Résumé

Ce guide propose une introduction vivante à la vie et aux découvertes d'Einstein. Pour chaque période de son existence, I'auteur fait le point sur ses questions, ses expériences et ses découvertes, émaillant I'ensemble d'anecdotes privées et d'explications historiques. Dans un langage accessible, il explique les concepts utilisés par Einstein pour construire ses théories sur la relativité et pour bâtir le socle de la tres troublante mécanique quantique. Ainsi, schémas à I'appui, vous comprendrez pourquoi le temps et I'espace sont relatifs et comment vous vous déplacez dans un espace-temps courbe à quatre dimensions...

Biographie auteur

Guy Louis-Gavet est docteur ès sciences en mathématiques et informatique de gestion. Longtemps directeur de recherche et professeur des universités de Lyon et Grenoble, il a aussi exercé comme consultant auprès des entreprises.

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Chez le même éditeur :

■ Comprendre l’hindouisme, Alexandre Astier

■ Petite histoire de l’Inde, Alexandre Astier

■ Les maîtres spirituels de l’hindouisme, Alexandre Astier

■ Communiquer en arabe maghrébin, Yasmina Bassaïne et Dimitri Kijek

■ QCM de culture générale, Pierre Biélande

■ Le christianisme, Claude-Henry du Bord

■ La philosophie tout simplement, Claude-Henry du Bord

■ Comprendre la physique, Frédéric Borel

■ Marx et le marxisme, Jean-Yves Calvez

■ Comprendre le catholicisme, Jean-Yves Calvez, Philippe Lécrivain

■ L’histoire de France tout simplement, Michelle Fayet

■ Comprendre l’ésotérisme, Jean-Marc Font

■ Citations de culture générale expliquées, Jean-François Guédon et Hélène Sorez

■ Psychologie de base, Ghéorghiï Grigorieff

■ QCM Histoire de France, Nathan Grigorieff

■ Citations latines expliquées, Nathan Grigorieff

■ Philo de base, Vladimir Grigorieff

■ Religions du monde entier, Vladimir Grigorieff

■ Les philosophies orientales, Vladimir Grigorieff

■ Les mythologies tout simplement, Sabine Jourdain

■ Comprendre les crises financières, Olivier Lacoste

■ Découvrir la psychanalyse, Édith Lecourt

■ L’histoire des civilisations tout simplement, Éliane Lopez

■ Comprendre l’islam, Quentin Ludwig

■ Comprendre le judaïsme, Quentin Ludwig

■ Comprendre la kabbale, Quentin Ludwig

■ Le bouddhisme, Quentin Ludwig

■ Les religions tout simplement, Quentin Ludwig

■ La littérature française tout simplement, Nicole Masson

■ Dictionnaire des symboles, Miguel Mennig

■ Histoire du Moyen Âge, Madeleine Michaux

■ Histoire de la Renaissance, Marie-Anne Michaux

■ Les mots-clés de la géographie, Madeleine Michaux

■ La culture générale tout simplement, Madeleine Michaux

■ Découvrir la philosophie antique, Cyril Morana et Eric Oudin

■ Chopin, Sylvie Oussenko

■ L’opéra tout simplement, Sylvie Oussenko

■ Découvrir la franc-maçonnerie, Alain Quéruel

■ Citations philosophiques expliquées, Florence Perrin et Alexis Rosenbaum

■ L’Europe, Tania Régin

■ 200 femmes de l’histoire, Yannick Resch

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Guy Louis-Gavet

Comprendre Einstein

« En partenariat avec le CNL »

Éditions Eyrolles

61, Bd Saint-Germain

75240 Paris Cedex 05

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Du même auteur :

■ Sachez maîtriser votre informatique et son budget, Editions LGE, 1990 - 350 pages

■ Quelle Base de Données devez-vous choisir pour votre entreprise, Editions LGE, 1992 – 302 pages

■ Comment construire pratiquement un Réseau de Micro-Ordinateurs dans votre entreprise, Editions LGE, 1993 - 200 pages

■ Comprendre les concepts de la programmation Objets. Applications dans votre entreprise, Editions LGE, 1993 - 120 pages

■ Tout savoir sur INTERNET et INTRANET. Comment les implanter dans votre entreprise, Editions LGE, 1997 - 190 pages

■ La Sécurité et INTERNET. Comment votre entreprise peut-elle se protéger et à quel coût, Editions LGE, 2000 - 70 pages

Mise en pages : Istria

Illustrations : Hung Ho Thanh

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans autorisation de l’éditeur ou du Centre Français d’Exploitation du Droit de Copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris.

