Vers une vérification expérimentale de la théorie de la relativité restreinte

Vers une vérification expérimentale de la théorie de la relativité restreinte

Retombées des recherches sur l’inertie des électrons pour Guye et son laboratoire

La place de Guye en Suisse L’étude de son “curriculum” montre que Guye commence à se constituer une place de premier plan au sein de la physique suisse à partir de , année de son entrée en fonction de Doyen de la Faculté des sciences. Il est réélu à ce poste en . Outre sa présence dans de nombreuses institutions spécialisées ou lors d’événements scientifiques 1, Guye se trouve aux premi`eres places des institutions scientifiques suisses. Il est ainsi président de la Société suisse de physique en 2 et , et de la Société de physique et d’histoire naturelle de Gen`eve en . Il est certain que Guye, en sa qualité de titulaire de l’unique chaire de physique de l’Université de Gen`eve, est le physicien genevois. A ce titre, il occupe une place ` importante parmi les physiciens suisses. Ainsi, son élection à la présidence de la Société suisse de physique est rapporté comme suit : “Cette année aura lieu à Gen`eve la fˆete du centenaire de la fondation de la Société helvétique des Sciences naturelles. En raison de cette solennité, il est décidé, sur la proposition de M. de Kowalski, de confier la présidence de notre société à un de nos membres genevois. Les suffrages unanimes tombent sur M. Ch.-E. Guye qui, apr`es acceptation, entre immédiatement en fonction.”3 Guye est également présent dans les revues scientifiques suisses les plus prisées, en tant que Rédacteur en chef des Archives des sciences physiques et naturelles de à et membre du comité de rédaction de Helvetica Physica Acta dont il fut membre fondateur. Le rayonnement de Guye touche également l’Europe et tout particuli`erement la France. Les documents que nous présentons maintenant permettent de mesurer ce rayonnement ainsi que celui de son laboratoire. . Ce “curriculum” se trouve dans le dossier GUYE conservé aux Archives de l’Académie des Sciences de Paris. Président de la classe d’industrie et de commerce de la Société des arts, vice-président du Comité électrotechnique suisse de la Commission électrotechnique internationale entre et , président de la Section de physique du groupe “Recherches scientifiques” et vice-président du groupe “Instruments de précision” lors de l’Exposition suisse en . Elu le 1 ´ er mai , Guye succ`ede à Pierre Weiss ; Arch. des sc. phys. et nat. , , p. Arch. des sc. phys. et nat. , , p. – 1 –

Comment situer les expériences sur l’inertie des électrons parmi les travaux scientifiques de Guye ?

