VITESSE DE LA LUMIERE X ANTIMATIERE /ANTI-GRAVITATION

L'antimatière est d'actualité dans le numéro de La Recherche (no 361, 02/03) qui fait le bilan de l'année scientifique passée et consacre deux articles à ce sujet, d'une part à cause de l'accélération de l'expansion de l'univers (21/02/02) qui semble impliquer une étrange "énergie négative" répulsive et surtout parce qu'on commence à fabriquer des anti-atomes d'antihydrogène (CERN, 18/09/02). Mais qu'est-ce donc que cette mystérieuse antimatière et que peut bien vouloir dire un temps négatif parmi d'autres propriétés fascinantes ? Le lien indiqué plus haut vous en dira beaucoup plus que la revue elle-même, mais il faut d'abord revenir sur ce que nous croyons savoir de la matière, du moins ce que j'en ai compris, étant absolument incompétent sur ces questions.

1. Qu'est-ce que la matière (brisure de symétrie)


La matière n'est qu'un défaut dans l'être, l'ombre de la lumière avons-nous dit. Alors que rien ne devrait exister si l'on se fiait aux lois de la physique dans leur mécanique continue, toute existence, toute force, résulte de ce que les physiciens appellent une "brisure de symétrie" dont l'exemple est celui de la formation de cristaux, reliée au phénomène de refroidissement, de l'entropie de l'univers depuis sa naissance. S'il y a brisure de symétrie c'est qu'une loi de symétrie n'a pas été respectée (par effet de seuil ou saut quantique), ce dont la physique ne peut vraiment rendre compte, seulement constater l'existence de diverses forces, diverses propriétés de la matière, correspondant à autant de défauts de symétrie qui ne sont pas déduits mais doivent être pris en compte. Comme j'ai tenté de le montrer dans mon texte sur l'improbable miracle d'exister, toute existence est donc improbable dans sa différenciation, et notre monde est bien celui de l'improbabilité malgré la rigueur des lois physiques. J'ai montré aussi que c'est ce caractère incalculable de l'univers qui donne toute son importance à l'information caractérisée elle aussi par son improbabilité, sa nouveauté, ce qui permet d'interpréter toute existence et tout événement comme information. L'entropie ici est créatrice plus que destructrice. Par ses ratages même, le travail du temps est créateur, par ses fractures, ses effondrements, ses rencontres hasardeuses. Dès lors, matière et information tiennent entièrement à leur imperfection et à leur surprise qui déchire le silence du vide et la surface lisse des espaces infinis.

L'antimatière étant l'envers de la matière et de l'énergie, son image en miroir, constitue semble-t-il la première symétrie qu'il faut briser pour qu'il y ait quelque chose plutôt que rien et depuis Sakharov on essaie d'expliquer cet infime déséquilibre en faveur de la matière. Ce n'est pourtant pas si sûr, ne faisant sans doute qu'enregistrer plutôt une brisure de symétrie au niveau électromagnétique et de la distribution de l'énergie. Ce n'est pas un déséquilibre entre matière et antimatière qui peut être vraiment responsable de l'existence de la matière mais sans doute le phénomène de refroidissement et d'effet de seuil, de ce qu'on pourrait appeler des erreurs d'arrondi impliqués par le caractère quantique de l'énergie, le caractère discret des quanta, arrondis qui laisseraient ainsi un reste (lorsque les fluctuations quantiques ont lieu dans un espace-temps qui se modifie, de virtuels certains photons deviennent réels). Le rapport matière/anti-matière serait plutôt une conséquence, le reflet de la rugosité de la matière.

Ce n'est pas seulement l'émergence d'un reste qu'il faut expliquer cependant, mais sa solidité, sa durée. C'est donc l'énergie de liaison qui est la véritable cause de la matière puisque cela implique qu'il faut dés lors un apport d'énergie extérieur pour "briser cette brisure de symétrie", c'est-à-dire que la force de liaison empêche désormais la désintégration de la particule malgré les fluctuations quantiques (en l'absence d'apport d'énergie). Ce qui fait que les particules durent c'est d'entrer en interaction avec d'autres en constituant de nouvelles symétries comme les liaisons électriques entre charges opposées. La charge électrique est une brisure de symétrie primordiale dont semblent découler les forces nucléaires fortes et faibles qui se différencient à certaines étapes du refroidissement initial et s'opposent à l'entropie et la désintégration.

L'antimatière ayant une charge électrique opposée à celle de la matière (positons opposés aux électrons), il ne peut plus y avoir d'annihilation semble-t-il lorsque l'électron est neutralisé par son couplage à un proton. Normalement la collision de matière et d'anti-matière symétrique provoque l'annihilation des particules, rétablissant la symétrie en produisant l'énergie retenue dans la matière sous forme de rayons gamma (longueur d'onde plus courte que les rayons X). C'est même ce phénomène qui serait à l'origine d'un "rayonnement fossile" encore détectable aujourd'hui dans tout l'univers, image de cet immense carnage dont surnageront de rares survivants, assez tout de même pour peupler l'immense univers de toute sa matière. Par contre lorsqu'il y a rencontre d'une charge positive et d'une charge négative, non seulement il n'y a pas annihilation mais la force de liaison s'oppose à la désintégration, exigeant un apport extérieur d'énergie. Comme une collision électron/anti-électron produit 2 photons, ce qui est empêché ainsi, c'est bien la conversion de matière (fermions) en énergie libre (bosons), accentuant les défauts de répartition de l'énergie.

En effet, qu'est-ce que la matière ? Selon la formule bien connue, E=mc2, c'est de l'énergie emprisonnée, de l'inertie, caractérisée par une longueur d'onde ultra-courte qui ne se propage plus mais s'enferme dans sa masse en produisant sa gravité. Ce qu'il faut comprendre, c'est la transformation d'énergie en matière, d'une interférence en inertie localisée. Certains ont pu dire que les particules se comportent comme des trous noirs piégeant l'énergie, produisant un retrait, une brisure de symétrie. Pour Einstein (en 1905) "le rayonnement transfère de l'inertie entre les corps qui émettent et les corps qui absorbent". Les constituants de la matière sont les quarks et les électrons qui forment les fermions et s'opposent aux bosons. Les bosons (spin 1 ou 0) sont de simples véhicules des interactions comme le photon, c'est de l'énergie libre qui se transmet à des vitesses proches de celles de la lumière, émission ou absorption d'énergie, alors que les fermions (spin 1/2) constituent l'inertie, la matière, sa localisation (principe d'exclusion de Pauli), sa résistance, sa gravité, les interactions réelles. C'est, semble-t-il, le caractère impair des fermions, leur incomplétude qui les rend réactifs et manifeste leur existence matérielle. En effet, les fermions ont tendance à se lier par paire et les paires liées se comportent alors comme des bosons. Ceux qui restent fermions solitaires, donc incomplets, forment des fermions composites qui peuvent se décrire comme une assemblage de n bosons + 1 fermion, le "plus-un" constituant le défaut de transmission, la brisure de symétrie de la matière, ce que Aristote appelait sa privation déterminant son orientation, sa cause finale.

A cette analyse de la matière comme improbable brisure de symétrie, à ses interactions et son caractère incomplet, Il faut ajouter que les particules (ou les cordes) se caractérisent par un certain nombre de dimensions qui rendent compte des types de liaison des particules, de leurs complémentarité, leurs symétries. Ce sont ces dimensions que la théorie des cordes ajoute à notre espace-temps comme modes de vibration des cordes, multiples brisures de symétrie dans différentes dimensions qui sont sans doute, selon la théorie quantique : charge, masse, isospin, hypercharge, étrangeté, couleur (types de quarks). Avec les 4 dimensions de l'espace-temps, on en est donc déjà à 10. De quoi prendre conscience de l'étendue de notre ignorance encore.


2 .Qu'est-ce que l'anti-matière (le gant retourné)

En définitive, l'antimatière est donc une vue de l'esprit, une lacune dans une mer de matière.

Si l'antimatière n'est bien, comme le pense Feynman, qu'un point de vue inversé sur une seule et même réalité, elle ne peut être à l'origine de la rugosité de la matière qu'elle ne fait que refléter. C'est Paul Dirac qui a déduit l'antimatière de ses équations relativistes du comportement de l'électron. L'équation admettant des solutions négatives il a pu prédire ainsi les propriétés de l'antimatière comme inversion des propriétés de la matière, son image symétrique, en miroir. On obtient alors l'inversion des charges électriques, de la couleur (des quarks), de la charge faible mais aussi une énergie négative et sans doute une antigravité et même un temps négatif !

Il s'agit de donner une interprétation de cette énergie négative et encore plus d'un temps inversé, interprétation qui est loin de faire l'unanimité. Le texte "La symétrie CPT et L'antimatière" dont l'adresse est donnée plus haut et dont sont extraites les citations qui suivent, en donne une interprétation purement géométrique, celle de Feynman, qui me semble séduisante mais à laquelle il ne semble pas se tenir. Tout cela semble bien étrange, en effet, sauf à considérer qu'il s'agit simplement d'un point de vue inversé, dans le cadre des transformations de Lorentz de la relativité, selon qu'on se situe à un point fixe ou à la vitesse de la lumière (qui n'est pas relative, c'est cela la théorie de la relativité). Dès lors, ce qui est creux pour la matière est bosse pour l'antimatière, la présence de matière est absence d'anti-matière selon une contrainte géométrique qui ne peut être brisée. Le monde de l'antimatière est vraiment notre monde en miroir.

Il faut bien dire que cette interprétation rend problématique qu'on puisse fabriquer de l'antimatière (ce qu'on fait), s'en servir éventuellement de carburant un jour lointain ou dés maintenant en cancérologie. Ce n'est pas impossible pourtant car, dans cette optique, les fermions sont des trous d'énergie positive et l'antimatière une lacune de la matière, un manque d'électron. L'antimatière, c'est le défaut symétrique, la matière vue d'un point de vue inversé, inversion du temps, entre vide et plein, positif et négatif. La matière qui se fait est de l'anti-matière qui se défait, l'entropie croissante de l'un est entropie décroissante de l'autre (chaleur de l'un, froid de l'autre ?). L'image du Big bang devient l'image fascinante d'un gant retourné (ou d'un anneau de Moebius) qui fait rêver.

