Mach et son étrange principe ... 2


Voici un article qui à vraiment de quoi vous retourner le cerveau. Je vous suggère vivement de lire l'article sur "les mouvements en mécanique classique" si vous n'avez aucune notion en physique afin de ne pas être perdu dès le premier paragraphe.

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Nous allons parler du principe de Mach. Ce principe semble au premier abord à peu près normal mais en réalité il est extrêmement étrange pour la simple et bonne raison qu'il semble vrai tout en étant impossible à prouver.

Mach est un physicien qui, de la seconde moitié du XIXème à la première moitié du XXème siècle, à beaucoup apporté à la science notamment en physique des ondes. C'est en 1893 qu'il exprime son célèbre principe dans l'ouvrage "The science of Mechanics". La communauté scientifique semble réservée face à ce principe mais surtout réagit très peu devant le désarroi intellectuel créé par l'énoncé du principe.

Ernst Mach

Ernst Mach

Le principe de Mach est le suivant :

L'inertie des objets est induite par l'ensemble des autres masses de l'univers et ce à travers une interaction non spécifiée

Cela signifie que tout mouvement de rotation ou d'accélération est induit par l'ensemble des autres objets de l'univers. Le principe semble évident au premier abord mais vous allez voir avec une expérience de pensée qu'il est beaucoup plus étrange qu'il n'en a l'air.

Ce que Mach essaie de nous faire comprendre, c'est que parler d'accélération ou de rotation par rapport à rien n'a aucun sens, ce qui est normal. Il préfère discuter d'accélération ou de rotation par rapport à des masses lointaines qui servent de référentiel.

Tout ce qui à été dit jusqu'à maintenant semble vrai et même être du bon sens, le seul problème, c'est qu'il est impossible de le prouver. Prenons pour cela une expérience de pensée très bien décrite sur Wikipédia :

Supposons que nous avons un Astronaute au beau milieu d'un espace vide. Il est impossible de savoir si il est en rotation ou pas ...

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Supposons que le principe de Mach est faux, c'est à dire que l'inertie d'un objet ne dépend en aucun cas des autres objets de l'univers. Alors l'astronaute pourrait savoir si il tourne sur lui-même puisque son corps est assujetti à des forces d'inertie.

Mais il est quand même difficile de concevoir cette situation car pour cela il faudrait admettre l'existence d'un référentiel absolu ce qui est en contradiction avec la théorie de la relativité générale.

Si le principe de Mach est vrai, hé bien je ne sais pas quoi vous dire puisque l'univers est vide ... . Il n'y a aucun objet lointain donc aucun référentiel...

"Humour"

En conséquence, c'est extrêmement étrange. Nous n'avons ni réussi à le réfuter, ni à le prouver, ni même à trouver un compromis. Cependant, il y a quelques remarques que j'aimerais faire à propos de cette expérience de pensée.

Premièrement, est il possible d'imaginer un astronaute au beau milieu d'un espace vide ? Puisque à partir du moment ou l'astronaute est dans l'espace, celui-ci n'est plus vide. Deuxièmement, pourquoi cet astronaute serait en rotation si l'espace autour est vide et qu'aucune force ne s'est exercée sur lui ? Troisièmement, cette expérience pose la question de la rotation; c'est quand même très étrange car la rotation à l'opposée du mouvement rectiligne uniforme est aussi un mouvement conservatif mais dont des forces semblent ressenties par l'objet en rotation... .

Bref, vous l'avez compris, lorsqu'on essaie de discuter du principe de Mach, on en perd ses mots. Mais plus que ça encore, parlons d'une expérience physique qui semblerait illustrer le principe de Mach.

Cette expérience se réalise avec de l'hélium liquide. En étudiant les propriétés physiques de ce super fluide, les scientifiques ont remarqué que l'hélium liquide avait tendance à sortir tout seul de son récipient, sans que personne n'agisse dessus ! Son comportement s'oppose complètement aux forces qui agissent dessus à savoir le poids et la réaction de la paroi du récipient ... . Cet exemple est tout de même très compliqué car l'hélium liquéfié répond à une physique bien particulière des superfluides et des condensats de Bose-Einstein. Je vous laisser constater le phénomène en vidéo et vous faire une opinion à propos de ce phénomène.

