A la lumière de l'Histoire

De fil en onde

Après l’électricité domestique, la TSF a révolutionné le quotidien. Elle doit
beaucoup à la concurrence d’une myriade de scientifiques expérimentateurs.
par Stéphane LE GARS, chercheur associé au centre François-Viète de l’Université de Nantes et enseignant en physique au lycée Notre-Dame de Toutes-Aides à Nantes

Au début du XIXe siècle, alors que nul n’imagine l’électricité et le magnétisme capables d’interagir, Hans Christian Ørsted montre qu’un courant électrique génère un champ magnétique. Le rapport entre ces deux phénomènes est approfondi notamment par André-Marie Ampère et Michael Faraday, puis, en 1865, James Clerk Maxwell prévoit théoriquement l’existence d’ondes électromagnétiques (oscillations couplées des champs électrique et magnétique) dont la lumière doit être, selon lui, l’une des manifestations. C’est le temps de l’unification des phénomènes électriques, magnétiques et optiques.

De l’électricité dans l’air !

En 1887, Heinrich Hertz parvient à générer et à détecter les ondes prédites par Maxwell grâce à un dispositif électrique novateur : un « excitateur » (ou « éclateur ») produit une étincelle et celle-ci entraîne une propagation d’oscillations électriques dans l’air ; un récepteur situé quelques mètres plus loin témoigne de l’existence de cette propagation en produisant également une étincelle. Ce dispositif est amélioré par bon nombre de scientifiques, mais aucun d’entre eux n’a semblé envisager rapidement une quelconque application pratique, excepté Guglielmo Marconi.

En combinant différents appareils déjà mis au point (l’émetteur de Hertz, l’antenne d’Alexander Popov et le récepteur d’Édouard Branly), Marconi crée le premier système de télégraphie sans fil (TSF) opérationnel. Après ses succès sur quelques centaines de mètres puis d’un bord à l’autre de la Manche, il réalise, en 1901, la première transmission transatlantique. Cette dernière expérience, qui semblait pourtant impossible en raison de la courbure de la Terre, conduit à supposer l’existence d’une couche atmosphérique ionisée par les radiations solaires et capable de réfléchir les ondes radio : l’ionosphère. À la même époque, d’autres catégories d’ondes électromagnétiques sont mises en évidence, comme les rayons X utilisés en médecine dès 1895 (radiographie) ou les rayons g de la radioactivité.

Un monde rempli d’ondes

Entrepreneur remarquable, Marconi crée sa société et met sa technologie au service des militaires, notamment de la marine. Si la TSF n’est pas l’oeuvre d’un seul homme, le prix Nobel de physique lui sera néanmoins décerné en 1909, conjointement à Ferdinand Braun.

Pour l’heure, la technologie ne permet encore que la transmission de signaux simples tels que le morse ; un foisonnement d’expériences vise à améliorer les capacités de communication. Grâce à l’alternateur haute fréquence de Nikola Tesla, expérimentateur des plus prolifiques qui revendiquera longtemps la paternité du premier système radio, il devient possible d’émettre en continu et sur de longues distances des ondes « entretenues », dont les caractéristiques et la modulation d’amplitude vont notamment permettre la transmission de la voix.

En 1920, Marconi s’intéresse aux ondes courtes (lesquelles se réfléchissent plus efficacement sur l’ionosphère et ont ainsi une portée plus grande que les ondes longues) ; il développe la radiotéléphonie et la radiodiffusion. Le 15 juin, le monde entier réalise les possibilités offertes par la « radio » à l’écoute du concert de la cantatrice Nellie Melba diffusé en Angleterre, en France, en Norvège, en Italie et jusqu’en Perse.

Le rayonnement électromagnétique est alors décrit comme la propagation d’une onde, mais la physique quantique va apporter un nouveau bouleversement conceptuel : il peut aussi être décrit comme celle d’une particule, le photon, ou « quantum de lumière » selon Einstein en 1905. Ce fait est troublant mais il donnera lieu, dans les années 40, à une théorie physique de l’interaction électromagnétique remarquablement cohérente, l’électrodynamique quantique, qui régit aussi les liens entre les noyaux atomiques (de charge positive) et les électrons (de charge négative) ainsi qu’entre les atomes. La lumière est ainsi devenue un phénomène de même nature que la cohésion des matériaux qui nous entourent !

Depuis l’invention de la TSF, des applications utilisant les ondes électromagnétiques ne cessent de voir le jour : radar, télévision, laser, IRM (imagerie par résonance magnétique nucléaire), téléphone portable, GPS, Wi-Fi... Leur multiplication donne aujourd’hui l’impression de vivre dans un environnement saturé d’ondes dont l’impact possible sur la santé humaine suscite l’inquiétude.

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