Diapositive 1

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Einstein et la Théorie de la relativité les
découvertes scientifiques à la Belle-Epoque
1873-Intro Poincaré Faraday Edison Perrin Planck A
mpère Hubble Newton Brown Barlow Friedmann Curie F
ranklin Walton Einstein Ørsted Becquerel De
Sitter Cockroft Lemaitre Maxwell 1932-Conclusion
2
Les formidables avancées scientifiques opérées à
la Belle Epoque, et dans les années qui suivent,
suite aux travaux dAlbert Einstein, sont
largement déterminées par des recherches sur
lélectricité et le magnétisme. Le savant le plus
important à cet égard est un écossais James
Clerk Maxwell
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3
James Clerk Maxwell (1831-1879) est un physicien
écossais dont les travaux ont été indispensables
à la mise au point de la théorie de la
relativité. Il étudie inlassablement la physique
de lélectricité et du magnétisme et, en
associant les 2, il cherche à mettre en évidence
les lois qui définissent lélectromagnétisme. En
lespèce il nest pas vraiment original, dans le
sens où ses travaux (dont il réalise la synthèse
dans son grand ouvrage, publié en 1873
Electricity and electromagnetism) sinscrivent
dans un siècle de recherches sur
lélectricité. Loriginalité de Maxwelle réside
ainsi surtout dans le fait quil est parvenu à
codifier toutes les études antérieures
d'André-Marie Ampère et de Michael Faraday, et à
les rassembler dans un ensemble de 20 équations
différentielles (finalement réduites à 4) les
lois de Maxwell (1). Celles-ci décrivent le
comportement des champs électriques et
magnétiques et le rapport entre les 2, à savoir
l'électromagnétisme. Elles démontrent que les
champs électriques et magnétiques voyagent dans
l'espace, sous forme d'ondes, à une vitesse
d'environ 300 000 km/s la vitesse de la lumière
(1). Il a ainsi émit l'hypothèse que la lumière
était une forme de rayonnement électromagnétique
(ce que fut démontré ultérieurement par les
expériences de Hertz). La théorie de
l'électromagnétisme de Maxwell contient ainsi le
germe de la relativité. Le premier à le
comprendre fut le mathématicien français Henri
Poincaré, mais A. Einstein le reconnaissait aussi
bien volontiers puisque sa théorie intégrait un
des principes mis en évidence par Maxwell  la
vitesse de la lumière dans le vide ne dépend pas
de la vitesse de sa source , ou, pour le dire
autrement  la vitesse de la lumière dans le
vide est toujours la même, quelque soit le
référentiel . (1) Voir ici pour une description
des équations de Maxwell. (2) Les 1ères mesures
de cette vitesse sont réalisées en 1676 par
lastronome danois Römer, et cest un physicien
français, Hippolyte Fizeau, qui mesure de façon
définitive la vitesse de la lumière en 1849 (300
000 km/s).
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Des Lumières à la Révolution industrielle plus
dun siècle de recherches sur lélectricité (et
le magnétisme) Lélectricité et le magnétisme
sont évidemment des phénomènes connus depuis
lantiquité. Le nom délectricité est inventé au
16e siècle par un savant anglais, mais cest
surtout au 18e siècle que le phénomène devient un
objet détude approfondi, notamment dans le cadre
technique de la fabrication de machines
produisant de lélectricité en 1799, Alessandro
Volta invente ainsi la première pile électrique
(en empilant alternativement des disques de
métaux différents (cuivre, zinc) séparés par des
disques de feutre imbibés dacide). Ces
innovations techniques se situent dans lintérêt
des savants du 18e siècle pour les techniques et
leur application concrète (cf. lEncyclopédie) et
pour la découverte de sources dénergie
nouvelles. Cest entre 1750 et 1820, environ, que
les premières avancées se produisent, notamment à
partir des découvertes de Benjamin Franklin sur
la foudre, puis avec la mise en évidence du lien
entre lélectricité et le magnétisme par le
danois Hans Christian Ørsted et par langlais
Peter Barlow. Si les travaux de ces derniers sont
plutôt techniques, les recherches théoriques sont
davantage le fait de deux savant essentiels pour
J. C. Maxwell d'André-Marie Ampère et de
Michael Faraday Ces travaux scientifiques et
ceux qui les suivent dans les années 1860-1890
conduisent ainsi, révolution industrielle oblige,
à la construction de machines capables de
produire de l'énergie électrique en grande
quantité et à la transporter sur de longue
distance. Lucien Gaulard et Nikola Tesla
inventent respectivement le transformateur (1883)
et les machines à courant alternatif (1884) ces
éléments sont essentiels à la production et au
transport électrique (L. Gaulard y parvient, sur
40 km, en 1884 et ses réalisations permettent
dinstaller léclairage du métro de Londres).
L'invention de la machine à courant continu est
brevetée par le Belge Zénobe Gramme elle est
améliorée, commercialisée et généralisée aux
États-Unis parThomas Edison.
