Albert Einstein (1879-1955) Avant- propos

Einstein est la figure scientifique prééminente du XXe siècle, siècle dominé par la science et la technologie. Les grandes découvertes scientifiques, comme le Big Bang et la physique quantique, et les révolutions technologiques qui ont profondément modifié notre existence (la bombe atomique, les voyages dans l’espace, les machines électroniques, le laser, le GPS) portent toutes sa trace.

En quelques années, il a changé notre perception du monde physique, et de fait de l’univers, tout comme Isaac Newton (1642-1727), un autre très grand génie de l’histoire des sciences, l’avait fait trois siècles auparavant, inspirant à Alexander Pope (1668-1744), poète anglais, l’épitaphe suivante : La nature et ses lois se cachaient dans la nuit. Dieu dit : " Newton soit ! " et la lumière se fit. Cependant, au début du XXe siècle, les lois de Newton n’expliquaient pas tout, et les théories d’Einstein étaient si complexes et controversées, que John Squire (1884-1958), poète anglais paracheva ainsi les vers de Pope: Cela ne dura pas. Sur ordre du Démon,

IsaacNewton(1642-1727) Einstein nous arriva, ramenant la confusion. Mais ce qui extraordinaire c’est la popularité atteinte, par Einstein, une des personnalités les plus reconnues dans le monde. Le magasine Time l’a désigné comme l’homme du XXe siècle, devant des personnalités comme Churchill, Roosevelt, Gandhi, etc. Il est devenu la première superstar scientifique mondiale et cette popularité extraordinaire lui a survécu. Ce

qui est très étonnant dans ce phénomène, c’est qu’Einstein a été populaire pour une théorie, la relativité, à laquelle le grand public ne comprenait rien, d’autant plus qu’elle heurtait le sens commun .Qui plus est, une grande partie des scientifiques eux-mêmes, la contestaient. .La vitesse à laquelle la renommée d’Einstein se rependit de par le monde, des couches intellectuelles à l’homme de la rue, le mélange de crainte semi-religieuse et d’hystérie qu’il faisait naître, furent à l’origine d’un phénomène surprenant qu’on n’a pas su expliquer entièrement. Einstein ne comprendra jamais lui-même d’où pouvait venir une telle popularité. Pour le grand public, Einstein était par excellence le savant distrait, facétieux, mal habillé, aux cheveux ébouriffés. C’est cette personnalité qui a probablement participé à cette popularité.

A.Einstein et C.Chaplin à la première des " Lumières de la ville" Einstein à la plage en 1948 en 1931 à Los Angeles Un demi-siècle après sa mort, Einstein est plus que jamais une icône reconnue dans le monde entier et devenu le stéréotype du génie excentrique dans de nombreux films et œuvres de fiction.

Le monde de la physique avant Einstein

Jusqu’à la fin du XVIIIe siècle, la plupart des idées scientifiques, quelquefois anciennes, à l’exemple du principe d’Archimède, du mouvement des astres de Kepler, du principe de relativité en mécanique de Galilée, des lois du mouvement et de la gravitation de Newton, du concept de champ magnétique de Faraday etc., sont relativement accessibles à la pensée ordinaire ; et nous pouvons même en prouver leur justesse en réalisant des expériences simples, telles que plonger des objets dans l’eau, laisser tomber des pièces de monnaie, faire bouger les aiguilles d’une boussole, etc.

Archimède(287-212avantJC) JohannesKepler(1531-1630) GalileoGalilée(1564-1642) MichaëlFaraday(1791-1867)

