.
-

Einstein

Einstein, Albert, physicien né en 1879 à Ulm, mort en 1955, aux États-Unis. Après des études de physique et de mathématiques à l’Institut technologique de Zurich, Einstein entre au Bureau des brevets de Berne en 1901. 
-
Albert Einstein.
Albert Einstein (1879-1955).

Il publie en 1905 plusieurs articles de physique théorique, les dimensions des molécules d’une part, et surtout sa théorie de la relativité restreinte. Docteur cette même année (1905), professeur de physique à l'Université de Zurich (1909), puis à Prague (1911), puis de nouveau à Zurich (1912), puis à Berlin (1914) à l'Académie royale de Prusse où Guillaume II le fit appeler, Einstein se signala aussi à cette époque avoir refusé de signer le Manifeste des 93,  et devra retourner assez rapidement vivre en Suisse

Sa théorie de la relativité restreinte est complétée en 1915, avec la fameuse découverte de l’équivalence de la masse et de l’énergie, ainsi que par la mise au point progressive de sa théorie de la gravitation, appelée la théorie de la relativité générale (1917). Il reçoit le prix Nobel en 1921 pour ses travaux sur l’effet photoélectrique.

Einstein émigre aux États-Unis lors de l’avènement du régime hitlérien en Allemagne, et est accueilli à l’université de Princeton. Pendant la seconde guerre mondiale, inquiet d’une possible victoire des Nazis, il écrira au président Roosevelt pour lui suggérer la mise au point d’une bombe atomique.L’après guerre sera marqué par ses prises de position pacifistes, anti-racistes et anti-maccarthistes. 

Les théories de la relativité d'Einstein

L'origine du problème.
Roemer constate, au XVIIe siècle, la « propagation en ligne droite de la lumière, avec vitesse finie et constante dans le vide ». Newton énonce une véritable théorie de l'émission, analogue aux idées des anciens qui voyaient, dans la sensation l'action, sur les organes, de particules lancées par les corps. Par contre, Huygens soutient une théorie dans laquelle la lumière se propage par ondes. D'où la nécessité d'un milieu vibrant : c'est l'éther, d'ailleurs admis secondairement par Newton. Le problème de l'éther n'est pas encore en discussion. Mais Newton a peine à expliquer deux séries de phénomènes : 1° les interférences, constatées par lui-même; 2° la diffraction, découverte en 1663 par Grimaldi. Newton complique sa théorie, dont le succès est tel, que ses successeurs ne songent pas à l'abandonner. Ils la compliquent encore, l'accroissent (notamment Laplace), pour tenter d'expliquer les découvertes de Malus, d'Arago et de Young sur la polarisation, la polarisation rotative et la diffraction. Enfin Fresnel (1819), étudiant les phénomènes de diffraction, est amené à rejeter l'émission pour admettre l'ondulation : - la lumière est une « vibration transversale de molécules d'éther », à la fréquence de plusieurs trillions par seconde. En 1854, Foucault montre que, conformément à l'hypothèse ondulatoire, la vitesse de la lumière est plus faible dans l'eau que dans l'air.

Cependant, le problème prend une nouvelle face. Faraday étudie les attractions et les répulsions électriques et électro-magnétiques; il aboutit à l'existence de lignes de force élastiques entre les corps électrisés. En 1845, il découvre la rotation du plan de polarisation sous l'action d'un champ magnétique. Oersted, Ampère et Gauss font des expériences qui semblent manifester d'étroits rapports entre l'électricité et la lumière. Enfin, Maxwell découvre que « la vitesse de la lumière est une constante électrique ». D'une similitude de propagation entre la lumière et l'électricité, il déduit une identité d'essence. Ses successeurs vérifient expérimentalement ses hypothèses. Mais voici qu'on ne peut expliquer le phénomène de Kerr : la rotation du plan de polarisation de la lumière réfléchie dans certaines conditions sur la surface polaire d'un aimant. Hertz tente de mettre Maxwell en harmonie avec les faits. Hertz conçoit l'éther comme entraîné par la matière en mouvement. Mais on se heurte alors au phénomène bien connu de l'« aberration » : l'image d'une étoile ne se forme pas sur la croisée des fils de la lunette astronomique, comme il se devrait si les rayons lumineux suivaient le mouvement de l'éther entraîné par la Terre. L'éther serait-il donc en repos par rapport à la Terre?