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André-Marie Ampère (1776-1836), dès son enfance,
a soif d'apprendre. Son père commence à lui
enseigner le latin, qui lui servira pour étudier
les travaux de Daniel Bernoulli, pur savant des
Lumières qui a étudié et enseigné les
mathématiques, la botanique, lanatomie et
surtout la physique. À partir de 1796, Ampère
donne à Lyon des cours privés de mathématiques,
de chimie et de langues. La période
révolutionnaire et napoléonienne est pour lui
propice parce quelle lui permet de mener une
belle carrière denseignant. En 1801 il devient
professeur de physique-chimie à Bourg-en-Bresse,
à l'Ecole centrale du département de l'Ain, et en
1803 il est nommé professeur de mathématiques au
lycée de Lyon (1). En 1804, il est nommé
répétiteur d'analyse à l'École polytechnique (2)
et s'installe à Paris. Ses travaux sont
importants ils se placent dans la foulée
dØrsted, dont il lit les études dès 1820. Il
tente de comprendre le lien quentretiennent
lélectricité et le magnétisme sa loi la plus
connue, sur l'électrodynamique, décrit ainsi les
forces que 2 conducteurs parallèles parcourus par
des courants électriques exercent l'un sur
l'autre si la direction du courant est la même
dans les deux conducteurs, ceux-ci s'attirent et
si le courant se déplace dans des directions
opposées, les conducteurs se repoussent. Ces
travaux fondent l'électrodynamique et influencent
considérablement la physique du 19e siècle,
notamment parce quAmpère interprète le phénomène
du magnétisme par la théorie du courant
moléculaire, selon laquelle d'innombrables
particules minuscules, chargées électriquement,
seraient en mouvement dans le conducteur cette
théorie est rejetée par les scientifiques de
l'époque et ne parvient à s'imposer quen 1897
grâce à J. J. Thomson, qui met en évidence
lexistence des électrons cest un pas vers la
démonstration définitive de lexistence des
atomes. (1) Les lycées sont créés par Napoléon
Bonaparte en 1802 (2) lécole Polytechnique est
créée par un décret révolutionnaire en 1794
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Michael Faraday (1791-1867) complète les travaux
dAmpère. En 1821, après la découverte du
phénomène de l'électromagnétisme par le chimiste
danois Ørsted, Faraday construit 2 appareils pour
produire ce qu'il appela une rotation
électromagnétique. Dix ans plus tard, en 1831, il
commença une longue série d'expériences durant
lesquelles il découvrit l'induction
électromagnétique cest-à-dire la création d'un
courant dans un conducteur à partir d'un champ
magnétique ces expériences forment la base de
la technologie électromagnétique moderne (la loi
de Faraday permet de relier la force
électromotrice induite dans un circuit électrique
avec la variation du flux du champ magnétique à
travers ce circuit électrique). En 1833, il
introduit les termes d'anode, de cathode,
d'anion, de cation et d'ions.
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Benjamin Franklin démontre en 1752 que la foudre
est un phénomène dû à l'électricité et invente le
paratonnerre pour s'en protèger.
Benjamin Franklin (1706-1790) et son
paratonnerre. Franklin mena de concert une
carrière scientifique que le mis en relation avec
les plus grands intellectuels de son époque (en
particulier le mathématicien dAlembert en
France, lun des fondateurs de lEncyclopédie),
et une carrière politique comme défenseur des
droits de lhomme. Cest lune des grandes
personnalités des Lumières américaines
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Peter Barlow (1776-1862) construit en 1822 le 1er
moteur électrique de l'histoire  la  roue de
Barlow  qui est un simple disque métallique
découpé en étoile et dont les extrémités plongent
dans un godet contenant du mercure qui assure
l'arrivée du courant. Un aimant, en forme de fer
à cheval, est disposé de telle sorte que les
extrémités de ses 2 pôles soient situées de part
et d'autre du disque. La force électromagnétique
qui s'exerce sur la partie du disque parcourue
par le courant lentraine vers l'extérieur,
tendant ainsi à le faire tourner sur lui-même.
Pour observer une animation mettant en mouvement
la  roue de Barlow , cliquez sur limage.
Quittez ensuite la page internet pour revenir au
diaporama.
9
Hans Christian Ørsted découvre en 1820 la
relation entre électricité et magnétisme à
travers une expérience toute simple quil
réalisait devant ses étudiants il faisait
bouger une laiguille dune boussole en déplaçant
près delle un fil transportant du courant il
montrait ainsi quil y a bien une interaction
entre les forces électriques d'une part et les
forces magnétiques d'autre part, ce qui était
révolutionnaire pour l'époque.
Hans Christian Ørsted, dessin, 1820 Pour observer
une animation mettant en scène son expérience,
cliquez sur limage. Quittez ensuite la page
internet pour revenir au diaporama.
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Thomas Edison (11 février 1847 Ohio - 18 octobre
1931 New Jersey) est reconnu comme l'un des
inventeurs américains les plus importants des
États-Unis. Fondateur de General Electric, un des
1er empires industriels mondiaux, pionnier de
l'électricité, diffuseur, popularisateur et
perfectionneur de technologies d'avant garde,
auto-proclamé inventeur de lampoule électrique
(sa plus emblématique invention, en 1879), du
téléphone, du cinéma et de l'enregistrement et
de la diffusion du son, il n'hésita pas à
s'attribuer quantité d'inventions réalisées par
d'autres, jusqu'à revendiquer le nombre record de
1093 brevets (alors que l'immense majorité de
ceux ci fut soit racheté pour un prix dérisoire,
soit allègrement pillé sur le dos de ses
collaborateurs et concurrents, tels Nicolas
Tesla, Alexander Graham Bell, Antonio Meucci,
Georges Méliès). À sa naissance, les applications
de l'électricité n'existaient pas, 84 ans plus
tard, elles éclairent le monde entier.
