I Comment Einstein a chang le monde

Comment Einstein a chang le monde

Jean-Claude BOUDENOT

Prface de Claude COHEN-TANNOUDJI

El SCIENCES

7, avenue du Hoggar Parc dActivits de Courtabceuf, BP 112

91944 Les Ulis Cedex A, France

gerbig

Illustration de couverture : Photographie dA. Einstein O Hulton Archive / Stringer.

ISBN : 2-86883-763-8

Tous droits de traduction, dadaptation et de reproduction par tous procds, rservs pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 nautorisant, aux termes des alinas 2 et 3 de larticle 41, dune part, que les

la mmoire de mon pre

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Prface

Cest en 1905, son

une fcondit qui encore actuellement est riche de nouveaux dvelop- pements. Dans le domaine qui est le mien, celui de la manipulation des atomes et des fondements de la thorie des quanta, cet ouvrage ma per- mis de prendre la mesure du chemin parcouru, en particulier grce lapport dEinstein, depuis le temps o des physiciens et philosophes dinspiration positiviste niaient lexistence mme des atomes et o la dcouverte des quanta dnergie ressemblait un dfi au bon sens, jusquaux perspectives quouvrent aujourdhui les recherches sur les condensats de Bose-Einstein, sur les lasers atomes et sur linformation quantique.

Claude Cohen-Tannoudji

6 Prface

bornmaire

Prface .................................................................................. Introduction ........................................................................

1 . Einstein. l'homme du sicle ....................................... Enfance et annes d'tudes ........................................................................ Premires recherches .................................................................................. 1905 . l'anne miraculeuse ......................................................................... Professeur Berlin ...................................................................................... Einstein mdiatis ....................................................................................... Einstein. pre de la bombe ? ..................................................................... Dernires annes .........................................................................................

2 . 1905 : un tournant dcisif ........................................... L'hritage de Newton ................................................................................. XIXe sicle : le sicle de la science ............................................................ La physique en rvolution ......................................................................... Les premiers pas d'Einstein en physique ...............................................

2 ... .. 3 - E = mc . deja un siecle ................................................. L'origine de l'quivalence masse-nergie .............................................. Einstein annonce l'quivalence masse-nergie ..................................... Premire vrification de l'quivalence masse-nergie ........................ Une consquence surprenante : l'antimatire ........................................ E . mc2 au quotidien : de l'nergie nuclaire la mdecine ...............

4 . Des atomes l'infiniment petit ................................. Les atomes : une bataille de cent ans ....................................................... Robert Brown. un botaniste au service de la physique ....................... Einstein interprte le mouvement brownien ......................................... Vrifications exprimentales ....................................................................

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Les atomes aujourdhui .............................................................................. 75 78 Des atomes aux particules fondamentales .............................................

5 . La relativit restreinte dans lair du temps ............. 83 Des faits troublants .................................................................................... 83

88 Le temps relatif ! .......................................................................................... 93

96 De riches applications ................................................................................ 101

Quest ce que la relativit ? .......................................................................

La relativit : Einstein, Lorentz ou Poincar ? .......................................

6 . La relativit gnrale et linfiniment grand ........... 103 Un coup de gnie : la gnralisation de la relativit ............................

La relativit gnrale au service de lastrophysique ............................ La relativit au service de la cosmologie ................................................

103 La relativit gnrale confirme ............................................................... 108

116 122

7 . Un sicle de quanta ..................................................... 135 Une constante encombrante ...................................................................... 135 Linterprtation dEinstein ........................................................................ 138 Vers un monde discontinu ........................................................................ 141 Vers un monde dual ................................................................................... 143 Des usines photons. les lasers ............................................................... 149

155 158

Un nouveau type de laser. le laser atomes .......................................... Quelques autres consquences de la mcanique quantique ..............

