2005 a été déclarée par l’UNESCO, « Année mondiale de la physique ». 2005 est également le centenaire de trois des découvertes majeures d’Albert Einstein qui ont révolutionné notre conception du monde physique et ont ouvert la voie à de nombreuses inventions et applications techniques.
Le 31 décembre 1999, le magazine Time faisait d’Albert Einstein (1879 – 1955) la « personnalité du siècle » à partir d’une sélection de dizaines de personnalités. Dans l’imaginaire collectif de ce début de 21ème siècle, se détachent Einstein et Che Guevara comme références positives à la révolution. C’est tellement vrai que Science et Vie Junior, janvier 2005, mélange en couverture le portrait de ces deux géants. Dans cet article, nous nous attacherons à survoler les réalisations scientifiques d’Einstein. Dans un prochain article, nous présenterons Einstein comme un intellectuel engagé.
Albert Einstein est né à Ulm (Allemagne) en 1879. Il étudie à l’Ecole polytechnique de Zurich (Suisse) entre 1896 et 1900. Jusqu’en 1902, il occupe des emplois instables. En 1896, il perd sa nationalité allemande et restera apatride pendant cinq ans. En 1901, il devient citoyen suisse.
Il est alors nommé expert au bureau des brevets à Berne (Suisse), poste qu’il occupera jusqu’en1908. Malgré ses huit heures quotidiennes au bureau des brevets, Einstein a produit des résultats qui ont révolutionné la physique. C’est seulement en 1909 qu’il obtient un emploi de professeur à l’Université de Zurich.
Les découvertes scientifiques majeures d’Einstein ont été réalisées entre 1904 et 1924, entre 25 ans et 45 ans, avec deux pics, en 1905 et 1916.
En 1904, Einstein s’attaque à trois questions centrales de la physique du début du 20ème siècle : (1) comment expliquer l’interaction (c.- à.-d. l’influence mutuelle) entre la lumière et la matière ? (2) comment comprendre les phénomènes macroscopiques – directement perçus par nos sens – à partir des phénomènes microscopiques (les atomes et molécules et leurs interactions) ? (3) comment concevoir et traiter les trois grandeurs fondamentales que sont la longueur, le temps et la masse, en tenant compte des derniers développements la physique.
Le 17 mars 1905, Einstein achève son article sur l’effet photoélectrique, c’est-à-dire sur la propriété qu’ont certains métaux d’émettre des électrons sous l’effet de certaines radiations lumineuses. Il montre que cette propriété ne peut s’expliquer que si on admet que les radiations lumineuses sont constituées de minuscules paquets d’énergie ou « quanta » d’énergie, qui seront identifiés plus tard à des particules, baptisées « photons ».
La loi de l’effet photoélectrique, formulée par Einstein, est à la base de multiples phénomènes d’interaction électron-photon: ouverture automatique de portes, allumage automatique des lumières quand il fait sombre, contrôle de la densité de toner dans les photocopieuses, détermination du temps d’exposition pour appareils photos, détecteur d’alcool dans l’haleine, photomultiplicateurs dans les caméras de TV, cellules photovoltaïques pour transformer la lumière du soleil en électricité afin de faire fonctionner des ampoules électriques, des calculettes, l’appareillage dans les satellites ou les tracteurs sur Mars.
Le 30 avril, Einstein achève la rédaction de sa thèse, « Sur une nouvelle détermination des dimensions moléculaires »
Le 11 mai, la célèbre revue Annalen der Physik reçoit son premier article sur le mouvement brownien. Au début du 19ème siècle le médecin Robert Brown est le premier à observer le mouvement incessant de particules microscopiques (comme certaines semences très légères) en suspension dans un liquide ou dans un gaz. Einstein peut mathématiquement expliquer ce mouvement par l’agitation des molécules du fluide qui sont des milliers de fois plus petites que ces particules microscopiques en suspension. C’est le début de la physique moléculaire aux applications multiples notamment en biologie.
Le 30 juin, Annalen der Physik reçoit le premier article d’Einstein sur la relativité restreinte. Elle est appelée restreinte parce qu’elle n’englobe pas les phénomènes qui font intervenir la gravitation (contrairement à la relativité générale découverte par Einstein en 1915-1916). C’est une révolution des conceptions sur l’espace et le temps. Sans pouvoir entrer dans les détails, disons que cette théorie implique que le temps ne s’écoule pas de la même façon pour des corps physiques en mouvement les uns par rapport autres! Bien sûr, il est impossible de s’en rendre compte dans la vie de tous les jours, mais cette conséquence est bien vérifiée pour des corps dont les vitesses sont très grandes, par exemple si on compare le temps mesuré dans une navette spatiale et le temps sur la Terre.
