LES RADIATIONS

Dans cet éther ainsi constitué se propagent donc des vibrations transversales au sujet desquelles toutes les expériences d'optique fournissent les renseignements les plus précis.

L'amplitude de ces vibrations est excessivement petite, même par rapport aux longueurs d'onde si petites elles-mêmes. Si, en effet, l'amplitude des vibrations prenait une valeur notable par rapport à la longueur d'onde, la vitesse de propagation devrait croître avec cette amplitude et, malgré de curieuses expériences qui semblent bien établir que la vitesse de la lumière change un peu avec l'intensité, nous sommes fondés à croire que, pour la lumière, l'amplitude des oscillations est incomparablement plus petite par rapport à la longueur d'onde que pour le son.

L'usage s'est perpétué de caractériser chaque vibration par le chemin que parcourt dans le vide le mouvement vibratoire durant le temps d'une vibration, par la longueur d'onde en un mot, plutôt que par la durée même de la vibration. Pour mesurer les longueurs d'onde, il faut employer des méthodes auxquelles j'ai déjà fait allusion à propos des mesures de longueur. M. Michelson, d'une part, MM. Perot et Fabry, de l'autre, ont imaginé des procédés extrêmement ingénieux qui ont conduit à des résultats d'une précision vraiment inespérée ; d'ailleurs, la connaissance très exacte de la vitesse de propagation de la lumière permet de calculer la durée d'une vibration quand on connaît la longueur d'onde ; l'on trouve ainsi que pour la lumière visible, le nombre des vibrations par seconde varie, quand on passe du violet extrême à l'infra-rouge, de huit cents à quatre cents trillions par seconde.

Cette gamme n'est pas la seule cependant que puisse donner l'éther; depuis longtemps, on connaît les radiations ultra-violettes encore plus

l'éther 169

rapides, les infra-rouges plus lentes au contraire, mais dans ces dernières années, le champ des radiations connues a été singulièrement élargi des deux côtés.

C'est à M. Rubens et à ses collaborateurs que Ton doit les plus belles conquêtes faites du côté des grandes longueurs d'onde.

M. Rubens avait remarqué que, dans l'étude des grandes longueurs d'onde, la difficulté des recherches provient de ce que les ondes extrêmes du spectre infra-rouge ne renferment qu'une faible part de l'énergie totale émise par un corps incandescent, de sorte que si, pour les étudier, on les disperse encore par un prisme ou par un réseau, l'intensité en un point devient si faible qu'elle n'est plus observable. L'idée originale fut d'obtenir, sans prisme ni réseau, un faisceau homogène de grande longueur d'onde suffîsammeut intense pour être étudié ; à cet effet, la source radiante est une lame de platine recouverte de fluorine ou de quartz en poudre, qui émet des radiations nombreuses au voisinage de deux bandes d'absorption linéaires qui existent dans les spectres d'absorption de la fluorine et du quartz et dont l'une est située dans l'infra-rouge.

Les radiations ainsi émises se réfléchissent plusieurs fois sur de la fluorine ou sur du quartz et, comme au voisinage des bandes, l'absorption est de l'ordre de celle des corps métalliques pour les rayons lumineux, on ne rencontrera plus dans le faisceau plusieurs fois réfléchi, dans les rayons restants, après cette sorte de filtration, que des

170 1A PHYSIQUE moder:

radiations de grande longueur d'onde. Ainsi, par exemple, dans le cas du quartz, au voisinage d'une radiation correspondant à une longueur d'onde de 8^5, l'absorption est trente fois plus grande dans la région de la bande que dans la région voisine, et, par suite, après trois réflexions, tandis que les radiations correspondantes ne seront pas affaiblies, les ondes voisines le seront au contraire dans le rapport de 1 à 27.000.

Avec des miroirs de sel gemme et de sylvine, on a obtenu, en prenant un bec Auer comme source, des radiations allant jusqu'à 70 <x ; ce sont les plus grandes longueurs d'onde observées dans les phénomènes optiques. Ces radiations sont grandement absorbées par la vapeur d'eau et c'est sans doute par suite de cette absorption qu'on ne les trouve point dans le spectre solaire ; en revanche, elles traversent aisément la gutta-percha, le caoutchouc, en général les substances isolantes.

