L'évolution des idées en physique

**EINSTEIN Albert, INFELD Léopold, *L'évolution des idées en physique*, Paris, éditions Flammarion, 2015**

"(...) tout concept généralisé doit se ramener au concept primitif quand les conditions originelles sont réalisées." (p.33)

"Les concepts physiques sont des créations libres de l'esprit humain et ne sont pas, comme on pourrait le croire, uniquement déterminées par le monde extérieur. Dans l'effort que nous faisons pour comprendre le monde, nous ressemblons quelque peu à l'homme qui essaie de comprendre le mécanisme d'une montre fermée." (p.47)

"La voiture, après avoir reçu un choc, se meut le long d'une surface plane horizontale parfaitement unie. La force gravitationnelle, qui est cause que la voiture reste sur la surface, ne change pas et ne joue aucune rôle dans la détermination de la masse. Il en est tout autrement de la pesée. Nous ne pourrions jamais nous servir d'une balance si la Terre n'attirait pas les corps, si la pesanteur n'existait pas. La différence entre les deux déterminations de la masse est que la première n'a rien à faire avec la force de pesanteur, tandis que la seconde est essentiellement basée sur son existence. Nous demandons : si nous déterminons, des deux manières décrites plus haut, le rapport des deux masses, obtenons nous le même résultat ? La réponse fournie par l'expérience est parfaitement claire : les résultats sont exactement les mêmes. Cette conclusion n'aurait pu être prévue, elle est basée sur l'observation et non sur le raisonnement. Appelons, pour des raisons de simplicité, la masse déterminée de la première manière, masse inerte, et la seconde, masse pesante. Dans notre monde il arrive qu'elles sont égales, mais nous pouvons très bien imaginer que ceci aurait pu ne pas se produire. Une autre question se présente immédiatement : cette identité des deux espèces de masses est-elle accidentelle, et ne faut-il y attacher aucune signification plus profonde ? La réponse, au point de vue de la physique classique, est : l'identité des deux masses est accidentelle et aucune signification plus profonde ne doit y être attachée. Mais la réponse de la physique moderne est tout à fait opposée : l'identité des deux masses est fondamentale et constitue un moyen pour pénétrer plus profondément dans la réalité." (p.49)

"Les forces sont simples : les forces de la gravitation, les forces électriques et magnétiques peuvent toutes être représentées de la même manière. Mais le prix payé pour cette simplicité est élevé ; c'est l'introduction de nouvelles substances sans poids. Ce sont des concepts plutôt artificiels et sans aucun rapport avec la substance fondamentale, la masse." (p.104)

"Salviati continue d'expliquer la méthode de son expérience. Pour comprendre son idée, supposons que la vitesse de la lumière ne soit pas seulement finie, mais qu'elle soit aussi petite, c'est-à-dire que le mouvement de la lumière soit ralentie comme le mouvement ralenti d'un film. Deux hommes, A et B, munis de lanternes, voilées, se placent à une distance d'un kilomètre l'un de l'autre. Il était convenu entre eux que A dévoilera sa lanterne le premier et que B dévoilera la sienne à l'instant où il apercevra la lumière de A." (p.112)

"L'histoire racontée dans la Bible que l'arc-en-ciel est un signe d'alliance entre Dieu et l'homme est, dans un certain sens, une "théorie". Mais elle n'explique pas d'une manière satisfaisante pourquoi l'arc-en-ciel réapparaît de temps en temps et toujours en connexion avec la pluie. C'est dans le grand ouvrage de Newton que toute l'énigme de la couleur fut, pour la première fois, abordée scientifiquement et sa solution indiquée." (p.119)

"Le mouvement de l'onde est très différent de celui des particules d'eau. Les particules se relèvent et s'abaissent. Le mouvement de l'onde est celui d'un état de la matière et non de la matière même. Un bouchon de liège flottant sur l'onde le montre clairement, car il se relève et s'abaisse à l'imitation du mouvement réel de l'eau, au lieu d'être emporté par l'onde." (p.123)

« L’appel de la force de la Terre dépend de la masse pesante. « La réponse » du mouvement de la masse dépend de la masse inerte. Puisque le mouvement « de réponse » est toujours le même – tous les corps lâchés de la même hauteur tombent du même mouvement -, il faut en déduire que la masse pesante et la masse inerte sont égales. » (p.52)

