expérience de Michelson et Morley

[rakibi]

bonjour
svp dans l'expérience de Michelson et morly,ils ont trouvé que la vitesse de la lumière est indépendant de ref inertiel
mais je ne comprend pas pour quoi
et merci d'avance
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[ThM55]

Ce n'est pas tout à fait vrai. A l'époque de l'expérience, il existait une hypothèse d'après laquelle la lumière était une onde se propageant dans un milieu continu appelé l'éther. Cet éther pouvait servir, dans le cadre de la physique de l'époque (Newton+Maxwell) à définir le repos absolu. La vitesse c déterminée par la théorie de Maxwell était celle de la lumière vue par un observateur au repos par rapport à l'éther. Pour elle devaient s'appliquer les lois d'addition des vitesses selon la physique newtonienne. Comme la terre se meut par rapport à l'éther, il devait être possible de mesurer une variation de la vitesse de la lumière. L'expérience d'interférométrie de Michelson était largement assez sensible pour la détecter et la mesurer. Il s'agissait de faire interférer deux rayons lumineux dont l'un s'était propagé parallèlement ua mouvement (donc plus vite ou plus lentement que c, pensaient-ils) et l'autre perpendiculairement, d'où une modification des phases au droit de l'interférence. Mais surprise, contre toute attente il n'y avait pas la moindre modification des franges d'interférence. Mais cela ne voulait pas dire sans ambiguité que la vitesse de la lumière devait être indépendante du référentiel inertiel. D'ailleurs Fitzgerald et Lorentz n'en ont pas tiré cette conclusion, ils ont essayé de sauver l'éther en postulant une contraction d'un des bras de l'interféromètre. D'autres ont imaginé que l'éther pouvait être "entraîné" par la terre dans son mouvement. Bref, il s'agissait d'interpréter ce résultat négatif inattendu.

En faisant le postulat de la constance de la vitesse de la lumière, Einstein est arrivé à une autre interprétation, plus sophistiquée, de cette expérience. Elle ne nécessitait plus de postuler l'existence de l'éther, relégué ensuite dans les oubliettes de l'Histoire. Mais ce postulat n'est pas une conséquence directe et logique de l'expérience.

[rakibi]

merci

[chaverondier]

Pour elle devaient s'appliquer les lois d'addition des vitesses selon la physique newtonienne.

Et c'est d'ailleurs la seule chose qui pose problème. La relativité Galiléenne repose sur l'hypothèse de longueurs et de durées invariantes par changement de référentiel inertiel d'observation et c'est ça qui conduit à une prédiction fausse relativement au résultat de cette expérience. L'hypothèse d'existence d'un milieu de propagation des ondes (un "éther") n'est, en tant que telle, ni nécessaire ni suffisante pour prédire un résultat faux non négatif dans l'expérience de Morley Michelson.

[A voir en vidéo sur Futura]

[ThM55]

Vous avez raison, c'est vrai de notre point de vue contemporain, mais à l'époque de l'expérience cela avait tout de même de l'importance.

En effet il s'agissait de savoir si la vitesse de la lumière était indépendante de celle de la source ou non. Selon les conceptions anciennes (qui nous semblent saugrenues, mais qui étaient au XIXème siècle considérées comme essentielles), si la lumière était une onde, elle se propageait dans un milieu, grâce à ce milieu, et sa vitesse était définie par rapport à ce milieu, et pas par rapport à la source. Sauf si l'éther était partiellement entraîné par la matière, comme certains calculs le montraient pour expliquer des effets d'aberration. L'opposé absolu était le modèle newtonien de petits corpuscules, dans lequel on pensait que la vitesse était plus naturellement définie par rapport à la source (il faut se remettre en esprit dans le cadre newtonien pour comprendre ces raisonnements!). Pour les contemporains de Young, Fresnel puis Maxwell, il y avait une sorte de collusion entre la notion d'éther et celle de modèle ondulatoire.

Bon, maintenant ces idées n'ont plus d'intérêt pédagogique en physique et il est vrai que l'éther ne nous apparait plus ni nécessaire ni suffisant. De plus, le point de vue de la relativité simplifie tout cela radicalement. Mais ces notions restent intéressantes en épistémologie, à titre d'exemple historique pour montrer comme il est difficile d'interpréter un résultat contraire aux modèles suggérés par une théorie.