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Henri Poincaré (1854-1912) est larrière-petit-fil
s d'Étienne Geoffroy Saint-Hilaire, grand
zoologue et anatomiste de lépoque
révolutionnaire et napoléonienne (un des 1ers
théoriciens de lévolutionnisme, développé par
Charles Darwin en 1859). Issu dun milieu
relativement aisé et porté sur les travaux
scientifiques, il fut un brillant élève, obtint
le baccalauréat en 1871, entra 1er à l'École
polytechnique en 1873, puis à l'École des Mines
en octobre 1875  il est licencié de sciences le
2 aout 1876. Il obtient le 1er aout 1879 le
doctorat de mathématiques. Deux ans plus tard, il
obtient ses premiers résultats marquants en
mathématiques (sur les équations différentielles
linéaires à coefficients algébriques), et
rapidement, il s'intéresse à l'application de ses
connaissances mathématiques en physique et plus
particulièrement en mécanique. Nommé professeur
de mécanique physique et expérimentale le 16 mars
1885, il quitte celle-ci pour la chaire de
Physique mathématique en aout 1886 et en novembre
1896, il obtient la chaire d'Astronomie
mathématique et de mécanique céleste. Sa carrière
de professeur universitaire montre tout son
effort pour associer constamment mathématique et
physique cest là son apport essentiel, qui lui
permet dannoncer la théorie de la relativité, en
particulier 2 éléments essentiels la relativité
du temps et de lespace et léquivalence entre la
masse et lénergie, quil détaille dans son
ouvrage essentiel, La science et lhypothèse, en
1902. Alors la théorie de la relativité est-elle
lœuvre de Poincaré ? Il est un fait quEinstein
se réfère peu à ses travaux, quil connaissait
pourtant, et on le lui a reproché Mais il y a un
élément qui les distingue fondamentalement
Poincaré maintint lexistence de léther jusquà
sa mort, en 1912, tandis quEinstein rejeta
purement et simplement son existence En somme,
cest bien Einstein qui tira toutes les
conséquences de la relativité et ce dès 1905, à
travers les articles quil fait alors paraître.
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• Contre Newton, la relativité du temps et de
  lespace
• Poincaré est lun des premiers savant à remettre
  en question certains principes newtoniens sur le
  temps et lespace.
• Les travaux de Maxwell sur lélectromagnétisme
  sont ici décisifs pour comprendre le dilemme qui
  se
• pose à Poincaré. Ce dilemme est bien simple
• les équations de Maxwell ne sont pas conciliables
  avec les principes de Newton, que lon croyait
  absolument certains !
• Que faire, donc ? Poincaré répond quil est
  impossible de rendre manifeste le mouvement
  absolu de la matière par rapport à léther (qui
  est supposé absolu, cest-à-dire englobant tout,
  immobile et stationnaire) en bref, on ne peut
  pas calculer la vitesse absolue dun objet, dun
  corps ou dune onde (y compris la lumière) par
  rapport à léther. Au mieux, on peut calculer les
  vitesses relatives des objets les uns par rapport
  aux autres. Il le dit dans son ouvrage La science
  et lhypothèse, parue en 1902  il ny a pas
  despace absolu et nous ne concevons que des
  mouvements relatifs les uns par rapports aux
  autres et non par rapport à un référenciel absolu
  fixe, léther . Il analyse ensuite les
  principes qui fondent la physique et met dans sa
  liste  le principe de relativité, daprès lequel
  les lois des phénomènes physiques doivent être
  les mêmes soit pour un observateur fixe soit pour
  un observateur entraîné dans un mouvement, de
  sorte que nous navons aucun moyen de discerner
  si nous sommes ou non entraînés dans un pareil
  mouvement . Et il conclut  de tous ces
  résultats, sils sont confirmés, émergerait une
  mécanique entièrement nouvelle qui serait
  par-dessus tout caractérisée par le fait
  quaucune vitesse ne pourrait dépasser celle de
  la lumière . En somme il donne raison à Maxwell
  tout en corrigeant Newton (1) Mais il laisse à
  un autre le soin de faire émerger cette
   mécanique entièrement nouvelle 
• cet autre fut Albert Einstein
• On ne peut utiliser aucun référenciel fixe
  absolu, ni le temps ni lespace, afin de calculer
  une vitesse absolue par rapport à lui. Pourquoi ?
• Parce que même si léther est fixe, nous ne
  savons pas si nous sommes nous-mêmes fixes ou
  mobiles !