8 . 2005. vers une nouvelle re ........................................ 163 Rsumons-nous ........................................................................................... 163 Le modle standard .................................................................................... 167 Vers lunification ........................................................................................ 172

Liste des noms cits ........................................................... 177 Prix Nobel de physique (1901-2004) ............................... 181 Remerciements ................................................................... 187

8 Sommaire

Introduction

Einstein, lhomme du sicle

Lorsque Albert Einstein rencontra Charlie Chaplin, il sexclama : cc V o u s Ltes clbre car tout le monde vous comprend, je le suis car personne ne m e comprend ! )> Limmense clbrit dEinstein est en effet trs surprenante en regard de ses travaux, certes fondamentaux, mais rservs a priori

un cercle restreint de physiciens thoriciens. La mdiatisation dEinstein est peut tre lie lobjet mme de ses recherches : (c Je veux savoir comment Dieu a cr ce monde, j e n e mintresse pas tel ou tel phnomne, au spectre de tel ou tel lment : Je veux connatre Ses penses, le reste nest que dtail. M Ainsi peut-on suggrer que la clbrit dEinstein est plus une affaire de religion que de science. I1 sest pos la question que tout le monde se pose ; pourquoi le monde existe t-il, do vient-il, pourquoi sommes-nous l pour poser ces questions ? Le magazine Time a fait une longue enqute pour savoir quel est la personne ayant le mieux personnifi le XXe sicle ; Freud, Gandhi, Churchill, Hitler, Einstein, Mao, Picasso, Marilyn Monroe, le Ch, Roosevelt, Martin Luther King, mre Trsa, Jean-Paul II, Margaret Thatcher, lImam Khomeyni, Gorbatchev, Nelson Mandela, Bill Gates, la Princesse Diana ? Le rsultat a t Einstein. Ce magazine sest ensuite pos la question de savoir quelles auraient pu tre les cc personnes du sicle >) pour chacun des sicles du deuxime millnaire. I1 est intressant dexaminer la liste propose : William le conqurant (XIe sicle) ; Saladin (XIIe sicle) ; Genghis Khan (XIIF sicle) ; Giotto (XIVe sicle) ; Gutenberg (XV sicle) ; la Reine Elizabeth I (XVIe sicle) ; Newton

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( X V F sicle) ; Jefferson (XVIIIe sicle) ; Edison (XIXe sicle). I1 est admirable dy voir apparatre Newton; ainsi les deux plus grands physiciens de tous les temps (quil serait difficile de dpartager) sont des (< hommes du sicle .

Des centaines de biographies ont t consacres Einstein, ses travaux, sa vie et sa pense ont t analyss dans les moindres dtails. I1 faut toutefois savoir quune biographie dEinstein crite dans les annes 60 nest pas comparable une biographie publie dans les cinq dernires annes. La raison en est simple; la mort dEinstein ses archives ont t gres par ses lgataires; Helen Dukas, sa fidle secrtaire, et Otto Nathan, son ami proche. Les informations filtres ont permis de construire patiemment une image lgendaire et il tait hors de question de laisser

monde, cest la fin dune priode - qui a commenc avec Galile et Newton - et le dbut dune nouvelle re. En physique lorsque lon se rfre lpoque pr 1905 on parle de (< physique classique )) sans pour autant donner de qualitatif aussi net pour la priode suivante (le terme de (( physique moderne H vieillit mal). Disons que les trois points majeurs de cette nouvelle physique sont labandon de lespace et du temps absolus, labandon de la continuit et la dcouverte de laspect dual de la nature (la nature nous apparat sous deux aspects antagonistes et complmentaires : laspect ondulatoire et laspect corpusculaire). Lobjectif de ce livre est de prsenter cette triple rupture et de montrer comment ces nouvelles ides se prolongent un sicle plus tard.