« La force s’exerçant entre deux dépend, d’après la loi de Newton, seulement de la distance ; le temps ne figure pas dans le tableau. La force doit passer d’un corps à un autre instantanément. Mais, comme le mouvement avec une vitesse infinie ne peut pas avoir de sens pour un homme raisonnable, la tentative de voir dans notre dessin autre chose qu’un modèle ne mène à rien. » (p.150)

« Les mots « champ statique » signifient un champ qui ne varie pas avec le temps. » (p.159)

« De quelle nature sont les variations qui se propagent dans le cas d’une onde électromagnétique ? Ce sont précisément les variations d’un champ électromagnétique. Toute variation d’un champ électrique créé un champ magnétique ; toute variation de ce champ magnétique créé un champ électrique ; toute variation de…, et ainsi de suite. Comme le champ représente de l’énergie, toutes ces variations, qui se propagent dans l’espace avec une vitesse définie, produisent une onde. » (p.173)

« La découverte théorique d’une onde électromagnétique se propageant avec la vitesse de la lumière est une des conquêtes les plus grandes dans l’histoire de la science. » (p.175)

« L’onde électromagnétique est une onde transversale et se propage avec la vitesse de la lumière dans l’espace vide. Le fait que leurs vitesses sont les mêmes suggère l’idée d’une parenté étroite entre les phénomènes optiques et les phénomènes électromagnétiques. » (p.175)

« La seule différence, au point de vue physique, entre une onde électromagnétique ordinaire et une onde de lumière est la longueur d’onde ; elle est très petite pour les ondes de lumière, que l’œil humain peut voir, et grande pour les ondes électromagnétiques ordinaires, que décèle un récepteur de radio. » (p.176)

« En nous servant d’une comparaison, nous pouvons dire que la création d’une nouvelle théorie ne ressemble pas à la démolition d’une grange et à la construction, à sa place, d’un gratte-ciel. Elle ressemble plutôt à l’ascension d’une montagne, où l’on atteint des points de vue toujours nouveaux et toujours plus étendus, où l’on découvre des connexions inattendues entre le point de départ et les nombreux lieux qui l’environnent. Mais le point de départ existe toujours et peut être vu, bien qu’il paraisse plus petit et forme une partie insignifiante dans notre vaste vue, que nous avons gagnée en vainquant les obstacles dans notre ascension aventureuse. » (p.178)

« (…) si une parole importante d’un orateur qui ne sera plus jamais répétée nous échappait, nous devrions courir avec une vitesse plus grande que celle du son pour atteindre l’onde produite et saisir la parole. » (p.194)

« Mais il n’y a pas de raison de discuter la supposition plus compliquée avant de savoir en faveur duquel de ces deux cas limites se prononce l’expérience. » (p.196)

« 1) La vitesse de la lumière, dans le vide, est la même dans tous les systèmes de coordonnées, qui se meuvent uniformément l’un par rapport à l’autre. 2) Toutes les lois de la nature sont les mêmes dans toutes les systèmes de coordonnées, qui se meuvent uniformément l’un par rapport à l’autre. La théorie de la relativité commence par ces deux suppositions. » (p.207)

« (…) si la vitesse de la lumière est la même dans tous les systèmes de coordonnées, alors des barres en mouvement doivent changer leurs longueurs, des horloges en mouvement doivent changer leurs rythmes, et les lois gouvernant ces changements sont rigoureusement déterminées. » (p.217)

« Il serait aussi ridicule d’appliquer la théorie de la relativité aux mouvements de voitures, de navires et de trains que de se servir d’une machine à calculer là où une table de multiplication serait suffisante. » (p.224)

« Dans la mécanique classique, la résistance d’un corps donné était quelque chose d’invariable, caractérisé seulement par sa masse. Dans la théorie de la relativité la résistance dépend de la masse et de la vitesse ; elle devient infiniment grande quand la vitesse s’approche de celle de la lumière. » (p.227)

« (…) toute énergie résiste au changement de mouvement ; toute énergie se comporte comme la matière ; un morceau de fer pèse plus quand il est chauffé au rouge que quand il est froid ; la radiation solaire qui se propage dans l’espace possède de l’énergie et , par conséquent, une masse ; le Soleil et toutes les étoiles perdent de leur masse par la radiation. » (p.230)

