Quanta, relativité et enseignement
Il est notoire que l’année 1905 est une année marquante pour la physique, avec la publication de trois articles majeurs d’Albert Einstein portant sur les quanta lumineux (mars), la relativité restreinte (juin) et son complément sur l’inertie de l’énergie (septembre). Il est possible de voir dans ces articles une première synthèse remarquable et originale qui prend appui sur des travaux antérieurs (Lorentz 1895, Planck 1900, Poincaré 1900), dans le cadre d’une pensée en mouvement, dans laquelle les différents aspects se trouvent intimement mêlés chez Einstein (introduction des quanta lumineux, propriétés mécaniques et relativistes du champ électromagnétique) et s’influencent mutuellement avant de se traduire en des contributions autonomes. J’aborderai cette question essentiellement à travers l’article de Poincaré 1900, sur la base d’une remarque qui, à ma connaissance, n’avait pas été faite auparavant : la loi de transformation de l’énergie et de la fréquence d’un morceau d’onde plane qui y est contenue.
D’un point de vue pédagogique, l’analyse ci-dessus donne toute son importance aux transformations introduites par Lorentz en 1895 (x’=x-vt et t’=t-vx/c²), interprétées par Poincaré en 1900, qui assurent l’invariance des équations de Maxwell au premier ordre en V/c et constituent la modification la plus simple à la relativité galiléenne. Ces transformations peuvent être introduites aujourd’hui simplement pour des élèves de terminales scientifiques, en mettant l’accent sur l’explication qu’elles donnent des expériences d’Arago et de Fizeau, et l’éclairage qu’elles apportent sur quelques enjeux conceptuels de la théorie d’Einstein, tels que la relativité de la simultanéité, le caractère relativiste de la dualité onde-corpuscule et l’équivalence masse-énergie. Elles permettent aussi de justifier à tout ordre l’invariance de l’intervalle c²t²-r² et la relation entre temps et temps propre récemment apparue dans les programmes.