© Groupe Eyrolles 2009

ISBN : 978-2-212-54404-6

À tous ceux qui veulent comprendre le monde moderne dans lequel nous vivons.

Et, plus particulièrement :
à ma famille,
à Grégoire et Alexia nés en ce début de XXIe siècle.

Préambule

Si vous feuilletez un dictionnaire des noms propres à la recherche de savants connus, à la lettre E, vous lirez, entre Edison et Eisenhower : « Einstein, Albert, physicien allemand, né à Ulm en 1879, naturalisé suisse en 1901, puis américain en 1940, mort à Princeton aux États-Unis en 1955. »

Cette présentation lapidaire cache une immense œuvre scientifique qui a complètement bouleversé le paysage scientifique du XXe siècle. Elle s’est réalisée aussi bien dans l’infiniment petit (atomes, composition de la lumière, effet photoélectrique …) que dans l’infiniment grand (gravitation, structure de l’univers, cosmologie…) et a permis d’améliorer fondamentalement notre vie quotidienne. En effet, l’énergie nucléaire, l’électronique, les cellules photoélectriques, l’informatique, les horloges atomiques, l’IRM, le laser, le four à micro-ondes, le GPS, sont autant de grandes découvertes du XXe siècle qui trouvent, directement ou indirectement, leur origine dans les théories scientifiques élaborées par Albert Einstein.

La physique à l’aube du XXe siècle

En 1900, quand Einstein commence ses recherches, les siècles précédents ont accouché d’une physique tellement solide qu’aucun scientifique ne songe à la remettre en cause. Elle comporte trois grands courants qui expliquent parfaitement l’ensemble des phénomènes perçus aussi bien sur Terre que dans le proche univers qui l’entoure.

Le premier, le plus ancien, qui trouve sa source dans la physique galiléenne (vieille de trois siècles), concerne l’étude des corps en mouvement et des forces à l’origine de ce mouvement. La compréhension des trajectoires des planètes soumises...

Première période (1900-1905)

Théorie sur la relativité restreinte

Le début d’une carrière solitaire

En juillet 1900, Einstein, à vingt et un ans, a obtenu son diplôme de professeur à orientation mathématique et physique de l’institut universitaire suisse du Polytechnicum de Zurich et file le parfait amour avec sa future femme, Mileva, étudiante dans le même institut.

Contre l’avis de son père, qui le destine à une carrière d’ingénieur, il choisit celle de chercheur scientifique, ayant en tête de nombreuses idées de recherches à concrétiser. Dans un premier temps, pour pouvoir préparer sa thèse de doctorat, il doit être pris comme assistant par son professeur de physique. Mais celui-ci, vu le comportement exécrable d’Einstein envers lui et les autres professeurs, lui refuse ce poste.

Aussi Einstein se retrouve-t-il sans travail, sans argent et très aigri contre le monde universitaire. Heureusement, Mileva est là qui l’encourage et le pousse à faire ce qu’il désire. Fort de cette grande complicité et porté par l’heureuse inconscience de la jeunesse, il commence alors en solitaire une carrière très hasardeuse de chercheur.

On croit souvent qu’Einstein a tout découvert par lui-même, grâce à son génie, sans aucune référence à d’autres travaux scientifiques antérieurs ou contemporains. Or, si ses découvertes sont effectivement exceptionnelles, elles ne sont la plupart du temps que le couronnement, certes génial, de celles réalisées avant lui par des dizaines de savants, parfois plusieurs siècles plus tôt.