« Conformément à la théorie de la relativité, il n’y a pas de distinction essentielle entre la masse et l’énergie. L’énergie a une masse et la masse représente de l’énergie. » (p.230)

« La quantité de chaleur capable de convertir trente mille tonnes d’eau en vapeur pèserait un gramme environ. L’énergie a été considérée pendant si longtemps comme étant privée de poids simplement parce que la masse qu’elle représente est si petite. » (p.231)

« Conformément à la théorie de la relativité, le temps où le caillou a touché la Terre ne sera pas le même pour tous les observateurs. La coordonnées de temps et la coordonnée d’espace seront différents dans deux systèmes de coordonnées différents, et le changement dans la coordonnée de temps sera très marqué, si la vitesse relative s’approche de celle de la lumière. » (p.241)

« Mais, du point de vue de la théorie de la relativité, le temps aussi bien que l’espace varient quand on passe d’un système de coordonnées à un autre, et la transformation de Lorentz considère les propriétés de transformation du continuum espace-temps quadridimensionnel de notre monde quadridimensionnel d’événements. » (p.243)

« Le problème de formuler les lois de la physique pour n’importe quel système de coordonnées a été résolu par la théorie de la relativité générale ; la théorie qui l’a précédée et qui s’applique seulement aux systèmes d’inertie est appelée théorie de la relativité restreinte. » (p.248)

« La loi de l’inertie marque le premier grand progrès en physique, on peut même dire son début réel. Elle a été obtenue par une expérience idéalisée : un corps en mouvement, en l’absence de tout frottement et de toute action d’une force extérieure, se mouvra uniformément sans fin. » (p.250)

« Revenons à notre mouchoir et à notre montre en chute ; pour l’observateur extérieur, ils tombent tous les deux avec la même accélération. Mais il en est de même de l’ascenseur, de ses parois, de son plancher et de son plafond. Donc : la distance entre les deux corps et le plancher ne variera pas. Pour l’observateur intérieur les deux corps restent exactement où ils étaient quand il les a laissé tomber. Il peut ignorer le champ de gravitation, puisque sa cause se trouve à l’extérieur de son système de coordonnées. Il trouve qu’aucune force n’agit à l’intérieur de l’ascenseur sur les deux corps, et ils sont ainsi au repos comme s’ils étaient dans un système de coordonnées d’inertie. » (p.251)

« La matière qui produit des impressions sur nos sens n’est réellement qu’une grande concentration d’énergie dans un espace relativement petit. Nous pourrions regarder la matière comme des régions dans l’espace où le champ est extrêmement intense. » (p.282)

«  La théorie de la relativité se développe en deux étapes. La première conduit à la théorie de la relativité restreinte, qui s’applique seulement à des systèmes de coordonnées d’inertie, c’est-à-dire à des systèmes où la loi de l’inertie, telle qu’elle a été formulée par Newton, est valable. La théorie de la relativité restreinte est basée sur deux suppositions fondamentales : les lois physiques sont les mêmes dans tous les systèmes de coordonnées en mouvement uniforme les uns par rapport aux autres ; la vitesse de la lumière a toujours la même valeur. De ces suppositions, pleinement confirmées par l’expérience, sont déduites les propriétés des règles et des horloges en mouvement, où la longueur des premières et le rythme des dernières changent avec la vitesse. La théorie de la relativité modifie les lois de la mécanique. Les anciennes lois ne sont pas valables si la vitesse d’une particule s’approche de celle de la lumière. Les nouvelles lois pour un corps en mouvement, telles qu’elles ont été formulées par la théorie de la relativité, ont été confirmées avec éclat par l’expérience. Une autre conséquence de la théorie de la relativité (restreinte) est la connexion entre la masse et l’énergie. La masse est énergie et l’énergie a une masse. Les deux lois de conservation sont combinées en une seule, la loi de la conservation de la masse-énergie. » (p.284)