Le 27 septembre, Annalen der Physik reçoit son second article sur la relativité restreinte. Il contient la fameuse formule E = m x c_ où E est l’énergie d’un corps, m est sa masse et c est la vitesse de la lumière. La conséquence principale de cette formule tant médiatisée est que la matière peut se transformer en énergie et vice versa. De la matière peut donc bien disparaître, mais dans ce cas, il apparaîtra de l’énergie. La phrase célèbre du chimiste Lavoisier (« rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ») ne reste donc valable que si on se rappelle que l’énergie, ce n’est pas « rien ».
Le 19 décembre Annalen der Physik reçoit le deuxième article d’Einstein sur le mouvement brownien.
Il est facile de comprendre pourquoi 1905 est appelée « année miraculeuse » du point de vue de la physique.
A partir de 1907 jusqu’en 1916, Einstein met au point la théorie de la relativité générale. De quoi s’agit-il ? D’une révision de la théorie de la gravitation de Newton. Celle-ci impliquait des actions à distance entre les objets. Prenons un exemple. Si la Lune tourne autour de la Terre, c’est parce que cette dernière exerce une attraction sur elle, dit Newton. Mais il se rendait compte lui-même qu’il y avait un problème : aucune corde ne relie la Terre à la Lune, comment diable cette attraction s’exerce-t-elle ? Pour expliquer comment la théorie d’Einstein en rend compte, faisons une analogie. Imaginons la toile d’un trampoline et déposons-y une bille. Qu’observons-nous ? Rien. La bille reste sur place. Et si nous lui donnons une impulsion au départ, elle se déplace en ligne droite. Plaçons maintenant une grosse boule sur la toile du trampoline. Celle-ci est alors déformée. Si nous y déposons maintenant une bille, nous observons que cette bille est immédiatement entraînée dans le trou créé par la grosse boule et qu’elle tombe donc vers celle-ci. Si nous donnons une impulsion suffisamment forte à la bille, nous pouvons constater qu’elle se met à tourner autour de la boule. Sa vitesse plus la déformation de la toile entraînent une rotation. En gros, c’est de cette manière qu’on explique la rotation de la Lune autour de la Terre dans le cadre de la relativité générale. Le trampoline, c’est l’espace (il faut donc imaginer une toile à 3 et non pas 2 dimensions ce qui demande il est vrai un effort important d’imagination). La grosse boule c’est la Terre et la bille c’est la Lune. Bien évidemment, tous les mouvements à grande échelle dans l’Univers s’expliquent de la même manière. Il n’y a plus besoin d’invoquer des actions à distance. On dit que la présence de masses déforme l’espace (ou plus exactement l’espace-temps). De nouveau, la théorie de la gravitation de Newton reste une excellente approximation pour les phénomènes qui impliquent des vitesses faibles par rapport à celle de la lumière et des situations où la densité de matière n’est pas extrêmement grande. La réflexion d’Einstein sur la théorie de la relativité avait commencé sur des questions du type : comment synchroniser des horloges en des lieux différents ? que veut dire que deux événements sont simultanés pour des observateurs en mouvement ? C’est parce qu’il est possible de répondre précisément à ces questions que le GPS peut fonctionner correctement [ Le GPS (global positioning system) est le système américain de navigation et de localisation par satellites. Le système européen Galileo correspondant sera opérationnel en 2008]. Il faut en effet tenir compte du fait que le temps mesuré sur un satellite en mouvement autour de Terre par rapport à celui mesuré sur la Terre doit être corrigé parce que le satellite est en mouvement par rapport à la Terre et parce qu’il subit l’attraction gravitationnelle de la Terre.
Début novembre 1911, l’industriel belge Solvay, magnat de l’industrie chimique, organise le premier et historique congrès international de physique à Bruxelles où participent les plus célèbres physiciens de l’époque comme Marie Curie, Hendrik Lorentz, Raymond Poincaré et Max Planck . Einstein est le plus jeune participant.
Début 1914, Einstein s’installe à Berlin où il vient de recevoir un poste prestigieux à l’Académie des sciences de Prusse.
Le 20 mars 1916, les Annalen der Physik reçoivent son premier exposé systématique sur la relativité générale. Il va en tirer les conséquences dans différents articles jusqu’en février 1918.
A partir de juillet 1916 et pendant les huit mois suivants, il publie trois articles qui expliquent non seulement l’émission et l’absorption spontanée du rayonnement par les atomes mais aussi le mécanisme dit de l’émission induite. C’est à partir de là qu’ont été découverts les lasers. Sans eux ni lecteurs de DVD ou de CD !