Mais à partir du XIXe siècle la compréhension de la plupart des évolutions des idées scientifiques ne deviennent accessibles qu’aux spécialistes. Ainsi vont naître , d’une part, des théories abouties (mécanique et thermodynamique) sur le comportement des gaz, la chaleur, la conservation de l’énergie, etc. , essentiellement basées sur les lois de Newton ,et, d’autre part, la théorie de l’électromagnétisme , de James Clark Maxwell qui rassemble et unifie l’ensemble des phénomènes de l’optique et de l’électricité .Ses quatre courtes équations, publiées en 1864, prédisaient l’existence d’ondes électromagnétiques et leur vitesse, et permettaient l’hypothèse que la lumière était une onde électromagnétique. Pour beaucoup de scientifiques, la construction de la « Physique » paraît achevée, malgré quelques points

obscurs (la structure de l’atome, l’énergie des corps radioactifs, le rôle de l’électron découvert en 1895, l’énergie des ondes électromagnétiques, le système de référence de la vitesse de la lumière). Pourtant de ces points obscurs vont jaillir les théories quantiques, la relativité et la physique nucléaire. Einstein dira qu’il considérait, lorsqu’il était étudiant, comme " définitive" la base newtonienne de la physique : "non seulement elle permit d’expliquer les mouvements des corps célestes dans leurs plus infimes détails…une explication simple du principe de la conservation de l’énergie et une théorie complète et brillante de la chaleur". Par contre :"l’explication des faits de l’électro dynamique était moins naturelle et la théorie de la lumière moins convaincante".

James Clark Maxwell (1831-1897)

L’astronomie au XIXe siècle ( l’émergence de l’astrophysique)

Les progrès des connaissances scientifiques et les améliorations des moyens d’observations, depuis les inventions de la lunette astronomique par Galilée en 1609, et du télescope par Newton en 1668, ont permis de grandes avancées. Au XIXe siècle, parmi les découvertes importantes on peut noter :

1801 : Découverte du premier astéroïde (Cérès) par Guiseppe Pazzi. 1842 : Christian Doppler (1803-1853) découvre l’effet Doppler. 1846 : Urbain Le Verrier (1811-1877) détermine par calcul la position de Neptune qui est observée un mois plus tard par Johan Gottfried Galle. C’est le triomphe de la mécanique newtonienne. 1860 : Naissance de l’astrophysique avec l’invention du spectroscope dont William Huggins est le précurseur. La décomposition de la lumière en bande de couleurs permet de déterminer la composition chimique des atmosphères des planètes et des étoiles. 1888 : John Dreyer publie le catalogue NGC comprenant prés de 7840

CérèsvueparlasondeDawn objets non stellaires (principalement des galaxies).Ce catalogue est une révision (février2015) du catalogue de William Herschel, le découvreur d’Uranus, paru en 1864. 1895 : Première parution de l’Astrophysical Journal, qui existe encore.

Découverte des rayons X par Wilhelm Roentgen 1900 : Paul Ulrich Villard, physicien français, découvre les rayons γ .

Il faudra attendre quelques décennies pour que les astronomes délaissent la vue directe à partir de télescopes, pour exploiter à partir d’appareils, de plus en plus sophistiqués, les rayonnements électromagnétiques qui baignent notre univers et deviennent des astrophysiciens.

La jeunesse et l’apprenti physicien (1879-1904)

Albert Einstein naît le 14 mars 1879, dans une famille juive à Ulm, ville allemande du Wurtemberg. C’est le premier enfant de la famille, sa sœur Maja naîtra deux ans plus tard. Il quitte cette ville, l’année suivante pour Munich, où son père vient de créer une petite entreprise d’appareillage électrique.

Son père, Herman est un homme d’affaires à l’esprit ouvert, très intéressé par la technologie industrielle. Sa mère Pauline est une femme d’intérieur de nature calme et artiste qui lui donnera le goût de la musique et l’encouragera dans sa passion pour le violon. En rien, il n’est un enfant prodige et met longtemps avant de bien parler. Il est rêveur et solitaire et très tôt il montre une

tendance naturelle à se rebeller contre l’autorité.

Il fait ses études primaires dans une école catholique, de sorte qu’il est instruit dans cette religion. Il rentre à dix ans au "Luitpold Gymnasium" pour y suivre ses études secondaires, mais la discipline prussienne qui y règne ne lui convient pas : "Les professeurs m’ont fait, à l’école primaire, l’effet de sergents et au lycée,delieutenants".Il regrette également le "par cœur"."Pourquoi mémoriser ce qu’on peut trouver dans les livres ?", d’autant que "ma grande faiblesse était le manque de mémoire, surtout pour les mots et les textes". A la suite de difficultés financières, son père doit fermer son usine de Munich et émigre en Italie à Milan. Toute la famille le suit à l’exception d’Albert qui reste à Munich pour finir ses études secondaires.

