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1873 -Intro Poincaré Faraday Edison Perrin Planck Ampère Hubble Newton Brown Barlow Friedmann Curie Franklin Walton Einstein Ørsted Becquerel De Sitter Cockroft Lemaitre Maxwell 1932 -Conclusion Einstein et la Théorie de la relativité : les découvertes scientifique s à la Belle. Epoque

Les formidables avancées scientifiques opérées à la Belle Epoque, et dans les années qui suivent, suite aux travaux d’Albert Einstein, sont largement déterminées par des recherches sur l’électricité et le magnétisme. Le savant le plus important à cet égard est un écossais : James Clerk Maxwell… Mode d’emploi : vous pouvez naviguer à votre guise dans le diaporama, qui donne aussi quelques liens vers des sites internet (placez la souris sur les images : des légendes y sont ponctuellement insérées et renvoient vers ces sites). Par commodité, deux icones vous permettent de naviguer dans le document : renvoi vers la page d’accueil (date et noms des savants) renvoi vers la diapositive précédemment visitée

James Clerk Maxwell (1831 -1879) est un physicien écossais dont les travaux ont été indispensables à la mise au point de la théorie de la relativité. Il étudie inlassablement la physique de l’électricité et du magnétisme et, en associant les 2, il cherche à mettre en évidence les lois qui définissent l’électromagnétisme. En l’espèce il n’est pas vraiment original, dans le sens où ses travaux (dont il réalise la synthèse dans son grand ouvrage, publié en 1873 : Electricity and electromagnetism) s’inscrivent dans un siècle de recherches sur l’électricité. L’originalité de Maxwelle réside ainsi surtout dans le fait qu’il est parvenu à codifier toutes les études antérieures d'André-Marie Ampère et de Michael Faraday, et à les rassembler dans un ensemble de 20 équations différentielles (finalement réduites à 4) : les lois de Maxwell (1). Celles-ci décrivent le comportement des champs électriques et magnétiques et le rapport entre les 2, à savoir l'électromagnétisme. Elles démontrent que les champs électriques et magnétiques voyagent dans l'espace, sous forme d'ondes, à une vitesse d'environ 300 000 km/s : la vitesse de la lumière (1). Il a ainsi émit l'hypothèse que la lumière était une forme de rayonnement électromagnétique (ce que fut démontré ultérieurement par les expériences de Hertz). La théorie de l'électromagnétisme de Maxwell contient ainsi le germe de la relativité. Le premier à le comprendre fut le mathématicien français Henri Poincaré, mais A. Einstein le reconnaissait aussi bien volontiers puisque sa théorie intégrait un des principes mis en évidence par Maxwell : « la vitesse de la lumière dans le vide ne dépend pas de la vitesse de sa source » , ou, pour le dire autrement : « la vitesse de la lumière dans le vide est toujours la même, quelque soit le référentiel » . (1) Voir ici pour une description des équations de Maxwell. (2) Les 1ères mesures de cette vitesse sont réalisées en 1676 par l’astronome danois Römer, et c’est un physicien français, Hippolyte Fizeau, qui mesure de façon définitive la vitesse de la lumière en 1849 (300 000 km/s).

Des Lumières à la Révolution industrielle : plus d’un siècle de recherches sur l’électricité (et le magnétisme) L’électricité et le magnétisme sont évidemment des phénomènes connus depuis l’antiquité. Le nom d’électricité est inventé au 16 e siècle par un savant anglais, mais c’est surtout au 18 e siècle que le phénomène devient un objet d’étude approfondi, notamment dans le cadre technique de la fabrication de machines produisant de l’électricité : en 1799, Alessandro Volta invente ainsi la première pile électrique (en empilant alternativement des disques de métaux différents (cuivre, zinc) séparés par des disques de feutre imbibés d’acide). Ces innovations techniques se situent dans l’intérêt des savants du 18 e siècle pour les techniques et leur application concrète (cf. l’Encyclopédie) et pour la découverte de sources d’énergie nouvelles. C’est entre 1750 et 1820, environ, que les premières avancées se produisent, notamment à partir des découvertes de Benjamin Franklin sur la foudre, puis avec la mise en évidence du lien entre l’électricité et le magnétisme par le danois Hans Christian Ørsted et par l’anglais Peter Barlow. Si les travaux de ces derniers sont plutôt techniques, les recherches théoriques sont davantage le fait de deux savant essentiels pour J. C. Maxwell : d'André-Marie Ampère et de Michael Faraday… Ces travaux scientifiques et ceux qui les suivent dans les années 1860 -1890 conduisent ainsi, révolution industrielle oblige, à la construction de machines capables de produire de l'énergie électrique en grande quantité et à la transporter sur de longue distance. Lucien Gaulard et Nikola Tesla inventent respectivement le transformateur (1883) et les machines à courant alternatif (1884) : ces éléments sont essentiels à la production et au transport électrique (L. Gaulard y parvient, sur 40 km, en 1884 et ses réalisations permettent d’installer l’éclairage du métro de Londres). L'invention de la machine à courant continu est brevetée par le Belge Zénobe Gramme ; elle est améliorée, commercialisée et généralisée aux États-Unis par. Thomas Edison.