I1 nous faut dabord dcouvrir Einstein, lauteur de cette triple rvolution. Nous retracerons au premier chapitre les principales tapes de la vie du grand savant en insistant naturellement sur son anne miraculeuse. Pour bien comprendre en quoi les ides quil a introduit en 1905 sont (c rvolutionnaires , il nous faut connatre les ides physique de lpoque, fondes sur lhritage de Newton, ce sera lobjet du second chapitre. Nous commencerons alors notre voyage vers une terre miraculeuse. La premire tape (chapitre 3) sera consacre la formule la plus connue au monde, E = rnc2 : la fameuse quivalence entre la masse et lnergie. Nous verrons lhistoire tourmente de la naissance de cette formule, puis une de ses consquences les plus tranges : lexistence danti-matire, avant de faire dcouvrir quelques unes des innombrables applications de cette formule mythique, en particulier celle de pouvoir lire ce texte grce un clairage lectrique dorigine nuclaire ! Dans le chapitre suivant (chapitre 4) nous dcouvrirons la lente mergence de la notion datome et sa conscration par linterprtation dEinstein dune observation faite trois quart de sicle plus tt par un botaniste cossais. Nous verrons galement que nous sommes aujourdhui capables non seulement de voir les atomes mais aussi de les manipuler, ce qui ouvre dimmenses horizons pour les nouvelles technologies, justement appeles nanotechnologies. Nous explorerons enfin la matire du cot de linfiniment petit et ce voyage nous entranera la dcouverte du confin de nos connaissances actuelles dans ce domaine : les particules lmentaires . . . un milliard de fois plus petites que latome. I1 sera alors grand temps daborder la fameuse thorie de la relativit. Nous prsenterons au chapitre 5 la relativit dite restreinte. Nous verrons que cette thorie tait dans lair du temps : la physique voyait depuis prs dune quarantaine dannes les difficults samonceler, elles taient lies ce que lon appelait (( la crise de lther . Nous dcouvrirons lapport essentiel de deux autres physiciens : Lorentz et Poincar, puis nous voguerons vers les flots des consquences tranges, comme la dilatation du temps, ou pratiques de

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cette thorie. peine la thorie de la relativit restreinte acheve, Einstein sest mis en qute de sa gnralisation qui allait le conduire llaboration de la plus belle des thories de la physique, la relativit gnrale. Nous la dcouvrirons au chapitre 6 : dabord sa naissance, ensuite sa confirmation, qui allait propulser Einstein au sommet de sa gloire, et enfin son utilisation pour comprendre linfiniment grand, pour essayer de connatre lUnivers dans son entier, sa naissance et bien sr son avenir. Un autre volet de la physique nous attend, tout aussi riche, mais trs diffrent : celui des quanta, ces petits grains de lumire qui allaient enrayer toute la physique classique dune manire beaucoup plus profonde et, disons-le, beaucoup plus gnante. Nous plongerons donc au chapitre 7 dans lunivers impitoyable des quantas. Nous dcouvrirons leur introduction par un autre trs grand physicien allemand, Max Planck, leur interprtation par Einstein et leur innombrables consquences lorigine, selon le physicien John Wheeler du tiers du produit national brut des tats-Unis. Le chapitre 8 est le dernier, il marque la fin du voyage, ou plutt le dbut dun autre. Nous ferons le point sur ltat actuel de la physique, son

Einstein, lhomme du sicle

Enfance et annes dtudes Les origines et la petite enfance dEinstein nous sont dcrites dans une courte biographie (dont seuls des extraits ont t publis dans les Collected Papers) que Maja Winteler-Einstein a crite sur son frre :

