L’état de la physique à la fin du 19e siècle

inforsciences — Mon, 14 Oct 2013 16:00:00 +0000

Cet article est adapté de la présentation « Mécanique quantique pour les nuls : un parcours dans l’exposition Remue-méninges à Bruxelles, 100 ans de Conseils de Physique Solvay » réalisé par Jean Wallenborn en support à l’exposition.

Premier Conseil de Physique Solvay (Bruxelles, 1911).

1. L’état de la physique à la fin du 19e siècle

Deux théories complémentaires semblent expliquer tous les phénomènes : la mécanique de Newton et l’électromagnétisme de Maxwell.

Newton
1643-1727

Maxwell
1831-1879

Ces théories sont déterministes, la théorie de Newton permettant par exemple le calcul des orbites planétaires.

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Électromagnétisme de Maxwell

La théorie de Maxwell décrit les propriétés électriques et magnétiques de la matière.

Elle explique aussi la nature de la lumière.

La bobine de Ruhmkorff

L’étincelle produite par une différence de potentiel élevée entre deux tiges est constituée d’un flux de charges électriques.

Induction magnétique

L’électricité peut être produite par induction magnétique : le mouvement d’un fil métallique entre les fers d’un aimant crée un courant électrique.

Expérience d’induction magnétique

Qu’est-ce qu’une onde ?

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Un train d’onde ressemble à ceci :

Les ondes peuvent se déplacer dans un sens ou dans l’autre.

La fréquence est égale au nombre de crêtes qui passent par seconde en un point donné.

La vitesse de propagation c relie la longueur d’onde λ à la fréquence ν :

λν = c

Quand des ondes se rencontrent, elles interfèrent, c’est-à-dire qu’elles s’additionnent.
C’est une caractéristique exclusive des ondes.

Crêtes et creux s’annihilent :

Ensemble, les crêtes ou les creux se renforcent :

Dans le cas d’une corde vibrante, les ondes se réfléchissent aux extrémités avec inversion des creux et de crêtes. Les ondes qui se propagent en sens opposé interfèrent. Suivant la longueur de la corde et la vitesse de propagation des ondes, pour des fréquences définies, des ondes stationnaires se forment.

La cuve à ondes met aussi les interférences en évidence.

Des franges d’interférence sont produites par de petites vagues qui passent à travers une fente double.

Expérience de Young

Un montage optique montre la nature ondulatoire de la lumière.

Une lumière monochromatique passe par une double fente et produit des franges d’interférence sur l’écran.

La lumière est donc constituée d’ondes.

Un grand succès de la théorie de Maxwell est d’avoir expliqué la nature des ondes lumineuses. Ce sont des ondes électromagnétiques qui n’ont pas besoin d’un milieu matériel pour se propager.

Tube de Crookes

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Les électrons ont une masse et obéissent aux lois de Newton.

Les électrons sont des particules.

En conclusion, à la fin du 19e siècle

Deux théories déterministes complémentaires semblent décrire tous les phénomènes physiques :

Les particules obéissent aux lois de Newton.
Les ondes lumineuses sont décrites par les équations de Maxwell.

Cependant, personne ne connaît la nature profonde de ces lois.

Elles sont capables d’unifier un grand nombre de faits physiques mais elles résultent de l’expérience et personne ne peut dire qu’il en comprend réellement la nature profonde.

Cependant, quelques nuages cachent le soleil et quelques petits problèmes ne peuvent être expliqués par les théories de Newton ou de Maxwell.

Pourquoi la lumière émise par les atomes ne contient-elle pas toutes les couleurs de l’arc-en-ciel (= spectre discret) ?

Quelle est l’origine de la radioactivité ?

Pourquoi ne sommes-nous pas brûlés quand nous regardons l’intérieur d’un four ?

Le problème du rayonnement du corps noir (catastrophe ultraviolette) :

Tout objet émet un rayonnement qui dépend de sa température.

Selon la théorie, l’énergie émise devrait être infinie, en contradiction évidente avec l’observation, puisque nous pouvons regarder l’intérieur d’un four.

La physique des particules (bonus) – Osons le Boson pour tous !