IL Y EUT Einstein, ET L’UNIVERS CHANGEA

La théorie de la relativité a cent ans.

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Albert Einstein n’a jamais passé son bac ! C’est vrai, mais le mythe du cancre devenu génie s’arrête là. Car si le savant le plus célèbre du monde, né à Ulm en Allemagne et issu d’une famille juive, laisse tomber le gymnase de Munich en 1894, c’est que ce pacifiste dans l’âme ne supporte pas l’esprit de caserne y régnant à l’époque. Il préfère rejoindre ses parents qui viennent de déménager en Italie. Placé en Suisse, à l’école cantonale d’Argovie, il rattrape ses études pour pouvoir se présenter à l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich. Il y décroche une maîtrise spécialisée en mathématiques en 1900, ce qui est déjà pas mal pour un jeune de 21 ans !

 
 
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Einstein, un siècle après ses théories révolutionnaires, reste un génie très populaire. KEYSTONE

 
La théorie de la relativité a cent ans


I
L Y EUT Einstein, ET L’UNIVERS CHANGEA

 

Pascal Fleury
 

Albert Einstein n’a
jamais passé son bac ! C’est vrai, mais le mythe du cancre devenu génie
s’arrête là. Car si le savant le plus célèbre du monde, né à Ulm en
Allemagne et issu d’une famille juive, laisse tomber le gymnase de Munich
en 1894, c’est que ce pacifiste dans l’âme ne supporte pas l’esprit de
caserne y régnant à l’époque. Il préfère rejoindre ses parents qui
viennent de déménager en Italie. Placé en Suisse, à l’école cantonale
d’Argovie, il rattrape ses études pour pouvoir se présenter à l’Ecole
polytechnique fédérale de Zurich. Il y décroche une maîtrise spécialisée
en mathématiques en 1900, ce qui est déjà pas mal pour un jeune de 21 ans !
 


 

Une année prodigieuse
 

Obtenant la citoyenneté
suisse, il s’installe à Berne où il trouve un emploi à l’Office fédéral
des brevets et épouse son ancienne camarade du Polytechnicum, Mileva Maric.
Il restera à Berne jusqu’à la reconnaissance de ses premiers travaux en
1909, après un doctorat et une habilitation. Professeur d’abord à
l’Université de Zurich, puis à Prague et Berlin, il acquiert la célébrité
le 9 novembre 1919 à Londres, lorsque l’astronome anglais Arthur Eddington
fait la preuve de sa théorie de la relativité, à l’occasion d’une éclipse
solaire. Ses grandes découvertes remontent toutefois à 1905, une année
qualifiée par la science d’« annus mirabilis ». Alors qu’il est domicilié à
la Kramgasse 49, à Berne, le jeune fonctionnaire - et jeune papa, mais la
vie de famille n’est pas son fort - publie successivement plusieurs études
révolutionnaires pour la physique et la cosmologie.
Il établit d’abord la nature corpusculaire de la lumière, énonçant que la
lumière se comporte à la fois comme une onde et comme un flux de
particules. Les fameux photons, ou grains de lumière, sont nés ! Cette
découverte lui vaudra le Prix Nobel de physique en 1921.
Ensuite, Einstein confirme l’existence, jusque-là hypothétique, des atomes
et des molécules, en se basant sur l’étude des mouvements browniens, ces
mouvements désordonnés de particules microscopiques dans un liquide que
l’on peut observer, par exemple, en faisant bouillir une casserole d’eau.


 

Temps élastique
 

Surtout, le génial Albert
révolutionne la traditionnelle physique de Newton en formulant sa théorie
de la relativité. Cette théorie répondait à un problème majeur soulevé à
l’époque.
C’est l’histoire du passager qui se déplace à 3 km/h dans un train en
marche à 100 km/h. Pour l’observateur extérieur, les vitesses
s’additionnent : le voyageur avance à 103 km/h s’il marche dans le sens du
train. Par contre, si le passager tient une lampe de poche à la main, se
pose alors la question de la vitesse de la lumière. En effet, elle est
censée rester constante à 300 000 kilomètres par seconde, quel que soit le
point de vue, de l’intérieur ou de l’extérieur du train.
Einstein propose une solution explosive : Si la vitesse de la lumière ne
peut pas varier, c’est alors la distance ou le temps qui doit changer en
fonction de l’observateur, pour respecter l’équation vitesse=km/h.
L’espace et le temps doivent être élastiques !