André-Marie Ampère (1776 -1836), dès son enfance, a soif d'apprendre. Son père commence à lui enseigner le latin, qui lui servira pour étudier les travaux de Daniel Bernoulli, pur savant des Lumières qui a étudié et enseigné les mathématiques, la botanique, l’anatomie et surtout la physique. À partir de 1796, Ampère donne à Lyon des cours privés de mathématiques, de chimie et de langues. La période révolutionnaire et napoléonienne est pour lui propice parce qu’elle lui permet de mener une belle carrière d’enseignant. En 1801 il devient professeur de physique-chimie à Bourg-en-Bresse, à l'Ecole centrale du département de l'Ain, et en 1803 il est nommé professeur de mathématiques au lycée de Lyon (1). En 1804, il est nommé répétiteur d'analyse à l'École polytechnique (2) et s'installe à Paris. Ses travaux sont importants : ils se placent dans la foulée d’Ørsted, dont il lit les études dès 1820. Il tente de comprendre le lien qu’entretiennent l’électricité et le magnétisme : sa loi la plus connue, sur l'électrodynamique, décrit ainsi les forces que 2 conducteurs parallèles parcourus par des courants électriques exercent l'un sur l'autre ; si la direction du courant est la même dans les deux conducteurs, ceux-ci s'attirent et si le courant se déplace dans des directions opposées, les conducteurs se repoussent. Ces travaux fondent l'électrodynamique et influencent considérablement la physique du 19 e siècle, notamment parce qu’Ampère interprète le phénomène du magnétisme par la théorie du courant moléculaire, selon laquelle d'innombrables particules minuscules, chargées électriquement, seraient en mouvement dans le conducteur : cette théorie est rejetée par les scientifiques de l'époque et ne parvient à s'imposer qu’en 1897 grâce à J. J. Thomson, qui met en évidence l’existence des électrons : c’est un pas vers la démonstration définitive de l’existence des atomes. (1) Les lycées sont créés par Napoléon Bonaparte en 1802 (2) l’école Polytechnique est créée par un décret révolutionnaire en 1794

Michael Faraday (1791 -1867) complète les travaux d’Ampère. En 1821, après la découverte du phénomène de l'électromagnétisme par le chimiste danois Ørsted, Faraday construit 2 appareils pour produire ce qu'il appela une rotation électromagnétique. Dix ans plus tard, en 1831, il commença une longue série d'expériences durant lesquelles il découvrit l'induction électromagnétique c’est-à-dire la création d'un courant dans un conducteur à partir d'un champ magnétique : ces expériences forment la base de la technologie électromagnétique moderne (la loi de Faraday permet de relier la force électromotrice induite dans un circuit électrique avec la variation du flux du champ magnétique à travers ce circuit électrique). En 1833, il introduit les termes d'anode, de cathode, d'anion, de cation et d'ions.

Benjamin Franklin démontre en 1752 que la foudre est un phénomène dû à l'électricité et invente le paratonnerre pour s'en protèger. Benjamin Franklin (17061790) et son paratonnerre. Franklin mena de concert une carrière scientifique le mis en relation avec les plus grands intellectuels de son époque (en particulier le mathématicien d’Alembert en France, l’un des fondateurs de l’Encyclopédie), et une carrière politique comme défenseur des droits de l’homme. C’est l’une des grandes personnalités des Lumières américaines

Peter Barlow (1776 -1862) construit en 1822 le 1 er moteur électrique de l'histoire : la « roue de Barlow » qui est un simple disque métallique découpé en étoile et dont les extrémités plongent dans un godet contenant du mercure qui assure l'arrivée du courant. Un aimant, en forme de fer à cheval, est disposé de telle sorte que les extrémités de ses 2 pôles soient situées de part et d'autre du disque. La force électromagnétique qui s'exerce sur la partie du disque parcourue par le courant l’entraine vers l'extérieur, tendant ainsi à le faire tourner sur lui-même. Pour observer une animation mettant en mouvement la « roue de Barlow » , cliquez sur l’image. Quittez ensuite la page internet pour revenir au diaporama.

Hans Christian Ørsted découvre en 1820 la relation entre électricité et magnétisme à travers une expérience toute simple qu’il réalisait devant ses étudiants : il faisait bouger une l’aiguille d’une boussole en déplaçant près d’elle un fil transportant du courant ; il montrait ainsi qu’il y a bien une interaction entre les forces électriques d'une part et les forces magnétiques d'autre part, ce qui était révolutionnaire pour l'époque. Hans Christian Ørsted, dessin, 1820 Pour observer une animation mettant en scène son expérience, cliquez sur l’image. Quittez ensuite la page internet pour revenir au diaporama.

Thomas Edison (11 février 1847 Ohio - 18 octobre 1931 New Jersey) est reconnu comme l'un des inventeurs américains les plus importants des États-Unis. Fondateur de General Electric, un des 1 er empires industriels mondiaux, pionnier de l'électricité, diffuseur, popularisateur et perfectionneur de technologies d'avant garde, autoproclamé inventeur de l’ampoule électrique (sa plus emblématique invention, en 1879), du téléphone, du cinéma et de l'enregistrement et de la diffusion du son, il n'hésita pas à s'attribuer quantité d'inventions réalisées par d'autres, jusqu'à revendiquer le nombre record de 1093 brevets (alors que l'immense majorité de ceux ci fut soit racheté pour un prix dérisoire, soit allègrement pillé sur le dos de ses collaborateurs et concurrents, tels Nicolas Tesla, Alexander Graham Bell, Antonio Meucci, Georges Méliès). À sa naissance, les applications de l'électricité n'existaient pas, 84 ans plus tard, elles éclairent le monde entier.

