Vide quantique et relativité d’Einstein sont-ils contradictoires ?

Un article d’Albert Einstein, « Sur l’Ether » (1924) :

Si nous allons parler ici de l’éther, nous ne parlons bien sûr pas de l’éther physique ou matériel de la théorie mécanique des ondulations, qui est soumise aux lois de la mécanique newtonienne, aux points desquels on attribue certaine vitesse. Je suis convaincu que cet édifice théorique a finalement joué son rôle depuis la mise en place de la théorie de la relativité restreinte. De manière plus générale, il s’agit des choses considérées comme physiquement réelles, qui jouent un rôle dans le lien causal de la physique, à l’exception de la matière pesante constituée des particules élémentaires électriques. Par conséquent, au lieu de parler d’éther, on pourrait également parler de qualités physiques de l’espace. Or, on pourrait considérer que tous les objets physiques entrent dans cette catégorie, car en dernière analyse, dans une théorie des champs, la matière pondérable, ou les particules élémentaires qui constituent cette matière, doivent également être considérées comme des « champs » d’un objet particulier. genre, ou en tant qu ’« états » particuliers de l’espace. Mais il faudrait admettre que, dans l’état actuel de la physique, un tel point de vue serait prématuré, car jusqu’à présent tous les efforts déployés en ce sens en physique théorique ont conduit à l’échec. Dans la situation actuelle, nous sommes de facto obligés de faire une distinction entre la matière et les domaines, tout en espérant que les générations futures seront en mesure de surmonter ce concept dualiste et de le remplacer par un concept unitaire, tel que celui que la théorie des champs a recherché aujourd’hui. en vain.

Il est généralement admis que la physique newtonienne ne reconnaît pas d’éther, et c’est la théorie ondulatoire de la lumière qui a introduit pour la première fois ce milieu omniprésent capable d’influencer les phénomènes physiques. Mais ce n’est pas le cas. La mécanique newtonienne a son « éther » dans le sens suggéré, qui s’appelle cependant « espace absolu ». Pour comprendre cela clairement et en même temps pour préciser le concept d’éther, il faut remonter un peu plus loin.

Nous considérons tout d’abord une branche de la physique qui gère sans éther, à savoir la géométrie euclidienne, conçue comme la science des moyens possibles de mettre en contact des corps réellement rigides. (Nous ne tiendrons pas compte des rayons de lumière qui pourraient autrement être impliqués dans l’origine des concepts et des lois de la géométrie.) Les lois de positionnement des corps rigides, à l’exclusion des mouvements relatifs, de la température et des influences déformantes, telles qu’elles sont définies sous forme idéalisée en géométrie euclidienne, peut se contenter du concept de corps rigide. Les influences environnementales de tous types, présentes indépendamment des corps, qui agissent sur le positionnement, sont inconnues de la géométrie euclidienne. Il en va de même pour les géométries non euclidiennes à courbure constante, si elles sont conçues comme des lois de la nature (possibles) pour le positionnement des corps. Ce serait une autre affaire si on jugeait nécessaire de prendre une géométrie à courbure variable. Cela signifierait que les positions contiguës possibles de corps effectivement rigides dans différents cas seraient déterminées par les influences environnementales. Dans le sens considéré ici, dans le cas présent, il faudrait dire qu’une telle théorie utilise une hypothèse d’éther. Cet éther serait une réalité physique aussi bonne que la matière. Si les lois du positionnement ne pouvaient pas être influencées par des facteurs physiques, tels que le regroupement ou l’état de mouvement des corps dans l’environnement, etc., et étaient données une fois pour toutes, cet éther devrait être décrit comme absolu indépendante de l’influence de tout autre objet).

De même que la géométrie euclidienne (interprétée physiquement) n’a pas besoin d’éther, la cinématique ou la phoronomie de la mécanique classique n’en ont pas non plus besoin. Ces lois ont un sens clair en physique pour autant que l’on suppose que les influences assumées en relativité restreinte concernant les règles et les horloges n’existent pas.

