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Définition de : ONDE, physique

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Article publié par Encyclopaedia Universalis ONDE, physique L'onde des poètes classiques désigne à la fois l'eau et son déplacement. Cette ambiguïté entre le milieu et ses mouvements va se retrouver dans l'usage scientifique du mot, qui généralise à des milieux et des grandeurs différentes l'idée de vague : modifications de la hauteur d'eau se propageant dans un espace indéfini (en anglais, un seul et même mot, wave, traduit « onde » et « vague »). NNaaiissssaannccee dd''uunn ccoonncceepptt Nous sommes accoutumés à voir, au sein d'un milieu matériel, se déplacer des perturbations, modifications locales de la structure du milieu (par exemple de sa densité), qui se propagent de proche en proche : ainsi des variations de pression dans l'air (le son) ou de la forme de la surface de l'eau (les vagues). Remplaçons l'air ou l'eau par une corde élastique tendue et étudions ses écarts à la ligne droite : on obtient la théorie des cordes vibrantes que mathématisa Jean Le Rond d'Alembert (1717-1783), constituant la première théorie e ondulatoire formalisée. Dès la fin du xviii siècle, une formalisation mathématique cohérente et générale de la propagation des ondes rendait compte de tous ces phénomènes, en caractérisant le milieu par la seule vitesse de propagation que sa nature assigne aux ondes, indépendamment des détails de sa constitution.
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ONDE, physique

L'onde des poètes classiques désigne à la fois l'eau et son déplacement. Cette ambiguïté entre le milieu et ses mouvements va se retrouver dans l'usage scientifique du mot, qui généralise à des milieux et des grandeurs différentes l'idée de vague : modifications de la hauteur d'eau se propageant dans un espace indéfini (en anglais, un seul et même mot, wave, traduit « onde » et « vague »).

Naissance d'un concept

Nous sommes accoutumés à voir, au sein d'un milieu matériel, se déplacer des perturbations, modifications locales de la structure du milieu (par exemple de sa densité), qui se propagent de proche en proche : ainsi des variations de pression dans l'air (le son) ou de la forme de la surface de l'eau (les vagues). Remplaçons l'air ou l'eau par une corde élastique tendue et étudions ses écarts à la ligne droite : on obtient la théorie des cordes vibrantes que mathématisa Jean Le Rond d'Alembert (1717-1783), constituant la première théorie ondulatoire formalisée. Dès la fin du xviiie siècle, une formalisation mathématique cohérente et générale de la propagation des ondes rendait compte de tous ces phénomènes, en caractérisant le milieu par la seule vitesse de propagation que sa nature assigne aux ondes, indépendamment des détails de sa constitution. Cette théorie allait connaître un immense champ d'applications : l'acoustique (ondes sonores), l'aérodynamique et l'hydrodynamique pour les ondes de pression plus générales dans les gaz et les liquides, la sismologie pour les ondes de déformation de la croûte terrestre (ondes sismiques, aujourd'hui étudiées jusque dans des astres lointains), etc.

Sur le plan théorique, la notion d'onde, qui décrit l'état du milieu en chacun de ses points, ne doit pas faire illusion : il s'agit d'une description macroscopique qui fait l'économie d'une description détaillée des mouvements des corpuscules constituant le fluide. Lorsqu'un air de flûte vient nous émouvoir, c'est que le souffle du musicien met en mouvement l'air, d'abord dans son instrument puis alentour, et cette vibration se propage de proche en proche, avec une vitesse finie, jusqu'à nos oreilles. Mais l'air, milieu de propagation, est constitué de molécules discrètes et séparées, qui agissent tour à tour l'une sur l'autre – par ces forces justement que nous pouvons oublier quand nous voyons les choses de loin. Cet oubli, ou plutôt cet aveuglement consenti sur la nature discrète du milieu, sera fécond : au long du xixe siècle, la généralité et la puissance de la théorie ondulatoire confèrent à la notion d'onde une autonomie conceptuelle qui lui permet de s'installer en force dans le domaine nouveau de la lumière, et, plus généralement, de l'électromagnétisme. Ici, pourtant, la nature des « corpuscules » soumis aux actions électriques et magnétiques censés constituer le milieu de propagation est totalement inconnue a priori. Au moins peut-on baptiser ce milieu ; ce sera l'éther. Loin que la théorie ondulatoire apparaisse comme une phénoménologie continue secondaire à la considération des actions directes entre les corpuscules du milieu (comme dans le cas de l'acoustique), elle s'impose ici parce que nous ignorons la matérialité discrète sous-jacente de ce milieu. De fait, cet éther doit avoir des caractéristiques bien étranges : d'une part, la lumière s'y propage avec une vitesse si considérable (les fameux 300 000 km /s) que ce milieu doit être considéré comme fort rigide (ses corpuscules doivent être très étroitement couplés pour réagir avec rapidité aux déplacements les uns des autres) ; d'autre part, puisque la lumière se propage dans les enceintes vidées de tout gaz usuel, ou dans l'espace intersidéral, ce milieu doit être très fluide, de façon à passer au travers de toute matière commune. Une exceptionnelle rigidité alliée à une extrême ténuité, voilà qui rend bien difficile la conception de modèles mécaniques, c'est-à-dire corpusculaires, et donc discrets, de l'éther.