Le jeune Albert est profondment impressionn par le comporte- ment de laiguille aimante dune boussole ; il dira plus tard quil vcut un inirade.. . lorsqua quatre ou cinq ans son y?rc lui montra une boussole. Plus tard, son oncle Caesar Koch lui fait dcouvrir les mathmatiques de faon amusante. Tandis qu 12 ans il dvore un vieux livre de go- mtrie, son sjour au lyce Luitpold, o rgne la stricte discipline allemande de cette poque, se termine par un renvoi. Voici comment Einstein, dans une lettre datant de 1940, retrace cet vnement : (( En ter- minale au Luitpold Gymnasium mon professeur de grec me convoqua pour exprimer soti dsir de me voir quitter le lyce. Comme je lui faisais remar- quer que je navais rienfaif de mal, il se contenta de nie rkpondre (( vous alt- rez le respect de la classe mon gard par votre seule prsence . Assu- rment, jauais moi-ininc une furieuse envie de quitter le lyck pozw suivre mes pnreiifs eii Italie . (Le Luitpold Gymnasium a t dtruit pendant la seconde guerre mondiale, puis reconstruit et rebaptis Albert Einstein Gymnasium !) Les parents du jeune Albert avaient quitt en 1894 IAlle- magne pour lItalie, la recherche daffaires plus florissantes. Einstein dcide alors, a u printemps 1895, de rejoindre sa famille Pavie.

lautomne, il se prsente au Polytechnikum (ETH) de Zurich, mais malgr dexcellentes notes en mathmatiques et en physique, il choue lexamen dentre. I1 dcide alors de passer un an lcole Cantonale dAarau (Suisse) et habite pendant cette priode chez lun de ses professeurs, Jost Winteler. Sa sur Maja rapporte quAlbert considrait que son sjour Aarau avait non seulement t trs instructif, mais aussi quil avait t une des plus heureuses priodes de sa vie. Einstein y a en effet trouv un climat intellectuel favorable, ouvert, o les tudiants, contrairement ce quil avait coimu en Allemagne, taient inciter penser et travailler par eux-mmes. De plus cest Aarau que le jeune Albert connu sa premire idylle amoureuse en la personne de Marie Winteler, la fille de son professeur.

Cest au Polytechnicum de Zrich quEinstein

fera ses tudes doctobre 1896

juillet 1900. O Image Archive ETH-Bibliothek,

Zurich.

14 1 - Einstein, lhomme du sicle

Muni de son diplme dAarau, il entre - sans examen cette fois - au Polytechnikum et sinstalle fin octobre 1896 Zurich. Cette ville accueillait alors une foule cosmopolite dtudiants, de rvolutionnaires migrs et de jeunes gens qui avaient fui loppression nationale ou sociale qui rgnait dans leur pays. Citons parmi eux Rosa Luxembourg, Mussolini et Lnine. Cest dans cette ville quEinstein rencontrera sa future femme, Mileva Maric, jeune Slave rvolte contre la domination magyare en Hongrie ainsi que Friederich Adler, fils du leader de la c< Sociale-Dmocratie H Vienne et dautres tudiants qui deviendront des amis pour la vie, comme Conrad Habicht et Marcel Grossmann. Einstein est bien sr content dentrer lETH, mais il redoute un peu ce qui lattend. Durant lt 1896, il se confie son oncle Caesar Koch : + Comme t u le sais, j e dois maintenant entrer au Polytechnikum de Zurich. Je crains de rencontrer dnormes difficults car j e devrais avoir au moins deux ans de plus pour cela. Je tindiquerai dans ma prochaine lettre la faon dont cela se passe . Einstein napprcie pas son professeur de physique, Heinrich Friedrich Weber, qui le lui rend bien (Einstein crira plus tard un ami, sur un ton tout fait inhabituel chez lui :

intellectuelle se transforme en liaison amoureuse. Cest galement cette poque quEinstein rencontre Michele Besso (la seule personne qui sera cite par Einstein dans larticle fondateur de la relativit). Leur amiti durera toute leur vie. La correspondance dEinstein avec Mileva dune part, Michele Besso dautre part se rvlera prcieuse car elle a permis de reconstruire partiellement le cheminement intellectuel qui a conduit Einstein son anne miraculeuse de 1905, nous y reviendrons plus bas ainsi quau chapitre 2.

