L'électromagnétisme

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Sommaire:

Au début du xix^e siècle, l'édifice théorique de cette branche de la physique était constitué de deux piliers bien séparés : l’électrostatique d'une part, la magnétostatique d'autre part. L’électrostatique décrivait les interactions entre corps chargés électriquement, la magnétostatique celles entre corps aimantés. Les deux domaines présentaient bien certaines similitudes, par exemple la propriété pour les objets étudiés de se repousser ou de s’attirer, mais ils semblaient recouvrir des phénomènes de natures distinctes : un aimant et un corps électrisé ne s’attirent pas ; un corps électrisé est soit chargé positivement, soit chargé négativement, tandis qu’un AIMANT contient toujours deux pôles inséparables, même lorsqu’on le casse en deux.

Une semaine après l’exposé d’Œrsted, André Marie Ampère donna l'explication de ce que celui-ci avait observé. Il prit comme objet élémentaire le fil conducteur parcouru par un courant électrique (ou, plus exactement, une portion infime de ce fil) et ramena le problème du magnétisme à celui de l’interaction entre fils électriques. Si un fil est susceptible d’agir sur un aimant, c’est parce qu'un aimant est au fond lui-même équivalent à une multitude de boucles de courants élémentaires (voir AIMANT ou MAGNÉTISME). Ampère trouvait ainsi la clé de l’ensemble des phénomènes magnétiques observés, mettant le doigt sur l’origine commune des phénomènes magnétiques et électriques : le magnétisme résulte simplement de la présence de courants électriques, c’est-à-dire de déplacements de charges électriques (voir ÉLECTRICITÉ).

La compréhension de ce lien entre électricité et magnétisme fut renforcée par les travaux de Michael Faraday. Fasciné par l’expérience d’Œrsted, celui-ci n’eut de cesse de démontrer l’effet inverse, c'est-à-dire l'induction par un aimant d’un courant électrique au sein d’un fil conducteur. Il y parvint en 1831, découvrant que l’effet ne se produit que si l’aimant est animé d’un mouvement par rapport au fil. Ce nouveau phénomène, l'induction électromagnétique, allait jouer un rôle considérable dans le développement de l’électricité industrielle (voir ÉLECTRICITÉ).

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L'intuition de Faraday
Faraday réveilla ensuite un vieux débat de la physique : la question de l'action instantanée à distance. L’idée que l’interaction entre deux corps ne dépend que de leur nature propre et de la distance qui les sépare, non du milieu qui les sépare, heurte le sens commun puisqu'elle ne dit rien sur la façon dont l’interaction se propage d’un corps à l’autre. Aussi bien la gravitation de Newton que l’électrostatique de Coulomb-Poisson et la magnétostatique revisitée d’Ampère relevaient de cette approche. Faraday croyait bien davantage à l’idée d’une propagation " de proche en proche ". Cette conception était étayée par un fait expérimental qu’il contribua à élucider : les quantités de charges qui s’accumulent à la surface de deux conducteurs placés en regard l’un de l’autre et séparés par un milieu diélectrique, c’est-à-dire isolant, dépendent non seulement de la distance séparant les deux conducteurs, mais aussi de la nature du milieu intermédiaire.

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Maxwell et les ondes électromagnétiques
Mais Faraday, peu à l'aise en mathématiques, ne parvint pas à formaliser de façon rigoureuse son intuition. Cette tâche fut accomplie par William Thomson (le futur Lord Kelvin) et surtout James Clerk Maxwell. Dans le but de décrire l’influence dans l'espace environnant de la présence de charges électriques fixes ou en mouvement, ce dernier précisa les concepts de champ électrique et de champ magnétique, qui caractérisent en quelque sorte " l’état électromagnétique " d'un point quelconque de l’espace. S’appuyant sur le formalisme mathématique permettant de décrire la propagation d’effets de proche en proche, à savoir celui des équations aux dérivées partielles (utilisées au début du siècle par le français Joseph Fourier pour décrire la propagation de la chaleur), il modernisa et compléta les lois antérieures de l’électromagnétisme. En 1864, il obtint neuf équations fondamentales (qu’on est depuis parvenu à réduire à quatre). Cette théorie très élégante permettait – résultat capital – de calculer la vitesse de propagation des phénomènes électriques et magnétiques, si grande que l'on n'avait pas pu la mesurer jusqu'alors. Maxwell put en effet déduire de ses équations que cette vitesse de propagation s’identifie avec celle d’un phénomène en apparence fort différent : la LUMIÈRE. Mais il ne franchit pas le dernier pas consistant à assimiler la lumière à une onde électromagnétique. Il se contenta de conclure que la propagation des phénomènes électromagnétiques et de la lumière résultaient de la vibration d’un même milieu mystérieux dont Maxwell s’était abondamment servi pour établir ses équations, l'éther, tellement subtil que l’on ne parvenait pas à l’observer.

