Les.ondes.en.physique

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  • 1. INTRODUCTION Les ondes et les vibrations ont de nos jours envahi tout lespace dans lequel nous vivons, et il ne sagit pas seulement de celles qui transportent les programmes de radio, de tlvision, les messages de nos tlphones portables ; il sagit aussi des ondes de diverses natures qui servent aujourdhui expliquer le comportement de la matire. Celle-ci, jusquici symbole de la solidit et de la permanence, suppose prsente mme lorsque nous ne la regardons pas ou ne la sentons pas, se rvle tout autre aux moyens dinvestigation puissants dont nous disposons : elle manifeste des proprits fugaces, difficilement tangibles, dont certaines sont dcrites par des ondes. Or, lhistoire de la physique nous enseigne que les dbuts de cette science peuvent tre situs il y a environ 2500 ans, avec les premires observations quantitatives sur les oscillations des cordes de la lyre. Lenvahissement de notre espace par les ondes ne sest donc pas produit soudain, mais au cours dun long travail thorique et exprimental, parfois ponctu de crises. Intress ds mon enfance par les phnomnes lmentaires que je pouvais observer, sensible aux beauts des mathmatiques, de la musique, jai voulu plus tard me consacrer des recherches appliques sur les ondes lectromagntiques, tout en dveloppant mes connaissances en physique fondamentale. Cest ce qui ma permis dentrevoir la continuit du dveloppement qui, initi par Pythagore, a tant contribu la physique et aux techniques modernes, et ma donn le dsir dcrire les pages qui suivent. * * Suivant la tradition, Pythagore (env. 570-480 av. J.-C.) dcouvrit que les longueurs de cordes identiques qui mettent des sons consonants sont dans des rapports simples, par exemple de trois deux pour lintervalle que nous appelons une quinte. Cette dcouverte concernait des phnomnes chargs de beaucoup dmotion. Sans doute a-t-on reconnu l un phnomne de rsonance : les motions musicales sont en effet ressenties comme une sorte de rsonance de lauditeur avec linstrument ou avec celui qui en joue. Les nombres ne sont pas non plus affectivement neutres ; ils ont toujours sembl chargs de proprits extraordinaires, voire magiques. Or, Pythagore dcouvrait par ses observations leur rle direct dans un phnomne minemment sensible. Ces rapports numriques constituent une proprit moderne par son caractre gnral et quantitatif. De ce point de vue, rien de comparable ne devait apparatre avant longtemps dans lhistoire des sciences. On ne trouve rien de pareil chez Aristote. Certes, Archimde (287-212 av. J.-C.) conut aussi des lois quantitatives : lgalit de son propre poids et de celui du volume deau quil dplaait, les proprits des leviers. Mais ce furent surtout Galile
  • 2. 2 un principe qui avait rgn sur la physique depuis Galile : celui de la continuit dans le temps et lespace. Natura non facit saltus, a dit Leibniz. Ce principe dit que ce qui se prsentera un instant ne peut diffrer beaucoup de ce qui sest pass immdiatement auparavant, que ce qui se passe ici ne peut tre trs diffrent de ce qui se prsente dans le voisinage immdiat. Nanmoins, depuis un demisicle dj, les gaz, les fluides et les solides ntaient plus considrs comme des milieux continus ni uniformes, mais comme des ensembles de petits blocs de plusieurs sortes, tous identiques pour chaque sorte : les atomes et molcules des diffrentes espces chimiques. Plus rcemment, la lumire galement tait apparue comme corpusculaire. Mais les mouvements de toutes ces particules taient toujours considrs comme continus. Lmission ou labsorption de lumire fut attribue des changements internes soudains et imprvisibles des atomes qui, autrement, restent dans un tat de mouvement immuable. Dans la nouvelle physique, linstant de tels changements ne peut tre prvu que statistiquement, et le processus mme du changement ne peut tre observ pendant quil se produit. Le mouvement des particules, comme les rsonances internes des atomes, fut compris comme conditionn par la propagation de certaines ondes dun type nouveau. Une nouvelle et trange mcanique fut dveloppe. Elle renona une vritable description du monde physique et se limita prdire des probabilits, mais elle sortit de la crise avec un pouvoir dexplication et de prdiction considrablement accru : elle fut lorigine de toute llectronique moderne. Les notions dondes doscillation ont jou un rle fondamental dans cette volution. * * Cest de cette belle histoire que jai voulu tracer les diffrentes tapes sous plusieurs aspects. Malheureusement, elle chappe gnralement au public, parce que le comportement des ondes est beaucoup moins intuitif que celui des objets ou mme des substances chimiques, parce que le fonctionnement des appareils lectroniques est aussi trange que leur efficacit