En 1851, Fizeau avait tenté des expériences sur la question de l'entraînement de l'éther. En 1889, elles sont reprises par Michelson et Morlay qui constatent que la lumière se propageun peu plus rapidement dans l'eau courante que dans l'eau immobile. Y aurait-il, comme le pensait Fresnel, entraînement partiel? Lorentz reprend en 1892 certaines idées de Fresnel. Il constate que Maxwell ne peut expliquer l'électrolyse ni les phénomènes de radioactivité. Lorentz conçoit l'éther simplement comme un espace où est possible la naissance d'un champ électrique; c'est un éther immobile, indéformable, pénétrant tous les corps. Zeemann vient confirmer Lorentz. Mais Henri Poincaré fait à celui-ci le grave reproche de ne pas satisfaire à un principe essentiel de la mécanique : au principe newtonien de l'égalité de l'action et de la réaction. De plus, si l'éther est immobile par rapport à la Terre, et si la lumière nous arrive par ondulation de l'éther, on doit pouvoir déceler le mouvement de la Terre. Foucault avait montré sa rotation. Michelson et Morlay essayèrent de révéler sa translation. Or, l'expérience de Michelson et Morlay ne décela aucun mouvement. Henri Poincaré concluait par un principe de relativité :

« Au moyen d'expériences optiques et électro-magnétiques intérieures à un système en mouvement, il est impossible de déceler le mouvement de translation de celui-ci par rapport à l'éther. »
Simultanément, Lorentz et Fitzgerald émirent une hypothèse hardie : l'hypothèse de la « contraction ». Dans l'expérience de Michelson et Morlay, on voulait mettre en évidence la différence de temps que mettrait un rayon solaire pour joindre deux points de la trajectoire suivie par la Terre le temps nécessaire pour atteindre le point le plus éloigné doit être inférieur au temps nécessaire pour atteindre le point le plus proche. Or, on n'avait constaté aucune différence. Avec l'hypothèse de Fitzgerald, on raisonna ainsi. Si le temps est égal pour parcourir deux distances inégales, c'est que tout se passe comme si les corps entraînés dans une translation subissaient une contraction dans le sens du mouvement. Lorentz invoquait, à l'appui, les variations des champs électriques à l'intérieur des corps en mouvement, aboutissant à des variations dans les dimensions. L'hypothèse, difficile à admettre, avait des conséquences curieuses, toutes tirées des formules, et dont on ne peut donc songer à rendre compte dialectiquement; - notamment : qu'il n'y a pas de vitesse supérieure à celle de la lumière. Lorentz voulut étudier ce que devenaient les différentes lois scientifiques lorsqu'un corps passe d'un système dans un autre, par exemple de l'éther à la Terre. Et au cours de ses calculs il fut amené à employer une certaine quantité qui ne diffère du temps universel « que par un multiple de x », et qu'il appela « temps local ». Ce temps local était un pur artifice de mathématicien, sans signification physique, sans réalité.

La théorie de la relativité restreinte.
C'est ici qu'intervient Einstein. C'est, on l'a dit, dans un mémoire paru en 1905, qu'Einstein supprima le temps universel et le remplaça par un temps qui n'existe que  «-pour chaque point en particulier  », - un temps local. Ce temps local, qui n'était pour Lorentz qu'un temps fictif, Einstein lui confère la réalité. Ainsi s'explique l'idée, si mal comprise généralement, du temps conçu comme une quatrième dimension de l'espace. On a donc un univers à quatre dimensions, qui est cet « espace-temps », où chaque point a maintenant quatre coordonnées. En second lieu, Einstein généralise le principe classique de la relativité, qui, en mécanique, affirme l'indépendance des phénomènes mécaniques à l'intérieur d'un système isolé, par rapport à son état de repos ou à son état de mouvement uniforme, et, en géométrie euclidienne, l'indépendance de la forme et des dimensions d'une figure, par rapport aux déplacements. Ce principe va se trouver progressivement étendu à tous les phénomènes, dont Einstein exprimera toutes les lois sous une forme nouvelle.

Dans le premier système d'Einstein, le principe de relativité peut s'exprimer ainsi : «-Tout se passe, dans un système en mouvement uniforme, comme s'il était seul. » On a parfois fait remarquer que le principe est mal nommé, puisqu'il exprime plutôt l'«-indépendance ». La dénomination a peu d'importance; et le terme de relativité convient très bien, si l'on veut exprimer surtout que, dans les mesures faites par des observateurs appartenant à divers systèmes, et rapportées à des systèmes d'axes différents, les lois et les équations restent les mêmes. Autrement dit, les corps de référence n'ont pas une valeur absolue mais relative, et l'on peut passer indifféremment de l'un à l'autre.

