transmutent).

En 1934 , Irène (1897 -1956) et Frédéric (1900-1958) Joliot-Curie découvrent ~ la radioa ctivité artificielle : un élément stab le, comme l'aluminium, peut devenir radioactif après bombardement par des partic ules a.

Ils mettent en évidence de nouveaux rayons : les {J.

(neutron s).

En 1938-39, O .

Hahn (1879 -1968) et L.

Meitner {1878-1968 ) d écouvre nt la fission (séparation en deux) de l 'uranium et F.

Joliot-Curie envisage la possibilité de réactions nucléaire s (fission) en chaîne qu'Enrico Fermi (1901-1954) réalise en 1942.

(OSMOLO"E ET 8" BAN' La théorie de l a relativi té autorisant différents modè les d'Univers , la question était de savoi r , en cette première moitié du XX' siècle, lequel s 'appliqua it au nôtre .

Einstein, lui, croyait à la nature statique et immuable du Cosmos.

Mais en 1922 , le Russe Friedman (1888 -1925 ) montre que certaines solutions des équations de la relativité conduisent à des modèles d'Univers en expansion .

Ce que confirme en 1929, Hubble {1889- 1953 ), qui observe que les galaxies s'éloignent les unes des autres.

En 1927 , Lemaître comprend que si l'Univers gonfle, cela signifie que plus on remonte dans le passé , plus il rapetisse ...

Jusqu 'à devenir ponctuel.

Ce modèle d'un Univers n é d'une « singularité » spatio­ temporelle sera nommée « big bang » (on estime aujourd'hui qu'il s'est produit il y a 14 milliards d'années).

Vers 1948, Gamow {1904- 1968 ) et ses collègues établissent un scénario possible pour la synthèse des éléments chimiques dans le modèle de Lemaître , que Hoyle {1915 ·2001) modifie et affine dix ans plus tard .

Gamow prédit l'existence dans tout l'Univers d'un rayonnem ent « fossile » issu du big bang que deux physiciens, Penzias et Wilson , décèlent en 1963 .

Dès lors, le modèle du big bang s'impose.. »