Il en va autrement dans la mécanique de Galilée et de Newton. La loi du mouvement, « masse x accélération = force », contient non seulement une déclaration concernant les systèmes matériels, mais aussi quelque chose de plus - même lorsque, comme dans la loi fondamentale de l’astronomie de Newton, la force est exprimée par des distances, c’est-à-dire par des grandeurs, par le réel. les définitions peuvent être basées sur des mesures avec des corps rigides. Car la vraie définition de l’accélération ne peut pas être entièrement basée sur des observations avec des corps et des horloges rigides. Ii ne peut pas être renvoyé aux distances mesurables des points constituant le système mécanique. Pour sa définition, il faut en outre un système de coordonnées, respectivement un corps de référence, dans un état de mouvement approprié. Si l’état de mouvement du système de coordonnées est choisi différemment, les équations de mouvement de Newton ne seront pas valides. Dans ces équations, l’environnement dans lequel les corps bougent apparaît implicitement comme un facteur réel de la loi du mouvement, aux côtés des corps eux-mêmes et de leurs distances, qui peuvent être définis en termes de corps mesurés. Dans la science du mouvement de Newton, l’espace a une réalité physique, ce qui contraste avec la géométrie et la cinématique. Nous allons appeler cette réalité physique, qui entre dans les lois du mouvement de Newton à côté des corps pondérables observables, « l’éther de la mécanique ». Le fait que des effets centrifuges apparaissent dans un corps (en rotation), dont les points matériels ne changent pas de distance les uns des autres, montre que cet éther ne doit pas être supposé être un fantasme de la théorie newtonienne, mais qu’il correspond au concept une certaine réalité dans la nature.
Nous pouvons voir que, pour Newton, l’espace était une réalité physique, malgré la manière particulièrement indirecte par laquelle cette réalité entre dans notre compréhension. Ernst Mach, qui fut la première personne après Newton à soumettre la mécanique newtonienne à une analyse approfondie et approfondie, comprit cela très clairement. Il a cherché à échapper à l’hypothèse de « l’éther de la mécanique » en expliquant l’inertie en termes d’interaction immédiate entre la pièce à l’étude et toute autre matière de l’univers. Cette idée est logiquement possible mais, en tant que théorie impliquant l’action à distance, elle ne mérite pas aujourd’hui d’être sérieusement examinée. Nous devons donc considérer l’éther mécanique que Newton a appelé « l’espace absolu » comme une sorte de réalité physique. Le terme « éther », en revanche, ne doit pas nous amener à comprendre quelque chose de similaire à la matière pondérable, comme dans la physique du XIXe siècle.

Si Newton appelait l’espace de la physique « absolu », il pensait à une autre propriété de ce que nous appelons « l’éther ». Chaque objet physique influence et en général est influencé à son tour par les autres. Ce dernier point n’est cependant pas vrai de l’éther de la mécanique newtonienne. La propriété d’inertie de cet éther, conformément à la mécanique classique, ne doit précisément pas être influencée, ni par la configuration de la matière ni par quoi que ce soit d’autre. Pour cette raison, on peut appeler cela « absolu ».

Le fait que quelque chose de réel doit être conçu comme la cause de la préférence d’un système inertiel par rapport à un système non inertiel est un fait que les physiciens n’ont compris que ces dernières années. Historiquement, l’hypothèse de l’éther, sous sa forme actuelle, est née de l’hypothèse mécanique de l’éther de l’optique par voie de sublimation. Après de longs et vains efforts, on est venu à la conviction que la lumière ne pouvait pas être expliquée comme le mouvement d’un milieu élastique à inertie, que les champs électromagnétiques de la théorie maxwellienne ne pouvaient en général pas être expliqués de manière mécanique. Sous cette charge de défaillance, les champs électromagnétiques ont été progressivement considérés comme des réalités physiques définitives et irréductibles, qui ne doivent pas être expliquées plus avant en tant qu’états de l’éther. La seule chose qui restait à l’éther de la théorie mécanique était son état défini de mouvement. Cela représentait, pour ainsi dire, un « repos absolu ». Si tous les systèmes inertiels sont à égalité dans la mécanique newtonienne, donc aussi dans la théorie de Maxwell-Lorentz, l’état de mouvement du cadre de coordonnées préféré (au repos par rapport à l’éther) semble être entièrement déterminé. On supposait tacitement que ce système préféré serait en même temps un système inertiel, c’est-à-dire que le principe d’inertie serait valable par rapport à l’éther électromagnétique.