L'inversion du temps est en fait plus complexe que le simple changement de t en -t : elle consiste à étudier l'évolution d'un système depuis un état final vers un état initial.
Ce phénomène se traduit par un univers ayant toujours existé, dont l'entropie a décru jusqu'à l'instant zéro, date à laquelle l'univers s'est retourné comme un gant (!), produisant une symétrie P et est reparti dans le sens des t positifs.

Dans les descriptions évoquées ci-dessus, l'antimatière est apparue comme de la matière vue après (ou à travers) un "retournement" d'espace-temps. Dans ces conditions, la neutralité matière - antimatière pourrait être finalement issue de considérations géométriques ou topologiques. Par exemple, si l'univers subissait un tel retournement "en cours de route" (qu'il soit comme un ruban de Moebius spatio-temporel), et qu'il se rebouclait sur lui-même (des théories sont en cours de formalisation sur ce thème), il y aurait neutralité globale sans qu'on puisse mettre en évidence de l'antimatière à un instant donné, la matière se retournant de manière imperceptible au cours de l'expansion - contraction. Ceci créerait le Big Bang en finale, comme en un magistral "choc en retour".

En fait, on ne voit pas bien pourquoi il y aurait un retournement réel s'il s'agit simplement d'une différence de point de vue entre matière et antimatière mais cela me dépasse un peu même si je suis sensible à beauté de l'image. Il faut préciser en effet les caractéristiques que pour Dirac, ses équations semblaient impliquer. Ainsi inertie négative, énergie négative signifient qu'on part, comme minimum d'énergie, d'une grande vitesse qui "doit absorber de l'énergie pour atteindre l'état de repos". Dans les citations qui suivent, expliquant le comportement de l'antimatière comme précurseur de la matière, il semble qu'on s'éloigne de l'interprétation géométrique en faisant cohabiter matière et antimatière, l'énergie négative devenant un minimum d'énergie par rapport à l'énergie positive, une sorte de fondation de la matière, son arrière-plan plutôt que son reflet. L'antimatière est-elle donc notre profondeur, notre socle ou notre envers ou encore notre négation ? Si l'on avait la réponse, cela paraîtrait sans doute plus simple. Il est intéressant d'évaluer, ici comme ailleurs, l'étendue de notre ignorance avant que de nouvelles expériences ne tranchent peut-être cette mystérieuse question qui n'est pas métaphysique malgré les apparences mais débouche sur des applications très concrètes.

Le problème est que les états les plus stables d'une particule sont ceux où l'énergie est la plus basse. Pour les électrons, ces états stables sont donc justement ces valeurs négatives! Comme le remarque Dirac : "Un électron à énergie négative aura d'autant moins d'énergie qu'il se déplacera plus vite, et il lui faudra absorber de l'énergie pour atteindre l'état de repos. On n'a jamais observé de semblables particules". Et pourtant, les états les plus stables sont ceux d'énergie négative avec une grande vitesse. Donc, "tous les électrons du monde tendront à tomber dans ces états avec émission de radiation". Pourquoi cela ne se produit-il pas?

La réponse est que cela est déjà arrivé! Tous les électrons du monde (ou presque) sont tombés dans ces états négatifs stables. Mais du fait que ce sont des fermions, chaque état d'énergie ne peut être occupé que par UN SEUL électron (principe d'exclusion). Quand tous les états négatifs ont été comblés (ce qui a nécessité une quantité infinie d'électrons), il n'est plus resté de place que pour les énergies positives. La question suivante est : "Pourquoi ne voit-on pas ces électrons d'énergie négative?"

Réponse : parce qu'ils sont stables! Ils ne bougeront donc pas, et leur immobilité garantit leur invisibilité. Comme le dit Maurice Duquesne [Réf.8, P.64] : "Du côté des énergies négatives, nous aurons une infinité d'électrons occupant ces états et cette distribution uniforme, par le fait-même de son uniformité, échappe à l'observation.[..] Si les électrons à énergie négative ne sont jamais observés dans les expériences, c'est parce qu'il y en a un nombre infini par unité de volume - et cela partout dans le monde - et de plus ces électrons sont dans les états les plus stables qui existent".

"Tous les états d'énergie négative sont occupés, sauf peut-être quelques uns de petite vitesse" (et donc proches du "gap" -m0c2 + m0c2). il ajoute que "nous ne pouvons espérer observer que les petits écarts de la stricte uniformité introduits par le fait que certains états d'énergie négatives sont inoccupés".

En fait, par définition, on ne peut pas observer un électron d'énergie négative dans un référentiel à énergie positive. Tous ces états d'énergie négatives sont comme une "mer" invisible sur laquelle nous flottons sans nous en rendre compte. Cette mer est en fait le vide, c'est à dire l'état de l'univers à énergie zéro.

Lien : L'improbable miracle d'exister


- Le miracle permanent

Il y a déjà longtemps que la théorie quantique et les lois du chaos (Prigogine) ont introduit l'indéterminisme dans la physique. Cela n'en constitue pas moins une anomalie dans une conception entièrement déterministe du monde. La liberté semble impossible dans ce monde de la science, tout comme dans le monde divin d'ailleurs. Lorsque la causalité règne, la fin est donnée en même temps que l'origine, et lorsque la finalité est toute puissante rien ne fait obstacle à sa réalisation, le temps n'existe pas. Les théories de l'histoire semblent ainsi contradictoires sous ces formes désincarnées. Bergson a montré pourtant que nous n'appartenons ni au monde prévisible de la science, ni au monde arbitraire des dieux. Notre monde, le monde de la vie, c'est celui de la durée c'est-à-dire d'un temps incertain livré à la surprise et à l'attente, monde d'événements, d'imprévus, d'essais et d'erreurs dont nous essayons de tirer enseignement. Ce que je voudrais montrer, c'est que, loin que ce soit du à un défaut de la science, il n'y a pas d'autre monde pensable qu'improbable, contingent, impossible même. L'existence est un miracle sauvé du néant, la liberté et l'indétermination sont une donnée plus originaire de notre temporalité que le déterminisme des lois physiques, biologiques ou sociales.

Basarab Nicolescu définit le miracle de façon suggestive comme l'intervention d'un niveau dans un autre niveau. C'est aussi la définition du stress et des catastrophes mais il n'y aurait ni stress, ni catastrophe, s'il n'y avait d'abord le miracle d'exister (y aurait-il une théorie des miracles, sorte de théorie de la gouvernance, comme il y a une théorie des catastrophes?). Il y a donc à la fois miracles et catastrophes, aubaines et injustices plutôt que l'application morne de la Loi. C'est ce qui fait le caractère d'indétermination de notre monde. Mieux, c'est à mesure même que les lois du monde sont incertaines qu'elles nous concernent et nous préoccupent. Seules nous intéressent les questions qui nous résistent. Si on ne connaissait pas l'injustice, on ne se soucierait pas de justice, comme le disait déjà Héraclite. Le ratage est premier : c'est le péché originel, il n'y a pas d'harmonie préalable. Non seulement nous sommes dans un univers de lois imparfaites, d'une indétermination relative, mais il ne peut y en avoir d'autre parce que, comme nous le verrons, l'improbabilité c'est non seulement la durée mais c'est aussi l'information, la matière, la vie et la liberté. Nous vivons dans un monde imparfait, miraculeux et catastrophique à la fois, qui dépend largement de nous, de notre action.

- La singularité physique

On ne peut pas dire que les physiciens rendent compte de l'existence du monde que leurs expériences supposent toujours comme point de départ. A l'origine du big bang, on nous parle d'une singularité ou d'une instabilité, ce qui veut dire simplement que ça ne devrait pas exister. Le monde commence par une anomalie inexplicable qui est déjà celle de l'être. Ensuite il semble que le déterminisme retrouve ses droits, permettant de remonter aux premières secondes de l'univers. Sauf que ces lois prévoyant la création d'autant d'anti-matière que de matière, encore une fois rien ne devrait exister. Il faut que l'instabilité originelle se répercute en léger déséquilibre en faveur de la matière pour qu'il y ait quelque chose plutôt que rien. Bien sûr la physique peut enregistrer cette création de matière, l'intégrer dans ses équations, elle ne l'aura en aucun cas justifiée. De même ces équations dessineront à partir de là un univers homogène alors que, s'il y a une histoire de l'univers c'est que de très légères différences de densité vont s'accentuer sous l'effet de la gravitation. Voilà encore ce que les calculs ne peuvent expliquer vraiment, encore moins prévoir, sinon réintroduire dans leur formule le fait d'une différenciation, d'une brisure de symétrie. A chaque fois, il faut reproduire le geste de création du monde, de son évolution, de ses composants qui ne sont pas déduits mais mesurés et réajustés. Là où, pour les équations, il ne devrait y avoir rien, nous devons constater qu'il y a quelque chose, impossible mais bien réel et pris désormais dans des lois implacables.

Derrière l'illusion d'un déterminisme total, la physique se constitue donc par intégration de niveaux d'indéterminations constatées empiriquement. C'est l'acquis des théories du Chaos, il me semble (temps de Lyapounov au-delà duquel on change d'échelle, les divergences deviennent exponentielles, "sensibles aux conditions initiales"). En tout cas, on peut dire que le résultat est là, malgré le déterminisme des lois physiques, l'univers est un milieu d'indétermination, de différenciations et de changements (cycliques, continus, exceptionnels), ce n'est pas un univers d'équations, ce n'est pas un univers homogène où il ne se passe rien. Au contraire, toutes sortes de combinaisons se produisent introduisant un plus haut niveau d'indétermination au fur et à mesure.