Henri Poincaré (1854 -1912) est l’arrière-petit-fils d'Étienne Geoffroy Saint-Hilaire, grand zoologue et anatomiste de l’époque révolutionnaire et napoléonienne (un des 1 ers théoriciens de l’évolutionnisme, développé par Charles Darwin en 1859). Issu d’un milieu relativement aisé et porté sur les travaux scientifiques, il fut un brillant élève, obtint le baccalauréat en 1871, entra 1 er à l'École polytechnique en 1873, puis à l'École des Mines en octobre 1875 ; il est licencié de sciences le 2 aout 1876. Il obtient le 1 er aout 1879 le doctorat de mathématiques. Deux ans plus tard, il obtient ses premiers résultats marquants en mathématiques (sur les équations différentielles linéaires à coefficients algébriques…), et rapidement, il s'intéresse à l'application de ses connaissances mathématiques en physique et plus particulièrement en mécanique. Nommé professeur de mécanique physique et expérimentale le 16 mars 1885, il quitte celle-ci pour la chaire de Physique mathématique en aout 1886 et en novembre 1896, il obtient la chaire d'Astronomie mathématique et de mécanique céleste. Sa carrière de professeur universitaire montre tout son effort pour associer constamment mathématique et physique : c’est là son apport essentiel, qui lui permet d’annoncer la théorie de la relativité, en particulier 2 éléments essentiels : la relativité du temps et de l’espace et l’équivalence entre la masse et l’énergie, qu’il détaille dans son ouvrage essentiel, La science et l’hypothèse, en 1902. Alors la théorie de la relativité est-elle l’œuvre de Poincaré ? Il est un fait qu’Einstein se réfère peu à ses travaux, qu’il connaissait pourtant, et on le lui a reproché… Mais il y a un élément qui les distingue fondamentalement : Poincaré maintint l’existence de l’éther jusqu’à sa mort, en 1912, tandis qu’Einstein rejeta purement et simplement son existence… En somme, c’est bien Einstein qui tira toutes les conséquences de la relativité et ce dès 1905, à travers les articles qu’il fait alors paraître.

Contre Newton, la relativité du temps et de l’espace Poincaré est l’un des premiers savant à remettre en question certains principes newtoniens sur le temps et l’espace. Les travaux de Maxwell sur l’électromagnétisme sont ici décisifs pour comprendre le dilemme qui se pose à Poincaré. Ce dilemme est bien simple : les équations de Maxwell ne sont pas conciliables avec les principes de Newton, que l’on croyait absolument certains ! Que faire, donc ? Poincaré répond qu’il est impossible de rendre manifeste le mouvement absolu de la matière par rapport à l’éther (qui est supposé absolu, c’est-à-dire englobant tout, immobile et stationnaire) : en bref, on ne peut pas calculer la vitesse absolue d’un objet, d’un corps ou d’une onde (y compris la lumière) par rapport à l’éther. Au mieux, on peut calculer les vitesses relatives des objets les uns par rapport aux autres. Il le dit dans son ouvrage La science et l’hypothèse, parue en 1902 : « il n’y a pas d’espace absolu et nous ne concevons que des mouvements relatifs [les uns par rapports aux autres et non par rapport à un référenciel absolu fixe, l’éther] » . Il analyse ensuite les principes qui fondent la physique et met dans sa liste « le principe de relativité, d’après lequel les lois des phénomènes physiques doivent être les mêmes soit pour un observateur fixe soit pour un observateur entraîné dans un mouvement, de sorte que nous n’avons aucun moyen de discerner si nous sommes ou non entraînés dans un pareil mouvement » . Et il conclut : « de tous ces résultats, s’ils sont confirmés, émergerait une mécanique entièrement nouvelle qui serait par-dessus tout caractérisée par le fait qu’aucune vitesse ne pourrait dépasser celle de la lumière » . En somme il donne raison à Maxwell tout en corrigeant Newton (1)… Mais il laisse à un autre le soin de faire émerger cette « mécanique entièrement nouvelle » : cet autre fut Albert Einstein… (1) On ne peut utiliser aucun référenciel fixe absolu, ni le temps ni l’espace, afin de calculer une vitesse absolue par rapport à lui. Pourquoi ?

