Pour nous, radioamateurs, Watt, MHz, microVolt, mAmpère, pFarad, kOhm sont des unités familières. Mais, nous souvenons-nous que les savants qui leur ont donné leurs noms¹sont tous du dix-neuvième siècle ? En termes de physique, un siècle prodigieux que ce dix-neuvième, puisqu’il nous a apporté deux théories à l’origine de la révolution industrielle : LA THERMODYNAMIQUE et L’ELECTROMAGNETISME.
Mais entre aujourd’hui et le 19ème siècle s’est faufilé le vingtième siècle, qui a lui aussi révolutionné la physique avec deux nouvelles théories : LA PHYSIQUE QUANTIQUE et LA RELATIVITE. Or, curieusement nous, radioamateurs, sommes assez familiers avec la physique du 19ème et très peu avec celle du 20ème, qui est pourtant notre propre siècle.
Cet article présente, sans formalisme mathématique² ,  quelques-uns des principaux apports de la physique quantique et de la relativité, en les raccordant à la thermodynamique et à l’électromagnétisme.

Comme toutes les grandes théories de la physique, thermodynamique et électromagnétisme sont des « théories unificatrices », c’est-à-dire qu’elles établissent des relations simples, et compréhensibles par le plus grand nombre³, entre des notions jusque là disjointes.

C’est au 19ème siècle que la thermodynamique a unifié chaleur et travail mécanique en un concept nouveau, l’énergie. Les deux premiers principes de la thermodynamique⁴  établissent les relations entre énergie mécanique et chaleur. Fondamentalement, ils disent que c’est la même chose (de l’énergie) et comment s’effectue le passage de l’une à l’autre.
L’aspect révolutionnaire du « pont ainsi établi entre chaleur et travail » a été de permettre les moteurs thermiques, et donc de remplacer le travail musculaire de l’homme ou de l’animal, forcement limité, par la combustion de matières fossiles, alors abondantes, comme le charbon. C’est ce qui a pu faire dire que la thermodynamique a permis la disparition de l’esclavage.

L’électromagnétisme, lui,  a unifié magnétisme et électricité en un concept nouveau, plus complexe que l’énergie, puisqu’en toute rigueur il s’agit du champ électromagnétique⁵  . Cette complexité fait d’ailleurs que, faute d’arriver à s’en faire une représentation simple, certains lui font encore des procès en sorcellerie plus d’un siècle après sa naissance (cf.biliographie B5).
L’aspect révolutionnaire du « pont ainsi établi entre magnétisme et électricité » a d’abord été qu’il a permis de transporter et de distribuer très facilement de l’énergie au plus grand nombre de personnes. En effet, ce qui nous arrive dans nos prises de courant, c’est à l’origine de la chaleur (celle des turbines à vapeur des centrales thermiques⁶ ) ou de l’énergie mécanique (celle des turbines hydrauliques à l’aval des barrages). Les alternateurs des centrales ne sont en fait rien d’autre que des convertisseurs d’énergie mécanique en énergie électrique via un process magnétique.
Mais une autre révolution est sortie de l’électromagnétisme, la plus connue des radioamateurs, puisqu’il s’agit des ondes électromagnétiques. Leur capacité à transporter très loin de l’information sans support (ah ! la T.S.F. …) a littéralement permis l’accès du public, ou qu’il soit, à l’information et à la connaissance.
 

2 – Quelle vision de la physique avait-on il y a cent ans ?

Que sait-on en physique en 1900 ?
Les lois de la mécanique sont alors bien connues depuis plus de deux siècles, en particulier celle de la gravitation universelle due a Newton (1687).
La structuration de la matière en atomes et molécules a été clairement exprimée par Avogadro et Dalton (1860).
Le caractère électromagnétique de la lumière vient d’être découvert par Maxwell (1860), les ondes électromagnétiques proprement dites l’étant un peu plus tard par Herz (1887).
Les rayonnements, qu’on appelle aujourd’hui ionisants (par opposition aux non ionisants chers aux OMs) et les corps transuraniens font également l’objet de découvertes (rayons X avec Roentgen en 1895, radio-activité de l’uranium par Becquerel en 1896, polonium par Pierre et Marie Curie en  1898).
Un « petit Poucet » appelé à un très grand avenir vient de faire une entrée sur scène remarquée : il s’agit de l’électron (Thompson, 1897) .