La progression d’Einstein dans ses différentes recherches a été, au niveau intellectuel, une longue montée en puissance, souvent laborieuse et harassante. Ses recherches ont été élaborées progressivement, s’appuyant premièrement sur ses connaissances personnelles, deuxièmement sur des travaux effectués par des savants avant lui, et troisièmement sur ses réflexions et sur les découvertes successives effectuées au cours de ses recherches ; l’élaboration de sa théorie sur la relativité générale en est un excellent exemple.

Cette démarche, que l’on peut qualifier d’heuristique, est obligatoire pour tout chercheur qui veut progresser dans sa recherche. Elle suit le cycle récurrent suivant : « J’ai une ou des idées, j’essaie de démontrer leur véracité ; si je ne trouve pas, j’émets d’autres idées ». Elle est, dans le domaine scientifique, toujours ponctuée par des démonstrations mathématiques précédant ou suivant des expériences ou observations soit intellectuelles, soit matérielles.

Là non plus, Einstein n’a guère innové en la matière. Cependant, ses « expériences de pensée », qui ont toujours précédé les preuves théoriques apportées par ses démonstrations mathématiques, furent d’une importance capitale, car elles ont été à l’origine de toutes ses étonnantes découvertes. C’est sûrement dans cette démarche très originale, où l’imagination est reine, que se situe une grande partie de son génie.

1900-1901 : À la recherche des atomes

À la fin de l’année 1900, Einstein se pose une question cruciale : dans quels domaines vais-je exercer mes talents de chercheur ?

Depuis quelques années, il a l’intuition que certains phénomènes physiques, incompréhensibles dans le cadre des théories scientifiques classiques de l’époque, peuvent être expliqués grâce au concept moléculaire ou atomique (à l’aube du XXe siècle, ces deux termes désignent une même réalité). Pour lui, la matière de tous les corps est, au niveau microscopique, constituée d’atomes qui doivent, grâce à leurs propriétés physiques, expliquer au niveau macroscopique, c’est-à-dire au niveau que nous percevons, le comportement général de ces corps. Il écrit à cette époque : « Je cherche des phénomènes qui me permettront d’établir l’existence des atomes ainsi que leur dimension… » Or, la notion d’atome, bien que déjà utilisée intuitivement par les chimistes, n’était pas encore scientifiquement prouvée. Il aura fallu presque vingtcinq siècles d’une gestation très lente pour que l’existence de l’atome s’impose aux scientifiques. Durant tout ce temps, la physique d’Aristote, en récusant la notion d’atome, a fait des dégâts considérables dans la progression de la recherche scientifique : elle n’a apporté aucun élément positif dans le domaine de la physique, mais a aidé l’Église à freiner la recherche scientifique, à faire condamner des savants illustres et à en brûler quelques-uns. Quel énorme gâchis !

■ Pourquoi la sève monte au printemps…

Ainsi, à la fin de l’année 1900, Einstein se fie à son intuition et choisit le phénomène de la capillarité pour appliquer ses idées sur la structure intime de la matière. Il démontre que ce phénomène est dû à des interactions entre les molécules provoquant des phénomènes de tension physique à la surface d’un liquide, ce qui engendre des forces permettant à un liquide quelconque de s’élever dans un corps. Ces forces sont par exemple responsables de la montée de la sève dans les arbres au printemps (heureusement qu’il existe aussi la gravitation, sans l’action de laquelle les arbres n’arrêteraient pas de grandir vers le ciel !).

Fin 1901, il fait paraître ses premiers et modestes travaux de recherche dans la très sérieuse revue scientifique allemande Annalen der Physik. Il a à peine vingt-deux ans. Cette publication sur la capillarité, bien que très argumentée, est anecdotique. Cependant, elle lui permet de se prouver à lui-même qu’il est certainement sur la bonne voie, puisque cette revue scientifique sérieuse qui a pour président du comité de lecture le célèbre et très reconnu physicien allemand Max Planck, l’a acceptée. Cela est assez exceptionnel, Einstein, qui n’est pas universitaire, étant encore totalement inconnu de la communauté scientifique de l’époque. Imaginons un instant que Planck ait refusé sa publication – il n’y aurait certainement pas eu d’Einstein ! Planck le soutiendra constamment par la suite, bien qu’il fût souvent en désaccord avec ses idées scientifiques, parfois trop révolutionnaires à son goût.