[chaverondier]

L'éther ne nous apparait plus ni nécessaire ni suffisant. De plus, le point de vue de la relativité simplifie tout cela radicalement.

Il reste quand même quelques questions (pointues), relativement à l'hypothèse d'absence de référentiel inertiel privilégié, dont la réponse n'est pas encore bien évidente.

Malgré le caractère Lorentz invariant du franchissement à vitesse parfois supraluminique (cf l'effet Hartmann [1][2][3][4]) de barrières de potentiel par effet tunnel, il n'est quand même pas très facile de comprendre comment la prise en compte de cet effet peut se passer d'un référentiel quantique privilégié. Sans un tel référentiel, la transmission de (ce qui ressemble ? quand même pas mal à) un signal transmis entre évènements séparés par des intervalles de type espace se traduit par une violation de la causalité tout court (et non pas de violation de la seule causalité relativiste).

Il est vrai que l'on parle (dans l'expérience de R. Chiao, présentée en [1], menée de 93 à 95 à Berkeley avec la collaboration de P. Kwait et A. Steinberg), d'un gain de temps de 1.47 femto-seconde. Ca n'est pas vraiment énorme.

Nota : H. G. Winful a clairement établi (en 2006) que l'effet tunnel supraluminique calculé (temps de Wigner) et confirmé par l'observation ne s'interprétait nullement comme un effet de "reshaping" de la fonction d'onde (l'idée que la vitesse de propagation du front d'onde, dit front de Somerfeld, ne serait pas affecté) comme cela a parfois été évoqué sans preuve (notamment par R. Chiao) pour sauver la causalité relativiste.

Le caractère Lorentz invariant de cet effet a été établi (par H.G. Winful) dans le cadre de l'électromagnétisme classique. En effet, dans les situations où cet effet tunnel supraluminique se manifeste, il se modélise correctement via l'équation de Schrödinger indépendante du temps (1). Cette équation s'avère en effet identique à l'équation de Helmotz intervenant dans la modélisation du franchissement d'une barrière optique par un signal électromagnétique.

Toutefois, quand elle est relative à une onde de probabilité, l'invariance de Lorentz (ou encore la propriété de localité de la densité de probabilité découlant de l'équation de continuité drond rho/drond t + div(J) = 0 déduite de l'équation de Schrödinger) ne devrait-elle pas s'interpréter comme une exigence respectée seulement statistiquement (la barrière tunnel jouant alors, en quelque sorte, le rôle d'une sorte de filtre sélectionnant les "photons les plus indisciplinés", c'est à dire les plus en écart vis à vis de leur vitesse moyenne : la vitesse de la lumière) ? J'ai bien du mal à voir comment on peut échapper à cette conclusion.

J'ai bien une idée pour se passer de référentiel quantique privilégié malgré cet effet, mais cela oblige à prendre au sérieux l'interprétation transactionnelle de John Cramer et donc à accepter la violation de la causalité (au moins au niveau interprétatif). En effet, cette interprétation de la mécanique quantique autorise des liens de causalité entre évènements séparés par des intervalles de type espace (sans violer pour autant l'invariance de Lorentz). Toutefois, à mon sens, du moins pour ce que j'en ai compris, cette interprétation (descendance directe de la théorie de l'absorbeur envisagée puis abandonnée par Wheeler et Feynman) ne me semble être qu'une ébauche.

(1) l'effet Hartmann, saturation du temps de Wigner au delà d'une certaine épaisseur de barrière, reste valide même quand on calcule le temps de franchissement de la barrière à l'aide de l'équation de Dirac.

[1] R. Y. Chiao, tunneling time and Superluminality, 7 nov. 1998 http://arxiv.org/abs/quant-ph/9811019
[2] Sub-femtosecond determination of transmission delay times for a dielectric mirror (photonic bandgap) as a function of angle of incidence, A. M. Steinberg_ and R. Y. Chiao, Received Phys. Rev. 17 August, 1994, Preprint http://arxiv.org/abs/quant-ph/9501013v1 ;
[3] H.G. Winful, The Meaning of Group Delay in Barrier Tunneling: A Re-Examination of Superluminal Group Velocities.
http://arxiv.org/ftp/quant-ph/papers/0601/0601085.pdf
[4] H.G. Winful, Tunneling time, the Hartman effect, and superluminality: A proposed resolution of an old paradox, September 2006
http://www.sitemaker.umich.edu/herbe...cle__2006_.pdf