est vidente. Dans cet ouvrage, jai cherch prsenter les faits de la physique comme un chercheur peut les percevoir. Un trait, une tude historique ou les biographies des plus grands physiciens prennent des volumes. Jai prfr rassembler, dans la perspective composite qui mest propre, des dveloppements historiques, biographiques, thoriques, parfois exprimentaux ou techniques qui mont paru marquants. Jai souvent favoris un fait ou une personnalit peu connue. plutt que de mtendre sur les plus clbres. Cest pourquoi jai rserv une place particulire Pythagore, qui a jou un si grand rle dans la civilisation occidentale, et qui est si peu connu malgr le grand nombre de tmoignages indirects qui sont parvenus sur lui ainsi que sur ses innombrables disciples. (1564-1642) et Kepler (1571-1630) qui, avec leurs lois sur le mouvement des corps, inaugurrent lge scientifique moderne. cette poque, lacoustique connut galement un renouveau spectaculaire. Toutefois, les proprits des oscillations sonores et des ondes qui les transmettent dans lespace ne constitueraient quun chapitre intressant mais limit de la physique si lanalyse mathmatique navait rvl au XVIIe sicle leur parent avec lhydrodynamique et les dformations des solides. Il se constituera sur cette base une physique thorique qui permit de traiter de nombreux phnomnes peu peu dcouverts, en particulier lectriques et magntiques. Elle allait mme, aprs 1860, prdire lexistence des ondes lectromagntiques, et montrer que la lumire est de mme nature. Loptique et llectromagntisme runis constituaient dsormais lun des deux versants de la physique fondamentale, lautre groupant la mcanique et ltude des proprits de la matire. La physique au sens large avait t jusque-l domine par les proprits et les mouvements des corps, et en particulier des astres, celle des ondes couvrait ds 1900 un vaste territoire. Mais les efforts pour runir ces deux versants taient rests vains. En outre, alors que les mouvements des corps sont immdiatement perceptibles, et que la nature des ondes sonores fut comprise de bonne heure comme un mouvement de vibration de la matire, la nature des ondes lectromagntiques restait mystrieuse. En particulier, on appelait ther le milieu dans quel elle se propage, mais on navait attribu aucune proprit prcise ce milieu. Au dbut du XXe sicle, les proprits de la lumire furent avec la radioactivit lobjet essentiel de la physique fondamentale pendant plusieurs dcades. Cette dernire connut plusieurs crises graves, puis de grandes unifications conceptuelles, pour aboutir aux extraordinaires dveloppements thoriques dont chacun entend parler, et aux innovations techniques qui modifirent peu peu notre existence. On sait gnralement que la premire crise fut rsolue par la thorie de la relativit entre 1905 et 1920. Des physiciens cherchaient dterminer les proprits de lther. Einstein raisonnait diffremment et cherchait se reprsenter ce quil observerait sil pouvait voyager assis sur un rayon de lumire. Les premiers firent des expriences probantes quils ne pouvaient expliquer. Einstein aboutit, comme chacun sait, une nouvelle conception de lespace et du temps. Llectromagntisme et la physique de la lumire restrent inchangs, mais la mcanique fut profondment modifie, quoique dune manire qui napparat quaux trs grandes vitesses. La seconde crise survint propos des proprits optiques des atomes et molcules. Les gaz chauds rayonnent ou absorbent de la lumire de certaines longueurs donde caractristiques des atomes quils contiennent. Loin dexpliquer cette proprit, llectromagntisme fournissait des prdictions absurdes. Cest en considrant ces atomes comme les supports dondes dun type inconnu, et de ce fait comparables aux cordes des instruments de musique, que lon parvint fournir une explication. Mais il fallut abandonner
  • 3. 3 Cette histoire se veut en mme temps une introduction la physique quantique, souvent rpute incomprhensible, mais omniprsente dans les techniques modernes. Beaucoup daspects de cette physique si fertile restent obscurs, mais ltude des ondes est une bonne prparation son tude. Je madresse des lecteurs de profils assez diffrents, plus ou moins verss dans la physique ou les mathmatiques. Mon exprience mayant montr que lon est souvent contraint dcouter ou dobserver sans tout comprendre, jai suppos que le lecteur peut accepter ventuellement de faire de mme. Nous ne comprenons pas tous les personnages lorsque nous lisons un roman. Le praticien utilise des traits quil ne comprend gnralement pas entirement. Le lecteur acceptera peut-tre de ne pas savoir utiliser, ni mme comprendre chaque formule mathmatique prsente ici. Les passages thoriques sont les plus difficilement accessibles, semblables des pics ou des cavernes plutt qu des collines ou des replis de terrain. Mais je sais que dassez