E = mc² ou l’équivalence entre la masse et l’énergie Poincaré est le premier savant à avoir évoqué (implicitement) l’équivalence entre la masse et l’énergie. Cette idée est directement liée aux travaux sur l’électromagnétisme, qui intéressent Poincaré qui se demande, en bon physicien mécaniste qu’il est, comment mesurer l’impact de l’énergie électromagnétique. Il écrit en 1900 : « Si un appareil après avoir produit de l’énergie électromagnétique la renvoie par rayonnement dans une certaine direction, cet appareil devra reculer comme recule un canon qui a lancé un projectile. Il est facile d’évaluer en chiffre l’importance de ce recul. Si l’appareil a une masse de 1 kg et s’il a envoyé dans une direction unique avec la vitesse de la lumière 3000000 de joules, soient 3000 watts, la vitesse due au recul est de 1 cm par seconde. En d’autres termes si l’énergie produite par une machine de 3000 watts est envoyé dans une seule direction, il faudra pour maintenir la machine en place, malgré le recul, une force si faible qu’elle ne pourrait être décelée par l’expérience » (1). Son texte indique dès 1900, soit 5 ans avant Einstein, Poincaré a trouvé, mais sans l’expliquer ni en souligner l’importance, la fameuse formule E = mc² ! Il termine son texte en indiquant qu’on ne pourrait pas mettre en évidence la force nécesaire pour maintenir en place la machine car cette force est trop faible (à cause du facteur gigantesque c²). Pourtant, un nouveau phénomène vient d’être découvert lorqu’il écrit ces lignes, qui allait permettre de vérifier, par l’expérience, la fameuse formule E = mc². Ce phénomène, c’est la radioactivité. (1) Appelon M la masse de l’appareil (M = 1 kg), v sa vitesse de recul et E l’énergie qu’il a envoyé (E = 3000 watts, soient 3000000 de joules, soit E = 3 MJ). Désignons par m la masse équivalente à cette énergie et par c la vitesse de la lumière (c = 300000 km/s soient 3 x 10 8 m/s). La conservation de la quantité d’énergie de mouvement s’écrit Mv = mc (ou v = mc/M). En utilisant la relation entre la masse et l’énergie (E = mc²), ce que fait ici implicitement ici Poincaré), on obtient v = mc/M = mc²/M² = E/Mc). En utilisant les valeurs numériques rappelées plus haut, on trouve bien v = 1 cm/s comme annoncé par Poincaré !

C’est en 1896 qu’Antoine Henri Becquerel découvre la radioactivité, par accident : en étudiant une plaque photographique mise en contact avec les sels d’uranium, il s'aperçoit qu'elle est impressionnée même lorsque le matériau n'a pas été soumis à la lumière du soleil : il en conclut que le matériau émet son propre rayonnement sans nécessiter une excitation par de la lumière… C’est la 1ère observation de la radioactivité. Consciente de l’ampleur de la découverte, une étudiante polonaise, Marie Curie, choisit comme sujet de thèse l'étude de ce nouveau type de rayonnement. Elle baptise cette propriété « radioactivité » (avril 1898) ; en juillet et décembre de la même année, elle découvre avec son mari Pierre Curie 2 éléments plus radioactifs encore que l’uranium : le polonium et le radium. Ensembles, ils assistent, par hasard, à la 1ère constatation expérimentale de l’équivalence masse-énergie : un soir, après leur repas, Pierre et Marie retournent dans leur laboratoire ; il fait nuit et quand ils entrent dans le labo, sans en allumer la lumière, ils constatent que le radium est spontanément lumineux ! Pierre Curie se demande à quoi tient ce rayonnement et s’il faut en cher la cause dans les corps radioactifs eux-mêmes où à l’extérieur d’eux. De nombreuses expériences suivront cette interrogation, jusqu’en 1932 (expérience de Cockcroft et Walton), mais c’est Einstein qui donne la réponse théorique au phénomène : il tient à la transformation énergétique du radium (sous l’effet de la désintégration des noyaux instables du radium). La formule E = mc² l’explique théoriquement : « si un corps cède de l’énergie (E) sous forme de rayonnement, sa masse (m) diminue, en fonction de la vitesse de la lumière, de E/c² (…) La masse d’un corps est une mesure de son contenu en énergie : si l’énergie varie de E, la masse varie dans le même sens de E/c² » . Et il ajoute : « Il n’est pas exclu que l’on puisse réussir à vérifier la théorie avec des corps dont le contenu énergétique varie dans de grandes proportions, par exemple les sels de radium » … Einstein a bien sûr ici en tête l’observation des Curie, dont il devine qu’elle vient confirmer expérimentalement sa théorie, la masse du radium se convertissant en énergie (d’où le rayonnement spontané). Pour une présentation biographique des carrières de Pierre et Marie Curie, cliquez sur une des images ; quittez ensuite la page internet pour revenir au diaporama

L’expérience de John Cockcroft et Ernest Walton constitue la première vérification expérimentale incontestable de l’équation E = mc². En 1932, ils projetent des protons sur des atomes de lithium et observent la production de paires de noyaux d’hélium. Ils viennent de réaliser la première « transmutation » nucléaire : les protons parviennent, individuellement, à pénétrer dans les noyaux de lithium (qui contiennent 3 protons et 4 neutrons) et y sont capturés. Se forment alors des noyaux constitués de 4 neutrons… et de 4 protons… c’est-à-dire des noyaux de béryllium. Instables, ceux-ci de divisent (ils fissionnent) rapidement en 2 noyaux d’hélium formés chacun de 2 neutrons et de 2 protons. Le bilan de chaque rencontre proton-lithium confirme la formule d’Einstein : la somme de l’énergie de masse du noyau de lithium et de l’énergie totale du proton propulsé est égale aux énergie de masse des deux noyaux d’hélium. Cette expérience, qui annonçait le développement de la fission nucléaire par accélération de particule atomique (et donc la bombe atomique…), leur permis d’obtenir le prix noble de physique en 1951.