Fondamentalement, à l’aube du nouveau siècle, la physique distingue plusieurs concepts de nature différente :
- l’espace à trois dimensions dans lequel se positionnent les masses et s’expriment les lois de la physique,
- le temps, dimension indépendante de l’espace, permettant d’exprimer la simultanéité ou l’ordre des phénomènes observés,
- la matière faite d’atomes dans lesquels des particules sont plus ou moins mobilisables sous l’action de forces, les électrons,
- les ondes électromagnétiques sous forme de champs, dont la lumière, phénomènes vibratoires se propageant comme les vagues sur la mer ou le son dans l’air, mais dont le support (appelé alors éther) reste un mystère,
- l’énergie, grandeur  scalaire globalement conservatoire, que s’échangent les différents corps (matière dont électrons) et les ondes.

3 – Les révolutions apportées à la science au 20ème siècle par la physique quantique et la relativité :

La présentation qui suit n’est pas complètement chronologique, les « révolutions » évoquées s’étant en quelque sorte enrichies les unes des autres.

Première révolution : l’énergie que transportent les ondes électromagnétiques n’est pas continue mais faite de multiples entiers de quantités élémentaires indivisibles (chacune étant un quantum d’énergie ) . Ces grains étant de la lumière, on les baptise du joli nom de photons. Cette révolution est celle de la physique quantique.
La découverte, due à Max Planck, est aussi révolutionnaire que celle, au siècle précédent, de la structure discontinue de la matière en atomes.
Chaque photon possède une quantité d’énergie bien précise, proportionnelle à sa fréquence. Einstein, sur cette base, découvre en 1905 l’effet photo-electrique : il montre, grâce à la physique quantique, pourquoi seule la lumière bleue peut le produire, car les photons rouges (de fréquence plus faible que les bleus) ont chacun trop peu d’énergie pour extraire un électron. Les ondes électromagnétiques ne sont donc plus vues comme la vibration d’une matière (la houle est la vibration de l’eau, le son est celle de l’air) mais comme des particules, les photons, que s’échangent d’autres particules, les électrons par exemple (cf. image 2). La notion d’éther devient inutile, et les ondes peuvent se propager sans support dans le vide⁷ .
 

Seconde révolution : les ondes électromagnétiques se déplacent à une vitesse qui est la même, qu’on la mesure depuis un repère fixe ou depuis un repère en mouvement⁸. Cette découverte, faite par Einstein en 1905, et totalement contraire a l’intuition, est celle de la relativité restreinte. Elle bouleverse les notions classiques de temps, d’espace et de masse, qui deviennent intimement liées. En particulier, la notion d’espace est désormais remplacée par celle d’espace-temps.