Toute existence semble se glisser entre les mailles des lois physiques, les transitions entre niveaux d'organisation, leurs marges. On peut dire que l'indétermination initiale s'est transmise au niveau phénoménal mais il faut souligner, qu'à chaque fois, c'est le caractère improbable de l'être qui le constitue en phénomène, en objet pour la physique qui en cherche les lois. Ce n'est jamais le déterminisme ou le calcul qui peuvent fonder une existence quelconque, mais l'événement dans sa singularité aussi singulière que la naissance du monde. Toute existence fait exception, présence étonnée d'une absence. C'est ce qu'on peut faire dire à la formule de Thomas d'Aquin "Dieu est l'acte même d'exister", chaque existence est un miracle, le monde est en perpétuelle création, mais un tel Dieu se réduit aux caprices du hasard, il ne porte aucune intention et n'est pas de ceux qu'on peut prier ou fléchir.

Le hasard et l'indétermination, l'imprévisibilité de l'univers font partie intégrante de la physique, pas seulement dans les constantes de l'univers mais dans tout ce qui donne durée à ses phénomènes. Il ne s'agit en aucun cas de mettre en doute l'universalité des lois de la physique mais de constater qu'elles sont la conséquence d'un "défaut dans l'être", comme on peut qualifier la matière de façon assez gnostique. L'indétermination est première. J'ai même tenté l'hypothèse que les fermions (électrons, quarks), qui forment la matière, ne sont qu'un défaut de transmission de l'énergie, son inertie, l'ombre de la lumière (ce qu'exprime littéralement la formule E=mC2). La matière ne serait qu'impair, ratage, singularité, instabilité. On n'explique jamais son existence elle-même, seulement ses causes à rebours et ses conséquences rigoureuses. On ne déduit pas l'existence des planètes, on constate leur présence. C'est d'ailleurs ce qui fait le caractère expérimental de la physique. Aristote disait déjà qu'il serait bien ridicule de vouloir prouver la nature dont nous provenons, mais à la prendre pour un fait préalable avec notre présence de sujet connaissant (principe anthropique), il faut admettre qu'il y a beaucoup de faits indéductibles que nous devons prendre en compte à tous les niveaux et qui forment presque autant de disciplines séparées. Le monde matériel est vraiment façonné par des quasi-hasards en une exubérance de formes, condition de sa diversification et de la vie.

- Qu'est-ce que la vie

La vie ne serait ainsi que l'effet en retour de l'improbabilité du monde, miracle qui répond au miracle. Effet de l'indétermination créé par l'univers physique et qui, devenu affect d'un corps, suscite des stratégies d'adaptations et d'apprentissage se modelant sur les fluctuations matérielles et les flux d'énergie, prolongation des structures dissipatives. En tout cas, c'est un fait, la vie est une forme qui se conserve, se renforce, se reproduit contre l'entropie "naturelle" en s'adaptant au milieu, faisant face à l'imprévu avec une grande part d'indétermination constituant son dynamisme même, sa générosité. Il faut souvent des milliers d'oeufs pour avoir quelques poissons ou quelques tortues qui arrivent à l'âge adulte. Si tout était tout le temps pareil, rien ne bougerait, il n'y aurait pas de vie. S'il n'y avait aucune loi, rien ne pourrait durer. La vie produit un foisonnement de formes qui durent dans un monde qui possède une certaine stabilité mais qui est aussi habité d'indéterminations et de mouvements, de hasards que la vie ne fait que multiplier. La vie est la durée comme telle, affrontant un avenir imprévisible.

La vie est un phénomène complexe tellement improbable, la cellule échappant à tout réductionnisme, qu'on sait bien qu'il n'y a pas de génération spontanée : la vie est toujours produite par la vie. Il faut y insister pourtant, ce n'est pas la vie qui introduit l'indétermination de l'être, elle se construit plutôt dessus (ou tout contre), identité qui se reproduit dans le changement, ce qui constitue sa durée. Cette durée de la vie s'installe dans une temporalité déjà constituée par une évolution planétaire chaotique, le miracle de la vie répond au miracle de la Terre, son destin singulier. L'histoire de la vie est l'histoire de la planète avec ses cataclysmes, ses bouleversements climatiques, ses marées, les cycles lunaires et les cycles des saisons. L'improbabilité de la vie est une réponse à l'improbabilité du monde physique, une tentative d'y répondre au moins et dont la persistance signe une réussite certaine. Le miracle de la vie a résisté jusqu'ici à toutes les catastrophes. Ce qu'il faut comprendre c'est qu'on passe de la dérive des lois physiques, leur indétermination réelle (et non pas formelle) à un processus vital qui se confronte à cette indétermination pour tenter de s'y soustraire en se multipliant et en essayant de maintenir, face aux aléas de la vie, une homéostasie intérieure (homéostasie relative car un dynamisme doit être préservé) par régulation, plasticité et prévoyance impliquant les différentes façons de se maintenir identique dans le changement. La vie est la nostalgie de l'unité déchirée par la contingence de l'être.

La vie prend l'indétermination à revers, si l'on peut dire, par ce qu'on appelle l'adaptation qui tente d'y répondre, réduire l'indétermination en ne se laissant pas faire, réagir plutôt que subir. Toutes les stratégies d'adaptations ne sont pas viables, mais la vie ne sera jamais la mort inerte. Il n'y a pas de vie passive, sans pour-soi, sans activité, sans dynamisme, sans une sorte de liberté même. Toute vie s'inscrivant dans un cycle plus large, comme la plante de la graine à la fleur et au fruit, c'est la stratégie globale qui compte. Ce processus sous-jacent devient avec le passage à l'animalité une finalité plus explicite puisqu'on peut dire, qu'au moins lorsqu'il y a proie, la vie est ce qui pose un objectif pour l'atteindre (désir, exploration, apprentissage).

Pour faire face à l'indétermination, aux hasards des changements d'environnement, la vie se caractérise d'abord par la sensibilité c'est-à-dire par une présence/absence qui fait sens interne, rapport à l'extérieur, sa variabilité, dont la contrepartie est un sentiment du propre et du non-propre, constituant l'irritation. Sans la reproduction, la régénération (et la sexualité), la vie ne durerait pas longtemps. Ainsi, la vie ne se comprend qu'à être tournée vers un extérieur (sensibilité, irritation, reproduction), qui n'est pas toujours pareil. La vie est attentive à des événements imprévus, temporalité vécue dans son indétermination, sa durée éphémère.

Pour Hegel sensibilité, irritation et reproduction ont bien pour caractère de se prendre soi-même comme fin. Pour qu'il y ait vie, il faut que l'unité vitale se fasse désir, ce qui ne va pas sans réflexion. "La réflexion dans l'action ou dans la réaction et l'action ou la réaction dans la réflexion sont justement ce dont l'unité constitue l'organique". C'est, par avance, l'unité de la conscience de soi, déjà présente primitivement dans le feed back, la rétroaction comme premier niveau de "réflexion" et donc de finalité et de conscience. Bien sûr, il y aura d'autres stades à franchir avant que cela se manifeste vraiment comme tel. Il n'empêche qu'il n'y a pas de vie sans finalité ni forme de conscience, au moins dans toute forme de prédation (sélective) où le manque se projette en désir, en exploration, en recherche orientée. Il ne devrait pas être si difficile d'admettre l'émergence de la finalité comme propriété de la vie. La finalité a une cause, un affect, mais elle introduit un autre ordre de causalité, subjective, l'action des idées, de la mémoire dont la cybernétique et la théorie des systèmes sont la formalisation.

Le problème des finalités, c'est plutôt qu'il y en a plusieurs ! L'unité de la vie fait problème, divisée en vie universelle du genre ou de l'espèce et vie universelle comme singulier ou individu universel, marqué par la différence et la finitude, dans une temporalité et un apprentissage spécifique. Cette individuation de la vie est inséparable de l'imprévisibilité de l'avenir qui fait de chacun le veilleur de l'humanité, mais nous divise entre pour-soi et pour-nous.

La question n'est pas de savoir si on est déterminé par mille choses, ce qui est évident, mais qu'un effet biologique autant qu'émotionnel, un affect, engendre des causes finales, rebondit en tentatives de revenir à l'équilibre qui enclenchent une série de conséquences, de stratégies apprises, effet d'une liberté tâtonnante. Réponse à l'indétermination, la vie est créatrice d'indéterminations bien supérieures encore, ce qui ne veut pas dire sans causes ou arbitraires. Malgré tous les déterminismes, la vie consiste dans une finalité particulière opposée au monde des causes, sujet opposé à l'objet, prédateur à sa proie dans une lutte indécise. On vit dans un monde d'événements, une durée limitée, l'incertitude de l'avenir et de notre fin. C'est à cela que la vie doit faire face par un apprentissage qui dépend de chacun, et donc aussi la signification que prend l'expérience commune.

- Information et improbabilité

Pour Rossi "la vie est une qualité de la matière qui surgit du contenu informationnel inhérent à l'improbabilité de la forme". C'est une autre façon de définir la vie comme apprentissage de l'imprévisibilité, réactions conditionnelles (sortes de transistors chimiques) mais en introduisant le concept d'information c'est une nouvelle radicalisation de l'importance donnée à l'improbable. En effet, nous avons vu qu'il n'y a pas d'univers sans indéterminations et que le miracle de la vie répondait à l'improbabilité du monde, mais le concept d'information se réduit à cette improbabilité même. Physiquement, ce qui fait une information (un bit) c'est une "redondance improbable" qui permet d'identifier un signal, le détacher du bruit de fond. Sémantiquement surtout, ce qui fait la valeur d'une information c'est son caractère improbable, exceptionnel, capable de causer un changement de comportement et non pas un caractère répétitif et monotone. D'ailleurs au niveau du cerveau, les signaux répétitifs sont en général ignorés. L'information c'est l'écart par rapport aux habitudes, c'est la nouveauté, l'exception et non la règle. Ce n'est pas seulement pour les médias que l'information c'est la singularité, l'événement, les catastrophes, et non pas les trains qui arrivent à l'heure. L'objet de la théorie de l'information ou de l'informatique, c'est l'erreur, le bug, l'imprévu. Le caractère d'exception de l'information rend simplement explicite le caractère d'exception de toute existence au-delà de la matière et de l'énergie.