Durant la 1ère guerre mondiale, Einstein – toujours de nationalité suisse – fut une des deux exceptions, parmi les plus grands représentants de l’art et de la science en Allemagne qui refusa de signer le fameux Manifeste des 92 intellectuels allemands qui avait été rédigé à l’instigation du gouvernement allemand. Ce manifeste déclarait notamment : « La culture allemande et le militarisme allemand sont identiques». Il était impossible pour Einstein de se confondre avec ce militarisme intégral qu’il avait en aversion depuis l’enfance. Einstein, contrairement à ses collègues, ne participa pas à l’effort de guerre. Il est vrai qu’il était protégé par sa nationalité suisse.
Le 29 mai 1919, une éclipse totale du soleil, dans l’hémisphère sud, donne l’occasion, aux scientifiques britanniques, de vérifier la théorie de la relativité générale qui prédisait que les rayons lumineux provenant d’étoiles lointaines seraient déviés s’ils passaient aux abords du soleil. Après dépouillement des données, il est annoncé début novembre que les observations de mai confirment les prédictions d’Einstein. Le 7 novembre, le Times de Londres titre : « Révolution en sciences – Une nouvelle théorie de l’Univers – Les conceptions newtoniennes sont détrônées ». Le 10 novembre 1919, le New York Times annonce : « La lumière va de travers dans le ciel – Triomphe de la Théorie d’Einstein ». C’est alors qu’Einstein devient une star mondialement connue. Il commence alors à publier des articles non scientifiques, prend publiquement des positions politiques. Il est invité partout, sur tous les continents. L’extrême droite allemande, sur fond de racisme anti-juif, commence ses attaques contre tous les apports d’Einstein.
En 1922, il reçoit le prix Nobel « pour ses contributions à la physique théorique et particulièrement pour sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique »
La dernière grande contribution d’Einstein à la physique mérite d’être conté. En 1924, il reçoit un manuscrit (écrit en anglais) d’un physicien inconnu de Calcutta (l’Inde est alors une colonie britannique), Satyendranath Bose. Einstein voit immédiatement que Bose a découvert une loi importante sur la manière dont se comporte une collection de photons dans certaines circonstances. Il traduit l’article en allemand, la langue scientifique la plus utilisée de l’époque, et le fait publier dans Annalen der Physik. Bose obtient ainsi une notoriété bien justifiée. Einstein approfondit et généralise les résultats de Bose. Depuis lors, on parle de statistique de Bose-Einstein, de condensation de Bose-Einstein et de particules élémentaires d’un certain type appelé bosons.
En 1927 le physicien mathématicien belge Georges Lemaître propose que l’Univers est en expansion. Pour en arriver là, il a appliqué la théorie de la relativité générale à l’Univers entier. Pour résoudre les équations très complexes de cette théorie, il a dû faire des hypothèses concernant l’Univers à grande échelle (homogénéité de l’espace par exemple). Il a ainsi pu utiliser une solution particulière de ces équations découverte indépendamment cinq ans auparavant par le météorologiste russe Alexandre Friedmann.
En 1929, l’astrophysicien américain Edwin Hubble confirme que les galaxies (il y en a des milliards qui contiennent des milliards d’étoiles) fuient notre propre galaxie d’autant plus vite qu’elles sont éloignées de nous (ou plus exactement, ce ne sont pas les galaxies qui nous fuient mais l’espace tout entier qui se dilate). Cinq ans plus tard, Lemaître propose ce qui allait être connu comme l’hypothèse du Big-bang.
Copernic et Galilée ont démontré à la face du monde que la Terre n’est pas le centre du monde. Nous savons aujourd’hui que le Soleil n’est qu’une étoile parmi des milliards d’autres, que notre galaxie (La voie lactée) n’est qu’une galaxie parmi des milliards d’autres. La relativité générale d’Einstein a permis de mieux comprendre cela.
Albert Einstein est mort en 1955 à Princeton. Nous nous proposons dans un prochain article de mettre en lumière les prises de position d’Einstein prises surtout après 1924 dans différents domaines : à propos du racisme anti-juif des Nazis, sur la Palestine, sur Israël, sur les relations entre israéliens et palestiniens, sur le mouvement pacifiste après la deuxième Guerre mondiale, sur la vague anticommuniste qui a déferlé aux Etats-Unis après la deuxième Guerre mondiale, sur le capitalisme et le socialisme. Il est également intéressant de comprendre pourquoi Einstein a été tour à tour ou simultanément taxé de matérialiste et d’idéaliste, de théiste et d’agnostique, de sioniste et d’antisioniste, etc.
