During our last SPS annual meeting in Geneva in spring 2008 we enjoyed a beautiful tour of the ‘Musée d’Histoire des Sciences’ with all its impressive, historical experimental apparatus. Some of us additionally had the great pleasure to meet Prof. Jan Lacki, who directed our interest to a modest smiling man sitting in the first row on the famous photo of the Solvay conference 1927, Charles-Eugène Guye, a physicist of Geneva. His experimental studies to verify the relativistic mass formula with cathode rays, but also his relation to Albert Einstein make him to a historical ‘man of the first row’, and we asked Prof. Lacki to tell us more about him and about this exciting time of substantial changes in our physical understanding.
Bernhard Braunecker, SPG-Sekretär
Editors Note: A corresponding article written in English by J. Lacki and Y. Karim has been published in "Archives des Sciences". It is available here.
Charles Eugène Guye et la relativité
1ère rangée, 3e depuis la droite: Charles-Eugène Guye. Source: Wikipedia
La photographie officielle des participants à la 5e conférence Solvay de 1927 est connue de la plupart des physiciens. Elle appartient à la grande histoire de la physique du XXe siècle. Faisant côtoyer les sommités Einstein, Bohr, Planck, Lorentz, Curie avec une plus jeune génération des Dirac, Heisenberg, Pauli et Schrödinger, elle réunit la crème de la crème de la physique mondiale de l’époque. Tous les acteurs de cette histoire ont contribué à façonner la physique du XXe siècle, et si, pour certains, leur visage ne nous est pas familier, les équations ou les découvertes expérimentales qui portent leur nom le sont certainement. L’homme assis à la gauche d’Einstein, à seulement deux places de lui, semble être une exception. Charles-Eugène Guye, d’après la légende, n’évoque pas grand chose pour la plupart de physiciens contemporains, et même pour ceux qui sont suisses. Il fut pourtant un acteur de premier plan de la physique de l’époque, et sa place dans cet auguste assemblé n’est pas le fruit du hasard.
Guye doit sa célébrité à la série d’expériences sur la variation de la masse inertielle des électrons avec leur vitesse qu’il mena, aidé de ses collaborateurs Simon Ratnowsky et Charles Lavanchy dans les années 1907-1915 à l’Université de Genève. Ces expériences furent saluées à l’époque comme la meilleure preuve expérimentale de la dépendance de la masse inertielle de la vitesse prévue par la relativité restreinte d’Einstein. Son mérite ne s’arrête cependant pas à cette seule contribution expérimente: Guye appartient à la poignée des physiciens qui surent comprendre, avant que le reste de la communauté ne suive, la véritable portée de la théorie d’Einstein. En contribuant de manière notoire à la diffusion et à la promotion d’une théorie physique majeure du XXe siècle, Guye prend une place de choix dans l’histoire de la relativité. Pour apprécier au mieux le flair et l’intuition de Guye, il nous faut nous pencher sur les premières années de la relativité.
Dans les premières années suivant sa formulation, la théorie d'Einstein peine à se démarquer de la théorie "classique" de Lorentz, et son caractère novateur n’est pas, à quelques exceptions près, clairement perçu. L’article d’Einstein de 1905 s’inscrit, aux yeux de la communauté, dans la longue série de travaux qui examinent la problématique de l’électrodynamique de corps en mouvement par rapport à l’éther, supposé absolument fixe (c’est d’ailleurs le titre de la contribution d’Einstein). A la fin du siècle, certains de ces travaux se placent dans un programme encore plus ambitieux qui explore la possibilité de réduire la mécanique à l’électrodynamique en montrant que la masse inertielle est d’origine purement électrodynamique.