Doctorat honoris causa de la faculté des sciences de Paris

En , Guye est nommé docteur honoris causa de la faculté des sciences de Paris. Le discours prononcé à cette occasion par son doyen, Charles Maurain, offre un résumé de la carri`ere de Guye. Ce document est conservé aux archives de l’Académie des sciences de Paris, dans le dossier Guye. “Guye fut attaché pendant quelques années à l’Ecole polytechnique fédérale de ´ Zurich ; c’est là qu’il s’occupa des applications de l’électricité. [ . ] Tr`es rapidement, sa renommée fut grande, et on eut souvent recours à lui pour résoudre des probl`emes techniques, en Suisse et à l’étranger ; l’exploitation des tramways de Marseille ayant à cette époque présenté des difficultés, ce fut lui qu’on appela.”4 Maurain poursuit son discours en rappelant les honneurs re¸cus par Guye, son fr`ere et Naville pour leurs recherches sur la production des oxydes d’azote. “Je rappellerai aussi les travaux sur la synth`ese des composés oxygénés de l’azote que Ch. Eug. Guye fit en commun avec son fr`ere Philippe, travaux dont l’importance fut reconnue en France par l’attribution aux auteurs de la grande médaille d’or de notre Société d’Encouragement pour l’industrie nationale, et la médaille Ollivier de Serres, de notre Société d’Agriculture.”5 Ces premi`eres remarques présentent Guye comme un physicien brillant et reconnu comme tel d`es le début de sa carri`ere, en tout cas avant ses travaux sur l’inertie. “En , Guye revint à l’Université de Gen`eve comme professeur et directeur de l’Institut de Physique. Il se consacra d`es lors aux recherches, attira pr`es de lui de nombreux travailleurs, et fit de son laboratoire un centre extrˆemement fécond 6 . On peut dire que presque tous les sujets importants qui préoccupent actuellement les physiciens ont été étudiés par lui ou sous sa direction.”7 4. Maurain (, §). Maurain (, §). Guye est à l’origine de la publication réguli`ere à partir de 6 des Travaux du laboratoire de physique regroupant les mémoires publiés par lui et/ou ses collaborateurs. Ces Travaux sont envoyés à différentes universités ou écoles suisses, fran¸caises, allemandes ou italiennes. Dans la correspondance de Guye conservée au Musée d’histoire des sciences de Gen`eve, plusieurs lettres, cartes postales ou cartes de visite, envoyées entre le juin et le aoˆut , attestent de la réception de ces livres ou demandent de nouveaux envois. Ces documents sont regroupés sous la référence Z1/2. Maurain (, § ; nous soulignons). – 1 – Chapitre 2. Charles-Eug`ene Guye (66-). L’appréciation de Maurain est difficile à évaluer. C’est précisément sur ce point que porte notre réflexion. Le laboratoire de physique de Gen`eve serait devenu, sous l’influence de son directeur, extrˆemement fécond. Nous avons en effet montré que, malgré des moyens limités, Guye s’est attaché tr`es tˆot à diversifier les recherches poursuivies à Gen`eve. Mais l’opinion de Maurain sur la richesse et la fécondité du laboratoire de Guye est exprimée en . Aussi, n’est-elle pas la conséquence de l’impact de l’expérience menée avec Lavanchy ? “Il convient de citer tout particuli`erement son grand travail sur le rayonnement cathodique et le rayonnement du radium [sic]. [ . ] Les mesures sont tr`es délicates. Guye les a poursuivies pendant plusieurs années [ . ] et leur a donné une grande précision. Les variations de masse qu’il a constatées sont en excellent accord avec les formules théoriques de Lorentz et d’Einstein. C’est là un résultat de la plus haute importance.”8 Dans la suite de ce discours emphatique, Maurain fait allusion aux autres recherches menées par Guye et ses étudiants, dans lesquelles il “fait constamment preuve d’une habileté expérimentale et d’un sens profond des conceptions nouvelles sur la constitution de la mati`ere”9 . Avant de conclure par des remarques sur l’amitié franco-suisse, Maurain indique (plus ou moins) explicitement les raisons de l’honneur décerné à Guye. “J’ai indiqué, bien bri`evement, les travaux dont l’importance a conduit la Faculté des Sciences à proposer notre éminent coll`egue au Conseil de l’Université pour le titre de docteur honoris causa [ . ]”

Guye, Correspondant pour la section de physique générale à l’Académie des sciences de Paris