Einsteinà14ans Albert est un excellent élève en maths et en sciences physiques, mais médiocre dans les humanités. C’est un contestataire qui n’admet ni les méthodes ni les enseignements de l’école. A la suite d’un conflit avec un professeur, il quitte l’établissement en cours d’année, avec un certificat médical de complaisance pour rejoindre ses parents en Italie. Seul cadeau de départ : son professeur de mathématiques lui remet une lettre fort élogieuse reconnaissant qu’il possède un niveau très supérieur au niveau de celui de sa classe et n’a, somme toute, plus rien à apprendre. Un coup de tête lourd de conséquence. Il sait, qu’en ne se présenta pas dans quelques mois à l’examen de fin d’études secondaires, qu’il est pratiquement assuré de réussir, il renonce à la possibilité d’être jamais inscrit dans une université et, qu’en agissant ainsi, il va décevoir et peiner ses parents qui avaient rêvé pour lui d’une carrière honorable. Il a une autre raison de fuir en Italie. Il aura 16 ans le 14 mars prochain, seuil fatidique. Passé cet âge, il devra, comme tous les Allemands, faire son service militaire. Une perspective qui le révulse. Sa décision est prise.il doit quitter le pays pour ne pas porter l’uniforme et changer de nationalité pour ne pas devenir un déserteur. Lorsqu’il débarque à Milan ses parents sont catastrophés : leur fils abandonne ses études secondaires, renonce à devenir ingénieur et, en prime, entend rompre avec l’Allemagne, alors qu’ils ne sont plus en état de l’entretenir, l’entreprise familiale étant au bord de la faillite. Albert est en panne dans ses études. Comment le génie rebelle va-t-il rebondir ? La solution passe par l’Ecole Polytechnique de Zurich, "le Poly", école prestigieuse où il n’est exigé aucun diplôme pour passé le concours d’admission. Il passe le concours à l’automne 1895 et échoue, en attirant l’attention sur lui. Ses copies de physique et de mathématiques éblouissent les correcteurs, mais ses mauvaises notes dans les autres matières sont rédhibitoires

Bien décidé à ne pas manquer un tel candidat, le directeur l’encourage à se présenter l’année suivante en l’invitant à passer son baccalauréat dans l’intervalle. Il passe un an au lycée d’Aarau, à 40 km de Zurich, où il va trouver une pédagogie moderne, moins contraignante que celle qu’il avait connu en Allemagne. Au terme d’une année studieuse il décroche son baccalauréat et fait son entrée au "Poly" en octobre 1896. Il est le plus jeune de sa promotion. Il va y rester quatre ans, et tout au long de ces années, l’étudiant Einstein, n’en fait qu’à sa tête, ne trouve pas l’enseignement à son goût : " tout ce fatras qui doit être ingurgité pour passer les examens, qu’on le veuille ou

non." Sa rébellion ne se limite pas au programme. Il ne supporte pas la discipline, refuse de se conformer aux usages et aux nécessités de la vie collective, "sèche" des cours, et finit par se mettre à dos les professeurs. Quand vient le concours de sortie, en 1900, c’est son camarade Marcel Grossmann qui le tire d’embarras en lui passant discrètement les réponses. Albert qui a renoncé à la section ingénieur pour choisir la carrière professorale, a besoin d’un poste rémunéré d’assistant qui lui permettrait de faire sa thèse. Tous les élèves dans cette position obtiennent leur nomination. Il est le seul à se la voir refuser.