Du côté opposé du spectre, les régions connues dans l'ultra-violet ont été très étendues par les travaux de Lenard. Ces radiations extrêmement rapides ont été décelées par l'éminent physicien dans la lumière des étincelles électriques qui éclatent entre deux pointes de métal et que l'on produit à l'aide d'une grosse bobine d'induction reliée à un condensateur et actionnée par un interrupteur de Wehnelt. IL Schumann a pu les photographier, en déposant directement du bromure d'argent sur des plaques sans le fixer par de la gélatine; il a, par le même procédé, photographié dans le spectre de l'hydrogène une raie dont la longueur d'onde est seulement de 0* 1. Le spectroscope n'était formé que de spath fluor et on i

I/ÉTIIER 171

avait fait le vide, car ces radiations sont extrêmement absorbables par l'air. \

Malgré l'extrême petitesse des longueurs d'ondes lumineuses, on a réussi, après de nombreux essais infructueux, à obtenir des ondes stationnaires analogues à celles qui, dans le cas du son, se produisent dans les tuyaux sonores.

On connaît la merveilleuse application que M. Lippmann a faite de ces ondes pour résoudre d'une façon complète le problème de la photographie des couleurs. Cette découverte, si impor tante par elle-même et si instructive puisqu'elle nous montre comment les prévisions les plus délicates de la théorie se vérifient dans toutes leurs conséquences et conduisent le physicien à la solution des problèmes posés par la pratique, est devenue à juste titre rapidement populaire et il n'est sans doute pas utile de la décrire ici en détail.

II. Wiener avait obtenu, un peu auparavant, de? ondes stationnaires dans une couche d'une substance sensible dont le grain était suffisamment petit par rapport à la longueur d'onde ; son but était de résoudre une question importante pour la connaissance complète de l'éther :

Fresnel a fondé sa théorie de la double réfraction et celle de la réflexion par les surfaces transparentes sur l'hypothèse que la vibration d'un rayon de lumière polarisée est perpendiculaire au plan de polarisation. Mais Neumann a proposé, au contraire, une théorie où il admet que la vibration lumineuse est dans ce plan lui-même, en outre, il

suppose, contrairement à l'idée de Fresnel, que la densité de l'éther reste la même dans tous les milieux, tandis que son coefficient d'élasticité est variable.

De très remarquables expériences de M. Carvallo sur la dispersion prouvaient bien que l'idée de Fresnel était, sinon nécessaire à adopter, du moins la plus probable des deux, mais à part cette indication contraire à l'hypothèse de Neumann, les deux théories, au point de vue de l'explication de tous les faits connus, semblaient bien équivalentes. Se trouvait-on en présence de deux explications mécaniques différentes, mais s'adaptant néanmoins toutes deux à tous les faits, entre lesquelles il serait à jamais impossible de faire un choix? Arriverait-on, au contraire à réaliser, un experimentum crucis, une expérience située au point de croisement des deux théories et qui trancherait définitivement la question?

M. Wiener croyait pouvoir tirer de son expérience une conclusion ferme sur le point en litige ; produisant des ondes stationnaires avec de la lumière polarisée sous un angle de 45°, il établissait que, quand la lumière est polarisée dans le plan d'incidence, les franges persistent, qu'elles disparaissaient au contraire quand la lumière est polarisée perpendiculairement à ce plan. Si l'on admet que l'impression photographique résulte de la force vive du mouvement vibratoire de l'éther, la question est, en effet, complètement élucidée, le différend est tranché en faveur de Fresnel.

Mais M. H. Poincaré a fait remarquer que nous ne savons rien sur le mécanisme de l'impression photographique ; on ne saurait considérer

l'éther 173

comme évident que c'est l'énergie cinétique de l'éther qui produit la décomposition du sel sensible; et si l'on supposait au contraire que l'impression est due à l'énergie potentielle, toutes les conclusions seraient inversées, l'idée de Neumann triompherait.

Récemment, un physicien très adroit et connu par de beaux travaux dans le domaine de l'optique, M. Cotton, a repris l'étude des ondes stationnâmes ; il a fait des expériences de mesure très précises et il a démontré, à son tour, qu'on ne saurait, même avec des ondes sphériques, arriver à, déterminer duquel des deux vecteurs, que l'on a à envisager dans toutes les théories de la lumière au sujet des phénomènes de la polarisation, dépendent Tintensité lumineuse et l'action chimique.

Aussi bien, la question ne se pose plus pour les physiciens qui admettent que les vibrations lumi neuses sont des oscillations électriques ; quelle que soit alors l'hypu'nèse faite, que ce soit la force électrique ou, au contraire, la force magnétique que Ton place dans le plan de polarisation, le mode de propagation prévu sera toujours d'accord avec les faits observés.

S 3. - L'ÉTHER ÉLECTROMAGNÉTIQUE

L'idée d'attribuer les phénomènes de l'électricité, à des perturbations se produisant dans le milieu qui transmet la lumière remonte déjà très loin, les physiciens qui assistaient au triompha

des théories de Fresnel ne pouvaient manquer d'avoir la pensée que ce fluide, qui remplit tout l'espace et qui pénètre dans tous les corps, pouvait jouer aussi un rôle prépondérant dans les actions électriques.