Fort de cet encouragement, et bien qu’il soit toujours chômeur et vive chichement de quelques cours particuliers et d’une aide financière de ses parents, Einstein, avec la collaboration active et la connivence amoureuse de Mileva, voit sa foi en ses qualités de chercheur et, bien sûr, en l’existence des atomes, renforcée.

Deuxième bonne nouvelle, au début de l’année 1902, il obtient, après de très longues démarches et une enquête administrative poussée, la nationalité suisse. C’est essentiel pour lui car, ayant refusé de faire son service militaire en Allemagne, il est apatride depuis 1896. Détail amusant, il réussit à échapper aux célèbres périodes militaires helvétiques grâce à ses...

Deuxième période (1906-1915)

Théorie sur la relativité générale

En 1906, pour initier cette nouvelle théorie, Einstein peut s’appuyer sur tous les acquis scientifiques qu’il a démontrés avec sa théorie sur la relativité restreinte.

Premièrement, la vitesse de la lumière n’est plus instantanée mais limitée. Elle est devenue une constante universelle, « c ».

Deuxièmement, les notions de temps et d’espace absolus, chers à Newton, n’existent plus ; ils sont devenus relatifs, dans la mesure où deux observateurs situés dans des référentiels galiléens distincts perçoivent l’espace et le temps d’une façon différente.

Troisièmement, l’invariance des lois physiques pour passer d’un référentiel galiléen à un autre est acquise.

Quatrièmement, l’équivalence de l’énergie et de la masse d’un corps est devenue une réalité. Elle est résumée dans la très célèbre formule E = mc² .

Einstein peut alors construire sa théorie sur la relativité générale. Il le fera en trois étapes.

De 1906 à 1910, il élabore d’abord les deux principes de base de sa future théorie gravitationnelle et détermine les trois tests à partir desquels elle pourra être vérifiée. Suit alors une période de réflexion durant laquelle il comprend qu’il ne peut pas développer cette nouvelle théorie à partir d’une simple généralisation de celle sur la relativité restreinte.

De 1911 à mi-1912, c’est l’assimilation d’un nouveau concept mathématique découvert par Poincaré et enrichi par Hermann Minkowski (1864-1909), son ancien professeur de mathématiques : le fameux « espace-temps » à quatre dimensions qui l’amène progressivement, après de très nombreuses réflexions, à élaborer le cadre mathématique précis dans lequel sa théorie doit s’inscrire.

La troisième étape, de mi-1912 à la fin 1915, consiste essentiellement à comprendre et à utiliser certaines théories (notamment celle de Bernhard Riemann (1826-1866) sur les univers courbes à n dimensions) et outils mathématiques (le calcul tensoriel) inconnus des physiciens de l’époque qui lui permettront d’élaborer son espace-temps courbe quadridimensionnel. Ce n’est qu’ensuite qu’il pourra mener à son terme sa nouvelle théorie relativiste de la gravitation. Celle-ci sera concrétisée par une unique équation tensorielle.

1906-1910 : Nouvelle théorie relativiste gravitationnelle

Généralisation

Einstein est fatigué de tous les efforts fournis durant l’année 1905, aussi l’année 1906 sera-t-elle relativement calme. Même si ses extraordinaires découvertes ne sont pas encore reconnues par les scientifiques de l’époque, Einstein pourrait se reposer sur ses lauriers et attendre patiemment qu’une université ou une école d’ingénieurs lui offre un poste de chercheur ou de professeur. Outre le fait de réaliser son ambition de toujours, cela lui permettrait de s’évader de l’Office des brevets de Berne, où il croupit toujours comme simple employé besogneux – il ne garde cet emploi que pour des raisons alimentaires.