Ce qui définit l'information c'est de réduire l'incertitude, ce qui suppose une incertitude préalable et généralisée. Dans un monde déterministe, il n'y a pas d'information ni de vie, ni d'histoire, seulement des processus continus se poursuivant à l'infini. Il n'y a pas d'information dans un monde lisse, de lois implacables sur lesquels nous n'aurions pas de prise. L'information s'oppose à l'entropie comme un système ouvert s'oppose à un système fermé, l'organisation active à la désorganisation subie. L'information sur l'état du monde se mesure à ce que peut en faire le destinataire pour sauver sa peau, passer entre les gouttes, s'adapter ou résister. L'information s'adresse à une liberté, c'est-à-dire à une réaction imprévisible car ne pouvant répondre à la nouveauté qu'en appliquant des analogies apprises, et qui sont donc changeantes selon les individus et leur histoire. Certes, ce n'est pas une version glorieuse de la liberté que ce tâtonnement à l'aveuglette qui n'a rien de la parcelle de puissance divine, constituant ce que Herbert Simon appelle plutôt une "rationalité limitée" (ni pur calcul ni caprice) mais l'apprentissage est difficilement réductible à un quelconque déterminisme, cette durée vécue n'a rien du temps insensible et froid de la physique. Pas d'existence, pas de matière, pas de vie, pas d'information sans cette création d'improbables miracles, d'oscillateurs chaotiques, de bifurcations, de centres de décisions et d'apprentissage. De même que l'analogie nous aide et nous trompe à la fois, de même, nous n'aurions pu vivre dans un monde qui ne soit d'un déterminisme imparfait et donc inquiétant. L'information est l'autre face de notre fragilité, notre dépendance d'un réel extérieur qui nous échappe et qu'on essaie de comprendre et d'apprivoiser. L'information, c'est tout ce qu'on ne sait pas de l'existence, tout ce qui nous étonne, nous menace ou nous sauve, c'est l'énigme du monde.

- Donner sens

Comme l'intervention de notre liberté est gagnée sur notre ignorance du monde ou son caractère imprévisible, comme on voudra, le sens est gagné sur le non-sens du monde, finalités humaines opposées aux causalités des choses. Le sens des mots s'oppose à l'indétermination du monde pour le comprendre, le domestiquer et l'orienter, négativité active de la vie. Causalité et finalité sont les deux faces de l'objet et du sujet, du réel et de la vie comme introjection et projection. Le sens ne peut donc être objectif, déterministe, extérieur alors qu'il est conquête de la liberté et du savoir sur l'improbabilité de l'être, il ne peut s'imposer, cela ne veut pas dire que ce pourrait être n'importe quoi. Le sens est une forme de résistance à l'information, de persistance dans l'être, de mémoire, d'apprentissage, d'intégration des événements qui nous surprennent. Construction improbable et pourtant essentielle d'un univers culturel, d'un langage commun.

La notion d'instinct s'identifie à la fonction vitale, le savoir impliqué par notre survie, mais n'explique absolument rien, pure constatation extérieure. En introduisant la nécessité de l'étayage de la pulsion, Freud aborde le côté subjectif des réponses instinctuelles vitales et leur décalage plus ou moins grand avec leur utilité reproductrice qu'elles ne visent pas directement. Il ne suffit pas de vivre ni même de jouir, il faut faire sens avec le jouis, y mettre les formes (symboliques). Le désir qui permet d'internaliser la finalité vitale et reproductrice, de l'assumer, a une fonction de leurre par rapport à la causalité biologique. Cela n'empêche pas que le monde du sens dès lors qu'il émerge a une dignité ontologique qui n'est pas inférieure à celle de la vie et de ses lois, pas plus que la vie serait moins digne d'attention que les lois physiques immuables dont elle est dépendante. Pour être entièrement subjectif, le monde du sens n'en est pas moins entièrement objectif aussi, bien qu'il soit plus encore le règne de l'exception et de l'impossible.

Que le niveau individuel soit un niveau essentiel, pour nous, ne peut supprimer l'évidence qu'il n'y a pas de corps solitaire, encore moins d'être parlant isolé des autres. L'opérateur de socialisation ne fait pas mystère, on n'a même pas à se demander ce qui pourrait nous attacher aux autres, impossible de s'en détacher, pris dans le langage, le sens commun, la mode du moment, jusqu'à notre désir comme désir de reconnaissance, dépendance insistante du niveau supérieur, du sens commun. "Penser est le commun" (Héraclite). Ce qui n'empêche pas, bien au contraire, que nous devons nous singulariser par des insignes, des attitudes, des apprentissages spécifiques à chacun. De Rimbaud à Lacan, la question de l'Autre a été enfin réglée comme nous constituant de part en part, même et surtout dans nos rivalités, notre narcissisme, un amour qui n'est pas aussi propre qu'on le dit ! L'humanité chevauche l'animalité par le langage qui l'universalise, ouvre l'individu au commun, à la mémoire collective, au flux ininterrompu d'informations, à "un autre monde", celui de la culture qui s'oppose à la nature, du symbolique qui n'est pas réel, monde virtuel, inconsistant sans existence sensible, ce qui ne l'empêche pas de peser de tout son poids.

Notre existence dans ce monde du sens n'est pas donnée, ni la reconnaissance. Le "sens de l'existence" n'est encore une fois qu'un improbable miracle, l'intervention d'une liberté, de l'au-delà, de finalités humaines opposées au non-sens des causes comme aux incertitudes de l'avenir, point de résistance au monde tel qu'il va. Toute individuation est dans cette activité, cette exception à la passivité ou à la norme. Il ne suffit pas de suivre pour exister. Le dynamisme de la vie c'est "construire un rêve qui résiste aux assauts du dehors comme à ceux du dedans. Chacun le fait puisqu'il persiste à vivre" dit merveilleusement François Favre, et, citant une alpiniste, "si j'ai de quoi être fier, c'est du choix de mes rêves, pas de leur réalisation" car il ne s'agit alors que d'un travail qui a toutes les chances de réussir s'il est mené résolument. Nous sommes responsables de nos finalités, de nos désirs, de la dignité de notre existence, sens revendiqué contre le néant qui nous entoure.

Pris dans l'individualisme comme idéologie collective, on s'imagine encore la mort comme apothéose héroïque et la vie comme un récit romanesque. Réaliser son désir, ce serait le réaliser à la fin, faire coïncider la finalité et l'être, finir en beauté (pourquoi pas en se faisant exploser), être justifié de sa vie, avoir rempli son rôle, avoir été responsable et voir s'ouvrir les portes du paradis. Mais le désir ne se réalise jamais, il ne trouve de satisfaction que momentanée et partielle. Le salut n'est pas individuel et il y aura toujours des problèmes à résoudre. Le but final n'est pas dans un avenir lointain, une société idéale, une gloire éternelle. Il s'agit toujours de risquer sa vie pour relever l'humanité de sa chute, de son désastre actuel, par notre attitude, notre lutte constante, notre constante vigilance. Le miracle doit être à chaque fois renouvelé qui ne deviendra jamais l'ordre des choses même s'il a marqué nos mémoires et engage l'avenir. Pour donner un sens à notre vie, il faut se donner le temps lui-même, s'inscrire dans une histoire collective, une succession de miracles sans doute mais bien plus encore de massacres, un long apprentissage de l'inconnu. Il ne peut s'agir de progressisme passif mais seulement d'une opposition active au cours des choses, à leur dérive. Le but est déjà présent dans le rapport actuel à la totalité du monde et de l'histoire, à la signification qu'on y porte, l'affirmation de notre souveraineté pour le temps qu'il nous reste, garder la flamme d'une exception qui dure et ravive la mémoire des miracles passés.

Il n'y a pas d'apothéose de la vie, de but qu'il faudrait atteindre à la fin. Il n'y a pas de désir réalisé sur lequel il n'y aurait plus qu'à se reposer. La durée reste improbable, imprévisible, le sens exceptionnel. Temps qu'il reste à vivre. La vie est toujours devant soi. La vie continue, miracle permanent malgré la cruauté des temps, malgré tout, de ce qui pourrait ne pas être et auquel nous donnons encore une chance devant l'éternité.

- Politique et liberté

Ce n'est donc ni une caractéristique de la politique ou des sciences sociales, ni une caractéristique de notre temps, de vivre dans un monde incertain où notre intervention est décisive. En tout cas, si les miracles de la politique, pour être trop rares, ne sont pas plus étonnants que ceux de l'amour, chacun sait qu'ils ne se feront pas sans nous. Il n'y a aucun sens de l'histoire sans notre action décidée, notre révolte, notre résistance aux dérives spontanées, notre inventivité, notre lutte contre les évolutions qui nous menacent. C'est pourquoi les théories de l'histoire ne sont pas absurdes (l'avenir n'est que partiellement déterminé par un passé qui nous engage) et qu'on peut dire notre liberté réellement effective, bien que limitée à faire ce qu'il faudrait, agir au bon moment, aider au meilleur, éviter le pire. Comme individualité dans une aventure commune, notre rôle peut être crucial et faire basculer le monde, transformer nos défaites en victoires, nos faiblesses en forces. L'avenir n'est pas écrit et dépend de nous. Certes, nous ne pouvons pas choisir notre position ni notre passé, ni même inventer ce qu'il faut faire, et qu'il faut apprendre. Nous ne pouvons qu'empêcher que ne meure tout-à-fait la flamme de l'esprit et de la liberté, de la générosité de la vie et de son intelligence, pour la transmettre à un avenir tout aussi improbable et fragile.