Isaac newton (1643 -1727) (1) La lumière a une nature ondulatoire similaire aux vibrations qui apparaissent à la surface de l’eau (les ronds dans l’eau) ; il y a bien ici un support, l’eau : pas d’eau, pas de ronds dans l’eau. Maxwell aurait dit : pas d’éther, pas d’onde électromagnétique à se propager et donc pas de lumière… est certainement le plus important mathématicien des (débuts des) Lumières, pour avoir établi la loi de la gravitation universelle, en 1687. Elle s’appuie sur la double notion de temps absolu ( « vrai et mathématique, sans relation à rien d’extérieur, il coule uniformément » ) et d’espace absolu ( « sans relation aux choses extérieures, il demeure toujours similaire et immobile » ). Dans ce cadre absolu, Newton pose le principe d’une interaction universelle à laquelle aucun corps ne peut échapper : la gravitation. Celle-ci semble définitivement établie et permet des calculs astronomiques qui ont validé les équations newtonienne (notamment la prévision exacte, en 1682, du retour de la comète de Halley en 1758)… Mais voilà que Maxwell met en évidence et théorise une nouvelle forme d’interaction universelle : l’électromagnétisme, qui démontre notamment que la lumière est une onde électromagnétique comme un autre et qui se déplace à une vitesse finie (300 000 km/s). Comme telle il lui faut bien un support pour qu’elle se propage. Ce support, pour Newton comme pour Maxwell, c’est l’éther, du moins le croit-on depuis des siècles, substance matérielle imaginée par Aristote… mais qui a le défaut de rester invisible (1). Newton fait de l’éther le milieu dans lequel tous les phénomènes se déroulent, dans le temps et dans l’espace, en particulier les mouvements que ses équations décrivent. Ces mouvements mettent en jeu des vitesses et Newton postule que celles-ci sont additives, c’est-à-dire qu’on peut les additionner ou les soustraire. Exemple : dans un train qui roule à 200 km/h, si un passager se déplace dans le sens du train à la vitesse de 5 km/h, il aura par rapport au sol une vitesse de 200 + 5 km/h soient 205 km/h. Et si une ampoule est fixée au plafond du train, elle émet de la lumière qui se déplace donc par rapport au sol à 300 000 km/s + 200 km/h. Sauf que les lois de Maxwell établissent ici une impossibilité, parce que la lumière se déplace à une vitesse finie indépassable, que ce soit par rapport au sol… ou par rapport à l’éther qui est le support de toute chose. Que faire ? Abandonner la mécanique newtonienne dont l’efficacité est établie depuis 2 siècles ou bien abandonner les équations de Maxwell ?

Albert Einstein (1879 -1955) est un jeune homme de 26 ans en 1905. (voyez ici sa biographie). Cette année là il passe sa thèse de physique et publie plusieurs articles dans la prestigieuse revue allemande Annalen der Physik qui feront date dans l’histoire de la discipline. 1905 constitue de fait une année révolutionnaire dans l’histoire des sciences… et plus globalement dans celle de l’humanité : de façon caricaturale, on pourrait dire que sans ces 4 articles d’Einstein nous ne connaitrions pas la bombe atomique, ni les centrales nucléaires, ni les accélérateurs de particules, ni le concept de Big Bang, ni la physique quantique, les lasers, Ou l’imagerie médicale par raisonnance magnétique (IRM). . . Quelles sont donc les découvertes du jeune Einstein ? Et d’où vient qu’en 1905 il fait paraître coup sur coup 4 articles révolutionnaires, alors même qu’il est un inconnu dans le milieu de la physique ? Inconnu ? Il a réussi a faire publier un article en 1901 dans les Annalen der Physik, suite à son diplôme de fin d’étude au Polytechnicum de Zurich. Depuis, il travaille au Bureau des brevets de Berne où il met en action sa connaissance profonde des matériels électriques (qu’il a découvert dans l’entreprise de son père), en débusquant les erreurs de fonctionnement des brevets soumis au Bureau. Il travaille 8 heures par jour… Et dispose d’un temps libre important qu’il passe à ingurgiter toute la littérature scientifique qui lui tombe sous la main. C’est dans ce contexte favorable qu’il propose à sa revue fétiche 4 articles, en mars, mai, juin et septembre 1905… 10 ans plus tard, en 1915, il généralise sa théorie de la relativité…

(1) Heuristique : en science, le terme s’applique à une méthode qui procède par approches successives en éliminant progressivement les alternatives et en ne conservant qu'une gamme restreinte de solutions tendant vers celle qui est optimale. Mars 1905, « Sur un point de vue heuristique (1) concernant la production et la transformation de la lumière » Einstein s’attaque de front à la question de la lumière et sa propagation. Il propose que l’énergie de la lumière est véhiculée par des quantas, en clair la lumière est constituée de petits grains d’énergie de la même façon que l’électricité est constituée de petites charges électriques invisibles (les électrons). Ces quantas se déplacent par paquets, et non de façon continue. Mais comment dire une chose pareille alors que Maxwell a démontré que la lumière est une onde électromagnétique ? Réponse : on en peut pas le dire et c’est pourquoi Einstein parle « d’un point de vue heuristique » . En un mot son approche est prudente et utilitaire : il tente en fait d’expliquer une théorie formulée par un savant allemand, Max Plack, qui travaillait sur la question de la lumière depuis une dizaine d’années. Celui-ci reste sceptique vis-à-vis des propositions d’Einstein ; toutes les vérifications ultérieures montreront pourtant la justesse de son idée : la lumière est à la fois ondulatoire et matérielle, c’est-à-dire composée de petits corps d’énergie appelés des quantas. C’est pour cet idée qu’Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921.

