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Albert Einstein

L’influence de Maxwell
sur l’évolution
de la conception de la réalité physique

Écrit à l’occasion du centenaire de la naissance de Maxwell [1931]

Croire en un monde extérieur indépendant du sujet qui le perçoit constitue la base de toute science de la nature. Cependant les perceptions des sens n’offrent que des résultats indirects sur ce monde extérieur ou sur la « réalité physique ». Alors seule la voie spéculative peut nous aider à comprendre le monde. Nous devons donc reconnaître que nos conceptions de la réalité physique n’offrent jamais que des solutions momentanées. Et nous devons donc être toujours prêts à transformer ces idées, c’est-a-dire le fondement axiomatique de la physique, si, lucidement, nous voulons voir de manière aussi parfaite que possible les faits perceptibles qui changent. Quand nous réfléchissons même rapidement sur l’évolution de la physique, nous observons bien, en effet, les profondes modifications de cette base axiomatique.

La plus grande révolution de cette base axiomatique de la physique ou de notre intelligence de la structure de la réalité depuis que la physique théorique a été constituée par Newton, a été provoquée par les recherches de Faraday et de Maxwell sur les phénomènes électromagnétiques. Je voudrais essayer de représenter cette rupture, avec la plus grande exactitude possible, en analysant le développement de la pensée qui précéda et suivit ces recherches.

D’abord le système de Newton. La réalité physique se caractérise par les concepts d’espace, de temps, de points matériels, de force (interaction entre les points matériels). Selon Newton, les phénomènes physiques doivent être interprétés comme des mouvements de points matériels dans l’espace, mouvements régis par des lois. Le point matériel, voilà le représentant exclusif de la réalité, quelle que soit la versatilité de la nature. Indéniablement les corps perceptibles ont donné naissance au concept de point matériel ; on se figurait le point matériel comme analogue aux corps mobiles, en supprimant dans les corps les attributs d’étendue, de forme, d’orientation dans l’espace, bref toutes les caractéristiques « intrinsèques ». On conservait l’inertie, la translation et on ajoutait le concept de force. Les corps matériels, transformés psychologiquement par la formation du concept « point matériel », doivent désormais eux-mêmes être conçus comme des systèmes de points matériels. Ainsi donc ce système théorique, dans sa structure fondamentale, se présente comme un système atomique et mécanique. Ainsi donc tous les phénomènes doivent être conçus au point de vue mécanique, c’est-à-dire simples mouvements de points matériels soumis à la loi du mouvement de Newton.

Dans ce système théorique, laissons de côté la question déjà débattue ces derniers temps, à propos du concept « d’espace absolu » mais prenons la difficulté majeure : elle réside essentiellement dans la théorie de la lumière, parce que Newton, en plein accord avec son système la conçoit aussi comme constituée de points matériels. Déjà à l’époque se posait la redoutable interrogation : où sont passés les points matériels constituant la lumière, lorsque celle-ci est absorbée ? Sérieusement l’esprit ne peut pas accorder à l’imagination l’existence de points matériels de nature totalement différente dont il faudrait admettre la présence pour pouvoir représenter tantôt la matière pondérale, tantôt la lumière. Plus tard il aurait fallu accepter les corpuscules électriques comme troisième catégorie de points matériels, avec évidemment des propriétés fondamentales différentes. La théorie de base repose sur un point très faible, puisqu’il faut admettre tout à fait arbitrairement et hypothétiquement, les forces d’action réciproque déterminant les événements. Pourtant cette conception du réel a immensément servi l’humanité. Alors pourquoi et comment s’est-on résolu à la quitter ?

Newton veut donner une forme mathématique à son système, il s’oblige donc à découvrir la notion de dérivée et à établir les lois du mouvement sous la forme d’équations différentielles totales. Là, Newton a sans doute réalisé le progrès intellectuel le plus fabuleux qu’un homme ait jamais réussi à faire. Car dans cette aventure, les équations différentielles partielles ne s’imposaient pas et Newton n’en fait pas un usage systématique. Mais elles deviennent indispensables pour formuler la mécanique des corps déformables. La raison profonde son choix s’appuie sur ce fait : dans ces problèmes, la conception de corps exclusivement formés de points matériels n’a joué absolument aucun rôle.