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E mc² ou léquivalence entre la masse et
lénergie Poincaré est le premier savant à avoir
évoqué (implicitement) léquivalence entre la
masse et lénergie. Cette idée est directement
liée aux travaux sur lélectromagnétisme, qui
intéressent Poincaré qui se demande, en bon
physicien mécaniste quil est, comment mesurer
limpact de lénergie électromagnétique. Il écrit
en 1900  Si un appareil après avoir produit de
lénergie électromagnétique la renvoie par
rayonnement dans une certaine direction, cet
appareil devra reculer comme recule un canon qui
a lancé un projectile. Il est facile dévaluer en
chiffre limportance de ce recul. Si lappareil a
une masse de 1 kg et sil a envoyé dans une
direction unique avec la vitesse de la lumière
3000000 de joules, soient 3000 watts, la vitesse
due au recul est de 1 cm par seconde. En dautres
termes si lénergie produite par une machine de
3000 watts est envoyé dans une seule direction,
il faudra pour maintenir la machine en place,
malgré le recul, une force si faible quelle ne
pourrait être décelée par lexpérience  (1). Son
texte indique que dès 1900, soit 5 ans avant
Einstein, Poincaré a trouvé, mais sans
lexpliquer ni en souligner limportance, la
fameuse formule E mc² ! Il termine son texte en
indiquant quon ne pourrait pas mettre en
évidence la force nécesaire pour maintenir en
place la machine car cette force est trop faible
(à cause du facteur gigantesque c²). Pourtant, un
nouveau phénomène vient dêtre découvert lorquil
écrit ces lignes, qui allait permettre de
vérifier, par lexpérience, la fameuse formule E
mc². Ce phénomène, cest la radioactivité. (
1) Appelon M la masse de lappareil (M 1 kg), v
sa vitesse de recul et E lénergie quil a envoyé
(E 3000 watts, soient 3000000 de joules, soit E
3MJ). Désignons par m la masse équivalente à
cette énergie et par c la vitesse de la lumière
(c 300000 km/s soient 3 x 108 m/s). La
conservation de la quantité dénergie de
mouvement sécrit Mv mc (ou v mc/M). En
utilisant la relation entre la masse et lénergie
(E mc²), ce que fait ici implicitement ici
Poincaré), on obtient v mc/M mc²/M² E/Mc).
En utilisant les valeurs numériques rappelées
plus haut, on trouve bien v 1 cm/s comme
annoncé par Poincaré !
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Cest en 1896 quAntoine Henri Becquerel découvre
la radioactivité, par accident en étudiant une
plaque photographique mise en contact avec les
sels duranium, il s'aperçoit qu'elle est
impressionnée même lorsque le matériau n'a pas
été soumis à la lumière du soleil  il en conclut
que le matériau émet son propre rayonnement sans
nécessiter une excitation par de la
lumière Cest la 1ère observation de la
radioactivité. Consciente de lampleur de la
découverte, une étudiante polonaise, Marie Curie,
choisit comme sujet de thèse l'étude de ce
nouveau type de rayonnement. Elle baptise cette
propriété  radioactivité  (avril 1898) en
juillet et décembre de la même année, elle
découvre avec son mari Pierre Curie 2 éléments
plus radioactifs encore que luranium le
polonium et le radium. Ensembles, ils assistent,
par hasard, à la 1ère constatation expérimentale
de léquivalence masse-énergie un soir, après
leur repas, Pierre et Marie retournent dans leur
laboratoire il fait nuit et quand ils entrent
dans le labo, sans en allumer la lumière, ils
constatent que le radium est spontanément
lumineux ! Pierre Curie se demande à quoi tient
ce rayonnement et sil faut en chercher la cause
dans les corps radioactifs eux-mêmes où à
lextérieur deux. De nombreuses expériences
suivront cette interrogation, jusquen 1932
(expérience de Cockcroft et Walton), mais cest
Einstein qui donne la réponse théorique au
phénomène il tient à la transformation
énergétique du radium (sous leffet de la
désintégration des noyaux instables du radium).
La formule E mc² lexplique théoriquement
 si un corps cède de lénergie (E) sous forme de
rayonnement, sa masse (m) diminue, en fonction de
la vitesse de la lumière, de E/c² () La masse
dun corps est une mesure de son contenu en
énergie si lénergie varie de E, la masse varie
dans le même sens de E/c² . Et il ajoute  Il
nest pas exclu que lon puisse réussir à
vérifier la théorie avec des corps dont le
contenu énergétique varie dans de grandes
proportions, par exemple les sels de radium 
Einstein a bien sûr ici en tête lobservation des
Curie, dont il devine quelle vient confirmer
expérimentalement sa théorie, la masse du radium
se convertissant en énergie (doù le rayonnement
spontané).
Pour une présentation biographique des carrières
de Pierre et Marie Curie, cliquez sur une des
images quittez ensuite la page internet pour
revenir au diaporama
15
Lexpérience de John Cockcroft et Ernest Walton
constitue la première vérification expérimentale
incontestable de léquation E mc². En 1932, ils
projetent des protons sur des atomes de lithium
et observent la production de paires de noyaux
dhélium. Ils viennent de réaliser la première
 transmutation  nucléaire les protons
parviennent, individuellement, à pénétrer dans
les noyaux de lithium (qui contiennent 3 protons
et 4 neutrons) et y sont capturés. Se forment
alors des noyaux constitués de 4 neutrons et de
4 protons cest-à-dire des noyaux de béryllium.
Instables, ceux-ci de divisent (ils fissionnent)
rapidement en 2 noyaux dhélium formés chacun de
2 neutrons et de 2 protons. Le bilan de chaque
chaque rencontre proton-lithium confirme la
formule dEinstein la somme de lénergie de
masse du noyau de lithium et de lénergie totale
du proton propulsé est égale aux énergie de masse
des deux noyaux dhélium. Cette expérience, qui
annonçait le développement de la fission
nucléaire par accélération de particule atomique
(et donc la bombe atomique), leur permis
dobtenir le prix noble de physique en 1951.
