Albert Einstein / Rumèbe Gérard, Farge Marie, Rose A.J. – Revue du Palais de la Découverte, numéro spécial 18, mai 1980, 128 p. – ISSN 0180-3344

Avec la physique théorique moderne, relativiste, j'ai à peu près le même problème qu'avec les mathématiques : je ne peux pas me résigner à ce que ce domaine de la connaissance me reste impénétrable à jamais (d'ailleurs, la notion d'univers à la fois fini et illimité n'a jusqu'à présent pas présenté de difficulté pour moi). Je m'imaginais que c'étaient mes lacunes en maths qui obéraient mes possibilités de compréhension. Cette lecture m'a détrompé ; mathématiquement parlant, une formule comme l = l0 √ [1- (v2/c2)] ne présente pas de difficulté ; même mentalement, je peux donner différentes valeurs à v et je vois très bien les variations correspondantes de l.
Ce qui me manque, ce serait donc plutôt une familiarité poussée avec les phénomènes physiques (électromagnétisme, lumière, etc.) Dans une biographie de Newton (sur laquelle il faudra bien que je publie une note un jour), à la question ( en substance, je ne me souviens plus de la formulation exacte) « Comment avez-vous pu faire progresser ainsi les mathématiques ? » sa réponse avait été (en substance aussi) « J'y ai appliqué assidûment mon esprit ». Dans quelque domaine d'activité que ce soit, inutile d'espérer pouvoir se dispenser du temps indispensable à en acquérir un certain degré de maîtrise.
Ce numéro spécial de la Revue du Palais de la Découverte a été publié « dans la foulée » d'une exposition ouverte le 04 décembre 1979 au Palais de la Découverte pour le centième anniversaire de la naissance d'Albert Einstein. Après un bref avant-propos d'A.J. Rose, directeur et rédacteur en chef, une introduction rédigée par Gérard Rumèbe évoque les points à partir desquels la physique théorique va devoir être remise en question, à la charnière du XIXe et du XXe siècle : les atomes, les électrons, les quantas et la vitesse de la lumière. Suit une biographie d'Einstein préparée par Marie Farge : quinze double-pages dédiées chacune à une période plus ou moins longue de la vie d'Einstein, chacune illustrée d'une ou plusieurs photos en noir et blanc. Les fausses pages (pages paires, pages de gauche) sont réservées aux commentaires de Marie Farge, tandis que les belles pages (pages impaires, pages de droite) reçoivent des extraits de lettres adressées à Einstein ou envoyées par lui. Les deux parties suivantes, intitulées « La Relativité » et « La microphysique » sont de nouveau rédigées par Gérard Rumèbe.
Dans « La Relativité », après avoir indiqué que les dimensions (ou longueurs) et le temps ont été de longue date considérés comme invariants, il note que l'invariance des lois de la physique, elle, a été restreinte par Galilée aux observateurs en mouvement rectiligne et uniforme les uns par rapport aux autres (observateurs inertiaux). Il explique la genèse des expériences de Hoeck puis de Michelson, censées mettre en évidence une différence de vitesse entre un rayon lumineux émis dans la direction du mouvement de la Terre sur son orbite et un autre émis perpendiculairement à ce mouvement. Je dois avouer que, quelles que soient les descriptions que j'aie pu lire de l'expérience de Michelson, j'en viens toujours à considérer que le dispositif mis en place annule nécessairement cette différence. Les plus grands physiciens ayant trouvé cette expérience significative, j'ai peine à croire que l'ignorant que je suis puisse avoir raison contre eux (j'ai bien trouvé sur Internet un universitaire canadien qui lui aussi contestait l'interprétation de cette expérience, mais à partir de calculs que je n'ai pas pu suivre), mais d'où partir, sinon de ses représentations initiales, même fausses ?
Toujours est-il que c'est cette expérience qui amène Einstein à élaborer la Relativité restreinte et le conduit à postuler que « dans le vide, la vitesse de la lumière est une constante universelle indépendante des observateurs inertiaux choisis. » Gérard Rumèbe explique alors que cela implique une diminution apparente et réciproque des longueurs (dans le sens du déplacement mais pas perpendiculairement à ce déplacement) et un allongement apparent de la durée d'un phénomène entre observateurs en déplacement relatif. Il montre aussi que cela entraîne une modification de la formule de la loi de composition des vitesses donnant à la vitesse de la lumière le rôle d'une limite vers laquelle un mobile ne peut que tendre.
