Einstein, Albert - physicien.

Einstein, Albert - physicien. 1 PRÉSENTATION Einstein, Albert (1879-1955), physicien américain d'origine allemande, surtout connu comme le créateur des théories de la relativité restreinte et générale. 2 JEUNESSE D'EINSTEIN Né à Ulm, Albert Einstein passe sa jeunesse à Munich, où sa famille possède un petit atelier de fabrication de machines électriques. Dès le plus jeune âge, il fait preuve d'une intense curiosité, montrant une aptitude remarquable à comprendre les concepts mathématiques les plus ardus. À 12 ans, il apprend seul les fondements de la géométrie euclidienne. Quand une faillite commerciale oblige sa famille à quitter l'Allemagne pour s'installer à Milan, Einstein suit ses parents en Italie durant un an, avant de partir à Munich pour y terminer ses études secondaires. Il entre ensuite, en 1896, à l'École polytechnique fédérale de Zurich, où il ne brille ni par ses résultats, ni par son assiduité aux cours. Il réussit néanmoins ses examens et obtient sa licence en 1900. Plutôt mal considéré par ses professeurs, Einstein n'est pas recommandé pour une place d'enseignant à l'université. Naturalisé suisse, il décroche en 1902 un poste à l'Office fédéral des brevets suisses de Berne. Il se marie l'année suivante avec Mileva Mari?, une ancienne camarade de classe de l'Institut polytechnique. 3 PREMIÈRES PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES En 1905, Einstein obtient son doctorat à l'université de Zurich pour une thèse théorique sur les dimensions des molécules. Il publie également cette année-là quatre articles théoriques qui se révéleront d'une importance capitale pour le développement de la physique du XXe siècle. Publiés dans la revue scientifique allemande Annalen der Physik, ses mémoires étaient ainsi titrés : Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière ; Sur le mouvement brownien ; Sur l'électrodynamique des corps en mouvement ; L'inertie d'un corps dépend-elle de son contenu en énergie ? 3.1 Effet photoélectrique Dans le premier article, Einstein donne une explication à l'effet photoélectrique en émettant l'hypothèse que la lumière est constituée de grains d'énergie, appelés par la suite photons. Il postule également que ces quanta doivent posséder une énergie proportionnelle à la fréquence du rayonnement, proposant la formule E = h u, où E représente l'énergie rayonnée, h la constante de Planck, et u la fréquence du photon. L'existence de ces photons ne sera confirmée que dix-huit ans plus tard par le physicien américain Arthur Compton, lors d'une expérience sur les rayons X. Einstein, dont l'intérêt premier est de comprendre la nature du rayonnement électromagnétique, contribue par la suite au développement de la théorie, élaborée par Louis de Broglie en 1923, qui reprend en les unifiant les modèles ondulatoire et corpusculaire de la lumière (voir dualité onde-particule). 3.2 Mouvement brownien Le deuxième article publié concerne l'étude du mouvement brownien, c'est-à-dire le mouvement aléatoire de particules en suspension dans un fluide. Faisant appel aux probabilités, Einstein y formule une description mathématique du phénomène. 3.3 Théorie de la relativité restreinte Dans le troisième article, de loin le plus célèbre, Einstein expose la théorie fondamentale de la relativité restreinte. Depuis l'époque de Newton, les scientifiques tentaient sans succès de relier les lois du mouvement aux lois de Maxwell dans le cadre d'une description unifiée du monde. Selon la conception mécaniste, les lois du mouvement devaient pouvoir expliquer la totalité des phénomènes, alors que, d'après les partisans de Maxwell, les lois de l'électricité devaient constituer le fondement de la physique. Mais ces deux grands ensembles théoriques demeuraient l'un et l'autre incapables de donner une explication cohérente de l'aspect que prend l'interaction de la lumière avec la matière dans différents repères inertiels, c'est-à-dire à une vitesse constante les uns par rapport aux autres. Au printemps 1905, Einstein se rend compte que le coeur du problème ne réside pas dans la théorie de la matière, mais dans la théorie de la mesure. Il est donc amené à réviser les notions de mesure d'espace et de temps, cela le conduit à développer une théorie fondée sur deux postulats : le principe de la relativité, stipulant que toutes les lois de la physique sont similaires dans tous les repères inertiels, et le principe de l'invariance de la vitesse de la lumière, énonçant que cette vitesse dans le vide est une constante universelle. Grâce à cette théorie, il est alors capable de donner une description logique et correcte des événements physiques dans des repères inertiels différents, sans devoir émettre pour autant des hypothèses particulières sur la nature de la matière ou du rayonnement, ou sur la façon dont ils interagissent. Le quatrième article qu'Einstein publie en 1905 correspond en fait à un corollaire du précédent : il y expose la notion nouvelle d'équivalence entre masse et énergie, introduisant la célèbre formule E = mc2. Voir lois de conservation. 