La théorie de Maxwell-Lorentz a fait évoluer les concepts fondamentaux des physiciens d’une deuxième manière. Une fois que les champs électromagnétiques avaient été conçus comme des entités fondamentales et irréductibles, ils semblaient avoir le droit de priver la masse inertielle pondérable de son importance fondamentale en mécanique. D’après les équations de Maxwell, il a été conclu qu’un corps en mouvement chargé électriquement serait entouré d’un champ magnétique dont l’énergie dépendrait, en première approximation, du carré de la vitesse. Quoi de plus évident que de concevoir toute l’énergie cinétique comme une énergie électromagnétique ? De cette façon, on pourrait espérer réduire les mécanismes à l’électromagnétisme, n’ayant pas réussi à renvoyer les processus électromagnétiques aux processus mécaniques. Cela semblait d’autant plus prometteur qu’il devenait de plus en plus probable que toute la matière pesable était constituée de particules élémentaires électriques. En même temps, il y avait deux difficultés qu’on ne pouvait pas maîtriser. Premièrement, les équations de Maxwell-Lorentz n’ont pas pu expliquer comment la charge électrique constituant une particule élémentaire électrique pouvait exister à l’équilibre malgré les forces de répulsion électromagnétiques. Deuxièmement, la théorie électromagnétique ne pourrait pas expliquer la gravitation de manière raisonnablement naturelle et satisfaisante. En dépit de tout cela, les conséquences de la théorie électromagnétique étaient si importantes qu’elle était considérée comme une possession tout à fait sûre de la physique, voire comme l’une de ses acquisitions les mieux fondées.
De cette manière, la théorie de Maxwell-Lorentz a finalement influencé notre compréhension des fondements théoriques de la physique à un point tel qu’elle a conduit à la fondation de la théorie spéciale de la relativité. On s’est rendu compte que les équations électromagnétiques ne déterminent pas réellement un état de mouvement particulier, mais que, conformément à ces équations - comme dans la mécanique classique - il existe une multitude infinie de systèmes de coordonnées, se déplaçant uniformément les uns par rapport aux autres, et tous sur un pied d’égalité, tant que l’on applique des formules de transformation appropriées pour les coordonnées d’espace et le temps. Il est bien connu que cette réalisation a entraîné une modification profonde de la cinématique et de la dynamique. L’éther de l’électrodynamique n’a plus d’état de mouvement particulier. Il a eu pour effet, comme l’éther de la mécanique classique, de donner la préférence non à un état particulier de mouvement, mais seulement à un état particulier d’accélération. Parce qu’il n’était plus possible de parler d’états simultanés à différents endroits de l’éther dans un sens absolu, l’éther est devenu pour ainsi dire à quatre dimensions, car il n’y avait aucun arrangement objectif de son espace en fonction du temps seul. En outre, suivant la théorie de la relativité spéciale, l’éther était absolu, car on pensait que son influence sur l’inertie et la propagation de la lumière était indépendante d’influences physiques de toute nature. Alors qu’en physique classique on suppose que la géométrie des corps est indépendante de l’état de mouvement, conformément à la théorie de la relativité restreinte, les lois de la géométrie euclidienne pour le positionnement de ces corps au repos les uns par rapport aux autres ne sont applicables que ces corps sont au repos par rapport à une centrale inertielle. Par exemple, conformément à la théorie de la relativité restreinte, la géométrie euclidienne ne s’applique pas à un système de corps au repos les uns par rapport aux autres, mais qui dans leur totalité tournent par rapport à un système inertiel. Ceci peut facilement être conclu de la contraction dite de Lorentz. Par conséquent, la géométrie des corps est influencée par l’éther ainsi que par la dynamique.

La théorie générale de la relativité supprime un défaut de la dynamique classique ; dans ce dernier cas, l’inertie et le poids apparaissent comme des manifestations totalement différentes, parfaitement indépendantes les unes des autres, en dépit du fait qu’elles sont déterminées par la même constante de corps, à savoir la masse. La théorie de la relativité pallie cette lacune en déterminant le comportement dynamique de la masse-borne électriquement neutre au moyen de la loi de la ligne géodésique, dans laquelle les effets d’inertie et de poids ne peuvent plus être distingués. De ce fait, il attribue à l’éther des variations d’un point à l’autre, de la métrique et des propriétés dynamiques des points de la matière, qui sont à leur tour déterminés par des facteurs physiques, à savoir la distribution de la masse ou de l’énergie, respectivement. L’éther de la théorie générale de la relativité diffère donc de celui de la mécanique classique ou de la théorie spéciale de la relativité, dans la mesure où il n’est pas « absolu », mais est déterminé dans ses propriétés localement variables par une matière pondérable. Cette détermination est complète si l’univers est fermé et spatialement fini. Le fait que la théorie générale de la relativité ne possède pas de coordonnées spatio-temporelles préférées qui soient en relation déterminée avec la métrique est davantage une caractéristique de la forme mathématique de la théorie que de son contenu physique.
Même l’application de l’appareil formel de la théorie générale de la relativité n’a pas été en mesure de réduire toute l’inertie de masse aux champs ou champs électromagnétiques en général. En outre, à mon avis, nous avons noté que nous avions réussi à dépasser l’intégration superficielle des forces électromagnétiques dans le schéma général de la relativité. Le tenseur métrique qui détermine à la fois les phénomènes gravitationnel et inertiel et le tenseur du champ électromagnétique, apparaissent toujours comme des expressions fondamentalement différentes de l’état de l’éther ; mais leur indépendance logique est probablement plus à attribuer à l’imperfection de notre édifice théorique qu’à une structure complexe de la réalité elle-même.