En 1881 en effet, J. J. Thomson1 suggérait déjà que la masse inertielle pourrait avoir pour origine le champ électromagnétique produit par le déplacement des charges et agissant en retour sur ces mêmes charges. Oliver Heaviside2, en 1889, développait les calculs de Thomson et concluait à une augmentation de la masse avec la vitesse. En 1897, George Frederick Charles Searle3 calculait l’énergie totale d’une sphère chargée uniformément en surface et en mouvement rectiligne uniforme par rapport à l’éther; il montrait ainsi que cette énergie (réinterprétable en termes de masse), augmentait avec la vitesse. Quand Wien propose explicitement en 1900 la possibilité de fonder la mécanique sur des bases électromagnétiques4, il prône la mise en place d’une étude expérimentale plus systématique de la question5. Certes, les mesures de Philipp Lenard6 du rapport de la charge à la masse des rayons cathodiques, accélérés jusqu’à des vitesses de l’ordre du tiers de celle de la lumière, montraient déjà une augmentation de la masse avec la vitesse. Cependant, ces mesures n’étaient ni assez précises, ni en nombre suffisant pour permettre des conclusions définitives. Les études systématiques débutent en 1901 avec les célèbres expériences de Walter Kaufmann, expérimentateur de renom de l’Université de Göttingen, qui travaillait avec des rayons bêta issus de sels de radium. En 1902, le théoricien et collègue de Kaufmann, Max Abraham7, propose une théorie entièrement électromagnétique de la masse de l’électron, et introduit les termes «masse transversale» et «masse longitudinale». Kaufmann réinterprète ses propres résultats et conclut qu’ils s’accordent avec les calculs d’Abraham. Durant les années suivantes, Kaufmann affinera sa méthode et persistera dans ses conclusions. D’autres expériences, rivales, suggéreront cependant des conclusions opposées8.
Les valeurs expérimentales de Guye et les courbes théoriques de la théorie d'Abraham et de Lorentz-Einstein (tiré du mémoire de Guye de 1921).
Les théories que ces expériences tentent de départager sont en effet fondées sur deux conceptions opposées de l’électron. Celle d’Abraham défend l’idée d'un électron sphérique et rigide9, alors que Hendrik Lorentz conçoit l’électron comme déformable avec la vitesse, en accord avec la théorie de la contraction dite de Lorentz-FitzGerald10. Après 1905, le nom d'Einstein rejoindra celui de Lorentz, et l'on opposera la théorie de Lorentz-Einstein à celle d'Abraham. Comme l’indique cette appellation, l’article d’Einstein est alors perçu essentiellement comme une contribution à la problématique ouverte par Lorentz, et sa portée plus générale, celle qui fait pour nous aujourd’hui le sens de la relativité, n’est pas comprise sauf de quelques esprits en avance sur leur temps. Kaufmann concluait à la validité du modèle d’Abraham, mais ses conclusions étaient progressivement mises en doute par des analyses théoriques (C. Runge, M. Planck)11, et des expériences ultérieures comme celles d’Adolf Bestelmeyer (1906)12 et d’Alfred Bucherer (1908)13. L’histoire connaîtra de multiples rebondissements jusqu’à ce que les expériences de Neumann et, comme nous le verrons, de Guye, dans des gammes complémentaires de vitesses (Neumann 0.5c < v < 0.8c; Guye 0.2c < v < 0.5c), ne tranchent définitivement en faveur de la théorie de la relativité14.
Pour mieux comprendre l’implication de Guye dans ce débat, donnons ici quelques éléments de sa biographie. Charles-Eugène Guye naît à St-Christophe (Vaud) en 1866. Il est le frère de Philippe-Auguste, qui deviendra un chimistephysicien connu pour ses études de poids atomiques. Charles-Eugène étudie à Genève avec Jacques-Louis et Charles Soret, et effectue des travaux sur l’étude expérimentale de la polarisation rotatoire dans les cristaux et les liquides. Il soutient sa thèse, sur le même sujet, en 1889. En 1894, il quitte Genève pour l’EPFZ où il enseigne l’électricité et effectue des recherches sur les courants alternatifs, les générateurs, et les phénomènes d’hystérèse. D'assistant, Guye deviendra dans les dernières années de son séjour à Zurich professeur agrégé et chargé de cours. Il est intéressant de mentionner qu’il comptera le jeune Albert Einstein parmi ses étudiants. Guye retourne à Genève en 1900 pour occuper la chaire de physique expérimentale qu’il gardera jusqu’à sa retraite en 1930. Il y poursuit une importante activité de recherche expérimentale dans les domaines de l’électricité, notamment sur les arcs électriques et les phénomènes d’induction. Il s’intéresse aussi à l’analyse et au perfectionnement d’appareils de mesure grâce auxquels il réalise des mesures de haute précision concernant la structure de la matière comme par exemple l’estimation des dimensions moléculaires.