 

L’équation E=mc2
 

En septembre de la même
année, Einstein lance un dernier pavé dans la mare, en énonçant, dans un
modeste article de trois pages, la formule d’équivalence entre l’énergie
et la masse E=mc2 (où « c » est la vitesse de la lumière). Il démontre alors
que, dans certaines conditions, les particules de matière s’évanouissent
en lumière et qu’à l’inverse, la lumière peut se faire matière.


Cette célèbre équation aura des implications insoupçonnées dans la
physique nucléaire et la mécanique céleste. On n’en déduira pas pour
autant qu’Einstein est le père de la bombe atomique, comme on l’a parfois
entendu. Pacifiste engagé, il n’a jamais touché à l’uranium. Sa seule
contribution à l’arme atomique, qu’il s’est d’ailleurs reprochée après la
guerre, c’est d’avoir écrit au président américain Roosevelt pour
l’encourager à développer la bombe contre les nazis, soupçonnés d’y
travailler aussi.

 

quatre dimensions
 

La théorie de la
relativité d’Einstein a eu des répercussions énormes sur notre vision de
l’univers. Toute chose y est désormais repérée dans quatre dimensions
indissociables : les trois dimensions spatiales et la dimension temporelle.
Elle a révélé une structure de l’univers courbe, avec des étoiles
déformant l’espace-temps par leur masse, comme des oranges qui
s’enfonceraient dans un duvet, et avec des trous noirs creusant des puits
profonds.


La théorie d’Einstein, même si lui-même ne l’a pas perçue, a aussi permis
d’expliquer l’expansion de l’univers. En outre, c’est encore elle qui a
rendu possible le système de positionnement GPS, permettant aux alpinistes
de s’orienter dans la tempête et aux automobilistes de trouver rapidement
leur destination.

 

La recherche continue
 

Reste que la théorie de
la relativité, bien que largement acceptée, n’est toujours pas
définitivement prouvée. Diverses expériences sont actuellement en cours.
Cette année, à Cascina près de Pise, le détecteur géant européen Virgo
tentera de débusquer les mystérieuses ondes gravitationnelles qui se
propagent dans l’espace-temps. Et l’an prochain, la sonde américaine
Gravity Probe B, lancée en avril 2004, devrait établir si une masse telle
que notre planète peut vraiment déformer la structure de l’espace.


Reste aussi la gênante incompatibilité entre la relativité générale et la
mécanique quantique, qui régit l’infiniment petit. Les scientifiques,
soucieux d’offrir une vision cohérente du monde, rêvent d’une théorie
globale, pour harmoniser l’ensemble de la physique. Pour cela, d’autres
Einstein seront bien nécessaires. Lui, avait son idée : « Si les faits ne
correspondent pas à la théorie, changez les faits ! » PFY





 
« Un corsage un peu étroit pour la nature »

 
Pour Valerio Scarani, maître assistant dans le groupe de physique appliquée de l’Université de Genève, la physique d’Albert Einstein est simple et grandiose. Mais aujourd’hui, avec le développement de la mécanique quantique, elle montre ses limites et révèle des incompatibilités.
 

L’histoire qualifie d’« annus mirabilis », l’an 1905 où Einstein a publié ses découvertes révolutionnaires. Pour vous, scientifique, ce fut véritablement une année « admirable » ?
 
Valerio Scarani : - Ce qui est absolument hors normes, c’est la puissance de l’intuition d’Einstein. Les problèmes auxquels il s’attaque sont des problèmes ouverts et débattus en son temps. Qu’un seul homme ait su saisir, en une même année, le point névralgique de plusieurs problèmes de nature complètement différente entre eux, ça tient certainement du remarquable.
 

 
Einstein était un illustre inconnu, simple employé de l’Office des brevets, à Berne. Comment se fait-il que ses théories aient eu un tel succès ?
 
- Einstein ne se contentait pas de dériver des formules : il s’efforçait de les comprendre, de les illustrer dans des situations simples. Prenons la célèbre prédiction de la « contraction des longueurs ». Pour Poincaré par exemple, qui a aussi découvert la relativité restreinte en 1905, c’est une conséquence d’une famille d’équations dérivées rigoureusement. Einstein, lui, très peu après son article, arrive à expliquer la contraction des longueurs par une expérience qui met en jeu une simple règle, un train et des ampoules. Il montre ainsi que la contraction des longueurs est raisonnable : en fait, ça ne peut pas être autrement. Pour l’acceptation d’une théorie, l’appel à l’intuition est toujours plus fort que l’élégance formelle.
 

