Albert Einstein - Définition

Travail scientifique

Avant Einstein

Avec Einstein

En physique des particules

Méta

L’année 1905

L’année 1905 est une année fructueuse pour Einstein, quatre de ses articles étant publiés dans la revue Annalen der Physik :

Le premier article, publié en mars, expose un point de vue révolutionnaire sur la nature corpusculaire de la lumière, par l’étude de l’effet photoélectrique. Einstein l’intitule : Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière. Il y relate ses recherches sur l’origine des émissions de particules, en se basant sur les travaux de Planck qui avait, en 1900, établi une formule d’un rayonnement quantifié, c’est-à-dire discontinu. Planck avait été contraint d’aborder le rayonnement lumineux émis par un corps chaud d’une manière qui le déconcertait : pour mettre en adéquation sa formule et les résultats expérimentaux, il lui avait fallu supposer que le courant de particules se divisait en blocs d’énergie, qu’il appela quanta. Bien qu’il pensât que ces quanta n’avaient pas de véritable existence, sa théorie semblait prometteuse et plusieurs physiciens y travaillèrent. Einstein réinvestit les résultats de Planck pour étudier l’effet photoélectrique, et il conclut en énonçant que la lumière se comportait à la fois comme une onde et un flux de particules. L’effet photoélectrique a donc fourni une confirmation simple de l’hypothèse des quanta de Max Planck. En 1920, les quanta furent appelés les photons.

Deux mois plus tard, en mai, Einstein fait publier un deuxième article sur le mouvement brownien. Il explique ce mouvement par une entorse complète au principe d’entropie tel qu’énoncé à la suite des travaux de Newton sur les forces mécaniques : selon lui, les molécules tireraient leur énergie cinétique de la chaleur. Cet article fournit une preuve théorique (vérifiée expérimentalement par Jean Perrin en 1912) de l’existence des atomes et des molécules. Le mouvement brownien a été expliqué au même moment qu’Einstein par Marian Smoluchowski, et par Louis Bachelier en 1900.

Le troisième article est plus important, car il représente la rupture intuitive d’Einstein avec la physique newtonienne. Dans celui Sur l’électrodynamique des corps en mouvement, le physicien s’attaque au postulat d’un espace et d’un temps absolus, tels que définis par la mécanique de Newton, et à l’existence de l’éther, milieu interstellaire inerte qui devait soutenir la lumière comme l’eau ou l’air soutiennent les ondes sonores dans leurs déplacements. Cet article, publié en juin, amène à deux conclusions : l’éther n’existe pas, et le temps et l’espace sont relatifs. Le nouvel absolu qu’Einstein édifie est détaché de la nature quantitative de ces deux notions que sont l’espace et le temps, mais sont liés par la conservation de leur relation à travers les différents référentiels d’études. Les conséquences de cette vision révolutionnaire de la physique, qui découle de l’idée qu’Einstein avait de la manière dont les lois physiques devaient contraindre l’univers, ont bousculé tant la physique théorique que ses applications pratiques. L’apport exact d’Einstein par rapport à Henri Poincaré et quelques autres physiciens est aujourd’hui assez disputé (voir Controverse sur la paternité de la relativité).

Le dernier article, publié en septembre, donne au titre L’inertie d’un corps dépend-elle de son contenu en énergie ? une réponse célèbre : la formule d’équivalence masse-énergie, E=mc². C’est un résultat de la toute nouvelle relativité restreinte, dont découlent un vaste champ d’études et d’applications : physique nucléaire, mécanique céleste, et armes et centrales nucléaires, par exemple.