La liberté c'est l'homme même, c'est la parole donnée et c'est la vie. Liberté trop contraignante sans doute, qui ne se prouve qu'en acte. L'homme est impossible, trop invraisemblable, déterminé par ses intérêts, ses instincts, sa logique... Il ne surgira pas du sommeil ou de nos complaisances, mais soudain, de la résistance de celui qui se dresse et dénonce. Parfois, le miracle se produit de l'indignation partagée qui nous voit de nouveau tous dans les rues à battre tambour pour la République. Peuple surgit de nulle part et qui retourne à son absence ne laissant derrière lui qu'un mirage qui continuera d'entretenir nos souvenirs et nos rêves, peuple qui manque trop souvent.

L'indétermination du monde nous menace toujours pourtant. Nous scrutons le ciel comme les marins la mer pour en éviter les écueils à venir, autant que nous pouvons. Ne ferons nous rien contre d'autres menaces, qu'on pourrait penser plus simples à résoudre puisque nous les produisons nous-mêmes : catastrophes climatiques et nucléaires, violences et misères, folies boursières ou politiques. C'est l'autre face du miracle de la liberté et de l'ignorance qui se retournent en désastres et en terreurs. Le principe de précaution consiste donc à nous appliquer collectivement les principes de notre survie individuelle, puisque vivre c'est être responsable de son ignorance, se confronter à l'inconnu, explorer son environnement, évaluer les possibles. Devenir responsables de ce que nous faisons c'est accéder à une liberté réflexive au niveau collectif, sans laquelle il n'y a pas de liberté individuelle effective, de possibilité de choisir son avenir. On sait à quel point c'est improbable, ce n'est pas une raison, on l'a vu, pour y renoncer et sauver ce qui peut l'être.

La politique en tant que mobilisation collective a une fonction vitale, écologique, cognitive. La collectivité est un rempart contre la menace extérieure en même temps qu'unité de représentation, langage partagé. Cette dimension cognitive de la politique dans la construction de l'avenir, implique désormais un rapport transversal aux sciences qui est déjà épistémologie et philosophie, soupçon sur le savoir, reconnaissance de la part d'ignorance et d'idéologie qu'il garde en son coeur mais aussi de la fragilité du monde. Tout savoir étant construit socialement, pris dans le paradigme de l'époque, il y a une question sociale de la science qui doit être discutée publiquement et faire l'objet d'un débat politique, d'une contre-expertise. La nécessaire construction d'une démocratie cognitive exige à la fois d'apporter à la démocratie le savoir disponible, son effectivité, et de débattre démocratiquement (donc philosophiquement) des objectifs des techno-sciences et de leur signification humaine.

On est là encore dans le domaine de l'impossible, et donc d'une existence qui insiste. Il faudrait abandonner en effet la passion de l'ignorance, du refoulement, du nihilisme, du scepticisme, du relativisme qui voudraient nous faire croire comme vérité qu'on ne sait rien du tout, même ce qui crève les yeux ! que la misère n'est pas la misère, que le capitalisme n'y est pour rien ni dans la dégradation du climat ! Au contraire, nous avons besoin d'une "docte ignorance" toute de prudence et de précaution, ne renonçant pas à savoir concrètement ce qui se passe, interrogeant les sciences, mais découvrant toujours plus l'étendue de son ignorance à mesure même qu'elle progresse dans la compréhension concrète et détaillée de la situation, plages d'inconnu qui se découvrent entre les connaissances établies, contrées inexplorées, possibilités insoupçonnées qui nous attendent encore.

Nous n'avons pas le choix, nous sommes libres et nous avons les yeux ouverts. Il nous faut passer de l'histoire subie, avec son cortège de catastrophes, à l'histoire conçue préservant l'avenir en faisant face à l'indétermination du monde et aux conséquences de notre industrie avec notre fragilité, notre improbable prétention d'humanité, cause aussi de tant de ravages (ce serait un nouveau crime de l'oublier). Nous devons apprendre à apprendre, prendre beaucoup de précautions, mais rapidement face à ce qui n'est plus hélas improbable des conséquences de notre mode de production et de notre puissance déchaînée. Tout phénomène laissé à lui-même va à sa perte selon les lois de l'entropie universelle. C'est ce monde imparfait et fragile qui est dans nos mains et auquel nous devons redonner sens, manifester notre liberté vivante en le sauvant de sa destruction, le rendre plus durable pour continuer l'aventure humaine. Nous devrons faire des miracles à hauteur des catastrophes annoncées. Question d'humanité, question d'honneur, de coeur et de raison.

Les fondements de la physique théorique

La science est la tentative de faire correspondre la diversité chaotique de notre expérience sensible à un système de pensée logiquement unifié. Dans ce système les expériences particulières doivent être mises en rapport avec la structure théorique de telle sorte que la coordination résultante soit unique et convaincante.

Les expériences sensibles forment la matière qui nous est donnée ; mais la théorie qui doit les interpréter est faite par l’homme. Elle est le résultat d’un processus d’adaptation extrêmement laborieux : hypothétique, jamais complètement achevée, toujours sujette à la controverse et au doute.

La manière scientifique pour former des concepts diffère de celle que nous employons dans notre vie quotidienne, non pas quant à la base, mais seulement par la définition plus précise des concepts et des conclusions, par un choix plus laborieux et plus systématique de la matière expérimentale et par une économie logique plus grande. Par cette dernière nous entendons l’effort de réduire tous les concepts et toutes les corrélations à un nombre aussi petit que possible de concepts et d’axiomes fondamentaux logiquement indépendants.

Ce que nous appelons physique comprend ce groupe de sciences de la nature qui basent leurs concepts sur des mesures, et dont les concepts et les propositions se prêtent à être formulés mathématiquement. Son domaine est, par conséquent, défini comme étant cette partie de la somme totale de nos connaissances qui est capable d’être exprimée en termes mathématiques. Avec le progrès de la science le domaine de la physique s’est tellement étendu que ses limites paraissent être celles de la méthode elle-même.

La plus grande partie de la recherche physique est consacrée au développement des différentes branches de la physique, dont chacune a pour objet la compréhension théorique de champs d’expérience plus ou moins grands, et dans chacun desquels les lois et les concepts restent aussi étroitement que possible en rapport avec l’expérience. C’est cette branche de la science, avec sa spécialisation toujours croissante, qui a révolutionné la vie pratique dans ces derniers siècles et créé la possibilité pour l’homme d’être enfin libéré du fardeau du labeur physique.

D’un autre côté on a essayé, dès le début, de trouver une base théorique pour unifier toutes ces sciences particulières, base formée d’un minimum de concepts et de relations fondamentales, d’où tous les concepts et toutes les relations des disciplines particulières pourraient être déduits par un procédé logique. C’est ce que nous entendons par la recherche d’un fondement pour toute la physique. La conviction intime que ce but ultime pourrait être atteint est la principale source du dévouement passionné dont le chercheur a toujours été animé. C’est dans ce sens que les observations suivantes sont consacrées aux fondements de la physique.

De ce qui vient d’être dit il est clair que le mot de fondements ne signifie pas, dans cette connexion, quelque chose qui est, sous tous les rapports, analogue aux fondements d’un édifice. Certes, au point de vue logique, les différentes lois particulières de la physique reposent sur ce fondement. Mais tandis qu’un édifice peut être sérieusement endommagé par une violente tempête ou par une forte marée et garder néanmoins ses fondements intacts, il en est tout autrement en science. Ici, de nouvelles expériences ou une nouvelle connaissance constituent un plus grand danger pour le fondement logique que pour les disciplines particulières qui sont en contact plus étroit avec l’expérience. C’est dans les rapports entre le fondement et toutes les parties particulières que réside sa grande importance, mais aussi son plus grand danger en face d’un nouveau facteur. Quand on s’en rend compte on se demande pourquoi les soi-disant époques révolutionnaires de la science physique n’ont pas plus souvent et plus complètement changé ses fondements qu’il n’en a été réellement le cas.

La première tentative en vue de poser un fondement théorique unifié est représenté par l’oeuvre de Newton. Dans son système tout est ramené aux concepts suivants : (1) Des points matériels dont la masse est invariable; (2) action à distance entre deux points matériels; (3) loi du mouvement pour le point matériel. Il n’y avait pas, rigoureusement parlant, de fondement embrassant tout, parce qu’une loi explicite n’y était formulée que pour les actions à distance de la gravitation, tandis que pour d’autres actions à distance rien n’était établi a priori, excepté la loi de l’égalité de l’action et de la réaction. De plus Newton se rendait parfaitement compte que le temps et l’espace étaient des éléments essentiels, en tant que facteurs physiques en fait, de son système, quoique seulement d’une manière implicite.

Cette base newtonienne se révéla éminemment féconde et fut regardée comme définitive jusqu’à la fin du XIXè siècle. Non seulement elle permit d’expliquer les mouvements des corps célestes dans leurs plus infimes détails, mais elle fournit aussi une théorie de la mécanique des masses discrètes et des milieux continus, une explication simple du principe de conservation de l’énergie et une théorie complète et brillante de la chaleur. L’explication des faits de l’électrodynamique était moins naturelle ; la moins convaincante était, dès le début, la théorie de la lumière.

Il n’est pas surprenant que Newton n’ait rien voulu entendre d’une théorie ondulatoire de la lumière, car une telle théorie était très peu appropriée à son fondement théorique. La supposition que l’espace était rempli de points matériels, qui propageaient des ondes lumineuses sans manifester d’autres propriétés mécaniques, devait lui paraître tout à fait artificielle. Les plus forts arguments empiriques en faveur de la nature ondulatoire de la lumière, comme la vitesse déterminée de la propagation, les interférences, la diffraction, la polarisation, étaient ou bien inconnus ou bien n’étaient pas connus en une synthèse bien ordonnée. On comprend qu’il soit resté attaché à la théorie corpusculaire de la lumière.

Pendant le XIXè siècle la discussion se termina en faveur de la théorie ondulatoire. Mais aucun doute ne se manifesta au sujet des bases mécaniques de la physique, en premier lieu parce que personne ne savait où trouver des bases d’un autre type. Ce n’est que lentement, sous la pression irrésistible des faits, qu’une nouvelle base de la physique se développa, la physique du champ.

