La plus grande erreur de l'histoire de la physique

Aujourd'hui, nous pensons que toutes les particules, des quarks massifs aux photons sans masse, ont une nature double particule / onde. Il y a des centaines d'années, les gens ne considéraient que les particules. Mais en 1818, les vagues étaient destinées à faire un retour triomphal sur la base d'études de la nature de la lumière.

Nous aimons tous nos idées les plus précieuses sur la structure du monde et de l'univers. Notre concept de réalité est souvent inextricablement lié à notre image de soi. Mais être un scientifique signifie être prêt à remettre en question toutes ces idées à chaque test. Une seule observation, mesure ou expérience qui contredit la théorie suffit pour reconsidérer ou abandonner complètement notre compréhension de la réalité. Si nous pouvons reproduire ce test scientifique et montrer de façon convaincante qu'il ne coïncide pas avec la théorie dominante, nous jetons les bases de la révolution scientifique. Mais si quelqu'un ne veut pas soumettre la théorie ou les hypothèses à des vérifications, il peut commettre la plus grande erreur de l'histoire de la physique.


The Mathematical Principles of Natural Philosophy (lat. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) par Isaac Newton, troisième édition, 1726. Les traités de Newton sur des sujets tels que la mécanique, la gravité et la lumière sont devenus le fondement d'une grande partie de la physique moderne.

La nature humaine a besoin de héros: des gens que nous suivons, que nous admirons, que nous nous efforçons de devenir semblables. Isaac Newton est le plus grand héros de la physique depuis de nombreux siècles. Newton était un pilier des réalisations scientifiques de l'humanité. Sa théorie de la gravitation universelle décrit magnifiquement tout, du mouvement des comètes, des planètes et des lunes jusqu'à la chute des objets sur Terre. Sa description du mouvement des objets, y compris les lois du mouvement et l'influence des forces et des accélérations sur eux, reste vraie dans presque tous les environnements, même aujourd'hui. Discuter avec Newton était stupide.

Ainsi, au début du XIXe siècle, le jeune scientifique français Augustin Jean Fresnel doit comprendre qu'il se lance dans l'aventure.


Le comportement de la lumière blanche passant à travers un prisme montre comment, dans une lumière moyenne, différentes énergies se déplacent à différentes vitesses, contrairement au vide. Newton a été le premier à expliquer la réflexion, la réfraction, l'absorption et la transmission de la lumière, ainsi que la capacité de la lumière blanche à se diviser en plusieurs couleurs.

Bien qu'il soit aujourd'hui moins connu que ses mérites en mécanique ou en gravité, Newton a également été l'un des premiers scientifiques à expliquer le fonctionnement de la lumière. Il a expliqué la réflexion, la réfraction, l'absorption et la transmission de la lumière, ainsi que la façon dont la couleur blanche se compose de différentes couleurs. Passant de l'air à l'eau et vice versa, les rayons de lumière se courbent, et une composante réfléchie apparaît sur chaque surface, et une composante qui a traversé.

Sa théorie corpusculaire de la lumière était basée sur les particules, et l'idée qu'un rayon est lumière était compatible avec un large éventail d'expériences. Bien qu'à l'époque de Newton, il existait une théorie des ondes de la lumière, mise en avant par Christian Huygens , elle ne pouvait expliquer les expériences avec des prismes. En conséquence, Newton Opticks est devenu le gagnant, tout comme sa mécanique avec gravité.


Les propriétés ondulatoires de la lumière ont commencé à être mieux comprises grâce aux expériences à deux fentes de Thomas Young , où des interférences constructives et destructrices se sont clairement manifestées. Ces expériences d'ondes classiques sont connues depuis le XVIIe siècle; dans les années 1800, Jung a montré qu'elles s'appliquent à la lumière.

Cependant, à l'aube du 19e siècle, elle commence à éprouver des difficultés. Thomas Jung a mené une expérience désormais classique dans laquelle la lumière passait à travers une double fente: deux fentes étroites situées à une courte distance l'une de l'autre. Et la lumière, au lieu de se comporter comme un corpuscule, et de passer soit par une fente, soit par une autre, montrait un motif d'interférence: une séquence de rayures claires et sombres.

De plus, le motif des bandes a été déterminé par deux paramètres d'expérience réglables: la distance entre les fentes et la couleur de la lumière. Si la couleur rouge correspond à la lumière à longue longueur d'onde et le bleu correspond à la lumière à courte longueur d'onde, alors la lumière se comporte exactement comme on pourrait l'attendre d'une onde. L'expérience de Jung n'a de sens que si la nature de la lumière est fondamentalement agitée.


Dans une expérience à deux espaces avec la lumière, des motifs d'interférence apparaissent, comme dans toute vague. Les propriétés des différentes couleurs de lumière ont été étudiées en raison de la différence de leurs longueurs d'onde.

Mais en même temps, les succès de Newton ne pouvaient être ignorés. La nature de la lumière est devenue un sujet controversé parmi les scientifiques au début du 19e siècle. En 1818, l' Académie française des sciences annonce un concours pour expliquer la nature de la lumière. Est-ce une onde ou une particule? Comment le tester et comment confirmer le test?

Augustin Jean Fresnel a participé au concours, malgré le fait qu'il était ingénieur civil de formation et non physicien ou mathématicien. Il a formulé une nouvelle théorie de la lumière, qui était incroyablement heureuse, basée principalement sur les travaux de Huygens du XVIIe siècle et les expériences récentes de Jung. Tout était prêt à commettre la plus grande erreur de physique.