16
Isaac newton (1643-1727) est certainement le plus
important mathématicien des (débuts des)
Lumières, pour avoir établi la loi de la
gravitation universelle, en 1687. Elle sappuie
sur la double notion de temps absolu ( vrai et
mathématique, sans relation à rien dextérieur,
il coule uniformément ) et despace absolu
( sans relation aux choses extérieures, il
demeure toujours similaire et immobile ). Dans
ce cadre absolu, Newton pose le principe dune
interaction universelle à laquelle aucun corps ne
peut échapper la gravitation. Celle-ci semble
définitivement établie et permet des calculs
astronomiques qui ont validé les équations
newtonienne (notamment la prévision exacte, en
1682, du retour de la comète de Halley en
1758) Mais voilà que Maxwell met en évidence et
théorise une nouvelle forme dinteraction
universelle lélectromagnétisme, qui démontre
notamment que la lumière est une onde
électromagnétique comme un autre et qui se
déplace à une vitesse finie (300 000 km/s). Comme
telle il lui faut bien un support pour quelle se
propage. Ce support, pour Newton comme pour
Maxwell, cest léther, du moins le croit-on
depuis des siècles, substance matérielle imaginée
par Aristote mais qui a le défaut de rester
invisible (1). Newton fait de léther le milieu
dans lequel tous les phénomènes se déroulent,
dans le temps et dans lespace, en particulier
les mouvements que ses équations décrivent. Ces
mouvements mettent en jeu des vitesses et Newton
postule que celles-ci sont additives,
cest-à-dire quon peut les additionner ou les
soustraire. Exemple dans un train qui roule à
200 km/h, si un passager se déplace dans le sens
du train à la vitesse de 5 km/h, il aura par
rapport au sol une vitesse de 200 5 km/h soient
205 km/h. Et si une ampoule est fixée au plafond
du train, elle émet de la lumière qui se déplace
donc par rapport au sol à 300 000 km/s 200
km/h. Sauf que les lois de Maxwell établissent
ici une impossibilité, parce que la lumière se
déplace à une vitesse finie indépassable, que ce
soit par rapport au sol ou par rapport à léther
qui est le support de toute chose. Que faire ?
Abandonner la mécanique newtonienne dont
lefficacité est établie depuis 2 siècles ou bien
abandonner les équations de Maxwell ?
(1) La lumière a une nature ondulatoire similaire
aux vibrations qui apparaissent à la surface de
leau (les ronds dans leau) il y a bien ici un
support, leau pas deau, pas de ronds dans
leau. Maxwell aurait dit pas déther, pas
donde électromagnétique à se propager et donc
pas de lumière
17
Albert Einstein (1879-1955) est un jeune homme de
26 ans en 1905. (voyez ici sa biographie).Cette
année là il passe sa thèse de physique et publie
plusieurs articles dans la prestigieuse revue
allemande Annalen der Physik qui feront date dans
lhistoire de la discipline. 1905 constitue de
fait une année révolutionnaire dans lhistoire
des sciences et plus globalement dans celle de
lhumanité de façon caricaturale, on pourrait
dire que sans ces 4 articles dEinstein nous
ne connaitrions pas la bombe atomique, ni les
centrales nucléaires, ni les accéléra- teurs de
particules, ni le concept de Big Bang, ni la
physique quantique, les lasers, Ou limagerie
médicale par raisonnance magnétique (IRM)...
Quelles sont donc les découvertes du jeune
Einstein ?
Et doù vient quen 1905 il fait paraître coup
sur coup 4 articles révolutionnaires, alors même
quil est un inconnu dans le milieu de la
physique ? Inconnu ? Il a réussi a faire publier
un article en 1901 dans les Annalen der Physik,
suite à son diplôme de fin détude au
Polytechnicum de Zurich. Depuis, il travaille au
Bureau des brevets de Berne où il met en action
sa connaissance profonde des matériels
électriques (quil a découvert dans lentreprise
de son père), en débusquant les erreurs de
fonc- tionnement des brevets soumis au Bureau. Il
travaille 8 heures par jour Et dispose dun
temps libre important quil passe à
ingurgiter toute la littérature scientifique qui
lui tombe sous la main. Cest dans ce contexte
favorable quil propose à sa revue fétiche 4
articles, en mars, mai, juin et septembre 1905
10 ans plus tard, en 1915, il généralise sa
théorie de la relativité
18

• Heuristique en science, le terme sapplique à
  une méthode qui procède par approches successives
  en éliminant progressivement les alternatives et
  en ne conservant qu'une gamme restreinte de
  solutions tendant vers celle qui est optimale.

Mars 1905,  Sur un point de vue heuristique (1)
concernant la production et la transformation de
la lumière  Einstein sattaque de front à la
question de la lumière et sa propagation. Il
propose que lénergie de la lumière est véhiculée
par des quantas, en clair la lumière est
constituée de petits grains dénergie de la même
façon que lélectricité est constituée de petites
charges électriques invisibles (les électrons).
Ces quantas se déplacent par paquets, et non de
façon continue. Mais comment dire une chose
pareille alors que Maxwell a démontré que la
lumière est une onde électromagnétique ? Réponse
on en peut pas le dire et cest pourquoi
Einstein parle  dun point de vue heuristique .