Années de reconnaissance (1910–1935)

Mécanique quantique

Postulats de la mécanique quantique Histoire de la mécanique quantique Concepts fondamentaux État quantique · Superposition · Observable · Intrication · Mesure · Principe d'incertitude · de correspondance · Dualité · Décohérence Expériences Fentes de Young · Expérience de Stern et Gerlach · Chat de Schrödinger · Gomme quantique · Paradoxe EPR · Téléportation quantique · Expérience d'Aspect Formalisme Notation Bra-Ket · Équation de Schrödinger · Matrice densité · Représentation de Schrödinger · de Heisenberg · d'interaction Statistiques Maxwell-Boltzmann · Échange · Fermi-Dirac · Fermion · Bose-Einstein · Boson Théories avancées Théorie quantique des champs · Axiomes de Wightman · Électrodynamique quantique · Chromodynamique quantique · Gravité quantique · Diagramme de Feynman Interprétations Problème de la mesure · Copenhague · Ensemble · Variables cachées · Transactionnelle · Mondes multiples · Histoires consistantes · Logique quantique · Réduction par l'observation (consciente) Physiciens Planck · de Broglie · Schrödinger · Heisenberg · Bohr · Pauli · Born · Dirac · von Neumann · Einstein · Bohm · Feynman · Everett · Penrose

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Albert Einstein et Niels Bohr au congrès Solvay de 1930

Albert Einstein en 1921

En 1916, Einstein publie sa théorie dite de la relativité générale. Son ancien condisciple Marcel Grossmann l’aide dans ses travaux en lui apportant ses connaissances en géométrie différentielle : ils publient un article sur les tenseurs de Ricci et de Riemann-Christoffel en 1913. En octobre 1914, Einstein publie un article sur la géométrie différentielle, et en juin 1915, il donne des conférences à l’université Göttingen devant Hilbert et Klein.

Les « équations du champ » sont la clé de voûte de cette théorie. Elles décrivent le comportement du champ de gravitation (la métrique de l’espace-temps) en fonction du contenu énergétique et matériel. La théorie de la relativité ainsi que ses ouvrages de 1905 et 1916 forment la base de la physique moderne.

La théorie de la relativité générale publiée, Einstein recommence à travailler sur la physique des quanta et introduit en 1917 la notion d'émission stimulée qui lui permet de retrouver la loi de Planck à partir d'hypothèses purement quantiques sur la façon dont les quanta de lumière (photons) sont absorbés et émis par les atomes. Idée fructueuse qui est à la base du développement du maser et du laser. La même année, Einstein montre qu'il convient d'associer une quantité de mouvement au quantum de lumière ; hypothèse qui sera validée par l'expérience en 1923 grâce aux travaux d'Arthur Compton sur la diffusion des rayons X.

La relation d'Einstein avec la physique quantique alors naissante est remarquable : d’un côté, nombre de ses travaux sont à la base du développement de cette nouvelle physique, comme son explication de l’effet photoélectrique ; d’un autre côté, il critiquera beaucoup d’idées et d’interprétations de la mécanique quantique, son non-déterminisme en particulier. Le débat entre le groupe formé par Einstein et Erwin Schrödinger et celui de Niels Bohr et Werner Heisenberg se situait à la frontière de la physique et de la philosophie.

En 1927, invité au cinquième congrès Solvay, il a de nombreuses conversations avec Niels Bohr à ce sujet. Il dit alors : « Gott würfelt nicht » (« Dieu ne joue pas aux dés ») pour marquer son opposition à l’interprétation probabiliste de la physique quantique, ce à quoi Niels Bohr répondit : « Qui êtes-vous Albert Einstein pour dire à Dieu ce qu’il doit faire ? ». Le paradoxe EPR qu’il précise en 1935 avec Boris Podolsky et Nathan Rosen à Princeton reste aujourd’hui un exemple important d'une tentative pour questionner les fondements de la mécanique quantique.

La vérification par l’éclipse

Pour vérifier la relativité générale, une mesure de la déviation des rayons lumineux aux alentours d’une masse, lors d’une éclipse solaire est envisagée. La première expédition est programmée en 1915, mais est rendue impossible par la Première Guerre mondiale. En 1919, Arthur Eddington réalise la fameuse mesure. Il annonce que les résultats sont conformes à la théorie d’Einstein. Il apparaît bien plus tard qu’en raison du temps nuageux, la marge d’erreur était bien supérieure au phénomène à mesurer. Stephen Hawking explique dans Une Brève histoire du temps que ce genre de faux bon résultat est courant quand on sait à quoi s’attendre. Comme entre-temps, d’autres mesures avaient confirmé la déviation de la lumière, le prestige de la relativité générale n’en fut pas ébranlé.