Le coffret avec les deux tubes cathodiques utilisées par Guye (avec la permission du Musée d'Histoire des Sciences de Genève).
L’avènement de la théorie de l’électron de Hendrik Lorentz et de la théorie rivale de Max Abraham offre à Guye l’occasion d’investir son expérience des mesures de haute précision dans l’étude de la variation de la masse inertielle avec la vitesse. Le dispositif expérimental utilisé par Guye se base, comme c’est le cas des dispositifs de ses prédécesseurs, sur des faisceaux d’électrons dont on étudie la déviation dans des champs électriques et magnétiques. L’incurvation des trajectoires due aux deux forces permet de déduire la valeur de la masse inertielle en fonction de la vitesse. Chez Guye, les électrons sont accélérés dans un tube cathodique, et ne proviennent pas d’un rayonnement bêta comme chez Kaufmann, Bucherer, ou encore Neumann. L’originalité du dispositif de Guye, qui lui permit d’atteindre une précision inconnue jusquelà, réside essentiellement dans sa méthode dite des «trajectoires identiques». Celle-ci permet d’éviter de devoir connaître la géométrie des champs en tout point de la trajectoire, source notoire d’erreurs dans le cas de champs non uniformes15. Suite à une première série de 27 expériences (1907-1911), Guye constate le désaccord tranché de la formule d’Abraham avec ses résultats, mais ne s’estime pas encore en mesure de conclure à une vérification suffisante de la théorie de Lorentz-Einstein16. Il décide d’entreprendre une nouvelle série de mesures avec un dispositif amélioré. Celle-ci ne démarre qu’en 1913 car il doit entre-temps faire face à un surcroît de travail lié à ses nouvelles responsabilités de doyen de la Faculté des Sciences (dès 1910). Grâce à son nouveau dispositif, Guye obtient finalement la précision voulue: il annonce ses résultats dans une série de communications en Suisse et à l’étranger dès l’été 1915 17. Un mémoire plus détaillé, qui contient un aperçu de l’ensemble de ses travaux, ne paraîtra qu’en 1921, retardé par les circonstances de la guerre18.
Plus peut-être que sa réussite expérimentale, Guye mérite notre attention pour son rôle joué dans la reconnaissance de la relativité comme cadre général à nos conceptions physiques. Si au début de ses expériences Guye conçoit son travail comme une contribution à la problématique de la théorie de l’électron et l’origine électrodynamique de sa masse, son flair scientifique certain lui fera rapidement comprendre qu’il peut donner un sens plus général à sa corroboration de la théorie de Lorentz-Einstein, dépassant le cadre initial classique du programme lancé par Wien. Reconnaissant l’importance générale de la relativité, il finira même par présenter ses expériences comme non seulement une étude expérimentale des formules de la masse inertielle fonction de la vitesse, mais, selon ses propres mots, comme un test indirect de l'équivalence de la masse et de l'énergie. Guye compte donc légitimement parmi les acteurs majeurs du détachement conceptuel progressif de la relativité du cadre classique de la théorie de l'électron de Lorentz, et de sa pleine reconnaissance comme théorie fondamentale sous-tendant la physique moderne. Le fait que Guye soit à l’origine de l’attribution à Einstein de son premier doctorat honoris causa, par l’Université de Genève (1909), témoigne de la perspicacité de Guye qui a su rapidement voir en Einstein un des savants majeur de son temps. Einstein paya Guye en retour de sa reconnaissance. Le Musée d’Histoire des Sciences de Genève possède des pièces de l'échange épistolaire entre Guye et Einstein, encore inédites, qui témoignent des relations personnelles entre les deux hommes et de combien Einstein tenait en haute estime les contributions de Guye. Dans une lettre d’Einstein à Guye, datée du 18 avril 1922, on lit: «Wir haben uns hier im Seminar ausführlich mit Ihrer Arbeit über das Bewegungsgesetz der Elektronen beschäftigt und waren einstimmig der Meinung, dass Ihre Bestätigung der Theorie die präziseste von Allen ist.»