Einstein obtient son diplme de 1ETH en 1900, mais malgr ses excellentes notes et ses efforts, il nobtient pas de poste dassistant (contrairement ses autres camarades), il semble que son professeur de physique Weber y ait t pour quelque chose. Mileva, quant elle, choue de peu en 1900 son concours de fin dtudes. Quand Einstein revient chez ses parents, sa mre lui demande: Bon et Docker1 (le surnom de Mileva) que devient-elle ? Albert rpond du tac au tac : ma femme. Einstein subit alors une (< scne D laquelle il sattendait, car depuis le dbut, ses parents voyaient dun trs mauvais il sa liaison avec cette jeune progressiste serbe, qui boitait et qui, de surcrot, ntait pas juive. Sa mre ajoute : (( Si elle a un enfant, tu seras dans de beaux draps . Mais Albert ne se laisse pas impressionn, il crit Mileva :

premires recherches (celles davant 1905) : (< N e connaissant pas les recherches de Boltzmann et de Gibbs, qu i avaient t effectues plus tt et avaient littralement puis le sujet, jentrepris de dvelopper la mcanique statistique et, partir delle, la thorie cintique molculaire de la thermodynamique. M o n but principal tait de trouver des fai ts prouvant autant que possible lexistence datomes de dimension prcise et f in ie D (cette qute de la notion datomes est au cur de lactualit physique du dbut du XXe sicle, nous reviendrons sur les contributions essentielles dEinstein dans ce domaine au chapitre 4). Toujours la recherche dun poste, Einstein crit en avril 1901 au physicien hollandais Heike Kamerlingh Onnes Leyde (cest lui qui russira liqufier lhlium - le dernier des gaz rares - et qui dcouvrira la supraconduction), mais nobtient pas de rponse. Einstein na que vingt deux ans et profite de son temps libre pour poser les premires pierres aux travaux qui feront sa gloire. I1 crit la fin de lanne 1901 Mileva (qui tait retourne chez ses parents) quil lui c< est venu une autre ide, dune grande importance scientifque, sur les forces molculaires . Ses rflexions sur ce qui allait devenir la thorie de la relativit date galement de cette poque; il indique Mileva - toujours en 1901 - quil (< travaille darrache-pied u n e lectrodynamique des corps en mouvement qui promet de devenir un article capital et quil a maintenant lintention dtudier ce que Lorentz et Drude ont crit sur ce sujet .

En janvier 1902, Mileva donne naissance la petite Lieserl. Einstein qui est Berne a hte de prendre sa fille dans ses bras et confie Mileva : (( Je laime tant et j e ne la connais pas encore ! D La situation est prcaire, Albert vit de quelques supplances dans des lyces. Finalement, grce au pre de son camarade Marcel Grossmann, il obtient en juin 1902 un poste lOffice Fdral des Brevets Berne et, le 6 janvier 1903, malgr la forte opposition des parents respectifs, Albert Einstein pouse Mileva Maric. Berne, le jeune couple parle physique et philosophie lors de dners avec leurs amis: Michelle Besso et sa femme, Maurice Solovine et Conrad Habicht. Mileva participe aux travaux scientifiques, et lun des frres Habicht qui lui demande pourquoi elle na pas mentionn son nom une demande de brevet, elle rpond : N A quoi bon ? nous ne faisons plus , tous les deux, quune seule pierre (>). H Le trio form par Albert Einstein, Maurice Solovine et Conrad Habicht baptise par drision leurs runions Acadmie Olympia. Cinquante ans plus tard, Einstein dira de cette Acadmie Olympia : cc Vos membres vous ont cre pour moquer vos surs bien assises. Combien cette moquerie visait juste , cest ce que de longues annes dobservation attentive mont permis dapprcier pleinement ! D Le travail dEinstein au bureau des brevets ne le dtourne pas de ses proccupations scientifiques, il crit au dbut 1904 une lettre son ami Grossmann : (< I l y a entre nous une trange ressemblance. Nous aussi nous

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