L'illumination par une lumière cohérente (par exemple, d'un laser) d'un objet sphérique opaque est l'un des moyens les plus clairs pour vérifier la nature de la lumière, plutôt que corpusculaire.

Après avoir présenté son travail, l'un des juges, le célèbre physicien et mathématicien Siméon Denis Poisson , a étudié très attentivement la théorie de Fresnel. Si la lumière était une particule, comme Newton l'a décrite, elle se déplacerait simplement en ligne droite dans l'espace. Mais si la lumière était une onde, elle participerait aux interférences et à la diffraction lorsqu'elle rencontrait un obstacle, un espace ou une face de la surface. Différentes configurations géométriques peuvent donner des motifs différents, mais l'image globale est préservée.

Poisson a imaginé la lumière d'une seule couleur: une longueur d'onde dans la théorie de Fresnel. Imaginez qu'une telle lumière ait la forme d'un cône et rencontre un objet sphérique. Selon la théorie de Newton, l'ombre devrait se retourner, entourée de lumière. Selon la théorie de Fresnel, comme l'a démontré Poisson, il devrait y avoir un point lumineux au centre même de l'ombre. Cette prédiction, comme l'a conclu Poisson, était évidemment absurde.


Une prédiction théorique de ce à quoi devrait ressembler le motif d'onde de la lumière autour d'un objet sphérique opaque. La tache lumineuse au centre était absurde, forçant beaucoup à abandonner la théorie des vagues.

Poisson a tenté de réfuter la théorie de Fresnel, montrant qu'elle conduit à de fausses conclusions: preuve du contraire. Poisson voulait dériver une prédiction de la théorie de la lumière des vagues, qui aurait une conséquence évidemment absurde, qui prouverait sa fausseté. Si la prédiction était absurde, alors la théorie des vagues doit être fausse. Newton avait raison, Fresnel avait tort, l'affaire a été classée.

Cependant, c'est la plus grande erreur de l'histoire de la physique! Il est impossible de tirer des conclusions, aussi évidentes qu'elles paraissent, sans mener une expérience décisive. La physique ne se fait pas sur la base de l'élégance, de la beauté, de la simplicité des preuves ou de la controverse. Elle est établie par des demandes à la nature elle-même - et donc par la conduite d'expériences pertinentes.


Un modèle d'expérience dans lequel Arago a découvert une tache lumineuse. Parfois, cet endroit est appelé le spot de Poisson , mais il doit être glorifié pendant des siècles, comme le spot d'Arago, en notant ses efforts qui ont conduit à une véritable expérience.

Heureusement pour Fresnel et la science, le chef du jury n'a pas été impressionné par les arguments de Poisson. François Arago , qui est devenu plus tard célèbre en tant qu'homme politique, abolitionniste et Premier ministre français, s'étant levé pour défendre non seulement Fresnel, mais l'ensemble du processus de recherche scientifique, a mené une expérience décisive par lui-même. Il a fait un obstacle sphérique et a brillé dessus avec une lumière monochromatique, vérifiant la prédiction de la théorie des ondes sur les interférences constructives. Et juste au centre de l'ombre, il était facile de distinguer un point lumineux. Bien que la prédiction de la théorie de Fresnel semblait absurde, les preuves expérimentales étaient prêtes à le confirmer. Absurdité, ou pas absurdité - la nature a parlé.


Résultat d'une expérience utilisant la lumière laser circulant autour d'un objet sphérique et des données optiques réelles.

Une grande erreur d'un physicien peut être qu'il décide qu'il connaît la réponse à l'avance. Ce serait une erreur encore plus grande de supposer que l'expérience n'est pas nécessaire, car son intuition vous dira ce qui se passe dans la nature et ce qui ne se produit pas. Mais la physique n'est pas toujours une science intuitive, et c'est pourquoi nous devons toujours nous tourner vers des expériences, des observations et des tests mesurables de nos théories.

Sans une telle approche, nous ne réfuterions jamais la vision de la nature d'Aristote. Nous n'aurions pas découvert la théorie spéciale de la relativité, la mécanique quantique ou la théorie actuelle de la gravité: la théorie générale de la relativité d'Einstein. Et nous n'aurions probablement jamais découvert la nature ondulatoire de la lumière.


Animation schématique d'un faisceau de lumière constant divisé par un prisme. Cette lumière est une vague coïncide avec et est une explication plus profonde du fait que la lumière blanche peut être divisée en différentes couleurs

200 ans se sont écoulés depuis l'époque de la plus grande erreur de l'histoire de la physique. Et le fait que cette erreur n'ait pratiquement eu aucun effet sur quoi que ce soit ne s'est produit qu'à cause de la séquence scientifique de François Arago, qui n'a pas eu peur de défendre le principe scientifique le plus important. Nous devons répondre aux questions sur l'univers en le soumettant à des épreuves. Après tout, c'est Newton lui-même dans ses Opticks qui a écrit:

Mon objectif pour ce livre n'est pas d'expliquer les propriétés de la lumière avec des hypothèses, mais de les suggérer et de les prouver sur la base de la raison et de l'expérimentation.

Sans expériences, aucune science ne réussira. L'hypothèse selon laquelle nous pouvons regarder la prédiction et la déclarer absurde est notre plus grand inconvénient en tant qu'humains. La nature peut être absurde ou non; cela ne dépend pas de son exactitude ou non. Pour tout faire correctement, vous devez mener une expérience. Sans cela, vous n'êtes pas engagé dans la science.

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