Durant sa carrière académique, riche de nombreuses publications (plus de 220) Charles-Eugène Guye a rempli des nombreuses fonctions et connut bien des honneurs. Doyen de la Faculté des Sciences de 1910 à 1914, il fut l’éditeur des Archives des Sciences et membre fondateur de la revue Helvetica Physica Acta, organe de la SSP ! Sur le plan international, Guye fut délégué par le Conseil Fédéral aux travaux de la Commission des Poids et Mesures, et participa aux colloques Solvay comme membre de l’Institut Solvay (1925-1934). Il fut nommé membre correspondant de l’Académie des Sciences de Paris en 1927 et reçut des nombreuses autres distinctions scientifiques et civiles. Dans les dernières années de son activité scientifique, Guye se passionna de plus en plus pour des questions d'histoire et d'histoire de sciences, et se livra aussi à des réflexions plus philosophiques comme en témoignent ses livres écrits dès les années 20 19.
Malgré l'importance manifeste du rôle de Guye dans l'acceptation et la rupture de la relativité avec la physique classique, sa contribution n'est pas reconnue à sa juste mesure par l'historiographie moderne. Les principales études ne voient dans ses travaux qu’un affinement des expériences de ses prédécesseurs, et parfois elles omettent simplement ses contributions20. Une thèse en cours à l’Université de Genève devrait remédier à ces oublis.21
Jan Lacki, Université de Genève
Notes
1 Thomson (1881)
2 Heaviside (1889)
3 Searle (1896, 1897)
4 Wien (1900)
5 Miller, 1981, section 1.8.
6 Lenard (1898, 1900)
7 Abraham (1902, 1903, 1904, 1905)
8 Miller 1981, section 1.9 et 12.4; voir aussi Cushing 1981 et Hon 1995.
9 Voir Goldberg 1970, Miller 1981, section 1.10.
10 Voir Schaffner 1969, Hirosige 1969, Miller 1981, section 1.12.
11 Runge 1903; Planck 1906, 1907.
12 Bestelmeyer 1907.
13 Bucherer 1904, 1905.
14 Voir note 16.
15 Voir la description donnée par Guye dans son mémoire de 1921 (Guye 1921).
16 Guye 1910.
17 Guye 1915.
18 Guye 1921.
19 Guye 1922, 1933, 1936, 1942.
20 A l’image de la brève mention de Guye par Miller (1981), p. 351.
21 Y. Karim, Les jeunes années de la relativité restreinte : Charles-Eugène Guye et les tests expérimentaux des formules de la masse relativiste (1907-1915).
L'auteur
Après des études de physique théorique à l’Université de Genève et une thèse de doctorat dans le domaine de la physique des hautes énergies, Jan Lacki travaille dans le domaine de théories de particules élémentaires et poursuit en parallèle son intérêt pour l’histoire et la philosophie de la physique qui progressivement deviendra son domaine d’activités principal. Il occupe aujourd’hui le poste de professeur d’histoire et de philosophie des sciences à l’Université de Genève. Ses intérêts portent en particulier sur l’histoire de la mécanique quantique, de la relativité, et leur impact sur la pensée philosophique contemporaine. Récemment, Jan Lacki a débuté un nouveau projet qui vise à étudier de manière systématique les aspects historiques et philosophiques de nombreux schémas d’approximation que la physique a continuellement mis en oeuvre depuis ses débuts à l’époque moderne jusqu’à ses théories contemporaines.
[Released: November 2008]
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