Ce fut un jeune Allemand, Heinrich Hertz, élève de l’un des grands physiciens de l’époque, Hermann von Helmholtz, qui paracheva le triomphe de la théorie de Maxwell. Il commença par la débarrasser de ses fondements mécaniques contestables, écartant l’éther hors de la théorie pour ne garder que les champs électrique et magnétique, qui passèrent du coup du rang de simples intermédiaires de calcul au statut d’objets physiques essentiels. Ensuite, il vérifia expérimentalement la prédiction fondamentale de la théorie de Maxwell, c'est-à-dire que les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière. A l’aide d’un dispositif électrique qu’il avait mis au point, il produisit en 1887 des ondes électromagnétiques de grande longueur d’onde, les ondes hertziennes, dont il put mesurer la vitesse de propagation et vérifier qu’elle s’identifiait bien avec celle de la lumière. Après qu’il eut démontré expérimentalement que ces ondes pouvaient être réfléchies ou réfractées, tout comme la lumière (voir OPTIQUE), il devint clair que celle-ci ne se distinguait plus en rien de celles-là : la nature électromagnétique de la lumière était établie, jetant un éclairage nouveau sur les équations de Maxwell. Au moyen de quatre équations relativement simples, on unifiait non seulement l’électricité et le magnétisme, mais on ramenait à la nouvelle branche ainsi formée l’ensemble de l’optique. Jamais, dans l’histoire de la physique, un ensemble aussi restreint de lois n’avait suffi à rendre compte d’une telle diversité de phénomènes.

La théorie fut encore améliorée en 1895 par le physicien hollandais Hendrik Antoon Lorentz, après qu’on eut découvert la particule porteuse de la charge électrique (négative) élémentaire : l’ÉLECTRON. Prenant cette particule élémentaire en compte, il put obtenir l’expression microscopique de paramètres importants de la théorie de Maxwell (constante diélectrique, perméabilité magnétique…), interpréter certains phénomènes optiques et même en prévoir un nouveau, l’effet Zeeman, avant que celui-ci soit mis en évidence expérimentalement (voir SPECTRE).

Toutefois, la théorie ne tarda pas à rencontrer ses premières limites expérimentales. Tout d’abord, l’effet Zeeman s’avéra plus subtil qu’on ne l’avait espéré, n’obéissant que partiellement aux prévisions de Lorentz. D’autre part, la théorie se révéla insuffisante aussi bien pour comprendre la structure des spectres d’émission des différents éléments chimiques (voir SPECTRE) que pour interpréter le rayonnement émis par un corps noir (voir CORPS NOIR), ou encore pour expliquer la production d’étincelles sur un métal qu’on illumine avec un rayonnement ultraviolet (ce phénomène, appelé effet photoélectrique, avait été découvert par Hertz en 1887). Enfin, l’expérience menée par l’Américain Albert Michelson, à partir de 1881, pour déterminer dans quel référentiel (c’est-à-dire par rapport à quel objet considéré comme fixe) la vitesse de la lumière s’identifiait avec la valeur prévue par la théorie (car la vitesse d’un objet dépend normalement du référentiel dans lequel on la mesure), donnait des résultats très difficiles à interpréter. Et pour cause : cette expérience allait devoir attendre l’avènement, en 1905, de la théorie de la RELATIVITÉ restreinte d’Einstein pour recevoir une interprétation. Quant aux autres énigmes, elles ne furent résolues que dans le cadre de la PHYSIQUE QUANTIQUE.