• Quelques-uns firent même, à cet égard, des hypothèses trop hâtives; l'heure n'était pas Tenue, et l'on ne pouvait encore les asseoir, ces hypothèses, sur une base suffisamment solide, les faits connus n'étaient pas assez nombreux pour permettre les précisions nécessaires.

Aussi les fondateurs de l'électricité moderne crurent-ils plus sage d'adopter, en face de l'électricité, l'attitude qu'avait prise Newton à l'égard de la gravitation. «Observer d'abord les faits, en varier les circonstances autant qu'il est possible, accompagner ce premier travail de mesures précises pour en déduire des lois générales, uniquement fondées sur l'expérience, et déduire de ces lois, indépendamment de toute hypothèse sur la nature des forces qui produisent les phénomènes, la valeur mathématique de ces forces, c'est-à-dire la formule qui les représente, telle est la marche qu'à suivie Newton. Elle a été, en général, adoptée en France par les savants auxquels la physique doit les immenses progrès qu'elle a faits dans ces derniers temps, et c'est elle qui m'a servi de guide dans toutes mes recherches sur les phénomènes électrodynamiques... C'est pour cela que j'ai évité de parler des idées que je pouvais avoir sur la nature de la cause des forces qui émanent des conducteurs voltaïques. » Ainsi s'exprime Ampère; l'illustre physicien considérait avec raison les résultats auxquels il était arrivé par cette sage

l'éther 175

méthode comme comparables aux lois de l'attraction, mais il savait que, cette première étape franchie, l'on devrait aller plus loin encore, que l'évolution des idées continuerait nécessairement.

« Quelle que soit, ajoutait-il, la cause physique à laquelle on veuille rapporter les phénomènes produits par l'action électrodynamique, la formule que j'ai obtenue restera toujours l'expression des faits, » et il indiquait explicitement que si Ton parvenait à déduire sa formule de la considération des vibrations d'un fluide répandu dans l'espace, on ferait un pas énorme dans cette partie de la physique, mais que cette recherche lui semblait prématurée et qu'elle ne changerait rien aux résultats de son travail, puisque, pour s'accorder avec les faits, il faudrait toujours que l'hypothèse adoptée s'accordât avec la formule qui les représente complètement.

Il n'est pas sans intérêt d'observer qu'Ampère lui-même, malgré sa prudence, faisait bien, en réalité, quelque hypothèse et qu'il admettait que les phénomènes électriques étaient régis par les lois de la mécanique, mais les principes de Newton paraissaient alors inébranlables.

C'est Faraday qui, le premier, montra par des expériences claires, l'influence des milieux dans les phénomènes électriques et magnétiques et qui attribua cette influence à des modifications de l'éther que ces milieux renferment.

Sa conception fondamentale fut de rejeter les actions à distance et de localiser dans l'éther l'énergie dont l'évolution est la cause des actions

qui se manifestent, par exemple, dans la décharge d'un condensateur.

Considérons un corps de pompe, placé dans le vide et fermé par deux pistons opposés, introduisons entre les deux pistons une certaine masse d'air ; les deux pistons, à cause de la force élastique du gaz, se repoussent avec une force qui, d'après la loi de Mariotte, varie en raison inverse de ia distance; la méthode préconisée par Ampère permettrait tout d'abord de découvrir cette loi de répulsion entre les deux pistons, alors même qu'on ne soupçonnerait pas l'existence d'un gaz enfermé dans le corps de pompe; il serait alors naturel de localiser l'énergie potentielle du système à la surface des deux pistons. Mais que Ton fasse du phénomène une étude £lus attentive, on découvrira la présence de l'air, on comprendra que chaque partie du volume de cet air pourrait, si on l'enlevait dans un récipient de volume égal, emporter avec lui une fraction de l'énergie du système et que, par suite, cette énergie appartient véritablement à lair et non aux pistons qui sont là uniquement pour lui permettre, à cette énergie, de manifester son existence.

Faraday fit, en quelque sorte, une découverte équivalente, lorsqu'il aperçut que l'énergie électrique peut ne pas appartenir aux armatures d'un condensateur mais au diélectrique qui les sépare ; ses vues hardies lui révélaient un monde nouveau, mais il fallait pour explorer ce monde, une méthode plus patiente et plus sûre.

Maxwel parvint à préciser, sur certains points, les idées de Faraday, il leur donna la forme mathématique qui en impose souvent à tort aux phy-

l'éther 177

siciens, mais qui, cependant, lorsqu'elle enveloppe exactement une théorie, est une preuve certaine que cette théorie est, pour le moins, cohérente et logique.

