L'année einstein et les bouleversements de la physique : Une apparente contradiction
Une apparente contradiction
On peut se demander où réside le génie d’Einstein dans la formulation de cette hypothèse, qui peut paraître évidente a posteriori, d’autant plus qu’elle se situe dans la ligne de celle de Max Planck. En fait, il s’agit d’une véritable révolution. Planck suggérait que les « échanges d’énergie » s’opéraient de façon discontinue, ce qui lui posait déjà d’énormes problèmes de compatibilité avec la physique classique, en particulier celle de Maxwell. Avec l’hypothèse d’Einstein, c’est la structure même du rayonnement lumineux qui est désormais mise en cause. C’est toute la controverse entre les théories ondulatoire et granulaire de la lumière qui est réactivée. Pourtant, ce problème semblait avoir été réglé de façon définitive depuis que les travaux de Huygens et de Fresnel avaient notamment établi que la lumière donnait lieu à des phénomènes d’interférences, preuve indubitable de sa nature ondulatoire26, et depuis que la théorie de Maxwell avait permis de préciser que les ondes lumineuses étaient de nature électromagnétique. Selon Einstein, l’énergie est néanmoins transportée par « grains », ce qui n’exclut pourtant pas la nature ondulatoire de la lumière, puisque ces grains sont proportionnels à la fréquence de l’onde lumineuse !
Albert Einstein résout donc une énigme au prix d’un paradoxe. La lumière peut se propager à la fois sous forme d’onde, ce qui, dans l’image classiquement admise, implique une continuité, et transporter l’énergie sous forme de grains, discontinus par définition. Le génie d’Einstein, c’est de constater que cette propriété n’est pas en contradiction avec les principes de la physique, mais que l’apparente incompatibilité entre les deux aspects, ondulatoire et granulaire, de la lumière provient en fait des images mentales sous-jacentes.
Lorsque l’on se représente la lumière comme une onde, on évoque l’image de vagues se propageant sur la mer ou dans un bassin, ce qui correspond à un phénomène continu. Les équations associées à cette image impliquent donc des fonctions continues, et toute la mathématique mise en oeuvre concourt à produire des effets continus, comme l’apport d’énergie au cours du temps. Lorsque cette théorie est appliquée à la lumière, et confrontée à l’expérience, aucune discontinuité n’apparaît tant que les flux lumineux sont importants et tant que les effets étudiés ne mettent pas en jeu des objets trop petits.
Les discontinuités mises en évidence par l’analyse du rayonnement du corps noir et par l’effet photoélectrique obligent à admettre l’existence d’une structure granulaire de la lumière. Ce résultat suggère maintenant l’image de corpuscules se propageant comme des balles de fusil, donc une représentation totalement différente de la précédente. Cependant, ces deux représentations ne sont pas contradictoires, si l’on se souvient que ces images, ces « modèles », ne constituent que des supports pour le raisonnement, et ne doivent pas être confondus avec la réalité des objets concernés. De même que la chauve-souris n’est ni souris, ni oiseau, la lumière n’est ni onde ni particule. Elle est, si l’on veut, mi-onde, mi-particule. Mais la seule chose certaine, c’est qu’en puisant dans notre catalogue d’objets familiers, notre cerveau n’en trouve aucun qui puisse la représenter dans tous ses aspects.
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