4 RÉACTIONS DE LA COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE Les articles d'Einstein retiennent bien vite l'attention des grands scientifiques de l'époque, même si la plupart d'entre eux restèrent fort sceptiques. Le rejet global de ses théories n'est dû ni à leur complexité mathématique, ni à quelque obscurité technique, mais plutôt à l'approche même du sujet par Einstein. Adoptant, en effet, un point de vue très personnel sur la manière d'appréhender l'expérience et la théorie, celui-ci considère ainsi que l'expérience constitue la seule source de connaissance réelle, les théories scientifiques n'étant que des créations libres, produites par une intuition physique profonde. Il croit en outre que les prémisses sur lesquelles sont fondées les théories ne peuvent être reliées à l'expérimentation par la logique. Par conséquent, une théorie se montre valable à ses yeux si elle contient le strict minimum de postulats nécessaires à la justification d'une preuve physique. Cette rareté des postulats, caractéristique de toute l'oeuvre d'Einstein, peut expliquer pourquoi ses collègues sont si réticents à admettre ses théories. Toutefois, Einstein est quand même soutenu par d'éminents physiciens, à commencer par l'Allemand Max Planck. Acquérant rapidement une certaine reconnaissance au sein de la communauté scientifique, il participe à de nombreux congrès où il essaie de faire accepter la théorie de la relativité restreinte. Il se fait ainsi une place dans le monde universitaire germanophone, et obtient sa première affectation universitaire, en 1909, à l'université de Zurich. En 1911, il occupe un poste à l'université de Prague, avant de retourner l'année suivante à Zurich. En 1913, il accepte un poste de professeur de l'institut Kaiser-Wilhelm de physique à Berlin. 5 THÉORIE DE LA RELATIVITÉ GÉNÉRALE Avant son départ de l'Office des brevets, Einstein a déjà commencé à travailler à l'extension et à la généralisation de sa théorie de la relativité au-delà des seuls repères inertiels. Dans ce cadre, il énonce le principe d'équivalence, postulant que le champ de gravitation est équivalent à l'accélération, suivant le repère de référence dans lequel se situe l'observateur. Par ailleurs, il introduit le concept d'espace-temps, espace à quatre dimensions comprenant les trois dimensions de l'espace classique et le temps (voir géométrie dans l'espace). Cette abstraction mathématique lui permet d'étudier les interactions entre les corps dans un nouveau contexte, interactions attribuées jusque-là au champ gravitationnel. Publiée en 1916, la théorie de la relativité générale apparaît à bon nombre de physiciens comme une théorie plus philosophique que scientifique, voire quasi mystique. Pourtant, cette théorie permet à Einstein d'expliquer les variations du mouvement orbital de certaines planètes, mais également de prédire la courbure de la lumière des étoiles à proximité d'un corps massif comme le Soleil. La confirmation de ce dernier phénomène lors d'une éclipse solaire en 1919 accrédite les thèses d'Einstein, qui occupe dès lors le devant de la scène scientifique. Pendant le reste de sa vie, il tente de généraliser encore davantage sa théorie, travaillant à l'unification de l'électromagnétisme et de la gravitation, mais ses travaux ne sont pas couronnés de succès (voir théorie des champs unifiée). 6 THÉORIE DE BOSE-EINSTEIN Entre 1915 et 1930, la physique est dominée par une nouvelle conception du caractère fondamental de la matière, la théorie quantique. Cette théorie utilise la notion de dualité onde-particule, déjà avancée par Einstein dans un article de 1917, exposant que la lumière présente les propriétés d'une particule mais aussi celles d'une onde. Elle se fonde en outre sur le principe d'incertitude, élaboré par le physicien allemand Heisenberg, stipulant qu'il est impossible de connaître en même temps certaines quantités physiques, par exemple la position et la vitesse d'une particule. La théorie quantique, qui remet en cause la notion de causalité en physique, ne sera jamais