Depuis le temps de Newton, la théorie de l’action à distance fut toujours regardée comme artificielle. Les efforts ne manquèrent pas pour expliquer la gravitation par une théorie cinétique, c’est-à-dire en se basant sur des forces de collision de particules matérielles hypothétiques. Mais ces tentatives étaient superficielles et n’aboutirent à rien. Le rôle étrange joué par l’espace (ou le système d’inertie) dans les fondements de la mécanique fut aussi clairement reconnu et critiqué d’une façon particulièrement lumineuse par Ernst Mach.

Le grand changement fut opéré par Faraday, Maxwell et Hertz - à vrai dire d’une façon quelque peu inconsciente et contre leur volonté. Tous les trois, tout au long de leur vie, se considérèrent comme adhérents de la théorie mécanique. Hertz avait trouvé la forme la plus simple des équations du champ électromagnétique et déclara que toute théorie conduisant à ces équations était une théorie du même genre que celle de Maxwell. Mais vers la fin de sa courte existence il composa un écrit où il présentait comme fondement de la physique une théorie mécanique affranchie du concept de force.

Pour nous, qui avons pour ainsi dire sucé les idées de Faraday avec le lait de notre mère, il est difficile d’apprécier leur grandeur et leur audace. Faraday, avec son instinct sûr, a dû comprendre combien sont artificielles toutes les tentatives de rattacher les phénomènes électromagnétiques aux actions à distance entre particules électriques réagissant l’une sur l’autre. Comment dans la limaille de fer répandue sur une feuille de papier chaque grain pouvait-il connaître les particules électriques circulant dans un conducteur placé tout près ? Toutes ces particules électriques ensemble paraissaient créer dans l’espace environnant un état qui, à son tour, produisait un certain ordre dans la limaille. Ces états de l’espace, appelés aujourd’hui champs, une fois qu’on aura bien compris leur structure géométrique et la manière dont ils agissent solidairement, pourraient, pensa-t-il, expliquer les mystérieuses interactions électromagnétiques. Il concevait ces champs comme des états de tension mécanique dans un milieu qui remplit l’espace, pareils aux états de tension dans un corps élastiquement distendu. Car en ce temps c’était la seule façon dont on pouvait concevoir des états qui étaient apparemment distribués d’une manière continue dans l’espace. Le caractère particulier de l’interprétation mécanique de ces champs resta à l’arrière-plan - une sorte d’apaisement de la conscience scientifique en face de la tradition mécanique du temps de Faraday. A l’aide de ces nouveaux concepts de champ Faraday réussit à former une conception qualitative de tout le complexe d’effets électromagnétiques découverts par lui et ses prédécesseurs. L’énoncé précis des lois de ces champs dans l’espace-temps fut l’oeuvre de Maxwell. Représentons-nous les sentiments qu’il a dû éprouver quand les équations différentielles qu’il avait formulées lui prouvèrent que les champs électromagnétiques se propagent sous la forme d’ondes polarisées et avec la vitesse de la lumière! Il fut donné à peu d’hommes au monde de faire une telle expérience. A ce moment émouvant il ne soupçonnait sûrement pas que la nature énigmatique de la lumière, en apparence si complètement éclaircie, continuerait à déconcerter les générations suivantes. En attendant , les physiciens mirent quelques décades pour saisir la pleine signification de la découverte de Maxwell, tellement fut audacieux le bond en avant que son génie marqua sur les conceptions de ses contemporains. C’est seulement après que Hertz eut démontré expérimentalement l’existence des ondes électromagnétiques de Maxwell que la résistance à la nouvelle théorie fut vaincue.

Mais si le champ électromagnétique pouvait exister comme une onde indépendante de la source matérielle, alors l’interaction électrostatique ne pouvait plus être expliquée comme une action à distance. Et ce qui était vrai pour l’action électrique ne peut pas ne pas l’être pour la gravitation. Partout les actions à distance de Newton cédèrent la place aux champs se propageant avec une vitesse finie.

Des fondements de Newton ne restèrent maintenant que les points matériels soumis à la loi du mouvement. Mais J.J. Thomson montra qu’un corps en mouvement chargé d’électricité doit, conformément à la théorie de Maxwell, posséder un champ magnétique dont l’énergie agissait précisément comme le fait un accroissement d’énergie cinétique du corps. Si, donc, une partie de l’énergie cinétique est constituée d’énergie de champ, ceci ne pourrait-il pas être vrai de toute l’énergie cinétique ? Peut-être la propriété fondamentale de la matière, son inertie, pourrait-elle être expliquée à l’aide de la théorie du champ ! La question conduisit au problème d’une interprétation de la matière en termes de la théorie du champ, dont la solution fournirait une explication de la structure atomique de la matière. On se rendit bientôt compte que la théorie de Maxwell ne pouvait pas réaliser un tel programme. Depuis lors plusieurs savants ont cherché avec ardeur à compléter la théorie du champ par quelque généralisation qui comprendrait une théorie de la matière ; mais jusqu’ici de tels efforts n’ont pas été couronnés de succès. Pour construire une théorie, il ne suffit pas d’avoir une claire conception du but. Il faut aussi avoir un point de vue formel qui permette de restreindre suffisamment la variété illimitée des possibilités. Jusqu’à présent on ne l’a pas trouvé ; par conséquent, la théorie du champ n’a pas réussi à fournir une base à toute la physique.

Pendant plusieurs décades la plupart des physiciens eurent la conviction qu’une substructure mécanique pourrait être trouvée pour la théorie de Maxwell. Mais les résultats peu satisfaisants de leurs efforts firent qu’on accepta graduellement les nouveaux concepts du champ comme des principes fondamentaux irréductibles - en d’autres termes, les physiciens se résignèrent à abandonner l’idée d’une base mécanique.

Les physiciens s’en tinrent ainsi au programme d’une théorie du champ. Mais celle-ci ne pouvait pas être considérée comme une base, puisque personne ne pouvait dire si une théorie cohérente du champ pourrait jamais expliquer, d’une part, la gravitation et, d’autre part, les composants élémentaires de la matière. Dans cet état de choses il était nécessaire de considérer les particules matérielles comme des masses ponctuelles soumises aux lois du mouvement de Newton. C’est ainsi que procéda Lorentz en créant sa théorie des électrons et la théorie des phénomènes électromagnétiques des corps en mouvement.

Voilà où en étaient les conceptions fondamentales au commencement de ce siècle. Un immense progrès avait été réalisé dans l’intelligence théorique de groupes entiers de nouveaux phénomènes, mais l’établissement d’une base unifiée pour la physique semblait, en vérité, loin. Et cet état de choses fut même aggravé par les développements qui suivirent. Le développement pendant notre siècle est caractérisé par deux systèmes théoriques essentiellement indépendants l’un de l’autre : la théorie de la relativité et la théorie des quanta. Les deux systèmes ne se contredisent pas directement l’un l’autre, mais ils semblent peu appropriés à fusionner en une théorie unique. Nous devons brièvement discuter l’idée fondamentale de ces deux systèmes.

La théorie de la relativité naquit des efforts en vue d’améliorer, quant à l’économie logique, les fondements de la physique tels qu’ils existaient au commencement de ce siècle. La théorie de la relativité appelée restreinte est basée sur le fait que les équations de Maxwell (et, ainsi, la loi de la propagation de la lumière dans le vide) sont transformées en équations de la même forme quand elles subissent une transformation de Lorentz. Cette propriété des équations de Maxwell est complétée par notre connaissance empirique assez bien assurée du fait que les lois de la physique sont les mêmes relativement à tous les systèmes d’inertie. Ceci conduit au résultat que la transformation de Lorentz - appliquée aux coordonnées d’espace-temps - doit gouverner le passage d’un système d’inertie à un autre. Le contenu de la théorie de la relativité restreinte peut, par conséquent, être résumé en une seule proposition : toutes les lois de la nature doivent satisfaire à la condition d’être covariantes relativement aux transformations de Lorentz. De là il suit que la simultanéité de deux événements distants n’est pas un concept invariant et que les dimensions des corps rigides et la vitesse des horloges dépendent de leur état de mouvement. Une autre conséquence était la modification de la loi du mouvement de Newton dans les cas où la vitesse d’un corps donné n’était pas petite comparée à la vitesse de la lumière. De là découlait en outre le principe de l’équivalence de la masse et de l’énergie, et les lois de la conservation de la masse et de l’énergie se fondirent en une seule loi. Une fois qu’il fut prouvé que la simultanéité était relative et dépendait du système de référence, toute possibilité de maintenir les actions à distance dans les fondements de la physique disparut, étant donné que ce concept présupposait le caractère absolu de la simultanéité (il doit être possible de constater la position des deux points matériels agissant l’un sur l’autre "au même moment").

La théorie de la relativité générale doit son origine à la tentative d’expliquer un fait connu depuis le temps de Galilée et de Newton, mais qui se dérobait à toute interprétation théorique : l’inertie et le poids d’un corps, en eux-mêmes deux choses entièrement distinctes, sont mesurés par une seule et même constante, la masse. De cette correspondance il s’ensuit qu’il est impossible de découvrir par l’expérience, si un système donné de coordonnées est accéléré, ou si son mouvement est rectiligne et uniforme et qu’alors les effets observés sont dus à un champ de gravitation (ceci est le principe d’équivalence de la théorie de la relativité générale). Les concepts du système d’inertie sont mis en pièces dès qu’on introduit la gravitation. Il convient de faire remarquer ici que le système d’inertie est un point faible de la mécanique de Galilée et de Newton. Car il y est présupposée une propriété mystérieuse de l’espace physique, déterminant le type de systèmes de cordonnées pour lesquels la loi de l’inertie et la loi du mouvement de Newton sont vraies.