Des ondes sans support

Aussi bien, vers le deuxième tiers du xixe siècle, James Maxwell lui-même, qui donne le jour à la théorie électromagnétique sous sa forme complète, tout en insistant sur la nécessité des modèles mécaniques, laisse progressivement ces derniers passer à l'arrière-plan des développements de sa théorie dont le formalisme élégant et fécond prend le pas sur les hypothétiques et complexes mécanismes sous-jacents. Parmi les prédictions de la théorie maxwellienne de l'électromagnétisme, la plus frappante est précisément l'existence d'ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière, dont on comprend alors qu'elle ne constitue qu'une instance particulière de ces ondes. Le caractère ondulatoire de la lumière vient à point nommé rendre compte des phénomènes d'interférences et de diffraction observés tout au long du xixe siècle, et qui résultent de la superposition des ondes émises par plusieurs sources spatiales séparées. Mais, s'il s'agit d'ondes, l'existence d'un milieu de propagation, l'éther, semble s'imposer – tout comme l'air pour le son.

C'est à ce stade pourtant que l'éther va subir le coup de grâce. Car si l'éther existe bien, alors le mouvement en son sein de l'émetteur ou du récepteur des ondes doit pouvoir être mis en évidence – par exemple, le mouvement de la Terre par rapport à l'éther interstellaire. Nombre d'expériences, dont les plus connues sont celles d'Albert Michelson et d'Edward Morley à la fin du xixe siècle, échouent pourtant à détecter ce mouvement. Cette déconvenue oblige les physiciens à compliquer encore leur conception de l'éther. Le nœud gordien sera tranché par Albert Einstein : sa nouvelle relativité (1905) permet l'existence d'une vitesse invariante, indépendante du mouvement relatif de l'émetteur et du récepteur de la lumière. Le paradoxe désormais résolu au niveau le plus profond, il devient inutile de charger l'éther d'étranges propriétés spatio-temporelles, et superflu même de le convoquer pour rendre compte d'une propagation qui s'effectue tout simplement dans le vide. Avec l'électromagnétisme, la notion d'onde devient à la fois plus abstraite (pas de milieu de propagation) et plus concrète (les ondes acquièrent la charge de réalité du milieu récusé, existant désormais en tant que telles). Cela est encore plus vrai pour les ondes gravitationnelles, prédites par la théorie einsteinienne de la gravitation, la relativité générale : ces ondes ne se déplacent pas dans l'espace, elles sont une vibration de l'espace-temps lui-même.

Dans son acception théorique, le terme d'onde tend à devenir synonyme de celui de champ, à ceci près que l'accent y est mis sur le caractère propagatif. La notion d'onde acquiert ainsi une ubiquité qui en fait, avec celle de particule (ou point matériel), l'un des deux grands concepts fondamentaux de la physique classique. La physique quantique dépassera cette dichotomie en imposant la notion unique de quanton. On peut comprendre que le développement, au cours du xixe siècle, de la notion d'onde, si peu intuitive et si éloignée de notre expérience courante (celle d'objets consistants et localisés), ait conduit à toutes sortes d'extrapolations, tendant, par exemple, à offrir des justifications parascientifiques de la radiesthésie. Si l'abstraction de la théorie physique moderne est à la base de son efficacité, c'est aussi cette abstraction qui la rend vulnérable à la dérive ésotérique.

Auteur: Jean-Marc LÉVY-LEBLOND