J’admets que Weyl et Eddington ont, au moyen d’une généralisation de la géométrie de Riemann, mis au point un système mathématique qui permet aux deux types de champs d’apparaître comme s’ils étaient unis sous un seul point de vue. Mais les équations de champ les plus simples qui découlent de cette théorie ne me semblent pas entraîner de progrès dans la compréhension de la physique. Au total, il semblerait aujourd’hui que nous sommes beaucoup plus éloignés de la compréhension des lois fondamentales de l’électromagnétisme qu’au début du siècle. Pour étayer son opinion, je voudrais brièvement rappeler ici le problème des quanta de lumière, qui concerne, pour ainsi dire, la structure à grande échelle et la structure fine du champ électromagnétique.

La terre et le soleil ont des champs magnétiques dont l’orientation et le sens sont approximativement liés aux axes de rotation de ces corps célestes. Conformément à la théorie de Maxwell, ces champs pourraient être produits par des courants électriques qui circulent dans le sens opposé au mouvement de rotation autour des axes des corps célestes. Les taches solaires aussi, qui pour de bonnes raisons sont considérées comme des tourbillons, possèdent des champs magnétiques analogues et très puissants. Mais il est difficile d’imaginer que, dans tous ces cas, des courants de conduction électrique ou de convection d’ampleur suffisante soient réellement présents. Il semble plutôt que les mouvements cycliques des masses neutres produisent des champs magnétiques. La théorie de Maxwell, ni dans sa forme originale, ni telle qu’elle est étendue par la théorie générale de la relativité, ne permet pas d’anticiper une génération de champ de ce type. Il semblerait ici que la nature pointe vers un processus fondamental qui n’est pas encore compris théoriquement.

Si nous venons de traiter d’un cas où la théorie des champs, dans sa forme actuelle, ne semble pas adéquate, les faits et les idées qui composent la théorie quantique menacent de détruire totalement l’édifice de la théorie des champs. En effet, de plus en plus d’arguments poussent à penser que le quantum de lumière devrait être considéré comme une réalité physique et que le champ électromagnétique pourrait ne pas être considéré comme une réalité ultime permettant d’expliquer d’autres objets physiques. La théorie de la formule de Planck a déjà montré que la transmission d’énergie et d’impulsion au moyen de radiations se déroule de la même manière que si ces derniers étaient constitués d’atomes se déplaçant avec la vitesse de la lumière c et avec l’énergie hx fréquence nu, et avec une fréquence d’impulsion hx nu divisée par c ; au moyen d’expériences sur la diffusion de rayons X par la matière. Compton montre maintenant qu’il se produit des événements de diffusion dans lesquels des quanta de lumière se heurtent sur des électrons et transmettent une partie de leur énergie à ces derniers, les quanta de lumière modifiant alors leur énergie et leur direction. Les faits sont certains : les rayons X subissent les changements de fréquence dans la diffusion requis par l’hypothèse quantique, comme le prédisent Debye et Compton.

En outre, le scientifique indien Bose a récemment publié un article sur la dérivation de la formule de Planck, ce qui est particulièrement important pour notre compréhension théorique pour la raison suivante. Jusqu’ici, toutes les dérivations de la formule de Planck ont utilisé quelque part l’hypothèse de la structure ondulatoire du rayonnement ; par exemple, le facteur 8 pi nu² / c3 de cette formule, dans la dérivation bien connue de Ehrenfest et de Debye, a été obtenu en comptant le nombre de vibrations propres de la cavité qui se produisent dans la gamme de fréquences d (nu). Ce comptage, basé sur les concepts de la théorie des ondes, est remplacé par Bose par un calcul théorique des gaz, qu’il applique à un quantum de lumière situé dans la cavité à la manière d’une molécule. La question qui se pose maintenant est de savoir s’il ne serait pas un jour possible de relier les phénomènes de diffraction et d’interférence à la théorie quantique de manière à ce que les concepts de champ théoriques de la théorie ne représentent que les expressions des interactions entre quanta. une réalité physique indépendante soit attribuée au terrain.

Le fait important que, selon la théorie de Bohr, la fréquence du rayonnement n’est pas déterminée par des masses électriques soumises à des processus périodiques de même fréquence ne peut que renforcer nos doutes quant à la réalité indépendante du champ ondulatoire.

Mais même si ces possibilités devaient devenir de véritables théories, nous ne pourrons pas nous passer de l’éther de la physique théorique, c’est-à-dire un continuum doté de propriétés physiques ; car la théorie générale de la relativité, dont les physiciens maintiendront toujours le point de vue fondamental, exclut l’action directe à distance. Mais toute théorie d’action contiguë suppose des champs continus, et donc aussi l’existence d’un « éther ».

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