Ces difficultés peuvent être évitées grâce au postulat suivant : les lois de la nature doivent être formulées de telle sorte que leur forme reste identique pour des systèmes de coordonnées dans n’importe quel type d’états de mouvement. C’est en cela que consiste la tâche de la théorie de la relativité générale. D’autre part, nous déduisons de la théorie de la relativité restreinte l’existence d’une métrique Riemannienne dans le continuum d’espace-temps, qui conformément au principe de l’équivalence, décrit et le champ gravifique et les propriétés métriques de l’espace. En supposant que les équations du champ de gravitation sont des équations différentielles du second ordre, la loi du champ est clairement déterminée.

A côté de ce résultat, la théorie libère la physique du champ de l’incapacité dont elle souffrait, en commun avec la mécanique newtonienne, d’attribuer à l’espace ces propriétés physiques indépendantes qui, autrefois, avaient été cachées par l’emploi d’un système d’inertie. Mais on ne saurait prétendre que les parties de la relativité générale qui peuvent aujourd’hui être considérés comme achevées aient doté la physique de fondements complets et satisfaisants. En premier lieu, le champ total y paraît être composé de deux parties qui sont sans lien logique : la gravitation et l’électromagnétisme. En second lieu, la théorie, semblable aux théories du champ plus anciennes, n’a pas jusqu’à présent fourni une explication de la structure atomique de la matière. Cet insuccès est probablement en connexion avec le fait qu’elle n’a jusqu’à présent contribué en rien à l’intelligence des phénomènes quantiques. Pour rendre compte de ces phénomènes, les physiciens ont été forcés d’adopter des méthodes entièrement nouvelles, dont nous allons maintenant discuter la caractéristique fondamentale.

En l’année 1900, au cours d’une recherche purement théorique, Max Planck fit une découverte tout à fait remarquable : la loi du rayonnement des corps en fonction de la température ne pouvait pas être déduite uniquement des lois de l’électrodynamique de Maxwell. Pour arriver à des résultats qui soient en harmonie avec les expériences en question, le rayonnement à une fréquence donnée devait être traité comme s’il était composé d’atomes d’énergie individuelle hv, où h est la constante universelle de Planck et v la fréquence. Dans les années suivantes il fut prouvé que la lumière était partout émise et absorbée ainsi, par quanta d’énergie. Niels Bohr, en particulier, arriva ainsi à comprendre en grande partie la structure de l’atome en supposant que les atomes peuvent avoir seulement des valeurs d’énergie discrètes et que les passages discontinus de l’une à l’autre sont liés à l’émission ou à l’absorption d’un tel quantum d’énergie. Ceci jeta quelque lumière sur le fait que, dans leur état gazeux, les éléments et leurs composés rayonnent et absorbent la lumière à certaines fréquences nettement définies. Tout cela était absolument inexplicable dans le cadre des théories existant jusque-là. Il était clair que, du moins dans le domaine des phénomènes atomiques, le caractère de tout ce qui s’y passe est déterminé par des états discrets et par des passages apparemment discontinus entre eux, la constante h de Planck jouant un rôle décisif.

Le pas suivant fut fait par de Broglie. Il se demanda comment on pouvait, à l’aide des concepts courants, comprendre les états discrets et il devina une ressemblance avec les ondes stationnaires, comme c’est le cas, par exemple, des fréquences propres aux tuyaux d’orgues et des cordes en acoustique. Certes, des actions ondulatoires comme celles exigées ici étaient inconnues, mais elles pouvaient être construites et leurs lois mathématiques formulées en employant la constante h de Planck. De Broglie conçut un électron tournant autour du noyau atomique comme étant lié à un tel train d’ondes hypothétiques et rendit, jusqu’à un certain degré, intelligible le caractère discret des chemins "permis" de Bohr grâce au caractère stationnaire des ondes correspondantes.

Or, en mécanique le mouvement de points matériels est déterminé par les forces ou les champs de force qui agissent sur eux. D’où il fallait s’attendre à ce que ces champs de force exerçassent aussi, d’une manière analogue, une influence sur les champs d’ondes de de Broglie. Erwin Schrödinger montra comment on pouvait tenir compte de cette influence, en réinterprétant par une méthode ingénieuse certaines formulations de la mécanique classique. Il réussit même à étendre la théorie de la mécanique ondulatoire à un point où, sans l’introduction d’aucune hypothèse nouvelle, elle devenait applicable à tout système mécanique composé d’un nombre arbitraire de points matériels, c’est-à-dire qui possède un nombre arbitraire de degrés de liberté. Ceci était possible, parce qu’un système mécanique composé de n points matériels est mathématiquement équivalent, dans une très large mesure, à un seul point matériel se mouvant dans un espace à 3n dimensions.

Sur la base de cette théorie on a obtenu une représentation étonnamment bonne d’une immense variété de faits, qui paraissaient autrement tout à fait incompréhensibles. Mais, chose assez curieuse, il y avait un insuccès : il était impossible d’associer à ces ondes de Schrödinger des mouvements définis de points matériels - et c’est cela, après tout, qui avait été le dessein originel de toute la construction.

La difficulté paraissait insurmontable jusqu’à ce qu’elle ait été vaincue par Bohr d’une manière aussi simple qu’inattendue. Les champs d’ondes de de Broglie-Schrödinger ne devaient pas être interprétés comme une description mathématique de la façon dont un événement a réellement lieu dans le temps et dans l’espace, bien que, en réalité, ils se rapportent à un tel événement. Ils sont plutôt une description mathématique de ce que nous pouvons réellement savoir sur le système. Ils servent seulement à présenter des énoncés statistiques et des prédictions concernant les résultats de toutes les mesures que nous pouvons effectuer sur le système.

Nous allons illustrer ces traits généraux de la mécanique quantique par un exemple simple : considérons un point matériel maintenu dans une région limitée G par des forces d’intensité finie. Si l’énergie cinétique du point matériel est au-dessous d’une certaine limite, il ne pourra, conformément à la mécanique classique, jamais quitter la région G. Mais, d’après la mécanique quantique, le point matériel, après une période non immédiatement prévisible, est capable de quitter la région G dans une direction imprévisible et de s’échapper dans l’espace environnant. Ce cas est, selon Gamow, un modèle simplifié de la désintégration radioactive.

Le traitement de ce cas par la théorie des quanta est le suivant : au moment t0 nous avons un système d’ondes de Schrödinger entièrement à l’intérieur de G. Mais à partir de l’instant t0 les ondes quittent l’intérieur de G dans toutes les directions, de telle sorte que l’amplitude de l’onde sortante est petite comparée à l’amplitude initiale du système d’ondes à l’intérieur de G. Plus ces ondes extérieures se propagent loin, plus l’amplitude des ondes à l’intérieur de G Diminue et également l’intensité des ondes qui sortent de G. C’est seulement après un temps infini que la provision d’ondes à l’intérieur de G est épuisée, tandis que l’onde extérieure s’est de plus en plus étendue sur un domaine qui s’agrandit continuellement.

Mais ce processus ondulatoire, qu’a-t-il à faire avec l’objet qui nous a intéressé tout d’abord, la particule originellement enfermée en G ? Pour répondre à cette question, nous devons imaginer quelque arrangement nous permettant d’effectuer des mesures sur la particule. Imaginons, par exemple, quelque part dans l’espace environnant un écran fait de telle sorte que la particule s’y fixe quand elle entre en contact avec lui. De l’intensité des ondes qui frappent l’écran en quelque point nous tirons alors des conclusions quant à la probabilité que la particule frappera l’écran en ce point à ce moment. Aussitôt que la particule a frappé quelque point particulier de l’écran, tout le champ d’ondes perd toute sa signification physique ; son seul but était de faire des prédictions de probabilité quant au lieu et au moment où la particule frappe l’écran (ou, par exemple, quant à sa quantité de mouvement au moment où elle frappe l’écran).

Tous les autres cas sont analogues. Le but de la théorie est de déterminer la probabilité des résultats des mesures sur un système à un moment donné. D’autre part, elle n’essaie pas de donner une représentation mathématique de ce qui est réellement présent, ou de ce qui se passe dans l’espace et dans le temps . Sur ce point la théorie des quanta d’aujourd’hui diffère fondamentalement de toutes les théories physiques précédentes, des théories mécanistes aussi bien que des théories du champ. Au lieu de fournir un modèle de description des événements réels dans l’espace-temps, elle fournit des distributions de probabilité des mesures possibles en fonction du temps.

Il faut reconnaître que la nouvelle conception théorique ne doit son origine à un essor de l’imagination, mais à la force irrésistible des faits expérimentaux. Toutes les tentatives pour représenter la particule et les caractères ondulatoires, qui se manifestent dans les phénomènes de la lumière et de la matière, directement par un modèle d’espace-temps se sont terminées jusqu’à présent par un échec. Comme l’a montré d’une manière convaincante Heisenberg, du point de vue empirique, toute décision relative à une structure rigoureusement déterministe de la nature est définitivement exclue, à cause de la structure atomique de nos appareils d’expérience. Il n’est donc guère probable qu’une connaissance future puisse contraindre la physique à abandonner les fondements théoriques actuels, de nature statistique, en faveur de fondements déterministes, qui s’occuperaient directement de la réalité physique. Logiquement le problème paraît offrir deux possibilités, entre lesquelles nous pouvons, en principe, choisir. Finalement, le choix sera déterminé par le type de description qui, logiquement parlant, permet de formuler les fondements les plus simples. A présent, nous ne possédons pas de théorie déterministe nous permettant de décrire directement les événements eux-mêmes et qui soit en harmonie avec les faits.

Pour le moment nous devons admettre que nous ne possédons pas une base théorique générale pour la physique qui puisse être regardée comme son fondement logique. La théorie du champ a jusqu’ici échoué dans la sphère moléculaire. Il est reconnu de tous côtés que le seul principe qui pourrait servir de base à la théorie des quanta serait celui qui constituerait une traduction de la théorie du champ dans le schéma de la statistique quantique. Que ceci puisse réellement se produire d’une manière satisfaisante, personne n’oserait le dire.