« La théorie de la relativité générale donne encore une analyse plus approfondie du continuum espace-temps. La validité de la théorie n’est plus limitée aux systèmes de coordonnées d’inertie. Elle attaque le problème de la gravitation et formule de nouvelles lois de structure pour les champ de gravitation. Elle nous force à analyser le rôle joué par la géométrie dans la description du monde physique. Elle regarde l’égalité de la masse pesante et de la masse inerte comme essentielle et non comme purement accidentelle, ce que faisait la mécanique classique. Les conséquences expérimentales de la théorie de la relativité générale ne diffèrent que très peu de celles de la mécanique classique. Elles résistent très bien à l’épreuve de l’expérience partout où la comparaison est possible. Mais la force de la théorie réside dans sa cohésion interne et la simplicité de ses suppositions fondamentales. La théorie de la relativité insiste sur l’importance du concept de champ en physique. Mais nous n’avons pas encore réussi à formuler une physique basée uniquement sur le champ. Pour le moment, nous sommes toujours obligés de supposer l’existence de deux réalités : le champ et la matière. » (p.285)

« S’il nous fallait caractériser l’idée principale de la théorie des quanta par une seule proposition, nous dirions : il est nécessaire de supposer que certaines quantités physiques, regardées jusqu’à présent comme continues, sont composées de quanta élémentaires. » (p.289)

« (…) l’énergie d’un quantum de lumière appartenant à une couleur homogène décroît proportionnellement à l’accroissement de sa longueur d’onde. Il y a une différence essentielle entre les quanta d’énergie et les quanta d’électricité. Les quanta de lumière différent pour chaque longueur d’onde, tandis que les quanta d’électricité sont toujours les mêmes. » (p.301)

« Notre spectre visible commence par une certaine longueur d’onde pour la couleur violette et finit par une certaine longueur d’onde pour la couleur rouge, ou, en d’autres termes, les énergies des photons dans le spectre visible sont toujours enfermées entre les limites formées par les énergies des photons des couleurs violettes et rouges. Cette limitation n’est, en réalité, qu’une propriété de l’œil humain. » (p.309)

« Les rayons X sont également composés de photons d’une énergie beaucoup plus grande que ceux de la lumière visible, ou, en d’autres termes, leurs longueurs d’onde sont beaucoup plus petites, des milliers de fois plus petites que celles de la lumière visible. » (p.310)

« Les idées fondamentales jouent un rôle essentiel dans la formation d’une théorie physique. Les ouvrages de physique sont remplis de formules mathématique compliquées. Mais c’est la pensée, ce sont les idées qui sont à l’origine de toute théorie physique. Les idées doivent plus tard revêtir la forme mathématique d’une théorie quantitative, pour rendre possible la comparaison avec l’expérience. » (p.316)

« En appliquant la méthode statistique nous ne pouvons pas prévoir quel sera le comportement d’un individu dans une foule. Nous pouvons seulement prévoir la chance, la probabilité, qu’il se comportera d’une certaine manière particulière. » (p.325)

« Les lois statistiques ne peuvent s’appliquer qu’à des assemblages considérables, mais non pas aux membres individuels qui les constituent. » (p.325)

« L’onde de probabilité forme le catalogue de notre connaissance du système quantique considéré et nous rend capable de répondre à toutes les questions statistiques sensées concernant ce système. Elle ne nous indique pas la position et la vitesse de l’électron à un instant quelconque, parce qu’une telle question n’a pas de sens dans la physique quantique. Mais elle nous indique la probabilité de rencontrer l’électron dans un lieu particulier, ou bien, où nous avons la plus grande chance de rencontrer un électron. » (p.330)

« Il n’y a pas de place dans la physique quantique pour des lois régissant les changements dans le temps de l’objet individuel. A leur place, nous avons des lois régissant les changements de la probabilité dans le temps. » (p.334)

« La science n’est pas une collection de lois, un catalogue de faits non reliés entre eux. Elle est une création de l’esprit humain au moyen d’idées et de concepts librement inventés. » (p.337)

« A l’aide des théories physiques, nous cherchons à trouver notre chemin à travers le labyrinthe des faits observés, à ordonner et à comprendre le monde de nos impressions sensibles. » (p.339)

« Sans la croyance qu’il est possible de saisir la réalité avec nos constructions théoriques, sans la croyance en l’harmonie interne de notre monde, il ne pourrait pas y avoir de science. » (p.340)