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Quelques citations d’Einstein
Elles peuvent nous donner une première approximation de sa personnalité
« Croire en un monde extérieur indépendant du sujet qui le perçoit constitue la base de toute science de la nature »
« La chose la plus incompréhensible du monde, c’est que le monde est compréhensible »
« Le nationalisme est une maladie infantile. C’est la rougeole du genre humain »
« Ce qui fait la vraie valeur d’un être humain, c’est de s’être délivré de son petit moi »
« Le monde ne sera pas détruit par ceux qui font le mal, mais par ceux qui les regardent sans rien faire »
« Je vois les hommes se différencier par les classes sociales et, je le sais, rien ne les justifie si ce n’est la violence »
« Je suis convaincu qu’il n’y a qu’un seul moyen d’éliminer ces maux graves [de la société capitaliste], à savoir l’établissement d’une économie socialiste, accompagnée d’un système d’éducation orienté vers des buts sociaux »
Einstein humoriste :
« La théorie, c’est quand on sait tout et que rien ne fonctionne. La pratique, c’est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi. Ici, nous avons réuni théorie et pratique : rien ne fonctionne … et personne ne sait pourquoi ! »
Le 14 janvier 1954, à l’âge de 75 ans, en pleine hystérie anticommuniste aux Etats-Unis, Einstein écrit: « La “menace communiste” est utilisée ici par les politiciens réactionnaires, comme prétexte à masquer leur attaque des droits civiques. Le peuple est trop mal guidé, les intellectuels trop timides pour être capables de défendre efficacement leurs droits constitutionnels. (…) Nous avons fait un grand pas vers l’établissement d’un régime fasciste. La similitude entre les conditions générales ici et dans l’Allemagne de 1932 est tout à fait apparente. Qu’arriverait-il, si, de surcroît, la redoutable dépression économique venait réellement à se produire! »
[1932: c’est l’année où Einstein fuit l’Allemagne, menacé par les Nazis].
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Einstein : Sur la méthode de la physique théorique
« Si vous voulez étudier chez l’un quelconque des physiciens théoriciens les méthode qu’il utilise, je vous suggère de vous tenir à ce principe de base : n’accordez aucun crédit à ce qu’il dit mais jugez ce qu’il a produit ! [….]
Gardons présent à l’esprit le rapport essentiel unissant le discours théorique à l’ensemble des faits expérimentaux. Il s’agit bien de cette éternelle confrontation entre les deux composantes de notre savoir en physique théorique : empirisme et raison. […]
(Dans la Grèce antique), pour la première fois, a été inventé ce chef-d’oeuvre de la pensée humaine, un système logique, c’est-à-dire tel que les propositions se déduisent les unes des autres avec une telle exactitude qu’aucune démonstration ne provoque de doute. C’est le système de la géométrie d’Euclide. Cette composition admirable de la raison humaine autorise l’esprit à prendre confiance en lui-même pour toute activité nouvelle. […]
Mais pour atteindre une science décrivant la réalité, il manquait encore une deuxième base fondamentale qui, jusqu’à Kepler et Galilée, resta ignorée de l’ensemble des philosophes. Car la pensée logique, par elle-même, ne peut offrir aucune connaissance tirée du monde de l’expérience. Or toute connaissance de la réalité vient de l’expérience et y renvoie. Et par le fait, des connaissances déduites par une voie strictement logique, seraient, face à la réalité, strictement vides. C’est ainsi que Galilée grâce à cette connaissance empirique, et surtout parce qu’il s’est violemment battu pour l’imposer, devient le père de la physique moderne et probablement de toutes les sciences de la nature en général.[…]
Donc, dans le système d’une physique théorique, nous déterminons une place pour la raison et pour l’expérience. La raison constitue la structure du système. Les résultats expérimentaux et leurs imbrications mutuelles peuvent trouver leur expression, grâce aux propositions déductives. Et c’est dans la possibilité d’une telle représentation que se situent exclusivement le sens et la logique de tout le système, et plus particulièrement , des concepts et des principes qui en forment les bases. »
Albert Einstein, Comment je vois le monde, Flammarion, 1979, p.129 – 131
Note. A la fin du 19ème siècle, dû au développement de la physique et des techniques, est généralement apparue la division du travail en physique entre physiciens expérimentateurs et théoriciens.
