Einstein, les géniales intuitions

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Il y a cent ans, un inconnu de vingt-six ans, allemand de naissance, mais suisse d’adoption, faisait exploser notre vision du monde. Albert Einstein, figure emblématique des sciences dans l’imaginaire populaire, semait au début du XXe siècle les germes de la physique moderne. Un siècle après les géniales intuitions de cet agent de l’office des brevets de Berne, la théorie de la relativité résiste encore aux physiciens.

Einstein, les géniales intuitions

L’année 2005, décrétée année mondiale de la physique ou année Einstein ? À voir comment l’homme aux moustaches a envahi les magazines ces dernières semaines, la question trotte dans la tête de certains physiciens. Le génie s’offre même quelques expositions depuis que les Nations unies et l’UNESCO ont décidé de célébrer le centenaire de la publication d’« articles fondateurs pour la physique du XXe siècle ».

Sans aucun doute, l’homme a marqué son époque et au-delà. Alors que bon nombre de certitudes scientifiques se fissurent déjà, à vingt-six ans, Albert Einstein les fait exploser. Et propose dans la foulée une autre approche du monde. Rien de moins. Aujourd’hui encore, les physiciens continuent de mettre à l’épreuve ses intuitions géniales. En vain.

Le XXe siècle est à peine entamé que la physique passe un cap. En 1905, et en cinq articles parus dans la revue Annalen der physik, Einstein, agent de troisième classe à l’office des Brevets de Berne, lègue en même temps à plusieurs générations de physiciens un insaisissable point d’interrogation. Une deuxième livraison d’idées brillantes en 1916 ne suffira pas à mettre fin au questionnement. Lui-même n’a jamais réussi à répondre à l’énigme, jusqu’à sa mort, il y a cinquante ans.

Le siècle est tout neuf, quand Einstein, dont le laboratoire tient dans sa boîte crânienne, érige les deux piliers de la physique moderne : la théorie de la relativité et la mécanique quantique. Problème : ces deux-là ne s’entendent pas. Impossible de les faire fusionner. Pas moyen de les marier en une unique et harmonieuse description du monde. La première décrit à merveille le comportement de la matière à l’échelle des planètes, des galaxies et de l’univers. Tandis que l’autre plonge dans les limbes de l’infiniment petit, à l’intérieur des atomes. Pour saisir l’inconfort de la situation, un petit voyage dans le passé s’impose. Au XVIe siècle, Copernic exclut la Terre du centre de l’univers, pour y placer le Soleil. Dans la foulée, Johannes Kepler achève la démonstration et donne son nom à trois lois décrivant les orbites des planètes. Par extension, ces lois dessinent le mouvement de tout corps soumis à l’action de la gravitation. Galilée, lui, reste sur terre et se penche sur la... relativité. Il commence par observer le mouvement des objets. Il en lance d’ailleurs des tas du haut de la tour de Pise, selon la légende. Pour les historiens, Galilée a préféré faire rouler des billes sur une sorte de toboggan. Peu importe, il arrive à la conclusion que, sans interaction extérieure, un objet livré à lui-même, une bille par exemple, conserve son état de mouvement : une bille à l’arrêt reste immobile, tandis qu’animée de vitesse, elle n’a aucune raison de s’arrêter, à moins de la freiner ou de lui opposer une force quelconque. En gros, l’immobilité n’existe pas, tout est en mouvement, qu’on le sente ou non. C’est le principe d’inertie.

Ensuite, « Galilée a dit : si je suis dans un bateau sans fenêtre qui avance de façon uniforme, je n’ai aucun moyen de sentir le mouvement », explique Jean-Michel Courty, professeur à l’université Paris-VI. Des oiseaux dans une cage, à bord de notre bateau fermé, voguant droit devant à vitesse constante, ou à quai gazouilleront avec le même entrain. Un ballon rebondira de la même manière dans les deux cas. Verdict : à l’arrêt ou en mouvement, les lois de la mécanique sont les mêmes. « Einstein se demande alors : si c’est vrai pour la mécanique, pourquoi cela ne le serait pas pour l’électromagnétisme ? Effectivement, si je bouge un aimant, je crée un courant dans un circuit. Inversement, en bougeant le circuit, j’agis sur l’aimant. Le mouvement est relatif. » Einstein vient de réconcilier mécanique et électromagnétisme. Pas évident au premier abord car il a fallu pour cela retoucher quelque peu les significations physiques de l’espace et du temps. Avant Einstein, « espace et temps sont comme une boîte vide dans laquelle on range les objets », explique Françoise Balibar, professeur émérite de l’université Paris-VII. Fini, tout ça. Désormais, l’espace et le temps sont eux-mêmes des objets physiques qui interagissent avec les autres. Foncez à bord d’un train et vous déformerez l’espace et le temps. Au passage, notre univers a gagné une quatrième dimension : le temps s’ajoute à l’horizontale, verticale, en profondeur.