Le janvier , Guye est élu Correspondant de l’Académie des sciences de Paris, par voix contre 3 à J. S. Townsend et 1 à Nils Bohr 1 . Les archives de l’Académie conservent dans le dossier GUYE un “rapport sur les titres et travaux de M. Ch.-Eug. Guye”. Il s’agit d’une note manuscrite soumise lors 8. Maurain (, §). Maurain (, §). . Maurain (, §. ). C.R. Académie des sciences 4, p. Townsend sera élu le février et Bohr le décembre . – – 2.3. Comment situer les expériences sur l’inertie des électrons parmi les travaux scientifiques de Guye ? du “comité secret” du janvier , et rédigé par Aimé Cotton. Comme Maurain 7 ans plus tˆot, Cotton donne une place prépondérante aux recherches de Guye sur l’inertie des électrons. “Il faut citer en premi`ere ligne un travail tr`es étendu dont l’exécution n’a pas duré moins de six ans o`u il a soumis à des mesures tr`es rigoureuses la question importante de la variation de la masse en fonction de la vitesse. Lorsque M. Guye a commencé à s’en occuper, les recherches déjà faites dans cette direction prˆetaient encore à des difficultés et l’on ne pouvait pas considérer la formule de Lorentz-Einstein comme démontrée en toute rigueur. C’est ainsi que dans les expériences de M. Hupka sur les rayons cathodiques de grande vitesse, il aurait suffit d’une erreur d’environ 8 Volts sur la mesure d’un potentiel de décharge de pr`es de 8 Volts pour faire co¨ıncider les résultats avec l’une ou l’autre théorie. [ . ] Voilà pourquoi, [ . ] la section de physique propose à l’unanimité M. Ch.- Eug. Guye pour la premi`ere 2 des places de correspondants actuellement vacantes.” A nouveau, Guye apparaˆıt comme ayant réussi à réaliser une expérience difficile ` et à lui donner une précision inégalée.3.2.4 Autres institutions hors de la Suisse De à , Guye est membre non résident au Conseil de la Société fran¸caise de physique. Il devient ensuite membre correspondant de cette société. Mais son rayonnement ne touche pas uniquement la France. Il est en effet consulté “à plusieurs reprises”3 par le Comité Nobel pour proposer des noms pour le Prix Nobel de physique 4. De mˆeme, à partir de et jusqu’en , il est membre du Comité scientifique de l’Institut international de physique Solvay 5 La présence de Guye au Comité Solvay à partir de le place parmi les physiciens les plus réputés de cette époque. Les documents précédents ont montré le rˆole de ses recherches sur l’inertie des électrons dans la reconnaissance de son travail au laboratoire de physique de l’Université de Gen`eve. Il est raisonnable de penser que c’est à nouveau le cas. Il s’agit de la place laissée vacante par l’élection de Heike Kamerlingh Onnes à la place d’Associé étranger, le 7 décembre . La seconde sera donnée à Townsend. Voir “curriculum”. Ainsi, il propose en son compatriote Charles Edouard Guillaume pour le Prix Nobel. ´ Friedman (5, p). Malade depuis , Guye n’assiste pas aux congr`es tenus en et . – 1 – Chapitre 2. Charles-Eug`ene Guye (66-). L’appel à Guye par le Comité Nobel permet d’ˆetre un peu plus précis. D’apr`es Friedman (5) le comité est dominé par des physiciens décidés à placer l’expérience et les mesures de précision à la premi`ere place en physique. “Durant les premi`eres décennies du Prix Nobel, des physiciens suédois avec une forte inclination vers l’expérimentation dominaient le comité. Ils tenaient la mesure de précision comme l’objectif ultime de leur discipline ; ils favorisaient des candidats dont le travail reflétait leurs propres orientations.”6 Il faudrait pour ˆetre plus précis déterminer à partir de quand Guye est appelé par le comité. Néanmoins, cette interprétation permet de concevoir l’appel à l’expertise de Guye comme l’appel à un physicien lui-mˆeme spécialiste des expériences de précision.