Max Planck (1858 -1947) (1) Dont Planck rend compte à travers les lois de l’électrodynamique de Maxwell. Issu d’une famille bourgeoise prussienne, Planck fait des études correctes mais sans plus, et choisit, non sans hésitation, de se lancer dans la physique. Il s’intéresse, à partir de 1894 à la question du rayonnement du « corps noir » . Qu’est-ce donc ? Nous savons tous que les corps chauffés émettent de la lumière : c’est le cas d’une bougie, d’un feu de cheminée, ou d’une barre de métal qui rougit en chauffant. Il en va de même à l’intérieure d’une enceinte absolument fermée (il fait donc noir à l’intérieur) dont les parois sont maintenues à une haute température. Dans ce cas, même dans le noir, l’enceinte émet de la lumière : c’est le fameux rayonnement du corps noir. D’où vient ce rayonnement (1), comment le mesurer et surtout comment l’évaluer à coup sûr, en fonction de la température ? Après 6 années de travail, Max Planck proposa deux idées : § l’énergie transportée par le rayon lumineux l’est par l’intermédiaire d’une entité nouvelle élementaire, le photon, que Planck nomme un quantum d’énergie (au pluriel : quantas) § l’énergie transportée par le rayonnement lumineux d’un corps chauffé peut être évaluée par une loi dont le calcul intègre une valeur énergétique fixe, la constante h, qui est devenue « la constante de Planck » Si ses calculs mènent Planck à cette théorie, ses propres conceptions s’y refusent : il veut se débarrasser de la constante et reste sceptique à l’égard des quantas d’énergie, particules élémentaires (en 1900 l’existence de ces particules, y compris des atomes, est incertaine : à cette date, Planck ne croit d’ailleurs pas à l’existence des atomes, la matière étant pour lui continue…).

(1) Qui se rapporte ou qui est dû au mouvement. (2) Einstein considère le déplacement des grains pendant un temps considéré et montre que le carré de ce déplacement (X²) pendant une durée t est proportionnel à cette durée (le terme X²/t est donc constant). Il montre ainsi que le mouvement brownien est un processus de diffusion des grains dans le liquide et relie le coefficient de diffusion D à la grandeur précédente (D = ½ X²/t). Il établit ensuite une relation entre le coefficient de diffusion (qui peut être déterminé apr l’observation en mesurant les valeurs de X et de t) et des grandeurs physiques suivantes : la température T du liquide, la constante R des gaz, le nombre d’Avogadro N, la viscosité η du liquide et le rayon a des grains. Il établit la formule D = (RT/N) x (1/6 πa η). C’est cette formule qui a permis de déterminer le nombre d’Avogadro c’est-à-dire le nombre d’entité dans une mole. Mai 1905, « Sur le mouvement de particules en suspension dans un fluide au repos impliqué par la théorie cinétique (1) moléculaire de la chaleur » L’article de mars donne le ton : Einstein fait de la lumière une particule, ce qui n’est pas admis à une époque où l’existence même des atomes est loin d’être prouvée. Ici il se propose d’étudier le mouvement d’objets très petits en perpétuelle agitation dans un liquide. Si l’on arrive, dit-il, à observer ce mouvement et à en décrire les lois, alors cela nous donnera des informations essentielles sur les atomes. Et cela montrera que le mouvement décrit en 1828 par le biologiste britannique Robert Brown, correspond à de l’agitation moléculaire… Einstein parvient théoriquement à décrire le déplacement moyen des particules en suspension (2) : en 1908 le français Jean Perrin réalise des expériences pour tester les prédictions d’Einstein, qui prouveront définitivement l’existence des atomes.

Jean Perrin (1870 -1942) est né à Lille. A 21 ans il est reçut à l’Ecole normale de Paris et à 26 ans met en évidence que les rayons cathodiques sont constitués de corpuscules de charge négative. Il obtient son doctorat de physique en 1897 et se passionne alors pour la théorie atomique, qui, à cette époque, n’est pas du tout admise. L’idée d’atome remonte à l’antiquité grecque, mais elle a été relancée en 1808 par un chimiste anglais, John Dalton, qui pense que la matière est bien faite d’atomes et que les réactions chimiques correspondent à des réarrangements entre atomes et que les éléments composés (molécules) sont constitués d’atomes de différents éléments. L’idée est proprement révolutionnaire… mais mettra près d’un siècle à s’imposer (on a davantage tendance à croire que la matière est continue et non fragmentée en atomes). C’est Jean Perrin qui démontre définitivement l’existence des atomes : dès 1901 il définit l’atome comme un système solaire en miniature avec des électrons négatifs tournant autour d’un noyau chargé positivement. Cette description, trop en avance sur son temps, ne trouve aucun échos… hormis chez Einstein, dont l’article de 1905 montre qu’on peut déterminer le nombre de molécules par unité de volume (nombre d’Avogadro) en mesurant les distances que parcourent les particules visibles : le mouvement brownien est pour lui l’une des meilleurs preuves directes de la réalité moléculaire et Jean Perrin de jette sur les observations d’Einstein pour en montrer l’exatitude par diverses expériences. De fait il déclare en 1909 « qu’il devient impossible de nier la réalité objective des molécules » . Jean Perrin, en poursuivant son travail a finalement déterminé par 13 méthodes différentes la valeur du nombre d’Avogadro, prouvant définitivement la réalité des atomes. Il publie son ouvrage fondamentale, Les atomes, en 1913, et obtient le prix Nobel de physique en 1926.

