Interaction électromagnétique
C'est l'interaction électromagnétique qui permet la production d'énergie électrique, les télécommunications, et explique les liaisons chimiques et la diversité du monde du vivant. Comme la gravitation, l'interaction électromagnétique est une interaction de longue portée. Elle est proportionnelle aux charges électriques et inversement proportionnelle au carré de la distance (loi de Coulomb), mais son intensité est plus forte : la force électrique entre deux électrons est environ 1040 fois plus forte que l'interaction gravitationnelle entre eux.
Entre deux électrons, la force d'attraction gravitationnelle est 1040 fois plus faible que la force de répulsion électrostatique.
Alors que l'interaction gravitationnelle est uniquement attractive, l'interaction électromagnétique peut être soit attractive soit répulsive. Il existe deux types de charges électriques, les positives et les négatives. Deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signe opposé s'attirent. Cette propriété est très importante : une charge positive a tendance à attirer, dans sa proximité, une charge négative de même valeur et inversement. La matière reste alors globalement neutre : la force de répulsion que la première charge exercerait sur une tierce charge positive est pratiquement compensée par la force d'attraction de la deuxième charge. C'est pourquoi à l'échelle des distances astronomiques, l'interaction électromagnétique, malgré son intensité 1040 fois plus forte que l'intensité de l'interaction gravitationnelle, est négligeable par rapport à cette dernière.
La force d'attraction entre deux charges de signes opposés est pratiquement compensée par la force de répulsion exercée par une tierce charge de même signe.
L'histoire de l'électricité et du magnétisme est plus ancienne que celle des autres interactions : au Ve siècle av. J.-C., le philosophe grec Thalès de Milet observe qu'en frottant un morceau d'ambre (elektron en grec) sur du tissu, l'ambre acquiert une propriété inhabituelle : il attire des petits morceaux de paille. Le même phénomène d'électrisation se produit quand on se peigne les cheveux par temps sec (le peigne attire les morceaux de papier) ou quand on enlève un pull (on peut entendre ou même voir des étincelles). La foudre est la manifestation la plus spectaculaire de ce phénomène.
Thalès de Milet (vers 625-547 av. J.-C.), mathématicien et philosophe grec, cherche des interprétations scientifiques aux phénomènes naturels, effectue des observations astronomiques, prédit des éclipses, démontre des théorèmes en géométrie. Il est considéré comme le fondateur des sciences.
À
la même époque, en Asie mineure, et probablement bien avant en
Chine, un autre phénomène surprenant est observé :
des fragments d'une roche, la magnétite, ont la propriété étonnante
de s'orienter toujours dans la même direction si on les pose sur du bois
flottant sur l'eau. Cette propriété a été exploitée
pour aider les navigateurs à s'orienter : c'est le principe de
la boussole.
Les expériences de Luigi Galvani sur les cuisses de grenouille et l'invention
de la pile électrique par Alessandro Volta aboutissent à la compréhension
des phénomènes de transport des charges par les courants électriques.
Luigi Galvani (1737-1798), médecin et physicien italien, passe toute sa vie à Bologne où il découvre les effets de l'électricité statique sur les nerfs des animaux : en touchant des cuisses de grenouilles disséquées avec un scalpel électrisé, il remarque que leurs muscles se contractent comme si les grenouilles étaient vivantes.
Alessandro Volta (1745-1827), physicien italien, professeur aux universités de Pavie et de Padoue. Il invente des appareils pour produire de l'électricité statique, étudie les gaz, découvre le méthane et invente la pile électrique, formée d'un empilement de couches de zinc et de cuivre séparées par des feuilles de carton humide.
L'étude de la propagation de la lumière, notamment les travaux de René Descartes, de Willebrord Snell et de Pierre de Fermat, conduisent au développement de l'optique géométrique, encore utilisée aujourd'hui pour la fabrication des lunettes et autres appareils optiques.
René Descartes (1596-1650), philosophe et mathématicien français, fondateur de la philosophie moderne et des mathématiques modernes. Il introduit en géométrie les coordonnées cartésiennes et pose ainsi les bases de la géométrie analytique : les courbes peuvent être décrites par des équations. Il découvre la loi de la réfraction de la lumière. Il est un des penseurs les plus influents de l'histoire.
Willebrord Snell (1580-1626), astronome et mathématicien hollandais, professeur à l'université de La Haye. Il mesure le rayon de la Terre et il donne une estimation plus précise du nombre π. Il découvre indépendamment de Descartes la loi de la réfraction de la lumière.