Le principe de Mach est compliqué à comprendre, à expliquer (vous l'avez probablement remarqué) et impossible à prouver (aujourd'hui en tout cas). Il reste un mystère total pour l'homme d'autant qu'il soulève des questions plus profondes telles que l'existence ou non d'un référentiel absolu dans l'univers. 

A vous maintenant de donner votre opinion sur le principe de Mach, je vous avoue personnellement qu'il m'a totalement retourné le cerveau et que cet article à été une torture à écrire (j'aime me faire du mal je sais), mais au moins nous avons tous ouvert les yeux sur des choses qui semblent profondément évidentes mais qui sont en réalité très paradoxales.

Si cet article vous à plu, n'hésitez pas à le commenter et à le partager sur les réseaux sociaux afin d'en faire profiter le plus de monde possible !


A propos Loann Brahimi

Je suis étudiant en Master Cosmos, Champs et Particules à l'université de Montpellier. Ce blog est une manière de transmettre ma passion, une façon d'aider ceux qui voudraient faire de la physique leur gagne pain et de créer un engouement autour de cette science mal comprise.


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2 commentaires sur “Mach et son étrange principe ...

  • Leynaud

    Bonjour,
    tous les livres de géographie affirment ceci : " la terre est aplatie au pôles et renflée à l'équateur parce que , à l époque ou elle était dans l'état pâteux / liquide sa rotation sur elle-même a provoqué l'aplatissement. Réaction centrifuge a = oméga au carré que multiplie r.
    Un géographe mesure l'aplatissement de la terre doit-il en conclure que la terre tourne sur elle même par rapport à un univers extérieur ( qui pourrait lui être caché en raison de nuages perpétuels comme sur Vénus ) ?
    Et si l'univers tournait autour de la terre ? Et quid d'un univers formé de 2 astres seulement : la terre et vénus par exemple tournant chacune sur elle-même?
    Que dirait le principe de Mach dans ce cas fictifs ?

    Cordialement

    • Loann Brahimi Auteur du billet

      Bonjour,

      Concernant la première question, en toute rigueur je vous répondrait que non. On peut aussi imaginer que les propriétés de l'espace-temps ne soient pas exactement isotropes et qu'elles obéissent à une symétrie ellipsoïde sur un axe par exemple. On peut imaginer pas mal de choses à partir du moment où l'on ne peut pas regarder au-delà de la couche nuageuse.

      Deuxième question. Si l'univers tourne autour de la Terre, le résultat est le même que si la Terre tourne sur elle-même. Tout est une question de référentiel. Mais attention, j'ai le droit de dire ça uniquement parce que je ne considère pas un univers vide. En effet, si l'univers tourne autour d'un axe, on peut imaginer que l'espace-temps lui-même subit une accélération centrifuge ce qui conduit à aplatir la Terre. Mais on peut se poser la question : que se passe t-il pour les objets qui tournent autour de ce centre ? Une réponse serait que la force centrifuge diminue avec la distance et donc que cette dernière devient négligeable. Et pour les objets proches ? Bonne question ! On peut imaginer que cette interaction est très faible et que la force de gravitation est dominante.

      Enfin pour la dernière question, je ne sais pas trop quoi vous répondre. Vous considérez un univers pratiquement vide, or le principe de Mach n'a pas de sens dans un univers vide (non rempli de matière distribuée de façon à peu près isotrope et homogène). De plus, ceci va dépendre de la distance entre les objets. Proche, la gravitation prend le relais. Loin, c'est comme si l'univers était vide du point de vue de chaque objet.

      En conclusion, vous m'avez posé une colle ! 🙂
      Vous avez touché du doigt les problèmes immenses de conception que soulève ce principe. Les réponses que je vous ai données ne sont pas forcément vraies, se sont seulement des explications que l'on ne peut pas contredire dans l'état actuel de nos connaissances. C'est d'ailleurs ainsi que fonctionnent la plupart des théories. On les considère vraies jusqu'à preuve du contraire 🙂

      Alors je vous laisse le choix d'accepter mes réponses ou d'en proposer de nouvelles qui ne sont pas compatibles avec les miennes. Toutes sont valables tant qu'on ne peut pas les vérifier expérimentalement. 🙂