Einsteinetsescondisciplesà"laPoly"deZurich Albert Einstein a gagné son diplôme, il lui faut maintenant obtenir la nationalité suisse. Ce qui n’est pas facile car la Confédération helvétique ne l’accorde qu’avec la plus grande prudence. Elle commence par imposer cinq années de résidence sur le territoire suisse. Mais la patience ne suffit pas, elle exige des droits élevés : 800 francs. Somme considérable que son père, en grande difficulté financière ne pourra pas payé. Albert, en prévision, épargne donc 20 francs par mois pendant ses quatre années de scolarité. Cette ponction opérée sur les 100 francs qu’il reçoit d’une cousine fortunée de Genève le condamne à se contenter de peu, mais il veut échapper définitivement au militarisme allemand. En 1900, il satisfait enfin à la condition de résidence et pose sa demande. Après une enquête très approfondie, il obtient en février 1901 la citoyenneté suisse à laquelle il ne renoncera jamais, et qui lui sera très utile ultérieurement, en particulier pendant les guerres mondiales du XXe siècle. Après près de deux ans de recherches pour obtenir un poste, vivant dans un grand dénuement, avec uniquement les ressources que lui rapportent les cours qu’il donne de manière intermittente, il finit par décrocher en juin 1902 ,grâce à l’intervention du père de son ami Grossmann, un poste, modeste, de stagiaire d’expert technique de 3e classe au Bureau suisse des brevets, à Berne. Il y est chargé d’examiner les inventions qui y étaient déposés. Ce Bureau devient ainsi le cadre improbable qui permettra de le faire connaître. Einstein n’est pas seulement heureux de trouver un emploi stable, même modeste, son travail d’analyse de dossiers techniques lui plaît. Il y voit des exercices de science appliquée et leur donne une dimension ludique. Cet emploi fixe, qui n’exige ni création originale ni tension particulière, lui apporte un temps libre qu’il consacre à ses recherches personnelles. La pensée d’Einstein prend son envol.

Il fréquente dés son arrivée à Berne deux amis (K.Habitch, M.Solovine, de gauche à droite sur la photo), avec lesquels il forme l’"Académie Olympia".. Ils commentent dans leurs réunions, les grands auteurs classiques des sciences et de la philosophie. Ce n’est pas un hasard si la plus grande attention est apportée à l’œuvre du mathématicien Henri Poincaré, le pionnier de la relativité. Ces échanges une grande influence sur l’esprit d’Einstein dont elles aiguisent la réflexion.

Ayant assuré sa subsistance matérielle, il épouse en 1903, Mileva Maric, une yougoslave, son ancienne condisciple de La Poly. Leur première fille, Lieserl, dont on ne sait pas ce qu’elle est devenue (abandonnée ?), était née en 1902. Leur premier fils, Hans-Albert naît en 1904.Le second Frantz naîtra en 1909. En 1904, Einstein est titularisé. Son meilleur et plus fidèle ami, Michele Besso, également diplômé de Polytechnique de Zurich, vient le rejoindre au Bureau des brevets. Enthousiaste, curieux de tout, et à l’esprit finement

critique, Michele Besso est pour Einstein l’interlocuteur idéal. Par ses critiques et ses suggestions, il le stimule et le contraint à préciser l’expression de sa pensée, notamment en ce qui concerne la rédaction de l’article sur la relativité restreinte. Le génie d’Einstein arrive à maturité. Sur le théâtre de la Science mondiale, il peut faire son entrée en scène.

Le messie de la physique (1905)

En 1905, Albert Einstein passe sa thèse de doctorat et publie plusieurs articles, dans la revue allemande Annalen der Physik. Quatre d’entre eux, envoyés entre mars et septembre, feront date dans l’histoire de la discipline. Son article le plus fameux, la théorie de la relativité restreinte où il redéfinit les concepts d’espace et de temps, n’est pourtant-selon ses propres termes- que le premier niveau d’une "maison à deux étages". Le deuxième niveau, la relativité générale, sera terminé en 1915. Jamais depuis 1666, quand le jeune Newton découvrit la gravitation universelle, inventa le calcul infinitésimal et révolutionna l’optique, la physique n’avait connu une année aussi miraculeuse que cette année 1905.Plus de 100 ans ont passé et l’année 1905 fait toujours figure d’épisode singulier dans l’histoire des sciences.