Chacun de nous a fait l’expérience de rouler à 120 km/h en voiture sur une autoroute et de se faire dépasser par un véhicule roulant à 130 km/h. Intuitivement, on « sent » que le véhicule dépassant roule, par rapport au véhicule dépassé, à une vitesse relative de 10 km/h.
Ce que dit la théorie de la relativité restreinte, c’est que ceci n’est plus vrai s’agissant des ondes électromagnétiques : la vitesse relative du dépassant (s’il était fait d’ondes) resterait égale à sa vitesse absolue (le véhicule vous dépasserait, mais à 130 km/h par rapport à vous et non à 10, même si vous rouliez à 120 km/h !⁹ ).
Cette théorie, qui pose comme principe que la vitesse des ondes électromagnétiques est indépendante du repère dans lequel on la mesure ( fixe ou en mouvement rectiligne uniforme ), a des conséquences encore moins intuitives :
- les dimensions d’un même objet sont différentes suivant les repères (la voiture qui vous dépasse est plus courte car sa vitesse est plus grande),
- la masse des objets augmente avec leur vitesse (la voiture qui vous dépasse a une masse plus grande en roulant qu’à l’arrêt),
- le temps s’écoule moins vite pour des objets en mouvement (les passagers de la voiture qui vous dépasse vieillissent moins vite que vous…). Les cinéphiles savent combien ce dernier point a apporté à « La Planète des Singes » (cf. image 3)… Plus fondamentalement, le temps a perdu sa valeur universelle ; il est devenu relatif à celui qui l’observe ; en particulier, la simultanéité de deux évènements est vraie ou fausse suivant que l’on se déplace ou non (ce fait a beaucoup stimulé l’imagination d’auteurs de nouvelles policières…). Bien sûr, il est inutile d’en déduire qu’on vivra plus vieux en roulant très vite sur autoroute¹⁰ , car ces phénomènes ne sont décelables qu’aux vitesses dites relativistes (i.e. supérieures à 10% de celle de la lumière¹¹ ). Mais toutes les expériences ont confirmé la validité de cette théorie. C’est ainsi que certaines particules instables ne sont observables qu’à grande vitesse car leur durée de vie passe alors d’une fraction de seconde à plus d’une heure. C’est ainsi aussi que l’on voit clairement les électrons devenir beaucoup plus lourds à haute vitesse (cf. image 1). La vitesse de la lumière est une limite qu’il est impossible d’atteindre pour tout objet ayant une masse.
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Troisième révolution : les particules ayant une masse, comme l’électron par exemple, se comportent comme des ondes dans certaines situations. La dualité onde-particule est donc totale.
De Broglie réussit à faire diffracter des électrons. Cette expérience apportait la preuve du caractère ondulatoire de ces particules. De là sont sorties des inventions devenues d’usage banal de nos jours, comme le microscope électronique ou le laser.

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Quatrième révolution : le modèle de l’atome fonctionnant comme un système solaire dont le Soleil est le noyau et les électrons les planètes, est abandonné, car il ne rend qu’insuffisamment compte des phénomènes observés.
Niels Bohr avait d’abord donné de l’atome une image qui en faisait une sorte de système solaire, avec des « électrons-planètes » tournant autour d’un « noyau-soleil ». Très satisfaisant pour l’esprit car il établissait un parallélisme entre infiniment grand et infiniment petit, ce modèle était, dans la pratique, trop simple.
Des savants comme Schrödinger, Dirac et Born donnèrent alors des électrons « en mouvement autour du noyau atomique » une représentation sous forme d’ondes stationnaires (les OM apprécient beaucoup les ondes stationnaires… ¹²) ; la localisation des électrons devenait ipso facto exprimable non plus sous forme de position précise, mais sous forme de probabilité de les trouver à une position donnée.
Heisenberg alla plus loin en formulant le principe d’incertitude qui porte maintenant son nom : vitesse et position d’une particule ne peuvent être connues simultanément avec précision ; si on se fixe l’une, l’autre devient plus incertaine. L’approche déterministe en physique est remplacée par une approche probabiliste (cf. image 1).
Parallèlement, Einstein résumait la dualité complète entre ondes et particules, entre masse et énergie, par la formule la plus célèbre du vingtième siècle, à savoir son fameux E=M.C2 qui relie toute masse a l’énergie qu’elle représente, via la vitesse de la lumière. L’énergie nucléaire, qui a réduit considérablement la dépendance énergétique de l’Europe, de l’Amérique du Nord et du Japon au cours de la seconde moitié du vingtième siècle, et par suite permis leur fort développement économique et social que l’on sait, sort directement de là.
La voie était alors ouverte à la découverte de toutes les particules, de matière comme d’antimatière, et de toutes leurs interactions¹³ .
Plus prosaïquement, la connaissance intime de la matière ainsi acquise a permis deux découvertes, également bien connues des OMs : l’effet thermo-ionique d’où est sorti le tube électronique, et l’effet transistor d’où sont sortis nos chers petits composants multi-pattes (transistors et C.I.).

