L électrodynamique: chrono-logie. A défaut de l histoire de l électromagnétisme, qui exigerait d abord une

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1 L électrodynamique: chrono-logie A défaut de l histoire de l électromagnétisme, qui exigerait d abord une connaissance approfondie de cette théorie, on peut en jalonner le déroulement par l énumération de quelques dates et héros mythiques de péripéties devenues marquantes à la lumière de notre compréhension actuelle. La loi de force de Coulomb est établie à la suite de travaux expérimentaux, pas toujours publiés, de divers précurseurs (Franklin en 1755, Priestley en 1767, Robison en 1769, Cavendish en 1773), mais le mérite de son acceptation par la communauté scientifique (1785) revient à son éponyme pour avoir publié la description de ses expériences et l interprétation de leurs résultats sous une forme convaincante. La notion de potentiel, issue de la gravitation, est transposée à l électrostatique par Poisson en 1813, pour aboutir à l équation qui porte maintenant son nom. La même année Gauss établit le cas particulier du théorème du Stokes permettant d obtenir la relation intégrale à laquelle son nom est resté attaché. L existence de matériaux magnétiques (la magnétite et le fer) est connue au moins de puis l Antiquité, aussi bien en Occident qu en Extrême-Orient. En dépit d études empiriques motivées par leur application pratique à la navigation, la formalisation de l interaction magnétique (Poisson, 1824) doit attendre 1

2 le développement suffisant de l électrostatique, plus élémentaire (les charges électriques sont isolables, pas les pôles magnétiques). Entretemps, Œrsted observe l effet d un courant électrique sur une aiguille aimantée ( ). Ses expériences répétées et mesurées avec précision par Biot et Savart (1820) permettent à ceux-ci d établir leur formule sous la forme du couple exercé par un courant sur une aiguille aimantée. La même expérience d Œrsted suggère à Ampère (toujours en 1820) ses expériences sur les forces mutuelles entre fils parcourus par des courants électriques qui lui permettent d établir la parenté entre les interactions aimant-aimant, courant-aimant et courant-courant. Pour Ampère, les effets d un aimant sont identiques à ceux de courants équivalents; l ensemble du magnétisme est dorénavant constitué, à la base, de phénomènes électriques. Avec la confirmation des effets magnétiques du courant électrique, la situation est mûre pour que Faraday se pose la question inverse. Effectivement, après six ans d efforts intermittents, il parvient à mettre en évidence (1831) la production d électricité par un magnétisme variable. Pendant les vingt années suivantes il lui reste à expérimenter les diverses manifestations de l induction, tout en mettant au point une représentation des forces à distance par des lignes de champ que lui suggéraient les figures dessinées par la limaille de fer 2

3 au voisinage d un aimant. Cette conception lui permet de remplacer l action à distance par l interaction locale d une charge et d un champ de force. En 1841 William Thomson, en établissant la théorie du potentiel (inspirée de la théorie de la chaleur de Fourier), ouvre une brèche dans la tradition mécaniste (une force centrale héritée de la gravitation et qui échappe à l analyse) au profit d un point de vue dynamique local (équations aux dérivées partielles). Profondément influencé par Faraday et Thomson, et mû par la volonté de relier le support mécanique de leurs champs électrique et magnétique avec la vibration lumineuse de l éther, Maxwell élabore un modèle mécanique complet (1861). Celui-ci lui donne un description complètement locale, en même temps que l introduction du terme de déplacement dans l équation d Ampère assure finalement l identité souhaitée entre vitesses de propagation des vibrations électromagnétique et lumineuse. Ses méditations sur l électromagnétisme, publiées dans son Traité en 1873, conduisent finalement Maxwell à réaliser le caractère purement accessoire, quoique commode, de son modèle mécanique dans l élaboration des équations de l électromagnétisme. Pour apprécier pleinement les efforts que représente l achèvement de ces équations, il ne faut pas oublier que les charges ponctuelles élémentaires, telles que l électron, étaient encore inconnues. Les expériences se faisaient toujours en présence de matière 3

4 (polarisable et magnétisable, diélectrique ou conductrice), et ce sont les équations dans celle-ci que Maxwell avait à établir! Durant cette période et indépendamment de Maxwell, Ludvig Valentin Lorenz transpose à la théorie de la propagation des ondes de courant de Kirchoff la notion de potentiel retardé qu il avait introduite en théorie de l élasticité en Il établit ainsi en 1866 (avant la publication du terme de déplacement de Maxwell) la transversalité de ces ondes, un trait de ressemblance important avec le vecteur lumière de la théorie élastique de celle-ci. En 1887, l existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de Maxwell est enfin avérée expérimentalement indépendamment de leur réalisation supposée sous forme de lumière par Hertz. Le champ électromagnétique acquiert, selon Hertz (1888), une réalité concrète au même titre que n importe quel système dynamique. On assiste à l émergence du concept de champ en tant qu aspect fondamental de tous les phénomènes naturels. Les contradictions avec la relativité galiléenne se révèlent expérimentalement (impossibilité de mettre en évidence l éther support du champ, à partir de 1881 avec Michelson) autant que théoriquement (impossibilité énergétique d amener une charge matérielle à la vitesse c; nécessité d envisager une contraction longitudinale d un corps en mouvement). En cherchant à établir une 4

5 théorie de l électron (mis en évidence par Joseph John Thomson en 1897), Hendrik Antoon Lorentz trouve les lois de transformation des coordonnées et du temps qui laissent invariante la forme des équations de Maxwell (1904). Il reste à Einstein (1905) à faire de cette invariance d une théorie particulière un principe général pour toutes les lois physiques. L électrodynamique classique alors achevée dans son interprétation comme elle l était dans sa formulation depuis Maxwell est encore affectée de deux problèmes. L interprétation du spectre de rayonnement du corps noir impose, avec le concept de photon (Einstein, 1905), la quantification de l électrodynamique. L électrodynamique quantique, après sa mise au point, indiquera finalement la procédure à suivre pour résoudre l autre difficulté constituée par le défaut d invariance ou les infinis qui semblaient entacher la théorie classique de l électron d Abraham et Lorentz. Etablie au milieu du XIX e siècle, la théorie électromagnétique prépare les cadres conceptuels de la physique du XX e (la relativité, la théorie quantique) et apporte l outil essentiel qui permet d en brosser le tableau: le champ en tant que système physique, au même titre que la particule des mécanistes. 5