4. La physique et la relativité
4 LA PHYSIQUE ET LA RELATIVITÉ
À la fin du XIX
e siècle, de nombreux scientifiques considèrent que l’essentiel de la
physique est connu et que les développements à venir ne consisteront qu’à affiner les
concepts et lois connus à l’époque, notamment la mécanique newtonienne. En effet du
XV
e au XIX
e siècle, les progrès ont été considérables dans la description et l’interprétation des phénomènes naturels à l’échelle macroscopique (échelle du mètre). Les bases
ont été établies en mécanique, en thermodynamique, en électricité et électromagnétisme
(auxquels s’ajoute l’optique ondulatoire).
Cependant, jusqu’en 1895, on ne sait encore rien de la structure et de la composition
des atomes. Les progrès techniques de la deuxième partie du XIX
e siècle permettent la
réalisation d’expériences plus fiables et beaucoup plus précises : les portes s’ouvrent
vers le monde de l’infiniment petit, à l’échelle microscopique (échelle du micromètre).
Cette période de transition entre les deux siècles constitue un bouleversement pour la
physique, avec notamment les découvertes majeures de l’électron, de l’atome, de la
radioactivité et des rayons X. La physique atomique et nucléaire était née, amenant alors
les révolutions de la relativité et des quanta.
L’aventure passionnante de cette physique dite « moderne » a commencé avec la
découverte de l’électron (voir chapitre 25). Dès 1835, Michael Faraday observa des
décharges électriques dans des gaz raréfiés, et ses successeurs démontrent que ces
décharges pouvaient donner naissance à un rayonnement auquel ils ont donné le nom
de rayons cathodiques. Mais c’est en 1895 que Jean Perrin (1870-1942) réalise une
expérience où un faisceau de rayons cathodiques est recueilli par un cylindre de Faraday,
ce qui lui permet de mettre en évidence la charge apportée par le faisceau. Joseph Jones
Thomson (1856-1940) perfectionne cette expérience et démontre que les rayons cathodiques sont constitués de particules à grande vitesse et chargées négativement. Il montre
l’existence du constituant universel de la nature, constituant qu’il n’appelle pas encore
électron (le terme électron a été employé pour la première fois par Georges Stoney
(1826-1911) qui, lui, travaillait sur le nombre d’Avogadro et la charge élémentaire dont
il détermina la valeur en 1874).
La notion d’atome avait déjà été évoquée par Lucrèce (90-55 av. J.-C.). Elle réapparaît
au XIX
e siècle dans les discussions et publications des chimistes : on peut citer Dimitri
Mendeleïev (1834-1907) qui publie en 1869 sa classification périodique des éléments.
Mais, à cette époque, beaucoup de scientifiques sont hostiles à cette notion d’atome. La
découverte de l’atome doit beaucoup à Jean Perrin : en 1911 (pratiquement au même
moment que Lord Ernest Rutherford (1871-1937)), il propose un modèle « planétaire »
de l’atome décrit alors comme un « soleil », chargé positivement, autour duquel gravitent
des « planètes », électrons chargés négativement (voir chapitre 25). Sur cette notion
d’atome, il est important de mentionner le mouvement brownien : en 1827, le botaniste
Robert Brown (1773-1858) découvre que des grains de pollen en suspension dans
l’eau sont animés d’un mouvement dû aux grains eux-mêmes et non de courants ou
de l’évaporation de l’eau. Il faudra attendre le début du XX
e siècle pour qu’Albert
Einstein (par la théorie en 1905) et Jean Perrin (par l’expérience en 1912) fournissent
©
Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
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“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 11 — #21
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À la fin du XIX
e siècle, de nombreux scientifiques considèrent que l’essentiel de la
physique est connu et que les développements à venir ne consisteront qu’à affiner les
concepts et lois connus à l’époque, notamment la mécanique newtonienne. En effet du
XV
e au XIX
e siècle, les progrès ont été considérables dans la description et l’interprétation des phénomènes naturels à l’échelle macroscopique (échelle du mètre). Les bases
ont été établies en mécanique, en thermodynamique, en électricité et électromagnétisme
(auxquels s’ajoute l’optique ondulatoire).
Cependant, jusqu’en 1895, on ne sait encore rien de la structure et de la composition
des atomes. Les progrès techniques de la deuxième partie du XIX
e siècle permettent la
réalisation d’expériences plus fiables et beaucoup plus précises : les portes s’ouvrent
vers le monde de l’infiniment petit, à l’échelle microscopique (échelle du micromètre).
Cette période de transition entre les deux siècles constitue un bouleversement pour la
physique, avec notamment les découvertes majeures de l’électron, de l’atome, de la
radioactivité et des rayons X. La physique atomique et nucléaire était née, amenant alors
les révolutions de la relativité et des quanta.
L’aventure passionnante de cette physique dite « moderne » a commencé avec la
découverte de l’électron (voir chapitre 25). Dès 1835, Michael Faraday observa des
décharges électriques dans des gaz raréfiés, et ses successeurs démontrent que ces
décharges pouvaient donner naissance à un rayonnement auquel ils ont donné le nom
de rayons cathodiques. Mais c’est en 1895 que Jean Perrin (1870-1942) réalise une
expérience où un faisceau de rayons cathodiques est recueilli par un cylindre de Faraday,
ce qui lui permet de mettre en évidence la charge apportée par le faisceau. Joseph Jones
Thomson (1856-1940) perfectionne cette expérience et démontre que les rayons cathodiques sont constitués de particules à grande vitesse et chargées négativement. Il montre
l’existence du constituant universel de la nature, constituant qu’il n’appelle pas encore
électron (le terme électron a été employé pour la première fois par Georges Stoney
(1826-1911) qui, lui, travaillait sur le nombre d’Avogadro et la charge élémentaire dont
il détermina la valeur en 1874).
La notion d’atome avait déjà été évoquée par Lucrèce (90-55 av. J.-C.). Elle réapparaît
au XIX
e siècle dans les discussions et publications des chimistes : on peut citer Dimitri
Mendeleïev (1834-1907) qui publie en 1869 sa classification périodique des éléments.
Mais, à cette époque, beaucoup de scientifiques sont hostiles à cette notion d’atome. La
découverte de l’atome doit beaucoup à Jean Perrin : en 1911 (pratiquement au même
moment que Lord Ernest Rutherford (1871-1937)), il propose un modèle « planétaire »
de l’atome décrit alors comme un « soleil », chargé positivement, autour duquel gravitent
des « planètes », électrons chargés négativement (voir chapitre 25). Sur cette notion
d’atome, il est important de mentionner le mouvement brownien : en 1827, le botaniste
Robert Brown (1773-1858) découvre que des grains de pollen en suspension dans
l’eau sont animés d’un mouvement dû aux grains eux-mêmes et non de courants ou
de l’évaporation de l’eau. Il faudra attendre le début du XX
e siècle pour qu’Albert
Einstein (par la théorie en 1905) et Jean Perrin (par l’expérience en 1912) fournissent
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