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Cinquième révolution : une nouvelle théorie de la gravitation universelle voit le jour, qui remet en cause la vision, héritée de Newton, de masses reliées entre elles par un système de forces. Cette théorie nouvelle, qui exprime que les masses modifient la géométrie de l’espace-temps à leur voisinage, est celle de la relativité générale. On la doit, comme la relativité restreinte, à l’intelligence extraordinaire d’Albert Einstein¹⁴ .
Il est probablement aussi difficile aux humains du vingtième siècle de se représenter l’univers d’Einstein tant ils sont habitués depuis longtemps à celui de Newton, qu’il fut difficile a ceux du seizième siècle de se faire au mode héliocentrique de Copernic tant ils étaient habitués depuis des siècles  à celui, géocentrique, de Ptolémée. Heureusement, aujourd’hui, on ne brûle plus les savants pour motif d’hérésie…
Néanmoins, l’image la plus simple qu’on puisse donner de ce « nouveau monde » est celle de l’espace-temps représenté par un drap tendu à plat : une bille, lancée dessus,  y roule en ligne droite et à vitesse constante¹⁵  (cf. image 4-a) .
Si, maintenant, nous déposons une boule pesante au milieu du drap, nous courbons ce dernier : la bille, lancée dessus, y roulera suivant une trajectoire incurvée et avec un mouvement à vitesse variable (son mouvement sera accéléré en se rapprochant de la boule). C’est exactement ce qui se passe dans l’espace-temps, si on remplace la boule par un astre et la bille par une particule, par une planète ou par une onde électromagnétique. La dualité entre ondes et particules fait que toutes seront déviées par l’astre, cette déviation s’appliquant à l’espace comme au temps, puisqu’ils sont indissociables. Si l’onde est de la lumière, nous obtenons un effet comparable au mirage : ce que nos yeux perçoivent comme droit devant nous peut venir d’autres directions, ceci traduisant très exactement la courbure de l’espace. Cet effet, dit de lentille gravitationnelle, fait d’ailleurs partie de ceux que les astronomes utilisent pour détecter les planètes situées auprès d’autres étoiles que le Soleil¹⁶.

Revenant à l’image du drap tendu, on voit que si la boule est très lourde, la bille tombe vers elle irrémédiablement : transposé au cosmos, ce phénomène est celui des trous noirs, objets célestes de masse si importante qu’ils aspirent littéralement tout ce qui passe à leur portée, qu’il s’agisse de particules, d’ondes ou même d’étoiles. Rien ne peut ensuite s’en échapper ; on a dit d’eux qu’ils sont comme des accrocs dans le drap de l’espace-temps. C’est la relativité générale qui a permis de les imaginer avant de les « constater » (les « voir » n’ayant aucun sens puisqu’aucun rayonnement ne peut s’en échapper) .
 C’est aussi la relativité générale qui a permis le mieux d’expliquer les grands phénomènes cosmiques comme l’expansion de l’univers (tous les paquets d’étoiles que sont les galaxies s’éloignent les uns des autres à des vitesses croissantes avec l’éloignement), et le fait que l’univers ne soit ni infini dans le temps (le « big bang » initial a 15 milliards d’années) ni infini dans l’espace (l’univers est contenu dans le volume parcouru par ses composantes depuis le « big bang ») .
La relativité générale, bien que fortement contestée à ses débuts par certains savants, n’a jamais été prise en défaut par aucune expérience. Au contraire, elle seule a permis d’expliquer le mouvement de Mercure, la planète la plus proche du Soleil, ce que la théorie de Newton ne parvenait pas à faire. Elle seule aussi a permis de comprendre l’effet d’optique éloignant les étoiles du Soleil en cas d’éclipse. En fait, il manque encore une observation parmi ce qu’elle a prédit : celle des ondes gravitationnelles, et des particules correspondantes, les gravitons¹⁷ , mais le monde scientifique s’emploie à les traquer.

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Quelles réflexions pouvons-nous tirer, en tant que radio-amateurs, des découvertes du vingtième siècle dans les domaines de la physique des particules, des ondes et de l’énergie ?

