Propagations par ondes

Auteur: Andrea Cattaneo

Ondes électromagnétiques

Avec la découverte qu'un champ électrique variable génère un champ magnétique, Maxwell avait trouvé un mécanisme qui permettait aux forces électriques et magnétiques de se propager à distance, tout en préservant la localité de l’interaction électromagnétique. Un champ électrique génère un champ magnétique, qui génère un champ électrique, qui génère un champ magnétique, et caetera. De cette manière, une perturbation dans le champ électromagnétique se propage comme une onde d’un point de l’espace à un autre proche de lui, jusqu’à couvrir des distances parfois aussi grandes que la taille de l’Univers.

La figure ci-dessus montre le champ électrique ${\bf E}$ et le champ magnétique ${\bf B}$ dans une onde électromagnétique qui se propage dans la direction de l'axe x. Le champ électrique (en bleu) vibre dans le plan xy. Le champ magnétique (en rouge) vibre dans le plan xz. $\lambda$ est la longueur d'onde.

La lumière est une onde électromagnétique

La vitesse c à laquelle les ondes électromagnétiques se propagent est déterminée par la constante de Coulomb et la perméabilité magnétique du vide à travers la formule $c = \sqrt{4\pi k\over\mu_0}= 2.99\times 10^8{\rm\,m\,s}^{-1}$ .

La vitesse c calculée ci-dessus coïncide avec la vitesse de la lumière, que Rømer avait mésuré en 1676 par l'observation astronomique. L'égalité entre la vitesse des ondes électromagnétiques et la vitesse de la lumière prouve que la lumière visible n’est qu’un cas particulier d'ondes électromagnétique. Elle correspond aux ondes électromagnétiques avec des longueurs comprises entre 0.4 et 0.7 micromètres.

Le champs transporte de l'énergie et propage l'interaction électromagnétique

Nous sommes donc partis de la vision de Coulomb, qui raisonnait en terme d’action à distance, pensée comme instantanée, pour aboutir à une nouvelle vision, dans laquelle le champ électromagnétique est une entité physique réelle, qui contient et transporte de l’énergie. Transporter de l'énergie équivaut à transporter de la matière, étant donnée l’équation d’Einstein E=mc^2 . Les particules qui composent le champ électromagnétique – les photons – n’ont pas de masse, alors que les protons, les neutrons et les électrons en ont une, mais cela ne rend pas la lumière moins physiquement réelle qu’une pomme.

C’est par la médiation du champ électromagnétique que l’interaction électromagnétique se propage, et cette propagation se fait à une vitesse finie, même si elle est très élevée. Donc la force qu’une charge exerce sur une autre par la médiation du champ n’est pas instantanée. Elle agit avec un délai égal au temps que la lumière prend pour aller d’une charge à l’autre. Ce pourrait-il que ceci soit vrai aussi pour la force gravitationnelle ?