Table des matières

Introduction
1 Variation de l’inertie avec la vitesse
Introduction
1.1 L’inertie électromagnétique : d’une possibilité théorique à un objectif programmatique
1.1.1 Prémisses d’une conception électromagnétique de l’inertie
1.1.2 Un nouveau programme de recherche : la conception électromagnétique globale de la physique .
1.2 Premi`ere description électromagnétique de l’électron : la théorie d’Abraham
1.2.1 Premi`eres expériences de Kaufmann
1.2.2 Abraham répond aux conclusions de Kaufmann
1.2.3 La théorie de l’électron sphérique indéformable d’Abraham
1.3 La théorie électromagnétique de Lorentz et le mod`ele de l’électron déformable
1.3.1 La théorie électromagnétique de Lorentz avant
1.3.2 La théorie de Lorentz en
1.3.3 Le mod`ele de l’électron de Lorentz (4)
1.4 L’électron déformable de Lorentz versus l’électron indéformable d’Abraham
1.4.1 Un probl`eme de stabilité pour l’électron de Lorentz
1.4.2 Incompatibilité entre conception électromagnétique globale et impossibilité de détecter le mouvement absolu de la Terre
1.5 La théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein. Une conception différente de l’inertie ?
1.5.1 La masse transverse de l’électron dans la théorie d’Einstein :de la formule d’Einstein à la formule de Lorentz-Einstein
1.5.2 Théorie de Lorentz, théorie d’Einstein ou théorie de LorentzEinstein ?
1.6 Mesurer la variation de l’inertie de l’électron avec sa vitesse : une épopée qui n’aboutit pas ?
1.6.1 Pourquoi la question de l’inertie de l’électron est-elle si importante dans les années – ?
1.6.1.1 Les successeurs de Kaufmann
1.6.1.2 La variation de l’inertie de l’électron avec la vitesse :une question au cœur de plusieurs problématiques
théoriques
1.6.2 Expériences sur la variation de l’inertie des électrons entre
1.6.2.1 L’expérience de Kaufmann (6) et ses réceptions
1.6.2.2 Apreté des débats autour des expériences sur la variation de l’inertie de l’électron avec la vitesse : les
échanges Bucherer-Bestelmeyer (8-) et HupkaHeil (9-)
1.6.2.3 Conclusion (provisoire) : les expériences de Schaefer et Neumann (-) et Guye et Lavanchy
1.6.3 Analyse critique (mais non historique) des conclusions obtenues dans les années
1.6.4 Pour une relecture historique des expériences des années
1.6.4.1 Le point de vue des historiens
1.6.4.2 Réception des expériences de Neumann et de Guye et Lavanchy autour de
1.6.4.3 Pistes pour une analyse historique de l’expérience de Guye et Lavanchy
Conclusion
2 Charles-Eug`ene Guye (66-)
Introduction
2.1 Le début de carri`ere de Guye
2.1.1 Premiers travaux à Gen`eve (87-91) puis à Zurich
2.1.2 Le retour improbable de Guye à Gen`eve
2.1.2.1 La démission de Soret
2.1.2.2 L’affaire Pierre Curie
2.1.2.3 L’appel à Guye
2.1.3 Les débuts difficiles de Guye (-3)
2.2 L’activité scientifique au laboratoire de Guye
2.2.1 Développement du laboratoire
2.2.2 Vue d’ensemble de l’œuvre scientifique de Guye
2.2.3 Guye, directeur de recherche au Laboratoire de physique
2.3 Comment situer les expériences sur l’inertie des électrons parmi les travaux scientifiques de Guye ?
2.3.1 Guye et la question de l’inertie de l’électron
2.3.1.1 Conférences sur la “constitution électrique de la mati`ere” en 4
2.3.1.2 La charge spécifique l’électron
2.3.1.3 Guye et l’inertie entre mai 6 et 7
2.3.1.4 Etudier l’inertie des électrons au laboratoire de Guye e
2.3.2 Retombées des recherches sur l’inertie des électrons pour Guye et son laboratoire
2.3.2.1 La place de Guye en Suisse
2.3.2.2 Doctorat honoris causa de la faculté des sciences de
2.3.2.3 Guye, Correspondant pour la section de physique générale à l’Académie des sciences de Paris
2.3.2.4 Autres institutions hors de la Suisse
Conclusion 1
3 Les expériences de Guye sur la variation de l’inertie avec la vitesse
Introduction
3.1 Publications et évolution des positions de Guye sur la théorie de la relativité
3.1.1 L’expérience de Guye et Ratnowsky
3.1.2 L’expérience de Guye et Lavanchy
3.1.3 Le mémoire de
3.1.4 Guye et la relativité
3.2 La méthode des trajectoires identiques
3.2.1 Principe général des expériences
3.2.2 La méthode des trajectoires identiques selon Guye et Ratnowsky
3.2.3 Trajectoires identiques dans un champ magnétique
3.2.4 Trajectoires identiques dans un champ électrique
3.2.5 Principe de la méthode
3.2.6 Détermination de la vitesse absolue des corpuscules (Guye et Ratnowsky, , p-)
3.2.7 Comparaison avec les formules théoriques (Guye et Ratnowsky, , p. -1 et p)
3.3 Nouvel examen de la méthode des trajectoires identiques par Guye et Lavanchy : la méthode des trajectoires presque identiques
3.3.1 Modifications apportées au dispositif par Guye et Lavanchy
3.3.2 Nouvelle analyse