Robert Brown (1773 -1858) En 1795, après des études de médecine, Brown rejoint l'armée comme chirurgien. Son régiment reste en Irlande pendant plusieurs années, ce qui laisse le temps de s'intéresser à la botanique, et il apprend également l'allemand, langue dominante au niveau scientifique à l'époque. Grâce à l'appui de Joseph Banks, botaniste émérite, il participe, en 1801, au voyage d'exploration sur les côtes australiennes conduit par Matthew Flinders à bord de l’H. M. S. Investigator. Son voyage s’inscrit dans les grandes expéditions de découvertes initiées par les encyclopédistes et que Napoléon Ier encouragea lors de son expédition militaire en Egypte. Toujours est-il que Brown revient cinq ans plus tard, apportant avec lui plus de quatre mille espèces de plantes. Banks lui confie alors la conservation de ses propres collections et de sa bibliothèque personnelle. En 1810, il publie Prodromus Florae Novae Hollandiae, qui décrit les espèces rapportées d'Australie. En 1827, il observe le pollen du Clarkia pulchella et constate au microscope la présence de très petites particules bougeant dans tous les sens. Il renouvelle cette observation chez d'autres plantes, croyant dans un premier temps la manifestation d'une « fluide vital » . L'observation du même phénomène sur des particules non-organiques le fait changer d'avis. Il publie ses résultats en 1828 dans un ouvrage essentiel: A brief account of microscopical observations on the particles contained in the pollen of plants ; and on the general existence of active molecules in organic and inorganic bodies » . Il y décrit ce mouvement (qui est depuis appelé le « mouvement brownien » ) mais avoue être incapable de l’expliquer…

Juin 1905, « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement » On aura compris que les articles précédents ne font que préparer des idées plus fondamentales, qui nécessitent ces introductions relatives à la lumière et aux atomes. Le 3 e article est de fait le plus élaboré : Einstein travaille dessus depuis des années mais le rédigera de façon définitive en seulement 5 à 6 semaines. Il y réforme deux concepts de la physique : le temps et l’espace. L’article est écrit à la manière d’un brevet, avec un nombre limité d’équations… Il est pourtant l’un des plus fameux de toute la physique du 20 e siècle. Que dit Einstein dans cet article ? Il y fonde une nouvelle théorie des corps en mouvement selon 2 principes. Premièrement, les lois de la physique ont la même forme quelque soit le référentiel considéré. Deuxièmement : la propagation de la lumière est indépendante du mouvement de sa source et elle est constante et indépassable. Or, pour que les deux postulats coïncident il faudrait justement qu’elle fluctue, notamment en obéissant à la règle de l’addition des vitesses. Or ce n’est pas le cas. Einstein en déduit donc que c’est un autre paramètre qui varie, et pour lui ce paramètre, c’est le temps ! Il donne un exemple clair pour comprendre sa théorie : « si, aux points A et B d’un repère se trouvent deux horloges dont la marche est synchrone, et si on déplace l’horloge A selon une vitesse V le long d’une ligne qui relie A à B, on constate qu’après sont arrivée en B, les deux horloges ne sont plus synchrones » ! On imagine le malaise de la communauté scientifique à la lecture de l’article ! Seulement, toutes les tentatives expérimentales conduites ultérieurement ont confirmé les propos d’Einstein…

Septembre 1905, « L’inertie d’un coprs dépend-elle de son énergie ? » Cet article poursuit les précédents autour de la question de la vitesse de la lumière. Ici, Einstein met en évidence que si un corps libère de l’énergie E, sous forme de lumière (qui se déplace donc à la vitesse de la lumière, c), alors sa masse, m, diminue d’une quantité E/c². Autrement dit, « il n’y a pas de distinction essentielle entre la masse et l’énergie » : E = mc² !