 
Un siècle plus tard, les découvertes d’Einstein ne sont toujours pas définitivement prouvées. De quoi est-on vraiment sûr aujourd’hui ?
 
- On est sûr qu’aucun phénomène connu ne suggère un échec prochain de la relativité ou de la physique quantique. Il y a certes un conflit profond entre ces deux théories, donc nous savons que des corrections ou des extensions vont devoir être faites. Des conflits ouverts ne sont attendus que dans des situations extrêmes, par exemple à l’intérieur d’un trou noir ou au tout début du Big Bang.
 

 
De nouvelles expériences sont en cours, en particulier avec le détecteur géant Virgo ou la sonde Gravity Probe B (lire ci-dessus). Qu’en attend-on ?
 
- En principe, ce sera un succès technique spectaculaire qui montrera que la relativité générale permet des prédictions de grande précision. Mais je pense que beaucoup de physiciens, sans le dire trop fort, espèrent une surprise.
 

 
Einstein s’était opposé à la mécanique quantique, un domaine dont vous êtes spécialiste. Votre explication ?
 
- Dès 1926, la mécanique quantique postule que certains phénomènes aléatoires ne dérivent pas d’un mécanisme sous-jacent. Or, pour Einstein, le rôle de la physique consistait précisément à dégager le mécanisme, l’explication intuitive tirée de la vie de tous les jours - c’était là sa grande force. Le fait que les partisans de la mécanique quantique renoncent à chercher le mécanisme d’un postulat était pour lui inacceptable. Il a poussé tellement loin sa réflexion, que ses travaux de 1935 (complétés par David Bohm et John Bell dans les années 1960) nous ont permis de trancher la question : à présent, nous avons la preuve expérimentale que la physique quantique ne peut pas être expliquée par des notions intuitives. La vision de la physique d’Einstein est simple et grandiose... mais la nature semble trouver ce corsage un peu étroit.
 

 
De grandes questions restent ouvertes, en ce qui concerne les forces fondamentales régissant l’univers. Va-t-on vers une théorie générale, qui couvrirait enfin tous les cas de figure ?
 
- A ce sujet, je ne peux qu’exprimer un avis personnel. Les physiciens théoriciens ont poussé cette recherche très loin - trop loin, compte tenu des observations et expériences que l’on peut faire en l’état actuel des choses. Je trouve dès lors très sain que plusieurs grands chercheurs de la théorie ultime (par exemple Gerard t’Hooft et Lee Smolin) commencent à proposer aussi des modèles tout simples, presque triviaux, dans l’espoir de saisir l’élément crucial qui se cache derrière les équations. C’est très « einsteinien », et ça laisse espérer de nouvelles années « admirables ».
 Propos recueillis par PFY



 

Les commémorations en l’honneur d’Albert Einstein (1879-1955) s’annoncent nombreuses et variées, pour le centième anniversaire de ses principales découvertes et les cinquante ans de sa mort. Les festivités ont déjà débuté l’an dernier dans sa ville natale d’Ulm, dans le sud-ouest de l’Allemagne, à l’occasion des 125 ans de sa naissance. Le 1er février dernier, le célèbre physicien à la triple nationalité allemande, suisse et américaine, a été célébré à Berlin, en présence du chancelier Gerhard Schröder. Deux citations géantes d’Einstein ont été apposées sur l’ambassade suisse et sur la chancellerie allemande : « Une véritable démocratie n’est pas une folie vide » et « L’Etat est pour les hommes, les hommes ne sont pas pour l’Etat ».

 
Berne en fête
 
En Suisse, où Einstein a fait ses grandes découvertes, le calendrier des manifestations est chargé, avec des actes officiels, deux symposiums à Zurich et Berne, plusieurs expositions et conférences, des événements culturels et même un parcours didactique à Berne. On retiendra une grande exposition temporaire au Musée historique de Berne, avec expériences de physique et spectacles sur l’énergie, la réouverture de l’appartement rénové du savant, à la Kramgasse 49 à Berne, et la biennale artistique Bern’05. Le 18 avril, date du décès d’Einstein, une chaîne de lumière, partant de Princeton (USA), fera le tour de la Terre en hommage à l’illustre physicien.  PFY

 

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