ÉTHER

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Un système de référence universel

Un milieu matériel de référence

En dépit de ses étranges propriétés, l'éther semblait conserver un rôle indispensable : support des ondes électromagnétiques, il constituait un milieu matériel de référence. Les expériences d'optique mettaient immédiatement à notre portée ce milieu absolument immobile.

En effet, l'éther baigne les corps opaques et pénètre les corps transparents dans lesquels se propage la lumière. Si les milieux réfringents sont en mouvement, il peut rester immobile à l'intérieur ou bien, au contraire, être totalement ou partiellement entraîné par leur mouvement. La mesure de la vitesse de la lumière dans les milieux réfringents, vitesse qui résulte de la composition de la vitesse de la lumière dans l'éther et de celle de l'éther éventuellement entraîné, peut renseigner sur ce déplacement local de l'éther par rapport à l'éther intersidéral absolument immobile.

Déjà, l'étude des phénomènes d'aberration (l'image d'une étoile fixe décrit, au cours de l'année, une petite ellipse dans le plan focal d'une lunette) avait permis à Fresnel de prédire que l'éther, pénétrant un milieu réfringent mobile, devait être partiellement entraîné par ce mouvement. Si n est l'indice de réfraction du milieu réfringent, le coefficient d'entraînement possède, selon Fresnel, la valeur :

où 0 < α < 1, de sorte que la vitesse de l'éther partiellement entraîné par un milieu de vitesse v est αv (où 0 < αv < v). En 1851, des mesures de la vitesse de la lumière dans un courant d'eau venaient confirmer la valeur de l'entraînement partiel de l'éther prévue par Fresnel.

Bien entendu, dans le vide qui avoisine les corps réfringents (n = 1), le coefficient α est nul. C'est dire que l'éther n'est pas entraîné par le mouvement des corps qu'il baigne sans les pénétrer.

Cette propriété d'entraînement partiel (dans les milieux réfringents) et d'immobilité (à l'extérieur de ces milieux) comporte une importante conséquence : dans son mouvement annuel, la Terre se meut dans l'éther sans l'entraîner dans son mouvement. Des expériences d'optique devraient donc manifester le mouvement de la Terre par rapport à l'éther, c'est-à-dire détecter un « vent d'éther » soufflant dans le plan de l'écliptique. La vitesse de la Terre autour du Soleil (v = 30 km(s-1) comparée à celle de la lumière s'exprime par le rapport :

Des termes, dits « du premier ordre en β », doivent pouvoir être mis en évidence au moyen d'expériences portant sur la propagation de la lumière dans les milieux réfringents. Par exemple, dans l'expérience de Martinus Hoek (1868-1869), la source et le récepteur sont liés au mouvement de la Terre mais la propagation de la lumière dans l'éther partiellement entraîné par le mouvement du milieu réfringent permet, en principe, de montrer le déplacement de la Terre à travers l'éther intersidéral non entraîné. Un résultat positif de l'expérience est normalement prévisible ; toutefois, puisqu'il s'agit du déplacement par rapport à un milieu universel immobile, on qualifie ce mouvement d'« absolu ». Tout se passe comme si l'éther constituait un milieu absolument au repos mis à la portée de notre expérience.

L'expérimentation en échec

Malheureusement, les résultats des très nombreuses expériences similaires effectuées au cours du xixe siècle furent tous négatifs. Autrement dit, les effets d'un vent d'éther ne se manifestaient par aucun effet du premier ordre. Bientôt, on devait montrer que l'expression de l'entraînement partiel de l'éther, prévue par Fresnel, constituait la condition nécessaire et suffisante pour expliquer la disparition, au premier ordre, de tout effet de vent d'éther.

Restent les effets d'ordre supérieur, beaucoup plus faibles et, par conséquent, beaucoup plus difficiles à mettre en évidence. Les termes du second ordre, c'est-à-dire en :

sont en effet très petits. Néanmoins, la célèbre expérience de Michelson et Morley en 1887 était suffisamment précise pour déceler de tels effets. Or les résultats de cette expérience et de toutes celles qui l'ont suivie demeurèrent négatifs : il semblait donc impossible de rendre manifeste, à quelque ordre que ce soit, le mouvement de la Terre à travers l'éther milieu universel.

L'entraînement partiel de Fresnel ne pouvait, pour les termes d'ordre supérieur à 1, être responsable de la non-intervention d'un vent d'éther. On devait donc penser à l'existence d'un autre effet parasite. George Francis FitzGerald et, indépendamment, Hendrik Antoon Lorentz postulèrent alors que tous les corps matériels subissent une contraction dans un mouvement par rapport à l'éther, dans le rapport 1 − β2.

S'il explique le résultat négatif de l'expérience de Michelson et Morley, cet effet de contraction constitue, à son tour, un authentique phénomène dont on peut détecter les incidences expérimentales (modifications de l'indice de réfraction, de la résistance électrique des corps mobiles par rapport à l'éther). De nouveau, on tente des expériences ; de nouveau celles-ci demeurent négatives.

Pour les interpréter, on est amené à imaginer un nouveau phénomène parasite susceptible de dissimuler, à son tour, les conséquences du premier. Lorentz et Henri Poincaré postulent ainsi une augmentation de la masse avec la vitesse. Les modifications associées des longueurs et des masses :

interviennent très exactement pour compenser et pour expliquer les résultats négatifs de l'expérience.

Enfin, on devait montrer que, si l'on adjoignait à ces hypothèses celle d'un « temps local » fictif :

plus « dilaté » que le temps absolu t0 de l'éther, on parvenait à éliminer totalement de la physique les effets d'un vent d'éther. Ce milieu immobile ne pouvait manifester sa présence par aucune expérience ni constituer un véritable système de référence, quelle que soit la précision des mesures.

À la veille de la relativité restreinte, on parvenait donc au résultat paradoxal suivant :

– D'une part, les progrès de la notion de champ électromagnétique permettent de définir une distribution énergétique continue. La notion même de masse semble être inféodée à la notion de champ, toute masse pouvant être entièrement d'origine électromagnétique d'après les conceptions de Lorentz. On peut donc penser que l'éther en reçoit une importance accrue, soit qu'il constitue le substrat matériel et nécessaire du champ, soit même que sa structure en explique les propriétés.

– D'autre part, les contradictions qui pèsent sur les propriétés de l'éther atteignent un caractère fondamental : tout milieu matériel immobile devrait se manifester en tant que système de référence, révélant un mouvement relatif par rapport à lui. Or une série d'effets parasites viennent très exactement s'interposer pour empêcher toute vérification expérimentale de l'existence de l'éther. Ce milieu est ainsi muré, non pas seulement en fait, mais en droit, c'est-à-dire d'après [...]

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Pour citer l’article

Marie-Antoinette TONNELAT, « ÉTHER », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/ether/