Einstein : les découvertes, la relativité et la portée d'une œuvre scientifique
Einstein en fiche de cours : l'année 1905, la relativité restreinte et la relativité générale, le Nobel de 1921 et les vérifications expérimentales datées.
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Einstein est le physicien qui a redéfini l'espace, le temps et la gravitation entre 1905 et 1915. En une seule année, 1905, il publie quatre articles qui fondent la physique des quanta, confirment la réalité des atomes, établissent la relativité restreinte et posent l'équivalence entre masse et énergie. Dix ans plus tard, la relativité générale décrit la gravitation comme une courbure de l'espace-temps. Ses prédictions ont été vérifiées par des mesures datées, de l'orbite de Mercure aux ondes gravitationnelles. Son prix Nobel, attribué au titre de l'année 1921, récompense pourtant l'effet photoélectrique et non la relativité. Cette fiche te donne les faits, les dates et les nuances utiles en physique comme en culture générale.
Le parcours d'Albert Einstein et son contexte scientifique
Une trajectoire européenne, entre plusieurs systèmes scolaires
Albert Einstein naît le 14 mars 1879 à Ulm, dans le royaume de Wurtemberg. Sa famille s'installe ensuite à Munich, puis le jeune homme poursuit sa scolarité en Suisse. Il passe le concours d'entrée de l'École polytechnique fédérale de Zurich en 1895, à seize ans, et échoue sur la partie générale de l'épreuve.
Il complète alors son année de secondaire à l'école cantonale d'Argovie, à Aarau, et obtient sa maturité en 1896. Il entre ensuite au Polytechnique de Zurich. Il en sort diplômé en 1900, avec une qualification pour enseigner les mathématiques et la physique.
Le bureau des brevets de Berne
Faute de poste universitaire immédiat, Einstein entre en 1902 au Bureau fédéral de la propriété intellectuelle à Berne. Il y occupe une fonction d'expert technique, titularisée en 1903. Le travail consiste à examiner des dossiers de brevets, souvent liés à la transmission de signaux électriques.
Ce poste lui laisse du temps de réflexion et l'oblige à raisonner sur des dispositifs concrets. Les questions de synchronisation d'horloges à distance étaient alors un sujet technique d'actualité. Einstein rédige ses articles de 1905 en dehors de toute structure de laboratoire.
Sa thèse de doctorat, consacrée à une nouvelle détermination des dimensions moléculaires, est achevée le 30 avril 1905. Le grade lui est formellement conféré par l'université de Zurich le 15 janvier 1906. Il devient Privatdozent à Berne en 1908, puis professeur à Zurich en 1909.
La légende du mauvais élève en mathématiques
Une histoire circule largement : Einstein aurait été médiocre en mathématiques. Ses relevés scolaires contredisent cette affirmation. À Aarau, ses notes en mathématiques et en physique figurent parmi les meilleures de son dossier, dans un barème suisse où 6 est la note maximale.
La confusion vient souvent de deux éléments. D'une part, l'échec au concours d'entrée de 1895 portait sur les matières générales, pas sur les sciences. D'autre part, les barèmes scolaires suisses ont été inversés au cours de sa scolarité, ce qui a nourri des lectures erronées de ses bulletins.
Retiens la distinction méthodologique. Einstein a eu des difficultés institutionnelles, pas des difficultés mathématiques élémentaires. Il a en revanche reconnu avoir dû se former tardivement au calcul tensoriel, avec l'aide du mathématicien Marcel Grossmann, pour construire la relativité générale.
L'année 1905 et ses quatre articles
Ce que contient l'année dite miraculeuse
En 1905, Einstein soumet quatre articles aux Annalen der Physik, la revue de physique de référence en Allemagne. Chacun ouvre un domaine distinct. Ils touchent à la nature de la lumière, à l'existence des atomes, à la structure de l'espace et du temps, et à la masse. Voici le détail, avec les dates de réception par la revue.
Article | Reçu par la revue | Objet | Conséquence principale |
|---|---|---|---|
Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière | 18 mars 1905 | Quanta de lumière et effet photoélectrique | Fonde l'idée que l'énergie lumineuse est échangée par paquets discrets |
Sur le mouvement de petites particules en suspension dans un liquide au repos | 11 mai 1905 | Mouvement brownien | Fournit un test quantitatif de l'existence des molécules |
Sur l'électrodynamique des corps en mouvement | 30 juin 1905 | Relativité restreinte | Redéfinit la simultanéité, les durées et les longueurs |
L'inertie d'un corps dépend-elle de son contenu en énergie ? | 27 septembre 1905 | Équivalence masse-énergie | Établit la relation entre masse et énergie, connue sous la forme E = mc² |
L'effet photoélectrique et le quantum de lumière
Quand on éclaire un métal, il peut émettre des électrons. L'expérience montre un résultat déroutant pour la physique de 1900. L'énergie des électrons émis dépend de la fréquence de la lumière, pas de son intensité. En dessous d'une fréquence seuil, aucun électron ne sort, même avec une lumière très intense.