Le principe de relativité trouve son application dans tous les domaines des sciences, et l'on constate que les réalités de l'espace, du temps, du mouvement, de l'énergie, de la matière... sont indépendantes du système d'axes fictifs auxquels le physicien les rapporte. C'est ainsi que les lois de Newton ne sont, dans leur formulation, qu'une approximation du réel, suffisante dans la pratique pour les vitesses très faibles par rapport à celle de la lumière. Le système newtonien n'est qu'un cas particulier du système lorentzien, lequel est fondé sur les formules du mouvement de l'électron. Il n'y a plus ni repos, ni mouvement absolu. L'espace et le temps sont relatifs, car la simultanéité des événements est elle-même relative : deux phénomènes simultanés pour un observateur ne le sont plus pour un autre. D'autre part, la longueur cinématique est inférieure à la longueur géométrique : une longueur se raccourcit, en passant devant un observateur; un carré peut ainsi devenir un rectangle, un cercle, une ellipse. Les vitesses ne se composent plus suivant la règle du parallélogramme : un point lui-même mobile, dans un système mobile par rapport à un point fixe, possède une vitesse inférieure à la somme de sa vitesse par rapport au système, et de la vitesse du système par rapport au point fixe. Il n'y a pas de vitesse supérieure à celle de la lumière, qui est finie. Il n'y a donc pas d'action instantanée à distance, pas plus que d'éther. De plus, la masse d'un corps n'est pas fixe. Elle s'accroît, pour un corps passant du mouvement au repos. L'énergie cinétique possède un certain coefficient d'inertie.

Il faut aller plus loin : l'énergie et la masse sont équivalentes. L'énergie a une masse. Toute masse possède une provision d'énergie. Ainsi disparaît le dualisme entre la matière et l'énergie. Les lois de la conservation de l'énergie et de a conservation de la quantité de mouvement se réduisent en une seule loi, où intervient une quantité spéciale : l'impulsion d'univers. Telle est la solution einsteinienne du problème qui préoccupa jadis Descartes et Leibniz, et qui concilie le mécanisme de l'un et le dynamisme de l'autre. Masse et énergie ont donc même mesure. Masse et énergie varient donc ensemble. La masse d'un corps varie notamment avec sa température. La masse d'un corps a pour mesure le quotient de son énergie par le carré de la vitesse de la lumière. Tout corps au repos possède une quantité d'énergie égale au produit de sa masse par le carré de la vitesse de la lumière. Quand ce corps est en mouvement, la partie la plus importante de son énergie garde la même expression. Or, pratiquement, nous n'utilisons qu'une partie infime de l'énergie des corps.

La principale conséquence tiré de la découverte de l'équivalence de la masse et de l'énergie a été la possibilité de maîtriser l'énergie nucléaire. 

La théorie de la relativité générale.
Si l'énergie a une masse, la loi de Newton doit donc pouvoir s'y appliquer, et notamment à l'énergie lumineuse. On pénètre ainsi dans le second système d'Einstein. Le principe de la relativité s'y étend encore de « restreinte » ou « spéciale » elle devient « universelle » ou « générale »; il ne s'applique plus non seulement aux systèmes dont le mouvement est uniforme, mais même aux systèmes de mouvement accéléré. En effet, la grande découverte d'Einstein consiste à lier les deux phénomènes de la gravitation et de l' « accélération », qui sont posés synthétiquement comme « équivalents ». C'est le principe dit de l'équivalence. On ne peut distinguer, dans un système à l'intérieur duquel se meut un corps, si c'est le corps ou le système qui se meut. L'effet qu'exerce la gravitation est le même que celui qui se produirait dans un espace libre de gravitation, avec une accélération égale à celle de la pesanteur. Donc, pour connaître l'effet de la gravitation, il suffit d'étudier l'effet de l'accélératiion sur les corps. On prouve, encore une fois, et en conséquence du principe d'équivalence, qu'il ne saurait y avoir d'éther. Le système prend, avec les formules de la gravitation, un nouveau développement. Mais une objection vient modifier et orienter curieusement la théorie : « A l'augmentation du poids d'un corps qui s'élève doit correspondre l'accroissement d'énergie emmagasinée par le corps, et c'est-à-dire une variation de la masse du corps, ou de la vitesse de la lumière »; la première n'est pas possible : Einstein alors sacrifie la constance de la vitesse de la lumière, qui ne subsiste que dans l'absence de la gravitation. Le premier système garde une valeur d'approximation, de même que, par rapport à lui, le système newtonien. Au moyen de la géométrie de Riemann (espace à n dimensions) et du calcul différentiel absolu, Einstein établit les dix équations de la gravitation, et il montre que toutes les lois sont compatibles avec la relativité. Il déduit de ses équations, directement et sans modifications, des lois déjà connues. Toutes les lois, y compris celles de la gravitation, sont indépendantes de tous les corps de référence employés. Espace et temps n'ont pas une valeur absolue. 