Pierre de Fermat (1601-1665), mathématicien français. Il apporte une contribution importante à la théorie des nombres (il faudra attendre 1995 pour démontrer son célèbre théorème), pose les bases de la théorie des probabilités et est précurseur du calcul différentiel. Il découvre le principe de Fermat : la lumière se propage entre deux point de manière à minimiser son temps de parcours.
En optique encore, Christiaan Huygens et Augustin Fresnel montrent que la lumière se comporte comme une onde et expliquent les phénomènes de l'interférence et de la diffraction.
Christiaan Huygens (1629-1695), physicien et astronome hollandais. Il découvre des nébuleuses, des étoiles doubles et Titan, un des satellites de Saturne. Il comprend la structure des anneaux de ce dernier. Il pose les bases de l'optique ondulatoire en supposant que la lumière est une onde et explique ainsi les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière.
Augustin Fresnel (1788-1827), physicien français. Il développe la théorie ondulatoire de la lumière en étudiant les phénomènes d'interférence, de diffraction et de polarisation de la lumière. Il met au point la lentille qui porte son nom, destinée à accroître le pouvoir d'éclairage des phares.
Ces nombreux phénomènes semblaient être indépendants. Mais en 1820, au grand étonnement des physiciens, Hans Christian Oersted montre qu'un courant électrique fait dévier l'aiguille de la boussole et qu'il y a donc une relation entre les courants électriques et le magnétisme.
Hans Christian Oersted (1777-1851), physicien et chimiste danois, professeur à l'Université de Copenhague. Il démontre qu'un courant électrique qui circule dans un fil conducteur fait dévier l'aiguille d'une boussole et que l'électricité et le magnétisme sont donc liés. Il produit pour la première fois l'aluminium.
C'est le génie expérimentateur de Michael Faraday qui établit le lien entre les phénomènes électriques et magnétiques. Avant Faraday, on raisonnait en terme d'interaction à distance : on pensait que la force électrostatique entre deux charges s'établissait de façon instantanée quelle que soit leur distance. Michael Faraday introduit le concept de champ : une des charges électriques engendre un champ qui remplit tout l'espace, c'est ce champ qui agit sur la deuxième charge. L'interaction s'établit par l'intermédiaire du champ, de proche en proche. Le champ n'est pas seulement un concept mathématique mais une réalité physique ; il peut transporter de l'énergie.
L'interaction à distance entre deux charges électriques a été remplacée par le concept de champ où l'interaction se transmet de proche en proche. Le champ est une réalité physique, il peut transporter de l'énergie ou de l'impulsion.
Michael Faraday (1791-1867), physicien et chimiste anglais. Il introduit le concept de champ, découvre l'induction électromagnétique (la variation d'un champ magnétique produit un champ électrique) et construit le premier générateur électrique (le dynamo). Il découvre le phénomène de diamagnétisme et l'effet de rotation du plan de polarisation de la lumière qui porte son nom. Il établit les lois de l'électrolyse, découvre le benzène, liquéfie des gaz et introduit les nombres d'oxydation.
Enfin, en 1873, James Clerk Maxwell pose les bases mathématiques de la théorie électromagnétique en établissant les équations qui portent son nom : elles montrent que les phénomènes électriques et magnétiques s'expliquent par une théorie unique, qui explique aussi les phénomènes optiques, la lumière étant une onde électromagnétique.
James Clerk Maxwell (1831-1879), physicien écossais. Il pose les bases mathématiques de l'électromagnétisme et de la théorie cinétique des gaz. Il montre que la lumière est une onde électromagnétique et unifie ainsi les phénomènes électriques, magnétiques et optiques. C'est un des plus grands physiciens de l'histoire, avec Newton et Einstein.
Dans la théorie de Maxwell, le champ électrique et le champ magnétique sont étroitement liés. Ils peuvent coexister et se propager sous forme d'ondes électromagnétiques, parmi lesquelles la lumière.
En 1888, Heinrich Hertz met en évidence les ondes électromagnétiques, mesure leur vitesse et montre qu'elle est égale à celle de la lumière, confirmant ainsi la théorie électromagnétique de Maxwell.
Heinrich Hertz (1857-1894), physicien allemand, professeur aux universités de Kiel, Karlsruhe et Bonn. En 1888, il produit des ondes électromagnétiques et confirme la théorie électromagnétique de la lumière. Il découvre l'effet photoélectrique, c'est-à-dire l'émission d'électrons par des métaux s'ils sont éclairés par une lumière ultraviolette. Albert Einstein expliquera plus tard ce phénomène.
Si la gravitation et l'électromagnétisme ont été étudiés relativement tôt, il a fallu attendre le XXe siècle pour être en mesure d'explorer le noyau atomique et découvrir ainsi les interactions forte et faible.