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Choix de références: Albert Einstein
En français
Chronologie de la vie d’Albert Einstein [http://cire.henri.free.fr/french/einstein_f/chronologie_einstein.html]
Abraham Pais, Albert Einstein. La vie et l’œuvre. « Subtil est le Seigneur »
InterEditions, 1993
Cet ouvrage historique et scientifique est un chef d’œuvre. Les parties scientifiques sont regroupées dans certains chapitres, ce qui rend cet ouvrage lisible pour les non scientifiques
Philippe Frank, Einstein. Sa vie et son temps
Albin Michel, 1951 ; Flammarion, 1991
Excellente biographie
Albert Einstein, La Relativité
petite biblothèque payot, 1979
Albert Einstein nous montre comment il est arrivé à construire la relativité restreinte, puis générale. C’est surtout de manière intuitive que l’auteur nous introduit à la relativité
Albert Einstein, La théorie de la relativité restreinte et générale
Dunod, 2004
Albert Einstein, Pourquoi le socialisme?
Conceptions scientifiques, morales et sociales, Flammarion, Paris, 1952, pp. 125-132.
Flammarion, 1979
Albert Einstein, Conceptions scientifiques
Flammarion, 1989
Albert Einstein, Physique, philosophie, politique
Seuil, 2002
Albert Einstein, Comment je vois le monde ?
Quelques exemple des conceptions philosophiques d’Albert Einstein.
http://www.bellamyjc.net/fr/alberteinstein.html
Manifeste Russell-Einstein
Lettre pour l’abolition des armes nucléaires qui fut signées par plusieurs scientifiques célèbres (23 décembre 1954)
http://radio-canada.ca/par4/_Notas/manifeste_russell_einstein.htm
Einstein, 100 ans de révolution
Science et Vie, Junior, hors-série n°59, janvier 2005
L’héritage Einstein 1905 – 2005 – Un siècle de physique
Les Dossiers de La Recherche, février – avril 2005
Einstein : Dossier
Pour la Science, décembre 2004
Peter Galison, Einstein – Poincaré, Deux savants pour la relativité
La Recherche, février 2005, p.42
La vitesse de la lumière
Avec une section sur la relativité (niveau : école secondaire)
http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/Entreepar_theme/generalites/Vlumiere
Sur la relativité restreinte
Courte introduction
http://www.astronomes.com/c3_mort/p332_relrestr.html
Sur la relativité générale
Courte introduction
http://www.astronomes.com/c3_mort/p336_relgen.html
Jean-Pierre Luminet, L’invention du Big Bang
L’astronome Jean-Pierre Luminet dresse un historique de la cosmologie relativiste.
http://www.luth.obspm.fr/~luminet/Books/FL.html
En anglais
Archives Albert Einstein – Hebrew University
Banques de données qui rassemble 43 000 écrits de et sur Albert Einstein
http://www.albert-einstein.org/.index.html
Albert Einstein: short biography
http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Einstein.html
Abraham Pais, Subtle is the Lord : The Science and Life of Albert Einstein
Oxford University Press, 1982
American Museum of Natural History
Exposition grand public sur Einstein organisée par thèmes: vie, lumière, temps, énergie, gravité, paix et guerre, etc.
http://www.amnh.org/exhibitions/einstein/
American Institute of Physics, Image and Impact
Exposition virtuelle sur Einstein conçue selon l’ordre chronologique, avec de nombreuses photographies et de courts essais d’historiens des sciences
http://www.aip.org/history/einstein/
Retombées pratiques des théories d’Einstein
Des Rayons X aux écrans d’ordinateurs portable : une exposition grand public sur les retombées pratiques des théories d’Einstein
http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
Einstein : Dossier
Scientific American, septembre 2004
numéro entièrement consacré à l’oeuvre d’Einstein, à son influence et à ses retombées
Matthew Chalmers, Five papers that shook the world
Physics World, January 2005
http://physicsweb.org/articles/world/18/1/2/1
Mark Haw, Einstein’s random walk
Physics World, January 2005
http://physicsweb.org/articles/world/18/1/3
Albert Einstein, Relativity : the Special and General Theory
www.bartleby.com/173
Albert Einstein, Fundamental Ideas and Problems of the Theory of Relativity
Nobel Lectures, July 11, 1923
http://nobelprize.org/physics/laureates/1921/einstein-lecture.html
Albert Einstein, Why socialism ?
Monthly Review, May 1949
http://www.monthlyreview.org/598einst.htm ; http://www.monthlyreview.org/nfte500.htm
Positions d’Einstein à propos de la Palestine et d’Israël
http://globalwebpost.com/farooqm/study_res/einstein/pais.html
http://globalwebpost.com/farooqm/study_res/einstein/falastin.html
http://globalwebpost.com/farooqm/study_res/einstein/nyt_letter.html