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L'électromagnétisme, une mine d'applications
L’électrodynamique quantique moderne a beau avoir un domaine de validité beaucoup plus vaste que celui de la bonne vieille théorie de Maxwell, cette dernière suffit largement pour rendre compte avec précision d’un très grand nombre de phénomènes électromagnétiques courants. Elle demeure notamment la théorie de base du champ d’applications le plus fécond qu’elle ait ouvert : celui des télécommunications hertziennes. Inauguré par la découverte des ondes du même nom, ce domaine se développa rapidement, à la fin du xix^e siècle, grâce à la mise au point d’émetteurs et de récepteurs de plus en plus perfectionnés. En 1895, le Russe Aleksandr Popov réalisa en laboratoire la première transmission de signaux Morse par voie hertzienne. La télégraphie sans fil (T S.F) était née. Six ans plus tard, l’Italien Guglielmo Marconi reliait par cette même voie le continent européen au continent américain. Grâce aux progrès technologiques de la première moitié du xx^e siècle (en particulier à l’apparition et au développement des tubes électroniques), il devint bientôt possible de transporter à distance le son, puis l’image. La capacité des ondes hertziennes à se réfléchir lorsqu’elles rencontrent un obstacle fut pour sa part à l’origine de l’invention dans les années 30 d’un moyen de détection très efficace : le radar.

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L'électrodynamique quantique
Qu’on n’aille pas croire que la théorie de Maxwell-Lorentz a sombré à l’aube du XXe siècle. Elle servit au contraire de cadre de référence à la jeune mécanique relativiste, de sorte qu'elle a pu traverser cette période sans encombres. Elle fut en revanche secouée par la révolution quantique. En effet, le mystérieux rayonnement du corps noir amena Albert Einstein à la conclusion que le champ électromagnétique n’était pas aussi continu que la théorie de Maxwell le laissait supposer, mais qu’il se présentait sous la forme de petits grains, ou quanta, assimilables à des particules de masse nulle et baptisés photons quelques années plus tard (voir photon). La formulation quantique du champ électromagnétique (sa " quantification ") fut établie en 1927 de façon plus rigoureuse par le physicien anglais Paul Dirac. Deux ans plus tard, l’Allemand Werner Heisenberg et le Suisse Wolfgang Pauli pouvaient inaugurer l’étude quantique de l’interaction entre particules chargées et champ électromagnétique, aboutissant à ce que l'on appelle l'électrodynamique quantique.

En 1947, l'Américain Willis Lamb mesura expérimentalement une grandeur importante concernant l'atome d'hydrogène, appelée depuis le Lamb shift. Toutes les tentatives faites jusqu'alors pour calculer la valeur de cette grandeur à partir de l'électrodynamique quantique avaient conduit à des résultats infinis. Il fallut dès lors analyser en profondeur ce violent désaccord entre une mesure expérimentale et sa prédiction théorique. Deux années d'efforts intenses permirent aux théoriciens, notamment au Japonais Shinichiro Tomonaga et aux Américains Julian Schwinger et Richard Feynman, de mettre sur pied une procédure mathématique sophistiquée permettant d'éliminer les quantités infinies qui apparaissaient dans leurs calculs, et d'aboutir à des prédictions théoriques conformes aux résultats expérimentaux. Cette procédure, appelée la RENORMALISATION, conféra à l'électrodynamique quantique une solidité et une puissance exceptionnelles.

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L'unification électrofaible
L'électrodynamique quantique réussit en effet à rendre compte des mesures expérimentales avec une telle précision qu’elle est considérée comme la théorie de référence en matière de description des interactions fondamentales de la physique (interaction nucléaire forte et interaction nucléaire faible). C’est sur son modèle qu’en 1967, l’interaction électromagnétique put être unifiée avec l’interaction nucléaire faible, responsable de la radioactivité b (par laquelle un neutron se désintègre en un proton et un électron), grâce aux travaux des Américains Steven Weinberg et Sheldon Glashow et du Pakistanais Abdus Salam. La théorie ainsi unifiée, appelée théorie électrofaible, franchit avec succès l’épreuve de la confrontation expérimentale, grâce à la découverte au CERN en 1983, par l’équipe de l’Italien Carlo Rubbia, des particules médiatrices de l’interaction faible annoncées par la théorie, le W- , le W⁺et le Z⁰.

"Le Trésor, dictionnaire des sciences © Flammarion 1997. Ce texte ne peut être ni reproduit, ni vendu sans l’autorisation de l’éditeur."