3.3.3 Vitesse des rayons de comparaison et détermination de l’intégrale de champ électrique
3.3.4 Les résultats de Guye et Lavanchy
3.3.4.1 Présentation des résultats
3.3.4.2 Une présentation problématique
3.3.4.3 Traitement des grandeurs mesurées
3.3.5 Guye, Ratnowsky, Einstein et la méthode des trajectoires identiques
Conclusion
4 Réplication de l’expérience de Guye et Lavanchy
Introduction
4.1 Reconstruction du tube cathodique : premi`ere étape de la réplication
4.1.1 Objectifs
4.1.2 Utilisation d’une source textuelle : la description du tube faite par Guye et Lavanchy
4.1.2.1 Description originale
4.1.2.2 Analyse de la description originale
4.1.3 Observations du tube cathodique original
4.1.3.1 Conditions de l’observation
4.1.3.2 L’enceinte de verre
4.1.3.3 Les électrode
4.1.3.4 Le dispositif de déviation électrique
4.1.4 Construction d’une copie du tube cathodique original
4.1.4.1 Ecarts liés à des contraintes techniques
4.1.4.2 Autres solutions apportées
4.2 Premi`eres expérimentations ; mise en évidence d’une problématique
expérimentale spécifique : la technique de production des rayons cathodiques
4.2.1 Objectifs
4.2.2 Réaliser l’émission cathodique avec la copie du tube de Guye et Lavanchy
4.2.2.1 Mise au point d’un dispositif minimal et premi`eres
tentatives d’utilisation du tube
4.2.2.2 De l’observation de phénom`enes électriques dans l’air
à la production et à l’observation du rayonnement
cathodique
4.2.2.3 Analyse
4.2.2.4 Améliorations du dispositif et retour sur la stabilité de l’émission
4.2.3 Transposer la technique expérimentale originale de production
des rayons cathodiques à notre dispositif
4.2.3.1 Régler le dispositif selon Guye et Lavanchy
4.2.3.2 Contrˆoler l’émission avec notre dispositif
4.3 Prise de mesures
4.3.1 Objectifs
4.3.2 Déviations électrique et magnétique des rayons cathodiques
4.3.2.1 Les bobines magnétiques
4.3.2.2 Les alimentations des bobines et du condensateur
4.3.2.3 Les interrupteurs et commutateurs
4.3.3 Les mesures dans le dispositif de Guye et Lavanchy
4.3.3.1 Organisation chronologique de la réplication, contraintes
de temps et contraintes matérielles
4.3.3.2 Mesure de l’intensité et de la tension de déviation
4.3.3.3 Dispositif de visualisation et d’enregistrement des déviations
4.3.4 Le dispositif reconstruit : synth`ese
4.3.4.1 Quelques photos
4.3.4.2 Comparaison entre le dispositif original et sa copie
4.3.5 Reconstruction de l’activité de mesure
4.3.5.1 Rappels : le protocole expérimental décrit par Guye et Lavanchy
4.3.5.2 Premi`ere tentative de mesures : mise en évidence de certaines difficultés
4.3.5.3 Deuxi`eme série de mesures : réalisation de mesures systématiques
Conclusion
5 L’émission cathodique
Introduction
5.1 L’émission cathodique dans l’historiographie
5.2 Importance des mécanismes d’émission dans les classifications des rayonnements électriques
5.2.1 Ions, Electrons, Corpuscules en 5
5.2.2 Townsend et les phénom`enes électriques dans les gaz ()
5.2.3 Les mesures de la charge spécifique présentées par Gerlach ()
5.2.4 Une classification des décharges électriques dans les gaz
5.2.5 Les “Rayons Cathodiques” vus par Lenard et Becker
5.2.6 Retour à la présentation de Gerlach
5.3 Mécanismes d’émission et mesure des propriétés électrique et inertielle des rayons cathodiques
5.3.1 Choix et présentation du corpus étudié
5.3.2 Mesurer de la charge spécifique : étudier la composition des rayonnements électriques
5.3.3 Recherche de précision dans la mesure de la charge spécifique
5.3.4 Etude de la variation de l’inertie des électrons artificiellement
accélérés : débat autour des techniques de production
Conclusion
Conclusion
Bibliographie
A Annexe A : Classement thématique et chronologique des publications de Guye
A.1 Polarisation rotatoire
A.2 Courants alternatifs, Induction, Capacité des lignes :
A.3 Recherches sur l’arc volta¨ıque
A.4 Etude du magnétisme
A.5 Elasticité des solides et frottement intérieur : 3-
A.6 Appareils et dispositifs de mesures
A.7 Variation de l’inertie de l’électron avec la vitesse et Relativité
A.8 Potentiel explosif dans les gaz à pression élevée : 5, puis
A.9 Rotation électromagnétique de la décharge et diam`etres moléculaires :
A. Physico-chimie et Biologie
A. Sujets divers
B Annexe B : Reproduction de documents originaux d’une importance particuli`ere
B.1 L’affaire Pierre Curie
B.2 L’appel à Guye
B.3 Guye et son laboratoire : demandes de financement
B.4 Lettres écrites par Einstein à Guye .
B.5 Lettre de Starke à Guye, le décembre
C Annexe C : Clichés originaux retrouvés au Musée d’histoire des sciences
D Annexe D : Réalisation d’un programme de calcul de l’intégrale de
champ électrique dans le tube reconstruit