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1905, l’année où Einstein bouleverse la physique moderne

Par Azar Khalatbari   Publié le 08-02-2015 à 14h00

En quatre articles, le jeune physicien de 26 ans émet des théories surprenantes qui vont révolutionner notre compréhension de l’Univers. Retour sur cette « année miraculeuse »…

Albert Einstein donnant un cours, le 19 April 1931 Crédit : AFP
Albert Einstein donnant un cours, le 19 April 1931 Crédit : AFP

PENSEE. Il y a 110 ans tout juste, un très jeune chercheur – même pas 26 ans – allait révolutionner en un an seulement, notre compréhension de l’Univers et ce pour des décennies ! De sorte qu’encore aujourd’hui les physiciens sont chaque jour épatés par le brio de ses démonstrations, la justesse de ses prédictions, et les épistémologues n’en finissent pas d’étudier le cheminement de sa pensée. Son nom : Albert Einstein

L’essentiel se passe en cette année 1905 – qui a été par la suite baptisée « année miraculeuse ». L’ensemble de cet ouragan de pensée est présenté ci-dessous au cours d’une conférence TED, en 5 mn chrono…

Après des études de maths et de physique, l’élève Einstein préfère le labo aux cours théoriques et obtient un emploi à l’Office des brevets suisse… grâce à l’aide d’un des amis de son père. Six jours par semaine il y travaille mais le septième jour est souvent consacré à sa passion : discuter avec quelques amis,  refaire le monde à sa manière c’est-à-dire le comprendre d’abord, et consigner les quelques idées qui naissent lors de ces discussions dans des articles qu’il envoie sans trop y croire à des publications scientifiques. Ce travail n’est pas très remarqué.

1-La lumière est à la fois onde et particule

Mais en mars 1905, le vent tourne : Einstein propose quatre articles qui vont coup sur coup révolutionner la physique ! Le premier avance une hypothèse étonnante.  Alors que depuis quelques décennies, les physiciens ont admis que la lumière est une onde, Einstein propose que la lumière soit considérée comme une particule. Cela permet, affirme-t-il, d’expliquer un phénomène encore mystérieux –l’effet photoélectrique, le fait que lorsqu’un matériau reçoit de la lumière, il perd un électron, une des particules de matière que renferment les atomes. La communauté scientifique mettra vingt ans avant de comprendre fondamentalement cette idée. En avance sur son temps, le travail d’Einstein n’a pas été apprécié à sa juste valeur. Aujourd’hui, la dualité de la lumière – le fait qu’elle puisse être considérée à la fois comme onde et particule – est la base même de la physique quantique.

2-La matière est faite d’atomes

Deux mois plus tard, en mai 1905, Einstein soumet un second article et s’attaque à une des questions les plus brûlantes de la physique de l’époque : est-ce que les atomes existent vraiment ? A l’époque, en effet, la plupart des chercheurs admettait que la matière était constituée d’un ensemble d’éléments indivisibles… mais nombreux étaient ceux qui se demandaient si ces minuscules bouts de matière étaient une vue de l’esprit, une hypothèse commode ou… une réalité à l’image des objets macroscopiques de la physique que l’on peut toucher et sentir ? Dans ce second article, Einstein l’affirme sans aucun doute : oui les atomes existent et il propose même une expérience pour appuyer son affirmation : le mouvement désordonné d’une poignée de particules dans l’eau – que l’on appelle mouvement brownien, comme par exemple une poignée de pollen que l’on éparpille dans un verre d’eau, peut être précisément prédit si l’on suppose que la matière est faite d’atomes. En effet, ces particules que nous observons rentrent en collision avec des milliards d’atomes invisibles du liquide et rebondissent sur eux à chaque fois, comme lorsque deux boules de billard s’entrechoquent. Très vite, des calculs ont été effectués et les mouvements de pollen – devenu prévisibles – ont prouvé l’existence des atomes.