totalement acceptée par Einstein, qui refuse d'abandonner tout déterminisme : « Dieu ne joue pas aux dés avec le monde «, affirme-t-il. Toutefois, il apporte sa contribution à cette théorie en étudiant le comportement des photons, faisant publier en 1924 un article du physicien indien Satyendranath Bose sur ce sujet. Collaborant avec ce dernier, il élabore la théorie statistique de Bose-Einstein, qui permet de décrire le comportement quantique des particules de spin entier appelées bosons. Sur la base de cette théorie, Einstein prédit que dans un gaz d'atomes identiques et sans interactions mutuelles, refroidi à une température suffisamment basse, une fraction importante des atomes devrait s'accumuler dans le même état quantique d'énergie minimale (état fondamental). Ce phénomène, connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein, est finalement observé en 1995 par Eric A. Cornell, Carl E. Wieman et Wolfgang Ketterle, qui obtiennent conjointement le prix Nobel de physique en 2001 pour leur confirmation de la prédiction d'Einstein et leurs études postérieures sur les propriétés des condensats de Bose-Einstein. 7 ANNÉES DE GLOIRE Après 1919, Einstein jouit d'une renommée internationale. Il accumule les honneurs et les récompenses, recevant en particulier en 1921 le prix Nobel de physique pour son étude de l'effet photoélectrique, et non pour la théorie de la relativité qui demeure encore très controversée. Sa visite dans n'importe quelle partie du monde devient alors un événement, photographes et journalistes le suivant partout dans ses déplacements. Il tire profit de sa renommée pour défendre ses conceptions sociales et politiques, s'illustrant notamment par l'appui qu'il apporte au pacifisme et au sionisme. 7.1 Einstein, adversaire du nazisme Pendant la Première Guerre mondiale, il fait partie du petit nombre d'universitaires allemands qui s'opposent publiquement au bellicisme de l'Allemagne. Après la guerre, son engagement en faveur des thèses pacifistes et sionistes en fait la cible privilégiée d'éléments antisémites et de l'extrême droite allemande. Même ses théories scientifiques font l'objet d'attaques publiques, et notamment la théorie de la relativité. Lorsque Hitler arrive au pouvoir en 1933, Einstein doit quitter l'Allemagne, émigrant tout d'abord à Paris, puis en Belgique, avant de s'installer à Princeton (États-Unis), où il occupe un poste à l'Institute for Advanced Study. Poursuivant ses efforts en faveur du sionisme, Einstein rompt avec le pacifisme devant la menace terrifiante que représente pour l'humanité le régime nazi. En 1939, à la demande d'autres physiciens, Einstein accepte d'écrire une lettre au président américain Franklin Roosevelt, le prévenant du danger auquel le monde serait exposé si le gouvernement allemand s'engageait dans la voie de l'énergie nucléaire. Cette fameuse lettre est à l'origine du projet Manhattan, programme américain de recherches visant à la construction d'une bombe atomique. Einstein ne joue cependant aucun rôle dans ce projet, à la différence de certains de ses confrères comme Enrico Fermi ou Niels Bohr. En 1945, lorsqu'il comprend que ce programme va aboutir, il prend même l'initiative d'écrire une nouvelle fois à Roosevelt pour le prier de renoncer à l'arme atomique. 7.2 Einstein, scientifique engagé Après la guerre, Einstein plaide en faveur du désarmement international mondial, tout en continuant à soutenir activement la cause d'Israël. Son engagement en faveur de causes sociales et politiques est parfois qualifié d'irréaliste. En fait, ses propositions sont toujours soigneusement élaborées. À l'instar de ses théories scientifiques, elles sont motivées par une puissante intuition, fondée sur une évaluation perspicace et profonde de la preuve et de l'observation. Même si Einstein consacre une grande partie de son temps à la défense de causes politiques et sociales, la science occupe toujours la première place dans ses travaux. En effet, il affirme constamment que seule la découverte de la nature de l'Univers aurait une signification durable. Parmi ses ouvrages de vulgarisation, il faut citer Fondements de la théorie de la relativité restreinte et généralisée (1916) ; À propos du sionisme (1931) ; Constructeurs d'univers (1932) ; Pourquoi la guerre ? (1933), en collaboration avec Sigmund Freud ; Comment je vois le monde (1934) ; l'Évolution des idées en physique (1938), coécrit avec le physicien polonais Leopold Infeld ; Conceptions scientifiques, morales et sociales (1950). Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.