En un mot son approche est prudente et utilitaire
il tente en fait dexpliquer une théorie
formulée par un savant allemand, Max Plack, qui
travaillait sur la question de la lumière depuis
une dizaine dannées. Celui-ci reste sceptique
vis-à-vis des propositions dEinstein toutes
les vérifications ultérieures montreront pourtant
la justesse de son idée la lumière est à la
fois ondulatoire et matérielle, cest-à-dire
composée de petits corps dénergie appelés des
quantas. Cest pour cet idée quEinstein a reçu
le prix Nobel de physique en 1921.
19

• Max Planck (1858-1947)
• Issu dune famille bourgeoise prussienne, Planck
  fait des études correctes mais sans plus, et
  choisit, non sans hésitation, de se lancer dans
  la physique. Il sintéresse, à partir de 1894 à
  la question du rayonnement du  corps noir .
  Quest-ce donc ?
• Nous savons tous que les corps chauffés émettent
  de la lumière cest le cas dune bougie, dun
  feu de cheminée, ou dune barre de métal qui
  rougit en chauffant. Il en va de même à
  lintérieure dune enceinte absolument fermée
  (il fait donc noir à lintérieur) dont les parois
  sont maintenues à une haute température. Dans ce
  cas, même dans le noir, lenceinte émet de la
  lumière cest le fameux rayonnement du corps
  noir. Doù vient ce rayonnement (1), comment le
  mesurer et surtout comment lévaluer à coup sûr,
  en fonction de la température ? Après 6 années de
  travail, Max Planck proposa deux idées
• lénergie transportée par le rayon lumineux
  lest par lintermédiaire dune entité nouvelle
  élementaire, le photon, que Planck nomme un
  quantum dénergie (au pluriel quantas)
• lénergie transportée par le rayonnement
  lumineux dun corps chauffé peut être évaluée par
  une loi dont le calcul intègre une valeur
  énergétique fixe, la constante h, qui est devenue
   la constante de Planck 
• Si ses calculs mènent Planck à cette théorie, ses
  propres conceptions sy refusent il veut se
  débarrasser de la constante et reste sceptique à
  légard des quantas dénergie, particules
  élémentaires (en 1900 lexistence de ces
  particules, y compris des atomes, est incertaine
  à cette date, Planck ne croit dailleurs pas à
  lexistence des atomes, la matière étant pour lui
  continue).

• Dont Planck rend compte à travers les lois de
  lélectrodynamique de Maxwell.

20

• Qui se rapporte ou qui est dû au mouvement.
• Einstein considère le déplacement des grains
  pendant un temps considéré et montre que le carré
  de ce déplacement (X²) pendant une durée t est
  proportionnel à cette durée (le terme X²/t est
  donc constant). Il montre ainsi que le mouvement
  brownien est un processus de diffusion des grains
  dans le liquide et relie le coefficient de
  diffusion D à la grandeur précédente (D ½
  X²/t). Il établit ensuite une relation entre le
  coefficient de diffusion (qui peut être déterminé
  apr lobservation en mesurant les valeurs de X et
  de t) et des grandeurs physiques suivantes la
  température T du liquide, la constante R des gaz,
  le nombre dAvogadro N, la viscosité ? du liquide
  et le rayon a des grains. Il établit la formule D
  (RT/N) x (1/6 pa ?). Cest cette formule qui a
  permis de déterminer le nombre dAvogadro
  cest-à-dire le nombre dentité dans une mole.

Mai 1905,  Sur le mouvement de particules en
suspension dans un fluide au repos impliqué par
la théorie cinétique (1) moléculaire de la
chaleur  Larticle de mars donne le ton
Einstein fait de la lumière une particule, ce qui
nest pas admis à une époque où lexistence même
des atomes est loin dêtre prouvée. Ici il se
propose détudier le mouvement dobjets très
petits en perpétuelle agitation dans un liquide.
Si lon arrive, dit-il, à observer ce mouvement
et à en décrire les lois, alors cela nous donnera
des informations essentielles sur les atomes. Et
cela montrera que le mouvement décrit en 1828 par
le biologiste britannique Robert Brown,
correspond à de lagitation moléculaire Einstein
parvient théoriquement à décrire le déplacement
moyen des particules en suspension (2) en 1908
le français Jean Perrin réalise des expériences
pour tester les prédictions dEinstein, qui
prouveront définitivement lexistence des atomes.
21
Jean Perrin (1870-1942) est né à Lille. A 21 ans
il est reçut à lEcole normale de Paris et à 26
ans met en évidence que les rayons cathodiques
sont constitués de corpuscules de charge
négative. Il obtient son doctorat de physique en
1897 et se passionne alors pour la théorie
atomique, qui, à cette époque, nest pas du tout
admise. Lidée datome remonte à lantiquité
grecque, mais elle a été relancée en 1808 par un
chimiste anglais, John Dalton, qui pense que la
matière est bien faite datomes et que les
réactions chimiques correspondent à des
réarrangements entre atomes et que les éléments
composés (molécules) sont constitués datomes de
différents éléments. Lidée est proprement
révolutionnaire mais mettra près dun siècle à
simposer (on a davantage tendance à croire que
la matière est continue et non fragmentée en
atomes). Cest Jean Perrin qui démontre
définitivement lexistence des atomes dès 1901
il définit latome comme un système solaire en
miniature avec des électrons négatifs tournant
autour dun noyau chargé positivement. Cette
description, trop en avance sur son temps, ne
trouve aucun échos hormis chez Einstein, dont
larticle de 1905 montre quon peut déterminer le
nombre de molécules par unité de volume (nombre
dAvogadro) en mesurant les distances que
parcourent les particules visibles le mouvement
brownien est pour lui lune des meilleurs preuves
directes de la réalité moléculaire et Jean Perrin
de jette sur les observations dEinstein pour en
montrer lexatitude par diverses expériences. De
fait il déclare en 1909 quil devient
impossible de nier la réalité objective des
molécules . Jean Perrin, en poursuivant son
travail a finalement déterminé par 13 méthodes
différentes la valeur du nombre dAvogadro,
prouvant définitivement la réalité des atomes. Il
publie son ouvrage fondamentale, Les atomes, en
1913, et obtient le prix Nobel de physique en
1926.