Certains physiciens, parmi lesquels je me trouve moi-même, ne peuvent pas croire que nous devions abandonner, réellement et pour toujours, l’idée d’une représentation directe de la réalité physique dans l’espace et dans le temps, ou que nous devions accepter l’opinion que les événements dans la nature ressemblent à un jeu de hasard. Il est permis à chacun de choisir la direction de ses efforts, et tout homme peut tirer consolation de la belle maxime de Lessing que la recherche de la vérité est plus précieuse que sa possession.

Einstein - Les fondements de la physique théorique - 1940

On peut donner raison à Einstein de refuser de reconnaître l’impossibilité de formaliser un phénomène aléatoire. Il est, en effet pensable de découvrir des régularités dans ce hasard et reconstituer, par la théorie des systèmes, une morphologie sous-jacente. Il est, par contre, exclu de pouvoir formaliser une nouvelle indétermination s’appliquant à cette morphologie inaccessible à l’expérience et déjà probabiliste. Ce ne serait donc que repousser d’un niveau le constat d’une limite absolue à l’investigation physique, l’application des catégories de l’esprit à l’expérience concrète.

La théorie quantique ne devait fournir que la première de ces limites absolues de toute action physique, liée à notre position d’observateur et à nos instruments d’expérimentation, aux nécessités d’une inter-action physique. Ces limites se multiplient, des théories du chaos qui ruinent toute possibilité de prédiction à long terme jusqu’aux limites économiques et techniques qui imposent d’arrêter la construction d’appareillages de plus en plus monstrueux et complexes à mesure qu’on s’approche du coeur de la matière. Les constantes de la physique (vitesse de la lumière, constante de Planck) ne sont rien d’autre que des limites absolues de toute action physique et la physique moderne semble plutôt s’orienter vers l’exhaussions de ces contraintes indépassables (comme la médecine moderne se heurte à la limitation de son pouvoir à long terme aussi bien pour les antibiotiques que pour les maladies dégénératives).

La complexité des problèmes réels qui limite nos possibilités prédictives est aussi ce qui pousse la physique contemporaine à étudier les phénoménologies ordinaires dans leur globalité, dans leur apparence immédiate correspondant à leur pertinence humaine. Abandonnant les tentatives réductionnistes et déterministes, c’est à une physique du quotidien que tendent les nouvelles recherches, remettant en cause notre position dans la science.

L'astronomie est depuis la nuit des temps un moyen d'évasion mais très souvent l'astronomie reste très physique, les calculs, les formules font de l'astronomie une passion pas tout à fait comme les autres.
Nous allons étudier dans ce chapitre les grandes lois qui régissent notre vie.

Il est souvent dit qu'une étoile est plus brillante, cette notion s'appelle la magnitude.

Il existe deux types de magnitude :

- La magnitude apparente
- La magnitude absolue

Plus un astre est brillant, plus sa magnitude est petite (voire négative). Ainsi une étoile de 1re magnitude est plus brillante qu'une étoile de 2e magnitude. En fait la magnitude est une grandeur qui permet de mesurer la luminosité des astres.

Nous la devons à l'astronome grec Hipparque (IIème siècle av J-c). Il fut l'un des premiers astronomes de l'Antiquité à collecter des informations pour bâtir des catalogues stellaires donnant la position et l'éclat des étoiles visibles à l'œil nu. Son plus grand catalogue comprenait un peu plus de 1000 étoiles. Les vingt plus brillantes étaient classées dans la catégorie "étoiles de première grandeur", les autres se répartissaient ensuite sur cinq échelons, jusqu'aux "étoiles de sixième grandeur" qui étaient les plus faibles visibles à l'œil nu.

Après avoir pointé vers le ciel sa première lunette astronomique, Galilée fut contraint d'inventer la 7e magnitude pour désigner les étoiles invisibles à l'œil nu mais révélées par son instrument. Jusqu'au milieu du XIXème siècle, les astronomes ajoutèrent peu à peu de nouveaux échelons mais sans vraiment modifier la logique du système inventé près de 2000 ans plus tôt ! Il devint alors urgent, pour faire face à l'inflation des catalogues stellaires, de ne pas laisser la classification des magnitudes à la seule perception de l'œil humain, et de mettre en évidence une loi de variation de luminosité des astres.

Le premier qui formalisa le passage d'une magnitude à une autre fut l'astronome anglais Norman Pogson. En 1856, il proposa de considérer qu'une différence de 5 magnitudes était égale à une différence d'éclat de 100 fois. Le rapport entre deux échelons de magnitude devenait alors égal à la racine cinquième de 100 soit 2,512 fois.

Pour Hipparque et pour tous les savant jusqu'au XIXème siècle, les étoiles les plus brillantes étaient toutes de 1re grandeur, sans qu'il soit fait aucune distinction dans ce groupe. Pourtant, il était manifeste à l'œil nu que Sirius était nettement plus brillante que Véga, alors que les deux astres se trouvaient sur le même échelon de magnitude. La création d'appareils capables de mesurer précisément des éclats (photomètres) permit de dépasser cette limite et d'appliquer la formule de Pogson à tous les astres. L'échelle des magnitudes débutant initialement à l'unité, les astres plus brillants furent dotés de magnitudes plus petites, voire négatives. La magnitude apparente de Sirius devint ainsi égale à -1,46 et celle de Véga à + 0,03. La magnitude apparente de Véga est donc 3,9 fois moindre que celle de Sirius (2,512(0,03+1,46)).

Aujourd'hui, l'échelle de magnitudes s'étend de -26,74 (Soleil) à +30 (galaxies photographiées par le télescope spatiale Hubble en 18 heures de pose !).

Il ne faut pas confondre la magnitude apparente et la magnitude absolue.

La magnitude apparente s'applique aux étoiles et aux planètes et fait référence à leur éclat apparent depuis la Terre.

La magnitude absolue indique l'éclat qu'auraient les étoiles si on les plaçait à la même distance de la Terre (en l'occurrence à 32,6 années-lumière, soit 10 parsecs)

La magnitude apparente ne nous renseigne en rien sur l'éclat réel de l'astre et ne donne aucune indication sur sa nature physique, ce que fait en revanche la magnitude absolue. Ainsi, lorsque vous découvrez un beau ciel, les étoiles les plus brillantes, celles qui possèdent les magnitudes apparentes les plus fortes, ne sont pas forcément les plus grosses et les plus lumineuses !

Astre : Magnitude apparente

Soleil : -27

Pleine Lune : -13

Vénus (planète la plus brillante) : -4

Sirius (étoile la plus lumineuse) : -1

Limite de sensibilité de l'œil nu : 5

Pluton (planète la moins brillante) : 14

Limite de sensibilité de Hubble : 30

Les concepts de lumière et de vision sont tellement liés entre eux dans l'usage courant que l'idée de "lumière invisible" semble à première vue contradictoire.

Étudions le spectre électromagnétique de la lumière.

Les concepts de lumière et de vision sont tellement liés entre eux dans l'usage courant que l'idée de "lumière invisible" semble à première vue contradictoire. Pourtant, la découverte que la lumière est un phénomène physique plus vaste que ce que l'œil humain peut détecter constitue une des étapes les plus importantes de l'histoire de l'astronomie. La lumière visible n'est qu'une petite partie de ce qu'on appelle aujourd'hui le spectre électromagnétique.

Pour comprendre cette notion, faisons un petit saut en arrière. Tout d'abord, il faut connaître la nature de la lumière. Pour Newton elle était une particule mais Thomas Young démontra par de multiples expériences au début du XIXème siècle que la lumière réagissait comme une onde et calcula ainsi sa longueur d'onde qui est d'environ 500nm, rendant compte de ce fait de tous les phénomènes connus à l'époque. Cette théorie fut remise en cause au tournant du XXème siècle, lorsque de nouvelles expériences montrèrent que, dans certaines situations, la lumière se comportait bel et bien comme un faisceau de particules !
Aujourd'hui, l'explication de la nature de la lumière relève d'une théorie (mécanique quantique) pour laquelle elle est à la fois une onde et une particule ; c'est pourquoi on parle de la dualité onde-particule.

Une fois que l'on eut réalisé que la lumière possédait une longueur d'onde, on se rendit compte que c'est justement celle-ci qui en détermine la couleur. Le tableau ci-dessous indique les longueurs d'ondes visibles à l'œil nu.

Couleur : Longueur d'onde (en nm)

Rouge : 700

Orange : 650

Jaune : 600

Vert : 550

Bleu : 500

Violet : 450

L'œil humain n'est sensible à la lumière que dans l'intervalle de longueurs d'onde compris entre 400 nm et 700 nm. Mais existe-t-il des longueurs d'onde plus grandes ou plus petites ? Cette question laisse entrevoir la possibilité de l'existence de lumière invisible, possibilité vérifiée grâce aux travaux de James Clerk Maxwell en 1865.

Maxwell est considéré comme le Newton de l'électricité et du magnétisme. En 1865, il formula une grande synthèse de tous les phénomènes électriques et magnétiques, les fameuses "équations de Maxwell". En combinant ces équations, il réussit à montrer qu'un champ électrique variable produit un champ électromagnétique variable qui en retour produit un champ électrique variable ; le résultat est une onde qui se déplace à la vitesse de la lumière et qui a toutes les propriétés de la lumière. Maxwell en conclut que la lumière est une onde électromagnétique, et qu'il n'y a aucune raison de limiter la longueur d'onde de celle-ci à l'intervalle correspondant au spectre de la lumière visible. En 1888, Heinrich Hertz réussit à l'aide d'un circuit électromagnétique à procuire des ondes électromagnétiques dont la longueur était un million de fois plus grande que celle de la lumière visible. On donna le nom d'onde radio à cette sorte de lumière invisible. Depuis, on a pu observer des ondes électromagnétiques dont la longueur varie entre 10-16 m et plusieurs milliers de kilomètres.

Les différentes catégories de lumière. Le spectre électromagnétique, qui regroupe toutes les catégories de lumière.