Mars 1905:"Sur la transformation et la production de la lumière" Dans cet article, Einstein propose que l’énergie lumineuse est constituée "d’un nombre infini de quantas…qui se déplacent sans se dissocier et qui ne peuvent être absorbée ou produits que d’un coup". Ceci explique en particulier l’effet photoélectrique (émission d’électrons par un matériau exposé à un rayon électromagnétique de fréquence suffisamment élevé). Depuis 1926, on désigne ces quantas par le terme photon (lumière en grec). Cet article, accueilli avec beaucoup de scepticisme, qui lance la théorie quantique, lui vaudra le prix Nobel en 1921.

AlbertEinsteinen1905 Mai 1905 : "Sur le mouvement de particules en suspension dans un fluide au repos…." Einstein établit de façon définitive la réalité des atomes et des molécules en démontrant que leurs mouvements sont responsables du « mouvement brownien » des particules en suspension dans un liquide, par leurs chocs avec les molécules de ce liquide, décrit par le botaniste écossais Robert Brown (1773-1858), en 1828.

Juin 1905 :"Sur l’électrodynamique des corps en mouvement" Je vous invite, pour mieux comprendre les notions de simultanéité et d’espace temps, à relire le texte de l’exposé : "initiation à la théorie de la relativité restreinte d’Einstein" fait par Jean Marie Vacrenier le 23/05/2013. Dans cet article, sans doute le plus fameux de l’histoire de toute la physique du XXe siècle, Einstein fonde sa nouvelle « théorie de la relativité restreinte » sur deux postulats. - le principe de relativité : les lois de la physique sont les mêmes dans tous les systèmes qui ne subissent pas d’accélération relative (référentiels galiléens) - la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous les observateurs, quelles que soient leur vitesse et celle de la source émettrice. A cette occasion il fait disparaître la notion d’ "éther luminifère ": "c’est une identité superflue, mieux vaut considérer qu’il n’existe pas". Mais comment Einstein en est-il arrivé à ce second postulat dont les conséquences conduisent à modifier complètement la précédente conception de l’espace et du temps théorisée par Newton ? A cause d’un problème étonnant rencontré par la cinématique galiléenne : celle-ci possède une propriété remarquable et familière : les vitesses des objets s’y composent en s’additionnant simplement (si vous marchez à la vitesse V1, dans un train qui roule à la vitesseV2, vous vous déplacez à la vitesse V1+V2 par rapport aux rails). Après Aristote :"la nature a horreur du vide", Newton qui pensait que la force de gravité avait besoin d’un support pour se propager, les physiciens du XIXe siècle, pensaient, également, que pour se propager, la

lumière avait besoin d’un support, appelé "éther luminifère", occupant tout l’espace. Mais ceux-ci constatent que la lumière semble ne pas se plier à cette loi : au lieu de se composer avec la vitesse de la source qui l’émet, elle reste toujours la même !

Une apparente aberration, pourtant confirmée en 1887 avec l’expérience de Michelson et Morley, (que Einstein ignorait). La communauté scientifique en est alors convaincue : la lumière n’obéit pas aux mêmes lois cinématiques que la matière. Comment les propriétés fondamentales de l’espace et du temps pourraient-elles varier, selon que l’on s’y intéresse par l’intermédiaire de la lumière ou de la matière ? Un vrai mystère ! Certains physiciens entrevoient une solution. Au début du XXe siècle, George Fitzgerald, Hendrik Lorenz et Henri Poincaré arrivent séparément à des conclusions semblables qui seront concrétisées par des formules appelées : "transformations de Lorenz ." Einstein dans son article ne citera aucun de ces scientifiques qui avaient pourtant faits une grande partie du chemin, ce qui constitue une injustice. Comme ce fut le cas ultérieurement pour la relativité générale, avec David Hilbert (1862-1943), on peut dire que dans ce domaine il manqua d’élégance. Toutefois, en 1953, à la fin de sa vie, déclinant une invitation de la ville pour célébrer " la relativité", ilajoute dans sa lettre :"J’espère que quelqu’un saisira cette occasion pour honorer comme il convient les mérites de Lorentz et Poincaré à cet égard". Un peu