22
Robert Brown (1773-1858) En 1795, après des
études de médecine, Brown rejoint l'armée comme
chirurgien. Son régiment reste en Irlande pendant
plusieurs années, ce qui lui laisse le temps de
s'intéresser à la botanique, et il apprend
également l'allemand, langue dominante au niveau
scientifique à l'époque. Grâce à l'appui de
Joseph Banks, botaniste émérite, il participe, en
1801, au voyage d'exploration sur les côtes
australiennes conduit par Matthew Flinders à bord
de lH.M.S. Investigator. Son voyage sinscrit
dans les grandes expéditions de découvertes
initiées par les encyclopédistes et que Napoléon
Ier encouragea lors de son expédition militaire
en Egypte. Toujours est-il que Brown revient cinq
ans plus tard, apportant avec lui plus de quatre
mille espèces de plantes. Banks lui confie alors
la conservation de ses propres collections et de
sa bibliothèque personnelle. En 1810, il publie
Prodromus Florae Novae Hollandiae, qui décrit les
espèces rapportées d'Australie. En 1827, il
observe le pollen du Clarkia pulchella et
constate au microscope la présence de très
petites particules bougeant dans tous les sens.
Il renouvelle cette observation chez d'autres
plantes, croyant dans un premier temps la
manifestation d'une  fluide vital .
L'observation du même phénomène sur des
particules non-organiques le fait changer d'avis.
Il publie ses résultats en 1828 dans un ouvrage
essentiel A brief account of microscopical
observations on the particles contained in the
pollen of plants  and on the general existence
of active molecules in organic and inorganic
bodies . Il y décrit ce mouvement (qui est
depuis appelé le  mouvement brownien ) mais
avoue être incapable de lexpliquer
23
Juin 1905,  Sur lélectrodynamique des corps en
mouvement  On aura compris que les articles
précédents ne font que préparer des idées plus
fondamentales, qui nécessitent ces introductions
relatives à la lumière et aux atomes. Le 3e
article est de fait le plus élaboré Einstein
travaille dessus depuis des années mais le
rédigera de façon définitive en seulement 5 à 6
semaines. Il y réforme deux concepts de la
physique le temps et lespace. Larticle est
écrit à la manière dun brevet, avec un nombre
limité déquations Il est pourtant lun des plus
fameux de toute la physique du 20e siècle. Que
dit Einstein dans cet article ? Il y fonde une
nouvelle théorie des corps en mouvement selon 2
principes. Premièrement, les lois de la physique
ont la même forme quelque soit le référentiel
considéré. Deuxièmement la propagation de la
lumière est indépendante du mouvement de sa
source et elle est constante et indépassable. Or,
pour que les deux postulats coïncident il
faudrait justement quelle fluctue, notamment en
obéissant à la règle de laddition des vitesses.
Or ce nest pas le cas. Einstein en déduit donc
que cest un autre paramètre qui varie, et pour
lui ce paramètre, cest le temps ! Il donne un
exemple clair pour comprendre sa théorie  si,
aux points A et B dun repère se trouvent deux
horloges dont la marche est synchrone, et si on
déplace lhorloge A selon une vitesse V le long
dune ligne qui relie A à B, on constate quaprès
sont arrivée en B, les deux horloges ne sont plus
synchrones  ! On imagine le malaise de la
communauté scientifique à la lecture de larticle
! Seulement, toutes les tentatives expérimentales
conduites ultérieurement ont confirmé les propos
dEinstein
24
Septembre 1905,  Linertie dun coprs
dépend-elle de son énergie ?  Cet article
poursuit les précédents autour de la question de
la vitesse de la lumière. Ici, Einstein met en
évidence que si un corps libère de lénergie E,
sous forme de lumière (qui se déplace donc à la
vitesse de la lumière, c), alors sa masse, m,
diminue dune quantité E/c². Autrement dit,  il
ny a pas de distinction essentielle entre la
masse et lénergie  E mc² !
25
Le coup de génie la généralisation de la
relativité La relativité de 1905 est dite
restreinte parce quelle ne sapplique quaux
référenciels inertiels, cest-à-dire en mouvement
rectiligne à vitesse uniforme les uns par rapport
aux autres. Einstein se demande en 1907  sil
est pensable que le principe de la relativité
vaille également pour des systèmes qui sont en
accélération les uns par rapport aux autres  Le
problème est dune compléxité terrible et
Einstein va y travailler 10 ans darrache-pied.