Ainsi l’équation différentielle partielle entre dans la physique théorique, un peu par la petite porte, mais peu à peu elle s’établit en reine. Ce mouvement irréversible débute au xixe siècle, parce que, devant les faits observés, la théorie ondulatoire de la lumière bouscule des barrages. Avant on imaginait la lumière dans l’espace vide comme un phénomène de vibration de l’éther. Mais on commence à sérieusement s’amuser de le considérer comme un ensemble de points matériels ! Alors, et pour la première fois, l’équation différentielle partielle semble correspondre le mieux à l’expression naturelle des phénomènes élémentaires de la physique. Ainsi dans un domaine particulier de la physique théorique, le champ continu et le point matériel sont les représentants de la réalité physique. Mais actuellement, et même si ce dualisme gêne considérablement tout esprit systématique, il se maintient. Si l’idée de la réalité physique cesse d’être purement atomique, elle reste cependant provisoirement mécanique. Car on essaie toujours d’interpréter tout phénomène comme un mouvement de masses inertes et l’on n’arrive même pas à imaginer possible une autre manière de concevoir. C’est à ce moment-la que se produit l’immense révolution, celle qui porte les noms de Faraday, Maxwell, Hertz. Dans cette histoire, Maxwell se taille la part du lion. Il explique que toutes les connaissances de l’époque à propos de la lumière et des phénomènes électromagnétiques reposent sur un double système bien connu d’équations différentielles partielles. Et le champ électrique est figuré, comme le champ magnétique, en tant que variable dépendante. Maxwell cherche à fonder ces équations sur des constructions mécaniques idéales ou bien il cherche à les justifier par elles.

Mais il utilise plusieurs constructions de cette nature, pêle-mêle, sans en prendre une réellement au sérieux. Alors seules les équations elles-mêmes paraissent l’essentiel et les forces du champ y figurant se retrouvent entités élémentaires, irréductibles à toute autre chose. Quand on change de siècle, déjà universellement la conception du champ électromagnétique, entité irréductible, s’impose. Alors les théoriciens sérieux cessent d’avoir confiance dans le pouvoir ou la possibilité de Maxwell quand il élabore des équations à partir de la mécanique. Bientôt en revanche, on tentera d’expliquer, par la théorie du champ, les points matériels et leur inertie, à l’aide de la théorie de Maxwell, mais cette tentative échouera.

Maxwell a obtenu des résultats importants particuliers, par des travaux qui ont duré toute sa vie et dans les domaines les plus importants de la physique. Mais oublions ce bilan pour n’étudier que la modification de Maxwell, quand il conçoit la nature du réel physique. Avant lui je conçois le réel physique — c’est-à-dire je me représente les phénomènes de la nature ainsi — comme un ensemble de points matériels. Quand il y a changement, les équations différentielles partielles décrivent et règlent les mouvements. Après lui, je conçois le réel physique comme représenté par des champs continus, non explicables mécaniquement mais réglés par des équations différentielles partielles. Cette modification de la conception du réel représente la révolution la plus radicale et la plus fructueuse pour la physique depuis Newton. Mais il faut également admettre que la réalisation complète de cette révolution n’a pas encore triomphé partout. En revanche, les systèmes physiques, efficaces et constitués depuis Maxwell, réalisent plutôt des compromis entre ces deux théories. Et bien entendu ce caractère de compromis souligne assez leur valeur provisoire et leur logique imparfaite, même si tout savant, en particulier, a réalisé d’immenses progrès.

Ainsi la théorie des électrons de Lorentz montre clairement, immédiatement, comment le champ et les corpuscules électriques interviennent ensemble, comme des éléments de même valeur pour mieux faire concevoir le réel. Ensuite la théorie de la relativité restreinte puis générale se fait connaître. Elle se fonde entièrement sur les réflexions amenées par la théorie du champ et elle ne peut pas éviter, jusqu’à aujourd’hui, d’utiliser les points matériels et les équations différentielles totales.

Enfin la dernière née de la physique théorique se nomme la mécanique des quanta. Elle connaît un vif succès mais, par principe, elle rejette dans sa structure de base les deux programmes, ceux que nous désignons pour des raisons de commodité sous les noms de programme de Newton et programme de Maxwell. En effet les grandeurs représentées dans ses lois ne prétendent pas représenter la réalité elle-même, mais seulement les probabilités d’existence d’une réalité physique engagée. À mon avis Dirac a exposé, le plus admirablement possible, l’ordre logique de cette théorie. Il observe avec raison qu’il serait presque illusoire de décrire théoriquement un photon, puisque dans cette description manquerait la raison suffisante autorisant d’affirmer s’il pourra ou non passer par un polarisateur placé obliquement sur sa trajectoire.

Au fond de moi-même je suis intimement persuadé que les physiciens ne se contenteront pas longtemps d’une telle description insuffisante du réel, même si de façon logiquement acceptable l’on arrivait à formuler la théorie, en accord avec le postulat de la relativité générale. Donc il faut provisoirement se satisfaire de l’essai de réalisation du programme de Maxwell. Il faut tenter de décrire la réalité physique par des champs satisfaisant aux équations différentielles partielles excluant rigoureusement toute singularité.

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