En bref, l’espace est lié au temps, la vitesse de la lumière est constante et ne dépasse pas 300 000 km par seconde et... E = mc2. La célèbre équation bouleverse son monde. Et pour cause, elle affirme que l’énergie (E) et la masse (m) sont échangeables. Mais, en 1905, la théorie de la relativité d’Einstein n’est que « restreinte ». Reste à définir la « générale ». Ce que le physicien fera en 1916. De nouveau, faisons un saut dans l’histoire. La moitié du XVIIe siècle est bien entamée quand Newton regarde tomber les pommes et tourner les astres. C’est sûr, dit-il, les pommes tombent sous l’effet de la pesanteur, et la Terre attire la Lune avec la gravité. En conjuguant les deux, l’Anglais déboule sur la gravitation universelle. Les corps interagissent entre eux par le biais d’une force qui se propage dans l’univers. Ils s’attirent. Ce qui nécessite un référentiel fixe, absolu et homogène. Einstein arrive alors avec la théorie de la relativité restreinte, avale et digère la gravitation universelle, pour recracher la théorie de la relativité générale. Souvenez-vous, - depuis ses articles de 1905, le temps et l’espace sont liés. Désormais, la gravitation est une - déformation de l’espace-temps. Comme une boule (un corps) placé sur un mouchoir tendu (l’espace-temps). La déformation du tissu a pour résultat qu’une bille passant à proximité roulera dans la cuvette. Résultat : tout s’attire dans l’univers, selon la déformation du mouchoir. Même la lumière est déviée à proximité d’un corps ! Que dire alors de notre train ! Lui aussi déforme l’espace-temps, qui s’en trouve contracté, écrasé. Le temps s’écoule donc plus lentement pour un voyageur que pour le chef de gare, resté à quai. « Un tour du monde en avion nous décale d’un millionième de seconde, chiffre Jean-Michel Courty. Assez pour que la lumière parcoure 300 mètres. » Pas de quoi nous chambouler, donc. Pour finir aplati comme une crêpe, il faudrait se déplacer à la vitesse de la lumière.

La lumière justement. L’autre facette des travaux d’Einstein. En 1905, certains de ses articles lui donnent une nouvelle consistance. Jusqu’au début du XXe siècle, la lumière était considérée comme une onde se propageant dans un milieu homogène, l’éther. Pour Einstein, la lumière est faite de « grains », des paquets d’énergie. Ces grains seront baptisés des photons. Dans le même temps, Einstein apporte une preuve indirecte de l’existence des atomes. Quelque vingt ans plus tard, les physiciens déboucheront sur la mécanique quantique. En fait, tout n’est que quantons : électrons et quarks pour la matière, photons pour l’électromagnétisme et gluons pour la force nucléaire forte. À ce niveau microscopique, les lois physiques du monde des grands ne s’appliquent plus. Ici, tout est hasard, l’espace-temps est plat et statique et le vide est bourré d’énergie.

La contradiction n’a pas énervé qu’Einstein. Les physiciens s’acharnent toujours à harmoniser les deux mondes. Des univers à onze, voire à vingt-six dimensions germent ainsi dans la tête de certains. Sans jamais aboutir à LA théorie du tout, celle qui décrit le monde dans son ensemble. « C’est notre boulot de gratter sans cesse pour voir si les théories acceptées coincent quelque part », s’amuse Jean-Michel Courty. Avec Einstein et consorts, il y a de quoi faire...

Vincent Defait

(*) http://www.physique2005.org et,

pour les Parisiens : http://36.candela.free.fr/

Page imprimée sur http://www.humanite.fr

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