Einstein ne peut se contenter de cette situation passive, lui dont le tempérament à la fois entier, têtu et ambitieux le pousse constamment à élargir le champ de ses recherches. Il sait notamment que sa théorie sur la relativité restreinte est trop restrictive, ne correspondant ni à la réalité du monde qui nous entoure ni à ses désirs profonds. En effet, elle ne concerne que les corps qui se déplacent parallèlement les uns par rapport aux autres en des mouvements uniformes et rectilignes. Il a conscience que sa théorie a été construite sur des principes formant un cas de figure extrêmement rare aussi bien dans notre environnement terrestre que dans le contexte de notre univers (la Lune tourne autour de la Terre qui, elle-même, tourne autour du Soleil, et tous les astres suivent des trajectoires non pas rectilignes mais curvilignes, dotées, la plupart du temps, d’une vitesse accélérée, donc non uniforme).

Aussi Einstein se pose-t-il la question suivante : « Puis-je généraliser ma théorie sur la relativité restreinte en considérant qu’elle puisse devenir un cas particulier d’une théorie relativiste générale qui prenne en compte n’importe quel mouvement d’un corps (uniforme, accéléré…) suivant une trajectoire quelconque (rectiligne, circulaire, elliptique…) ? ». Cette théorie s’appellerait alors « relativité générale ».

Par ailleurs, il est à la fois étonné et irrité par le fait que sa théorie sur la relativité restreinte, ayant permis de réunifier les phénomènes d’essence mécanique et électromagnétique grâce au principe de relativité, ne puisse pas s’appliquer à la théorie gravitationnelle de Newton, qui s’appuie pourtant sur les travaux de Galilée. La théorie gravitationnelle de Newton lui semble donc une proie toute désignée.

■ La théorie gravitationnelle de Newton

Résumons très simplement la théorie de la gravitation universelle de Newton : tous les corps, ayant une masse, s’attirent instantanément les uns les autres, les plus gros attirant toujours les plus petits ou, plus précisément, les plus lourds attirant toujours les plus légers.

Ce qui frappe le plus Einstein, c’est que Newton ait pu élaborer sa géniale théorie gravitationnelle sur les faits suivants :

Premièrement, celle-ci est entièrement bâtie dans le contexte d’un temps unique dans tout l’univers, complètement dissocié de la notion d’espace. Or, Einstein a démontré dans sa théorie sur la relativité restreinte qu’il ne pouvait exister que des temps et des espaces relatifs totalement associés, appelés « espace-temps ».

Deuxièmement, Newton n’a jamais pu donner d’explication rationnelle à l’existence des forces d’attraction qui permettent aux astres de s’attirer mutuellement et instantanément, sinon à évoquer la présence de l’hypothétique éther et, accessoirement, de Dieu ! Qu’est-ce qui peut expliquer ces forces d’attraction existant entre deux corps et s’exerçant instantanément ? Comment une planète d’une masse donnée peut-elle « dire » à une autre planète : « Je suis plus lourde que toi, donc je peux t’attirer » ? Pour pouvoir affirmer cela, elle devrait tout d’abord connaître à la fois sa propre masse, celle de sa voisine, la distance qui les sépare et, de plus, la constante de gravitation. Après avoir appliqué la formule de Newton, dont elle aurait inexplicablement connaissance, elle pourrait enfin dire : « Je sais maintenant la valeur de la force avec laquelle je vais t’attirer ».

Troisièmement, Einstein ne peut pas accepter que le phénomène d’attraction se propage de manière instantanée, donc avec une vitesse supérieure à celle de la lumière !

Quatrièmement, Newton a conçu sa théorie en partant des principes galiléens de relativité et d’inertie ; or, d’une part, les trajectoires suivies par les astres n’obéissent pas à ces principes, étant généralement curvilignes, et d’autre part les planètes subissent constamment des accélérations ou des décélérations. Une pomme qui tombe d’un arbre se garde bien d’obéir au principe de base de la relativité galiléenne car, si elle suit bien une trajectoire rectiligne, elle le fait avec une vitesse non pas uniforme, mais accélérée.