Einstein propose une lecture simple. La lumière échange son énergie par paquets, chacun valant h fois la fréquence, où h est la constante de Planck. Un paquet arrache un électron ou n'en arrache aucun.
La relation s'écrit : énergie cinétique maximale de l'électron égale hν moins le travail d'extraction du métal. C'est cette loi, et non l'hypothèse philosophique du grain de lumière, que le comité Nobel retiendra plus tard.
Le mouvement brownien et la réalité des atomes
En 1905, l'existence des atomes reste discutée par une partie des physiciens et des chimistes. Le mouvement brownien désigne l'agitation désordonnée de petites particules en suspension dans un liquide. Einstein en donne une description statistique.
Son apport est de relier une grandeur observable au microscope à des grandeurs moléculaires. Il prédit comment le déplacement quadratique moyen d'une particule croît avec le temps. Cette prédiction devient un test mesurable.
Les travaux expérimentaux conduits ensuite par Jean Perrin, à la Sorbonne, exploitent ce cadre pour estimer le nombre d'Avogadro. Perrin recevra le prix Nobel de physique pour l'année 1926, notamment pour ses travaux sur la structure discontinue de la matière.
Ce que dit la relativité restreinte en langage clair
Les deux postulats de départ
La relativité restreinte repose sur deux énoncés courts. Premier postulat : les lois de la physique prennent la même forme dans tous les référentiels inertiels, c'est-à-dire en translation rectiligne uniforme les uns par rapport aux autres. Deuxième postulat : la vitesse de la lumière dans le vide a la même valeur dans tous ces référentiels.
Le second postulat est celui qui dérange l'intuition. En mécanique classique, les vitesses s'additionnent. Si tu marches à 5 km/h dans un train roulant à 100 km/h, tu avances à 105 km/h par rapport au sol.
Pour la lumière, ce raisonnement ne fonctionne pas. Le rayon émis par une source en mouvement garde la même vitesse pour tous les observateurs inertiels. Conserver ce fait impose de renoncer à l'idée d'un temps universel.
La simultanéité n'est pas absolue
Einstein commence son article de 1905 par une analyse de la mesure du temps. Dire que deux événements sont simultanés suppose une procédure de synchronisation d'horloges éloignées. Cette procédure utilise des signaux lumineux.
Or la même procédure, appliquée par deux observateurs en mouvement relatif, ne donne pas le même verdict. Deux événements simultanés pour l'un ne le sont pas pour l'autre. La simultanéité devient une notion relative au référentiel.
Dilatation des durées et contraction des longueurs
Deux conséquences quantitatives suivent. Une horloge en mouvement par rapport à toi bat plus lentement que ta propre horloge. Une règle en mouvement paraît plus courte dans la direction du déplacement.
Les deux effets font intervenir le même facteur, noté gamma. Il vaut 1 divisé par la racine carrée de 1 moins v²/c². À faible vitesse, gamma vaut pratiquement 1 et rien de visible ne se produit. Aux vitesses proches de c, il devient très grand.
La confirmation la plus lisible vient des muons produits dans la haute atmosphère. Leur durée de vie moyenne au repos est de l'ordre de 2,2 microsecondes. Ils atteignent pourtant le sol en nombre, ce que la dilatation des durées explique.
L'équivalence entre masse et énergie
Le quatrième article de 1905 tire une conclusion supplémentaire. Si un corps émet de l'énergie sous forme de rayonnement, sa masse diminue. La relation entre les deux quantités fait intervenir le carré de la vitesse de la lumière.
Sous sa forme usuelle, E = mc² signifie qu'une masse au repos correspond à une énergie. Le facteur c² étant très grand, une masse minuscule correspond à une énergie considérable. C'est ce qui rend les réactions nucléaires si énergétiques comparées aux réactions chimiques.
Une précision utile en physique. La formule complète relie énergie, masse au repos et quantité de mouvement. E = mc² en est le cas particulier pour un corps au repos, et c'est sous cette forme réduite qu'elle circule.
La relativité générale : du principe d'équivalence à la courbure
L'idée de départ : équivalence entre gravitation et accélération
En 1907, Einstein formule ce qu'il décrira plus tard comme son idée la plus heureuse. Un observateur en chute libre ne ressent pas son propre poids. Localement, un champ de gravitation uniforme et une accélération produisent des effets indiscernables.