Einstein propose un modèle d'univers est sans bornes, mais non pas infini; c'est un univers à courbure variable. Il aboutit ainsi à l'image d'un monde fini, comme celui des Grecs, mais sans fixité dans sa forme. Constatant que ses équations décrivent un univers instable (selons elles, l'univers ne pourrait être qu'en expansion ou en contraction), Einstein aura l'idée d'introduire un nouveau paramètre, la constante cosmologique, à laquelle il est cependant incapable de donner une interprétation physique. Plus tard, quand l'expansion de l'univers sera mise en évidence par les observation, Einstein parlera de son introduction de la constante cosmologique comme sa « grande erreur  ». L'ironie veut, que depuis les années 1990, de nouvelles observations conduisent certains astrophysiciens à penser que cette mystérieuse constante cosmologique, pourrait, au final, avoir bien une interprétation physique et une utilité, et se comprendre comme la grandeur mesurant l'énergie du vide...

Les partisans d'Einstein - Paul Langevin en France, Hermann Weyl en Allemagne, lequel  égale au moins le maître et conclut à « l'homogénéité de l'univers » conçu comme un « espace métrique généralisé » - peuvent faire valoir un certain nombre d'expériences cruciales. D'abord, les prévisions d'Einstein sur la déviation des rayons lumineux dans un champ de gravitation ont été réalisées lors de l'éclipse totale du 29 mai 1919; d'après Newton la déviation devait atteindre 0"87, suivant Einstein 1"74; deux observations faites par des astronomes anglais donnèrent 1"61 et 1"98. En second lieu, des calculs sur la différence des longueurs d'onde entre des atomes terrestres et des atomes solaires de sodium montrèrent des déplacements de l'ordre indiqué par Einstein. Enfin, appliquant directement ses calculs au déplacement du périhélie de Mercure, Einstein trouva un mouvement séculaire de 43", alors que les observations indiquent 45". On peut faire remarquer aussi qu'Einstein explique l'expérience de Michelson et Morlay, et qu'il a déduit de ses formules de lois connues de l'hydrodynamique et de la théorie des gaz. (J. Hytier).



En librairie - Albert Einstein, Oeuvres choisies, Le seuil, 2002. - La théorie de la relativité restreinte et générale, Dunod, 2000. - Comment je vois le monde, Flammarion (Champs), 1999. - Avec Infeld, L'Evolution des idées en physique, Flammarion (Champs), 1993. - Le pouvoir nu, propos sur la guerre et la paix, Hermann, 1991.

Françoise Balibar, Galilée, Newton, lus par Einstein (espace et relativité), PUF, 1990. - Banesh Hoffmann, Albert Einstein, créateur et rebelle, Le Seuil, 1979.

Jean-Claude Carrière, Einstein, s'il vous plaît, Odile Jacob, 2007.- Une jeune fille d'aujourd'hui franchit une double porte, entre dans un vaste bureau, et se retrouve en présence... d'Albert Einstein lui-même! Ainsi commence, dans un espace-temps flexible, la rencontre entre cette étudiante curieuse et le facétieux physicien... cinquante ans après la mort de celui-ci. Ce livre surprenant invite à un voyage dans l'univers intellectuel d'Einstein. Destiné à tous, pour le plaisir de lire, de comprendre, et d'apprendre! (couv.).

Brigitte Labbé, Michel Puech, illustrations : Jean-Pierre Joblin, Einstein, Editions Milan, 2010.

Jean-Paul Auffray, Comment je suis devenu Einstein, la véritable histoire de E=mc², Carnot, 2005.- Albert Einstein est entré dans la légende, de son vivant, avec la célèbre formule E=mc² , l'une des découvertes majeures de la physique. En est-il vraiment le " père "? La question peut surprendre. Pourtant, le Comité Nobel n'a pas lugé utile de lui décerner le prix à ce titre. Il l'a reçu, en 1921, mais pour des travaux mineurs en comparaison. Au fil de la lecture de Comment je suis devenu Einstein se dessine le portrait du véritable inventeur de E=mc² et de la théorie de la relativité, un génie oublié que réhabilite Jean-Paul Auffray. On découvre aussi un Einstein humain et parfois déconcertant dans sa vie privée. (Couv.).

.


Dictionnaire biographique
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

[Pages pratiques][Aide][Recherche sur Internet]

© Serge Jodra, 2004 - 2018. - Reproduction interdite.