En 1915, il lui donne une solution toute simple,
à travers la théorie de la relativité générale
imaginons un ascenseur uniformément accéléré
selon une accélération donnée (a). Cette
accélération est en fait équivalente à un
ascenseur au repos subissant une gravitation, g,
dune même intensité que a. En bref
laccélération est équivalente à la
gravitation. Partant de cette idée, il
reconsidère la théorie newtonienne de la
gravitation. Pour Newton, la gravitation est un
force dattraction ainsi, dans un espace à 3
dimensions (longueur, hauteur, profondeur), une
masse comme le soleil produit une force
dattraction qui incurve les trajectoires des
planètes. Dans la théorie dEinstein une planète
de subit aucune force elle est libre et se
déplace dun point à un autre selon le chemin le
plus court (ce chemin le plus court se nomme une
geodésique). Mais lespace dans lequel elle se
déplace na plus 3 mais 4 dimensions longueur,
hauteur, profondeur et temps. Lespace et le
temps ne sont donc plus dissociables la
trajectoire de la planète est donc une géodésique
de lespace-temps courbée par la masse du soleil.
Einstein en conclut que la gravitation nest pas
une force, mais la manifestation de la structure
de lespace-temps, courbée par la présence de
matière ou dénergie (cest la même chose E
mc²) en son sein. Conscient du caractère
extraordinaire de sa découverte, il écrit, en
1917  jai de nouveau commis quelque chose sur
la théorie de la gravitation qui me fait quelque
peu courir le risque de linternement à
lasile  Lui-même se trouve parfois dépassé par
les implications de sa découverte.
26
Einstein dépassé par ses propres théorie les
conséquences de la théorie de la relativité
générale pour la connaissance de lunivers Les
nouvelles équations dEinstein déterminent la
courbure de lespace en fonction de la densité de
matière. En clair matière (ou énergie)
courbure. Einstein comprend immédiatement que ces
équations peuvent permettre de décrire la forme
même de lUnivers il suffit de poser dun côté
des équations la masse approximative de lunivers
pour trouver, de lautre, sa géométrie ! Mais
comment connaître la masse de lunivers ? En
1915, lUnivers se limite à la Voie lactée (les
atronomes nont pas compris que les amas
détoiles quils visualisent dans leurs
télescopes constituent dautres galaxies) pour
connaître le poids de lunivers il suffit donc de
compter les étoiles. Problème la masse de ces
étoiles courbe évidemment lespace, le déforme
continuellement, provoquent du mouvement et ce
mouvement produit une extension de lUnivers. Or
Einstein est persuadé que lunivers est éternel,
fermé, sphérique et surtout stable ! Il invente
un force fictive, la  constante cosmologique ,
qui vient contrebalancer la force
gravitationnelle des étoiles. Sa solution est
fragile et Einstein sait que ses équations ont
ouvert la voie à un autre modèle, qui, développé
en 1917, 1922, 1927 et 1929, oblige Einstein à
finalement rendre les armes il abandonne son
idée dun Univers statique et reconnaît la
validité de lidée dun univers en extension
(dont lorigine est appelée Big-Bang en 1950) en
1932.
27
Einstein
Willem de Sitter (1872-1934) En 1917 lastronome
hollandais de Sitter montre, à partir de la
théorie de la relativité générale, que si
lunivers est vide, la matière qui sy rencontre
le met nécessairement en mouvement.
De Sitter
28
Alexandre Friedmann (1888-1925) En 1922, le russe
Alexandre Friedmann démontre mathématiquement que
la relativité générale implique de considérer
lunivers comme un espace qui se dilate ou se
contracte au cours du temps il est le premier à
envisager un moment initial à partir duquel
lUnivers a commencé à sétendre lidée de
Big-Bang trouve ici sa première formulation. A
cause de la fermeture de lURSS, suite à la
révolution bolchévique de 1917, Friedmann navait
eu connaissance de la théorie de la relativité
quen 1920. Il meurt dune pneumonie en 1925 et
ne parvint donc pas à pousser ses recherches
29
Georges Lemaitre (1894-1966) Né dans une bonne
famille belge, soldat durant la première guerre
mondiale, il se met à la physique après guerre,
soutient sa thèse en 1920 et écrit son premier
article en 1923 la même année il devient
prêtre. En 1927, il parvient aux mêmes
conclusions que Friedmann (mais sans connaître
les travaux du russe) et va plus loin il
parvient à calculer la vitesse de lextension de
lUnivers et propose lidée dun atome originel à
partir duquel lunivers sest constitué
! Einstein le félicite pour ses calculs, tout en
indiquant que ses idées lui paraissent  tout à
fait abominables  ! Pourant, les deux hommes se
rencontrèrent souvent et sestimaient
mutuellement.
30
Edwin Hubble (1889-1953) En 1929, lastronome
américain Ewin Hubble donne largument décisif
il montre que les amas détoiles que lon peut
observer au télescope sont dautres galaxies et
quelles séloignent toutes les unes des
autres. Pire, cette fuite généralisée suit une
règle bien précise plus les galaxies sont
éloignées de la notre, plus elles sen éloignent
rapidement ! Ses observations consolident lidée
dun univers en extension.
31
De la théorie de la relativité restreinte à la
théorie de la relativité générale, Albert
Einstein aura révolutionné la science. Issues des
travaux antérieurs du 19e siècle, favorisées par
le contexte de la Belle Epoque, ses propres
recherches auront, de la bombe atomique à la
théorie du Big-Bang, profondément bouleversé les
sciences tout au long du 20e siècle.