La première réflexion est que, partie de « l’infiniment petit », la physique a vite rejoint « l’infiniment grand ».
L’atome ne fonctionne peut-être plus comme un système solaire, mais il n’en est pas moins très proche du cosmos. Au fond, depuis Platon, astronomes et physiciens ont toujours eu la même quête, celle de prévoir¹⁸ . Les savants du vingtième siècle y ont apporté leur contribution, comme l’avaient fait avant eux ceux du dix-neuvième que nous connaissons mieux (Ampère, Volta, Ohm, etc.). Ceux du vingt-et-unième poursuivront cette œuvre de la connaissance et de la découverte scientifique, en particulier par l’identification de nouvelles Terres autour d’autres Soleils (une centaine d’exo-planètes sont d’ores et déjà connues, alors que la première découverte date de moins de dix ans (cf. bibliographie A6) ; cet exploit en termes de télécommunications est prodigieux quand on pense que ces astres sont très éloignés, sans émission propre (ce ne sont pas des étoiles), et noyés dans le rayonnement de leur propre étoile ; les OMs du vingt-et-unième siècle feront peut-être des QSOs avec les habitants de certaines de ces planètes ? ) .

La seconde réflexion est que la physique fondamentale moderne, bien que stricto sensu inutile aux radioamateurs, n’est cependant pas sans intérêt pour eux.
Il est en effet « dans la tradition OM » d’acquérir et de diffuser en permanence des connaissances nouvelles (à ce propos, je pense à mon ami Kurt, DL2DZL, OM depuis plus de soixante-dix ans, toujours très actif à la pioche, et qui s’est mis à Internet à 92 ans avec bonheur et succès ; « radio-amateurement » parlant, Kurt n’a pas pris une seule ride…) .
On peut d’ailleurs se demander si, au 20ème siècle, la contribution des radioamateurs aux télécommunications n’a pas été moins scientifique que fondamentalement sociologique : sans leur rage à expérimenter et à témoigner de l’apport immense de la radio à l’humanité, les rumeurs irrationnelles qu’on voit aujourd’hui se développer face aux avancées technologiques (peur du génie génétique, des technologies nucléaires, des champs magnétiques, etc.) auraient peut-être, par l’invocation a priori d’un principe de précaution mal compris, tué la radio dans l’œuf¹⁹  ?
Il n’est vraisemblablement pas radioamateur, celui qui, au comptoir, proclame : « Sur Terre on prend tous sa bagnole, je vois pas pourquoi on veut marcher sur Mars ! »²⁰

1 - Message du 14 mars 2003 de F8IC (Jean-Paul), à F6FQX

Bonjour
Bravo pour votre article dans le REF sur la physique quantique et j'espère ne pas être le seul a vous envoyer un mail .
Deux petites remarques, la première , quid (pour parler latin ! ) du "stricto sensus inutile aux radioamateurs" qui m'interpelle un peu car les expériences EPR ou de non-localité , ce qui en gros veut dire qu'il y a inter-réaction instantanée entre deux électrons ou mieux deux photons en corrélation se poursuivent, et j'ai vu il y a quelques jours que deux photons corrélés et séparés avaient de façon "magique" hi modifiés leur état à 50 métres de distance dans un laboratoire , ce qui pourrait entraîner, si on est optimiste, des calculateurs ou des moyens de communication "instantanés" dans la dizaine d'années , dans 20 ans si on est pessimiste , donc peut être utile aux communications ?
La seconde remarque qui n'en est pas une , est de vous citer deux ouvrages ( il y en a certainement d'autres et on ne peut pas tout citer ) qui ne sont pas dans votre bibliographie :
"La physique quantique sans aspirine"  chez Flammarion petit volume que je trouve excellent et simple vu le sujet , et un autre plus généraliste, mais qui me plait bien.
" L'univers dans une coquille de noix " de S Hawking Editions Jacob qui parle avec bonheur des concepts que vous avez abordés (de loin ) de la courbure espace/temps et en particulier des cordes et leurs extension plane ou multiples en "branes" a n dimensions ...ouf !
Comme je fais pas mal d'hyperfréquences ( pour ne pas dire que ça ) , les radioamateurs pratiquants ont souvent du mal à comprendre que les photons ne sont pas des points, en particulier dans les antennes paraboliques et qu'il en résulte certains problèmes ( vous voyez que la physique quantique ça peut leur servir !) , j'espère qu'ils liront votre article et verront mieux de quoi il s'agit.
73 de Jean Paul Rihet F8IC