Weber et Kohlrausch

Rappelons qu’avant 1855, la science ne percevait aucun lien conceptuel évident entre les phénomènes électriques, magnétiques et optiques. Il y avait ainsi la loi de Coulomb établie en 1785, qui stipulait que la force électrique était proportionnelle au carré d’une charge électrique par unité de distance. Il y avait aussi la loi d’Ampère établie en 1821, qui stipulait que la force magnétique était quant à elle proportionnelle au carré d’une charge électrique par unité de temps. En 1855, les physiciens allemands Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) and Rudolf Kohlrausch (1809-1858) remarquèrent qu’il découlait logiquement de ces lois deux choses. La première était que la charge électrique se conserve. La seconde est que le rapport de la force magnétique à la force magnétique devait être une constante homogène au carré d’une vitesse.

Étant curieux de connaître l’ordre de grandeur de cette vitesse, Weber et Kohlraush chargèrent une bouteille de Leyde jusqu’à un certain potentiel électrique. Puis, ils mesurèrent sa charge électrique par deux moyens différents. Le premier utilisait la capacité électrique de la bouteille. Le deuxième se basait sur la déviation d’une aiguille magnétisée lors de la décharge de la bouteille dans un galvanomètre balistique. En faisant le rapport de la valeur numérique obtenue de manière magnétique à celle obtenue de manière électrique, ils trouvèrent une vitesse de 310 700 km/s.

Vitesse de la lumière

Ils publièrent leur résultat sans discuter de la valeur trouvée. Or, le physicien français Hippolyte Fizeau avait estimé la vitesse de déplacement de la lumière dès 1849. Dans son expérience, un faisceau lumineux était dirigé vers un miroir éloigné de 8 km. Fizeau avait placé sur le trajet de la lumière une roue dentée animée d’un mouvement de rotation uniforme. Pour une certaine vitesse de rotation, le faisceau passait par l’un des créneaux sur son trajet aller. Mais, au trajet retour, la lumière passait par un autre créneau lors de son trajet retour. La moindre variation de vitesse autour d’une vitesse de rotation optimale entraînait que la lumière rencontrait une dent et ne pouvait donc pas traverser la roue.

Fizeau avait ainsi à sa disposition la distance entre la roue et le miroir, le nombre de dents de la roue ainsi que sa vitesse optimale de rotation. Il fut alors capable d’estimer que la vitesse de propagation de la lumière dans l’air valait 314 858 km·s^-1. La méthode sera améliorée en 1862 par Léon Foucault. Ce dernier remplaça la roue dentée par un miroir rotatif tournant grâce à une turbine à air comprimé. Comme précédemment, la lumière se propage vers le miroir distant pour revenir à son point de départ. Mais, comme le miroir tourne la lumière est réfléchie avec un angle différent sur son trajet aller que sur son trajet retour. Cette différence angulaire permet de calculer à nouveau la vitesse de la lumière dans l’air. Foucault trouva que la valeur de (298 000 ± 500) km·s^-1.

Maxwell

Fin 1861, le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) prend connaissance du papier de Weber et Kohlrausch. Il fait immédiatement le rapprochement avec la valeur mesurée par Fizeau et améliorée par Foucault. Pour expliquer une telle coïncidence, il proposa en 1864, un ensemble de vingt équations différentielles à vingt variables régissant tous les phénomènes de nature électriques et magnétiques. Ces équations de Maxwell impliquent que la lumière se comporte comme une perturbation électromagnétique du vide. Elle se propage dans l’espace comme une onde avec une certaine longueur d’onde notée λ et une certaine fréquence f = c/λ avec c ≈ 300 000 km/s. 

Avec les équations de Maxwell, on dispose d’une unification mémorable des phénomènes électriques, magnétiques et optiques. Ainsi, on ne peut plus parler de lumière sans préciser sa fréquence ou sa longueur d’onde dans le cadre d’un spectre électromagnétique représenté ci-dessus. Dans ce cadre, la lumière est assimilable à un rayon lumineux dès que la taille d’un objet est nettement supérieure à la longueur d’onde de la lumière qui l’éclaire. Si tel n’est pas le cas, il faut vraiment considérer la lumière comme une onde, étape décisive qui allait autoriser l’avènement de la physique quantique.

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