Cinquièmement, Newton a été incapable d’expliquer pourquoi tous les corps soumis à la gravitation, quel que soit leur poids, chutaient tous avec la même accélération dans un même laps de temps.

Enfin, pour couronner le tout, en ce début du XXe siècle, aucun scientifique, en s’appuyant sur la théorie newtonienne, ne peut donner une explication sérieuse de la trajectoire fantaisiste de Mercure autour du Soleil.

Pour Einstein, cela fait beaucoup trop d’interrogations sans réponse. La théorie gravitationnelle de Newton ne peut être qu’incomplète, voire construite sur de mauvaises hypothèses ; il faut donc certainement la reformuler. Mais comment ? Tout simplement en proposant une autre solution scientifique, à la fois complètement différente et totalement inédite, bâtie sur de nouveaux concepts qu’il lui reste à découvrir. Pari à la fois audacieux et invraisemblable qu’il va réussir à tenir, deux siècles après Newton .

■ Une étonnante découverte

Preuve que les idées d’Einstein développées dans sa théorie sur la relativité restreinte font leur chemin, le physicien allemand très connu à l’époque Johannes Stark (1874-1957) lui demande, au milieu de l’année 1907, de rédiger pour la revue Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik un article de synthèse sur sa théorie et ses retombées conceptuelles et pratiques.

À l’automne de cette même année, en rédigeant cet article qui lui demande une très grande rigueur pédagogique et une réflexion approfondie sur l’essence même de la relativité et de l’inertie des corps, Einstein a une sorte d’illumination. En 1919, il décrira la scène ainsi : « Assis à mon bureau à l’Office des brevets de Berne, approfondissant la notion d’inertie des corps, une image soudaine et précise s’imposa à moi : une personne tombant d’un toit ne sent pas son propre poids. Je restai immobile, ahuri, comme fasciné par cette idée. Ce fut certainement la plus heureuse que j’aie pu avoir dans ma vie. »

Quelque peu saugrenue pour le commun des mortels, cette révélation fait à Einstein l’effet d’un électrochoc. Il vient de comprendre que le poids d’un corps qui accélère en tombant sur Terre a certainement un rapport direct avec la gravitation. Pour assimiler cette hypothèse, il vous suffit de penser que vous êtes dans un ascenseur qui monte. Vous avez donc les pieds collés au plancher de la cabine ; si vous lâchez un dossier, celui-ci tombera sur le plancher. Tout cela vous paraît on ne peut plus normal. Pour Einstein, il en va tout autrement : cette situation démontre que le mouvement accéléré de l’ascenseur qui monte génère les mêmes effets que la...

Bibliographie

BALIBAR Françoise, Einstein, la joie de la pensée, Gallimard, 1993

BEN-DOV Yoav, Invitation à la physique, Seuil, 1995

EISENSTAEDT Jean, Avant Einstein. Relativité, lumière, gravitation, Seuil, 2005

EINSTEIN Albert, Comment je vois le monde, Flammarion, 1958

EINSTEIN Albert, L’Évolution des idées en physique, Payot, 1974

EINSTEIN Albert, Les Théories de la relativité restreinte et générale, GauthierVillars, 1988

EINSTEIN Albert, Conceptions scientifiques, Flammarion, 1990

FEYNMANN Richard, Vous voulez rire, monsieur Feynmann, Inter-Éditions, 1985

GAMOW Georges, Monsieur Tompkins au pays des merveilles, Dunod, 1999

HAWKING Stephen, Une brève histoire du temps, Flammarion, 1989

HAWKING Stephen, Trous noirs et bébés univers, Odile Jacob, 1993

HOFFMANN Bernard, L’Étrange Histoire des quanta, Seuil, 1981

JACQUARD Albert, Voici le temps du monde fini, Seuil, 1991

LICHNÉROWICZ Albert, Éléments de calcul tensoriel, Armand Colin, 1962

ORTOLI Sven, Le Cantique des quantiques, La Découverte, 2004

PATY Michel,...