L'œuvre de Maxwell est touffue, complexe, difficile à lire, souvent mal comprise aujourd'hui encore. Maxwell se préocupe plutôt de rechercher s'il est possible de donner une explication des phénomènes électriques et magnétiques fondée sur les propriétés mécaniques d'un milieu unique, que de préciser cette explication elle-même; il sait que si Ton arrivait à construire une telle interprétation, il deviendrait facile d'en proposer une infinité d'autres qui seraient, au point de vue des conséquences vérifiables par l'expérience, entièrement équivalentes; aussi son ambition est-elle, avant tout, de dégager une vue générale, de mettre en évidence ce qui resterait le bien commun de toutes les théories.

Il parvient à montrer que, si l'on considère l'énergie électrostatique d'un champ électromagnétique comme représentant l'énergie potentielle et son énergie électrodynamique comme représentant l'énergie cinétique, il est possible de satisfaire au principe de la moindre action et à celui de la conservation de l'énergie ; dès lors on doit considérer comme démontrée — si Ton fait abstraction de quelques difficultés qui subsistent relativement à la stabilité des solutions — la possibilité de trouver des explications mécaniques des phénomènes électromagnétiques.

Il arrive d'ailleurs ainsi à préciser la notion des

deux champs électrique et magnétique qui se produisent en tous les points de l'espace et qui sont étroitement solidaires l'un de l'autre, puisque la variation de l'un donne immédiatement et obligatoirement naissance à l'autre.

De cette hypothèse il déduisait que, dans le milieu où cette énergie se localise, une onde électromagnétique se propage avec une vitesse égale au rapport des unités de masse électrique dans les systèmes électromagnétique et électrostatique.

Or, les expériences connues dès son époque prouvaient que ce rapport est numériquement égal à la vitesse de la lumière, et les mesures plus précises, effectuées dans la suite, parmi lesquelles il convient de citer celles particulièrement soignées de M. H. Abraham, n'ont fait que rendre plus complète encore la coïncidence.

Il est, dès lors, naturel de penser que ce milieu est identique à l'éther lumineux et qu'une onde lumineuse est elle-même une onde électromagnétique, c'est-à-dire une suite de courants alternatifs qui se produisent dans le diélectrique et même dans le vide, qui ont une fréquence énorme puisqu'ils changent de sens jusqu'à des quatrillions de fois par seconde et qui, à cause de cette fréquence, produisent des effets d'induction considérables.

Maxwell n'admettait pas l'existence de courants ouverts; pour lui, la vibration électrique ne pouvait donc pas produire des condensations d'électricité : elle était par suite nécessairement transversale et coïncidait ainsi avec la vibration de Fresnel ; tandis que la vibration magnétique corres-

l'éther 179

pondante lui était perpendiculaire et aurait coïncidé avec la vibration lumineuse de Neumann.

La théorie de Maxwell établit ainsi une corrélation étroite entre les phénomènes de l'onde lumineuse et ceux de l'onde électromagnétique, disons même, si l'on veut, une identité complète; il n'en résulte pas cependant que l'on doive envisager une variation d'un champ électrique se produisant en un point comme consistant nécessairement en un déplacement véritable de l'éther autour de ce point.

L'idée de faire rentrer ainsi le phénomène électrique dans la mécanique de l'éther ne s'impose pas et l'idée inverse apparaîtrait même comme plus vraisemblable. Ce n'est pas l'optique de Fresnel qui absorbe l'électricité, c'est plutôt cette optique qui est englobée dans une théorie plus générale.

Ainsi apparaissent assez vaines, et quelque peu puériles, les tentatives des vulgarisateurs qui s'efforcent de représenter, dans tous les détails, le mécanisme des phénomènes électriques; il devient inutile de chercher à quel corps matériel l'éther pourrait bien élre comparable, si l'on se contente d'y voir un milieu dont, en chaque point, deux vecteurs définissent les propriétés.

Aussi bien, depuis longtemps, on pouvait remarquer que la théorie de Fresnel suppose simplement un milieu où quelque chose de périodique 6e propage sans qu'il soit nécessaire d'admettre que ce quelque chose est un mouvement; mais il fallut arriver, non seulement à Maxwell, mais jusqu'à Hertz pour que cette idée prît véritablement figure scientifique.

Hertz a insisté sur ce fait que les six équations du champ électrique permettent de prévoir tous les phénomènes, sans qu'il soit nécessaire de construire telle ou telle hypothèse particulière, et il a donné à ces équations une forme très symétrique qui met complètement en évidence la réciprocité parfaite entre les actions électriques et magnétiques.

Il fît plus encore, puisqu'il apporta aux idées de Maxwell la confirmation la plus éclatante par ses mémorables recherches sur les oscillations électriques.