Ce principe d'équivalence a une racine expérimentale ancienne. Tous les corps tombent avec la même accélération dans un champ de gravitation donné, indépendamment de leur masse et de leur composition. La masse inerte et la masse gravitationnelle coïncident.
Einstein en tire une conséquence forte. Si la gravitation peut être effacée localement par un changement de référentiel, elle n'est pas une force ordinaire. Elle tient à la géométrie du cadre lui-même.
La gravitation comme géométrie de l'espace-temps
La relativité générale remplace la force gravitationnelle par une propriété de l'espace-temps. La matière et l'énergie courbent l'espace-temps. Les corps libres suivent les trajectoires les plus droites possibles dans cette géométrie courbe, appelées géodésiques.
La traduction mathématique demande le calcul tensoriel, que Marcel Grossmann fait découvrir à Einstein à partir de 1912. Les équations du champ relient un objet géométrique, décrivant la courbure, à un objet physique, décrivant le contenu en énergie et en impulsion.
Einstein présente ces équations à l'Académie royale des sciences de Prusse le 25 novembre 1915. Une semaine plus tôt, il avait communiqué le calcul du mouvement du périhélie de Mercure. La version d'ensemble de la théorie est publiée en 1916.
Les vérifications expérimentales et leurs auteurs
De Mercure à l'éclipse de 1919
Le mouvement du périhélie de Mercure posait un problème depuis le XIXe siècle. Une avance résiduelle d'environ 43 secondes d'arc par siècle restait inexpliquée par la mécanique céleste newtonienne. Le calcul d'Einstein de novembre 1915 rend compte de cet écart sans paramètre ajusté.
La déviation de la lumière est testée lors de l'éclipse totale de Soleil du 29 mai 1919. Deux expéditions britanniques sont organisées, l'une à Sobral au Brésil, l'autre sur l'île de Príncipe, au large de l'Afrique de l'Ouest. Arthur Eddington, de l'observatoire de Cambridge, conduit la seconde.
Les résultats sont présentés le 6 novembre 1919, lors d'une séance commune de la Royal Society et de la Royal Astronomical Society, à Londres. La publication signée Frank Watson Dyson, Arthur Eddington et Charles Davidson paraît en 1920. La précision de ces mesures a été discutée depuis par les historiens des sciences.
Horloges, gyroscopes et satellites
Année | Test | Auteurs et institutions | Ce qui est mesuré |
|---|---|---|---|
1959-1960 | Décalage gravitationnel des fréquences | Robert Pound et Glen Rebka, laboratoire Jefferson, université Harvard | Variation de fréquence de photons gamma sur une hauteur de quelques dizaines de mètres |
1971 | Dilatation du temps en vol | Joseph Hafele, université Washington à Saint-Louis, et Richard Keating, observatoire naval des États-Unis | Écarts d'horloges atomiques embarquées sur des vols commerciaux vers l'est et vers l'ouest |
2004-2011 | Effets géodétique et d'entraînement des référentiels | Mission Gravity Probe B, NASA et université Stanford | Dérive de l'axe de gyroscopes en orbite terrestre |
2015-2016 | Ondes gravitationnelles | Collaborations LIGO et Virgo | Passage d'une onde émise par la fusion de deux trous noirs |
Les résultats finaux de Gravity Probe B ont été annoncés en mai 2011 par l'équipe de Stanford. Ils confirment l'effet géodétique avec une bonne précision et l'effet d'entraînement avec une incertitude plus large.
Ondes gravitationnelles et images de trous noirs
Le signal désigné GW150914 est enregistré le 14 septembre 2015 par les deux détecteurs de l'observatoire LIGO, aux États-Unis. L'annonce publique intervient le 11 février 2016. Le prix Nobel de physique 2017 est attribué à Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne pour leur rôle dans ce dispositif.
Einstein avait prédit l'existence des ondes gravitationnelles en 1916, puis précisé leur traitement en 1918. Un siècle sépare donc la prédiction de la détection directe. Entre les deux, des preuves indirectes avaient été obtenues par l'étude de pulsars binaires.
La collaboration Event Horizon Telescope publie le 10 avril 2019 la première image de l'environnement d'un trou noir supermassif, au centre de la galaxie M87. Le 12 mai 2022, la même collaboration publie une image de Sagittarius A*, au centre de la Voie lactée. Ces images fournissent des contraintes supplémentaires sur la théorie.
Le Nobel de 1921 et le débat avec la mécanique quantique
Un prix pour l'effet photoélectrique
Le prix Nobel de physique au titre de l'année 1921 est attribué à Einstein. La motivation officielle mentionne ses services rendus à la physique théorique, et en particulier sa découverte de la loi de l'effet photoélectrique. La relativité n'y figure pas.
