ONDES, physique

Inventée pour décrire les caractéristiques des vagues à la surface d’un plan d’eau, la notion d’onde joue depuis le xvii^e siècle un rôle central dans la compréhension de nombreux phénomènes physiques et dans la mise en équations mathématiques qui permet d’expliquer et de prédire le comportement de situations extrêmement diverses. Les phénomènes ondulatoires ont des caractéristiques communes qui les distinguent de façon essentielle des processus de collisions entre des corps. Les physiciens rendent compte de cette réalité en décrivant les ondes comme des objets moins localisés mais tout aussi réels que les corpuscules, soumis à des interactions spécifiques : diffraction, réflexion, réfraction et interférences. Particulièrement bien adaptée à la description des phénomènes sonores et lumineux, la physique des ondes est mathématiquement exprimée par des équations aux dérivées partielles, qui relient la variation temporelle de l’amplitude de l’onde à ses variations spatiales. En unifiant le concept d’onde et celui de particule, la physique quantique a permis de décrire de façon précise le comportement étonnant de la matière subatomique.

L’onde comme ébranlement d’un milieu

Les vaguelettes produites par la chute d’un objet ou par le passage d’un bateau à la surface calme d’un étang sont un exemple simple permettant de visualiser une onde mécanique. Dans cet exemple, les molécules d’eau initialement au repos réagissent à une impulsion en adoptant un comportement collectif caractérisé par un mouvement de va-et-vient vertical créant alternativement des crêtes et des creux qui se répètent un grand nombre de fois ; ce mouvement s’atténue graduellement avant de disparaître. On peut faire deux observations : si on néglige les effets d’atténuation, ce qui se passe à un moment est semblable à ce qui se passe un peu plus tard (c’est ce qu’on appelle la périodicité temporelle) et ce qui se passe à un endroit est semblable à ce qui se passe à un autre endroit (c’est la périodicité spatiale). Ce caractère périodique est présent dans la plupart des cas et permet de définir la fréquence d’une onde (mesurée en hertz) comme le nombre de répétitions du phénomène par seconde (et donc comme l’inverse de la période temporelle). On définit aussi la longueur d’onde comme la distance séparant deux crêtes successives (ou deux creux successifs). La vitesse de déplacement de ces crêtes est appelée vitesse de phase de l’onde. Dans l’exemple des vaguelettes, l’onde est dite transversale car le mouvement de l’eau est vertical donc transverse (c’est-à-dire perpendiculaire) à la direction horizontale de propagation de l’onde. Dans le cas des ondes sonores, l’onde est dite longitudinale, le mouvement de va-et-vient du fluide transmettant le son étant parallèle à la direction de propagation de l’onde. Dans les deux cas, il faut soigneusement distinguer les mouvements de matière dont l’amplitude est faible de la propagation de l’onde et donc du transport d’énergie qui affecte de grandes distances. Une caractéristique essentielle des ondes est en effet qu’elles transportent de l’énergie sans transporter de matière, contrairement aux mouvements balistiques dans lesquels l’énergie transportée est principalement l’énergie cinétique des projectiles. Une onde mécanique est ainsi l’ébranlement d’un milieu, qui peut être liquide, solide ou gazeux. La présence et les caractéristiques de ce milieu sont essentielles pour comprendre la propagation de l’onde ; l’impossibilité des phénomènes sonores dans le vide est une démonstration claire de ce fait. La vision classique des ondes lumineuses, ou plus généralement électromagnétiques, appelait « éther » le milieu ébranlé. La vision moderne de l’électromagnétisme récuse la réalité de l’éther en considérant que les ondes électromagnétiques peuvent se propager aussi bien dans le vide que dans l’air ou tout autre milieu. La notion d’ébranlement du milieu[...]