3-La vitesse de la lumière est constante

En quelques mois, les physiciens allaient de surprise en surprise : ce très jeune scientifique, travaillant au rythme d’un jour par semaine, avait déjà à son actif deux conclusions essentielles. Mais Einstein n’allait pas s’arrêter en si bon chemin… Il restait encore 6 mois à cette année miraculeuse de 1905. Le troisième article paru en juin. Il concernait une incompatibilité entre deux principes physiques – d’une part, la loi du mouvement qui remontait à Galilée considérait que le mouvement absolu ne pouvait exister : en effet le mouvement d’un objet dépend de la position de l’observateur. Par exemple, lorsqu’un train passe sans s’arrêter le long d’un quai, ceux qui attendent sur le quai voient passer le train à 100 km/heure, alors que le voyageur installé dans le wagon, ne ressent aucun mouvement. Ce n’est que s’il regarde le paysage qui défile, qu’il se rend compte du mouvement du train. Si un autre voyageur se déplace dans le train à une vitesse de 6 km/h – une marche rapide – l’observateur sur le quai le voit se déplacer à une vitesse de 106 km/h (c’est ce que l’on appelle la règle d’addition des vitesses), tandis que le voyageur assis lui attribue une vitesse de 6 km/h. Le mouvement ne peut être défini que par rapport à un référentiel. Ce principe avait fait ses preuves à maintes reprises!

Mais, parallèlement, la théorie électromagnétique, qui décrit les déplacements de charges électriques et magnétiques, stipule que ces charges se déplacent toujours à la même vitesse et ce, quelle que soit la position de l’observateur. Alors laquelle des deux dit vrai ? Ce genre de dichotomie énerve les physiciens au plus haut point tant ils considèrent que leur discipline est universelle, une et inséparable. Mais un jour en mai, une idée géniale germe dans l’esprit d’Einstein : il y a une seule manière d’éliminer cette contradiction, c’est de supposer que la vitesse de la lumière est constante, quel que soit le référentiel considéré ! Un principe qu’il suppose, comme un coup de bluff – en utilisant des « expériences de pensées » – ces expériences que l’on peut imaginer et non réaliser concrètement. Admettons qu’un train se déplace à la vitesse de la lumière, le voyageur qui marche dans le train ira – aux yeux de l’observateur sur le quai – toujours à la vitesse de la lumière et non pas à la vitesse de la lumière plus 6 km/h !

Cette incroyable idée a des retombées gigantesques : elle sera à la base de la « relativité restreinte », et elle a aujourd’hui de nombreuses applications, depuis la conception des accélérateurs de particules jusqu’aux GPS.

4- La masse et l’énergie sont équivalentes 

C’est en septembre que le quatrième article fut envoyé. Pendant tout l’été Einstein a réfléchi aux conséquences de la relativité restreinte et annonce ce qui lui semble une conséquence directe: la masse et l’énergie, ces deux entités qui semblent si différentes – l’une matérielle, l’autre non – sont en fait équivalentes. Un petit fragment de masse représente même une quantité immense d’énergie car, pour passer de l’une à l’autre il faut tout bonnement appliquer la formule E=Mc2. (c étant la vitesse de la lumière dans le vide, soit 300 000 km/s)

La formule deviendra célèbre – elle est l’équation la plus connue de toute la physique – Aujourd’hui sans cesse utilisée en physique des particules et atomique, mais  Einstein ne sera reconnu qu’en 1919. Cette année-là, lors d’une éclipse solaire, les prédictions de sa théorie de la relativité générale furent vérifiées par l’expérience. Le Nobel de physique n’arrivera qu’en 1921… couronnant ses tous premiers travaux sur l’effet photoélectrique.

Mais revenons en 1905, la folle année où fut annoncé l’essentielle de la physique moderne : la lumière est à la fois onde et particule, les atomes existent bel et bien, la vitesse de la lumière est finie, la masse et l’énergie sont équivalentes !

Cette année-là, le prix Nobel fut attribué à l’allemand Philipp Lenard, pour la découverte des rayons cathodiques, ces faisceaux d’électrons que l’on observe dans les tubes à vide. Lenard deviendra plus tard, pendant le régime nazi, un des défenseurs de la science « aryenne », la « deutsche physic ». Antisémite et nationaliste, il s’opposera à Einstein, pacifiste et pro-européen. Il qualifiera Einstein de représentant de la physique juive et l’accusera de vouloir dominer l’ensemble de la physique.

Pour en savoir plus : le Hors-Série de Sciences et Avenir :

Partager sur Twitterhttp://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/20150206.OBS1919/1905-l-annee-ou-einstein-bouleverse-la-physique-moderne.html

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