Le calendrier mérite une précision. Aucun prix de physique n'avait été décerné pour 1921 lors de la session correspondante. La décision intervient l'année suivante, et Einstein reçoit donc son prix au titre de 1921 en 1922. Il prononce sa conférence Nobel en Suède en juillet 1923.
Pourquoi la relativité n'est pas mentionnée
Plusieurs éléments sont documentés, et les historiens des sciences ne leur donnent pas tous le même poids. Le statut expérimental de la relativité générale restait débattu au début des années 1920. Les résultats de 1919 étaient jugés suggestifs par certains membres de la communauté, insuffisants par d'autres.
Le testament d'Alfred Nobel privilégie par ailleurs les découvertes et les inventions au bénéfice démontré. Une théorie de portée conceptuelle s'y insérait moins facilement qu'une loi vérifiée en laboratoire. L'effet photoélectrique offrait un énoncé quantitatif testable.
Solvay, l'article EPR de 1935 et la suite
Einstein contribue aux fondements de la théorie quantique, puis conteste son caractère complet. Lors des congrès Solvay de 1927 et 1930, à Bruxelles, il propose des expériences de pensée destinées à mettre en défaut l'interprétation défendue par Niels Bohr. Bohr y répond à chaque fois.
Dans une lettre à Max Born datée du 4 décembre 1926, Einstein écrit qu'il est convaincu que « celui-là ne joue pas aux dés ». La formule vise le caractère probabiliste de la théorie, qu'il considérait comme provisoire.
En 1935, il publie avec Boris Podolsky et Nathan Rosen un article dans Physical Review, daté du 15 mai. Le titre demande si la description quantique de la réalité physique peut être considérée comme complète. Bohr publie sa réponse dans la même revue, le 13 octobre 1935.
De l'argument EPR aux tests expérimentaux
L'argument EPR décrit deux particules ayant interagi puis séparées. Mesurer l'une semble déterminer instantanément une propriété de l'autre. Einstein y voyait soit une action à distance inacceptable, soit une description incomplète.
Dans une lettre à Max Born du 3 mars 1947, il emploie l'expression d'action fantôme à distance pour désigner ce qui le gênait. Le débat restait alors largement interprétatif.
John Bell publie en 1964 un article qui transforme la question en problème expérimental. Il établit des inégalités que des variables cachées locales devraient respecter. Les expériences menées ensuite, notamment par Alain Aspect et son équipe à l'Institut d'optique dans les années 1980, mesurent des violations de ces inégalités. Le prix Nobel de physique 2022 récompense Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger pour ces travaux.
L'exil de 1933, la lettre de 1939 et les engagements publics
Le départ d'Allemagne
Einstein se trouve en déplacement hors d'Allemagne lors de l'arrivée au pouvoir du parti nazi en janvier 1933. Il décide de ne pas rentrer. Le 28 mars 1933, à son arrivée à Anvers, il se rend au consulat allemand et renonce à sa nationalité allemande.
Il démissionne de l'Académie des sciences de Prusse. Ses biens en Allemagne sont saisis et ses travaux visés par les campagnes de l'époque. Il s'installe à l'Institute for Advanced Study de Princeton, aux États-Unis, à partir d'octobre 1933.
Il y demeure jusqu'à sa mort, le 18 avril 1955. Il obtient la nationalité américaine en 1940, tout en conservant la nationalité suisse acquise en 1901.
La lettre du 2 août 1939 à Roosevelt
La lettre adressée au président Franklin Roosevelt est datée du 2 août 1939. Elle est signée par Einstein, et rédigée pour l'essentiel avec le physicien hongrois Leó Szilárd. Elle signale que des réactions en chaîne à partir d'uranium paraissent désormais concevables.
Elle recommande un suivi attentif des recherches et une sécurisation des approvisionnements en minerai d'uranium. Elle alerte sur le fait que l'Allemagne avait restreint les exportations d'uranium tchécoslovaque. L'économiste Alexander Sachs la remet à Roosevelt en octobre 1939.
Einstein n'a pas participé au projet Manhattan. Il n'a pas eu accès aux travaux classifiés de ce programme. Il s'est exprimé après 1945 en faveur d'un contrôle international des armes nucléaires.
Conclusion
L'œuvre d'Einstein tient dans un petit nombre d'articles et dans un siècle de vérifications. L'année 1905 ouvre quatre chantiers distincts. L'année 1915 donne à la gravitation une forme géométrique. Les mesures de 1919, de 1960, de 1971, de 2011 et de 2015 ont ensuite testé ces prédictions avec des méthodes de plus en plus fines.
Le reste relève de la nuance, et c'est là que se joue la qualité d'une copie. Le prix Nobel attribué au titre de 1921 porte sur l'effet photoélectrique. La légende du mauvais élève en mathématiques est contredite par ses relevés. Les citations sans source identifiée sont à écarter.
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