HendrikLorenz(1853-1928)HenriPoincaré(1854-1912)tard, pour rendre justice à des savants disparus depuis plus de vingt ans ! Les conséquences de l’invariance de la vitesse de la lumière heurtent notre sens commun en modifiant la précédente conception de l’espace et du temps physiques. Le temps newtonien était absolu, indépendant de l’espace, indifférent au mouvement, de sorte qu’il permettait de donner au mot maintenant un sens parfaitement clair ; ce qui se passait maintenant pour moi se passait également maintenant pour tous les autres observateurs de l’univers. En d’autres termes, selon la physique newtonienne, il n’y avait qu’un seul temps universel, si bien que le concept de simultanéité était absolu : à tout instant, deux observateurs pouvaient synchroniser leurs montres, et à tout moment ultérieur celles-ci resteraient synchronisées quels que fussent les déplacements et les vitesses des deux observateurs, puisque toutes demeuraient en phase avec le temps de l’univers. Mais dans le cadre de la théorie d’Einstein, l’espace et le temps cessent d’être absolus pour devenir relatifs et acquièrent le statut de partenaires. Les conséquences en sont déroutantes :- la simultanéité n’est plus universelle (cf. croquis) - les durées se dilatent - les longueurs se contractent A titre d’exemple la dilatation des durées (extrait de l’exposé précité de J.M Wacrenier) "Reprenons le train et imaginons le voyageur braquant une lampe électrique sur un miroir fixé au plafond du compartiment qui renvoie la lumière vers la lampe. Le rayon tel que le voit le voyageur trace un simple aller et retour puisque ni la lampe ni le miroir ne se sont déplacés par rapport à lui. Mais l’observateur du quai voit ce même trajet tout autrement. Pendant le laps de temps qu’il faut au rayon lumineux pour arriver au miroir, ce

MouvementdelaTerre

Sourcedelumière

Miroir2

Miroir1

Systèmedemesuredesinterférences

ExpériencedeMichelsonetMorleydemesuredu

«ventd’éther»

Lamesemitransparenteinclinéeà45°

dernier se déplace d’une certaine distance, étant solidaire du train en mouvement. Il faut du temps au rayon pour effectuer le trajet aller et retour, et la lampe pendant ce temps parcourt encore une fois la même distance. Pour un observateur situé sur le quai, le trajet de la lumière est plus long que le même trajet observé par le voyageur. Or nous savons que la vitesse de la lumière est la même pour ceux qui prennent le train que pour ceux qui restent sur le quai. Nous sommes donc amenés à conclure qu’il s’est écoulé, entre les instants d’émission et de réception de la lumière, plus de temps dans la gare que dans le train. L’observateur du quai constate que la montre du voyageur retarde par rapport à la sienne, retard qui augmente avec la vitesse du train. Si elle approche celle de la lumière, ce retard peut devenir très grand. Par exemple, pour un train filant à une vitesse différant de celle de la lumière que de 1/10.000, une heure de gare équivaut approximativement à une minute de train seulement".

Hermann Minkowski (1864-1909), son ancien professeur à Polytechnique de Zürich, apportera, en 1907, une contribution majeure à la théorie de la relativité restreinte, en liant mathématiquement le temps aux trois dimensions de l’espace et introduisant la notion d’espace temps. Cette théorie mettra des années à convaincre, ou intéresser, les grands physiciens de l’époque.

Septembre 1905 :"L’inertie d’un corps dépend-elle de son énergie ?"

Ce texte est un ajout à l’article précédent. Einstein montre que si un corps libère une énergie L, sous forme de lumière, sa masse diminue d’une quantité LV2, où V est la vitesse de la lumière. En 1912, il parachève la formulation de l’équivalence de la masse et l’énergie, c'est-à-dire que l’énergie pure peut se transformer en masse et inversement, et établit la fameuse équation : E=mc2. La première vérification expérimentale sera faite en 1932, par

Cockcroft et Walton en projetant des protons sur du lithium 7.