Le coup de génie : la généralisation de la relativité… La relativité de 1905 est dite restreinte parce qu’elle ne s’applique qu’aux référenciels inertiels, c’est-à-dire en mouvement rectiligne à vitesse uniforme les uns par rapport aux autres. Einstein se demande en 1907 « s’il est pensable que le principe de la relativité vaille également pour des systèmes qui sont en accélération les uns par rapport aux autres » … Le problème est d’une compléxité terrible et Einstein va y travailler 10 ans d’arrache-pied. En 1915, il lui donne une solution toute simple, à travers la théorie de la relativité générale : imaginons un ascenseur uniformément accéléré selon une accélération donnée (a). Cette accélération est en fait équivalente à un ascenseur au repos subissant une gravitation, g, d’une même intensité que a. En bref : l’accélération est équivalente à la gravitation. Partant de cette idée, il reconsidère la théorie newtonienne de la gravitation. Pour Newton, la gravitation est un force d’attraction : ainsi, dans un espace à 3 dimensions (longueur, hauteur, profondeur), une masse comme le soleil produit une force d’attraction qui incurve les trajectoires des planètes. Dans la théorie d’Einstein une planète de subit aucune force : elle est libre et se déplace d’un point à un autre selon le chemin le plus court (ce chemin le plus court se nomme une geodésique). Mais l’espace dans lequel elle se déplace n’a plus 3 mais 4 dimensions : longueur, hauteur, profondeur et temps. L’espace et le temps ne sont donc plus dissociables : la trajectoire de la planète est donc une géodésique de l’espace-temps courbée par la masse du soleil. Einstein en conclut que la gravitation n’est pas une force, mais la manifestation de la structure de l’espacetemps, courbée par la présence de matière ou d’énergie (c’est la même chose : E = mc²) en son sein. Conscient du caractère extraordinaire de sa découverte, il écrit, en 1917 : « j’ai de nouveau commis quelque chose sur la théorie de la gravitation qui me fait quelque peu courir le risque de l’internement à l’asile » … Lui-même se trouve parfois dépassé par les implications de sa découverte.

Einstein dépassé par ses propres théorie : les conséquences de la théorie de la relativité générale pour la connaissance de l’univers Les nouvelles équations d’Einstein déterminent la courbure de l’espace en fonction de la densité de matière. En clair : matière (ou énergie) = courbure. Einstein comprend immédiatement que ces équations peuvent permettre de décrire la forme même de l’Univers : il suffit de poser d’un côté des équations la masse approximative de l’univers pour trouver, de l’autre, sa géométrie ! Mais comment connaître la masse de l’univers ? En 1915, l’Univers se limite à la Voie lactée (les atronomes n’ont pas compris que les amas d’étoiles qu’ils visualisent dans leurs télescopes constituent d’autres galaxies) : pour connaître le poids de l’univers il suffit donc de compter les étoiles. Problème : la masse de ces étoiles courbe évidemment l’espace, le déforme continuellement, provoquent du mouvement et ce mouvement produit une extension de l’Univers. Or Einstein est persuadé que l’univers est éternel, fermé, sphérique et surtout : stable ! Il invente un force fictive, la « constante cosmologique » , qui vient contrebalancer la force gravitationnelle des étoiles. Sa solution est fragile et Einstein sait que ses équations ont ouvert la voie à un autre modèle, qui, développé en 1917, 1922, 1927 et 1929, oblige Einstein à finalement rendre les armes : il abandonne son idée d’un Univers statique et reconnaît la validité de l’idée d’un univers en extension (dont l’origine est appelée Big-Bang en 1950) en 1932.

Einstein Willem de Sitter (1872 -1934) En 1917 l’astronome hollandais de Sitter montre, à partir de la théorie de la relativité générale, que si l’univers est vide, la matière qui s’y rencontre le met nécessairement en mouvement. De Sitter

Alexandre Friedmann (1888 -1925) En 1922, le russe Alexandre Friedmann démontre mathématiquement que la relativité générale implique de considérer l’univers comme un espace qui se dilate ou se contracte au cours du temps : il est le premier à envisager un moment initial à partir duquel l’Univers a commencé à s’étendre : l’idée de Big-Bang trouve ici sa première formulation. A cause de la fermeture de l’URSS, suite à la révolution bolchévique de 1917, Friedmann n’avait eu connaissance de la théorie de la relativité qu’en 1920. Il meurt d’une pneumonie en 1925 et ne parvint donc pas à pousser ses recherches…

Georges Lemaitre (1894 -1966) Né dans une bonne famille belge, soldat durant la première guerre mondiale, il se met à la physique après guerre, soutient sa thèse en 1920 et écrit son premier article en 1923 ; la même année il devient prêtre. En 1927, il parvient aux mêmes conclusions que Friedmann (mais sans connaître les travaux du russe) et va plus loin : il parvient à calculer la vitesse de l’extension de l’Univers et propose l’idée d’un atome originel à partir duquel l’univers s’est constitué ! Einstein le félicite pour ses calculs, tout en indiquant que ses idées lui paraissent « tout à fait abominables » ! Pourant, les deux hommes se rencontrèrent souvent et s’estimaient mutuellement.

Edwin Hubble (1889 -1953) En 1929, l’astronome américain Ewin Hubble donne l’argument décisif : il montre que les amas d’étoiles que l’on peut observer au télescope sont d’autres galaxies et qu’elles s’éloignent toutes les unes des autres. Pire, cette fuite généralisée suit une règle bien précise : plus les galaxies sont éloignées de la notre, plus elles s’en éloignent rapidement ! Ses observations consolident l’idée d’un univers en extension.

De la théorie de la relativité restreinte à la théorie de la relativité générale, Albert Einstein aura révolutionné la science. Issues des travaux antérieurs du 19 e siècle, favorisées par le contexte de la Belle Epoque, ses propres recherches auront, de la bombe atomique à la théorie du Big-Bang, profondément bouleversé les sciences tout au long du 20 e siècle.