Gérard Rumèbe présente ensuite les transformations de Lorenz, par lesquelles espace et temps cessent d'être indépendants, et constituent une nouvelle grandeur invariante, l'intervalle d'espace-temps. Puis vient un développement sur les diagrammes d'espace-temps qui a dépassé mes capacités de compréhension au point que je ne puisse vraiment rien en dire. L'auteur expose ensuite diverses vérifications expérimentales de la cinématique relativiste (constance de la vitesse de la lumière, ralentissement des horloges, loi de composition des vitesses). Un exposé de dynamique relativiste montre ensuite en quoi l'équation relativiste de la quantité de mouvement d'un mobile implique que lorsque la vitesse du mobile approche celle de la lumière, sa masse tend vers l'infini, faisant de la vitesse de la lumière une limite indépassable et liant intrinsèquement masse et énergie (ce dernier point étant ce que le grand public connaît généralement de la Relativité : E = m.c2).
L'auteur présente alors la Relativité généralisée comme une démarche d'extension de la constance des lois physiques à des observateurs non-galiléens, c'est-à-dire en mouvement non rectiligne et uniforme. Cela implique de considérer l'espace-temps comme géométriquement non-euclidien (c'est impossible à se représenter visuellement) mais présentant une courbure. Avant Einstein, une identité avait déjà été constatée entre forces d'inerties (produites par un mouvement accéléré) et forces de gravitation (elles produisent l'une et l'autre des accélérations indépendantes de la masse des corps). On va donc pouvoir interpréter les mystérieuses forces de gravitation comme la manifestation de la géométrie courbe de l'espace-temps. Cette fois à cause de l'intervention d'entités mathématiques inconnues de moi (tenseur métrique, tenseur de courbure, tenseur d'énergie impulsion) je n'ai pas pu suivre un développement montrant que le rôle de la matière est de rendre l'univers non euclidien à son voisinage, alors que l'espace-temps vide peut être euclidien.
De nouveau, l'auteur présente des vérifications de la Relativité (générale cette fois) : l'avance du périhélie des planètes, la déviation des rayons lumineux par les champs de gravitation, le ralentissement des « horloges » (en fait spectres d'émission d'atomes d'étoiles naines blanches) par les champs de gravitation, expériences d'absorption résonnante à des altitudes différentes. Il note que les équations de la Relativité générale peuvent être résolues dans plusieurs modèles cosmologiques (ou types d'univers) et que « c'est essentiellement sur l'effet Hubble que reposent actuellement toutes les spéculations cosmologiques. » Cet effet (décalage vers le rouge du spectre lumineux des galaxies proportionnel à leur distance) est interprété comme un phénomène d'expansion de l'univers. L'auteur finit cette partie en évoquant le rêve d'unification des lois de la gravitation et de celles de l'électromagnétisme qui a été celui d'Einstein, et les tentatives dans ce sens d'autres physiciens.
Dans la quatrième partie, intitulée « La microphysique », l'auteur rappelle ce qu'est le mouvement brownien ; c'est Einstein qui parviendra à établir la formule du carré moyen du déplacement de grains en suspension dans l'eau, formule qui sera vérifiée expérimentalement par Jean Perrin.
Planck parvient à justifier les observations sur le rayonnement du corps noir en admettant que l'énergie des atomes ne peut s'accroître que par quantités finies, les quantas. Einstein va montrer que cette théorie fournit des éléments d'interprétation à des phénomènes inexpliqués comme la diminution des chaleurs spécifiques (théoriquement constantes) des corps au fur et à mesure que leur température approche du zéro absolu.
L'étude des fluctuations dans le rayonnement du corps noir amène Einstein à découvrir le dualisme ondes-corpuscules de la lumière (corpuscules auxquels Lewis donnera le nom de photons en 1926), ouvrant la voie à l'explication de certaines particularités de l'effet photo-électrique qui restaient mystérieuses.
Niels Bohr avait élaboré un modèle d'atome où les électrons ne peuvent orbiter autour du noyau que selon certaines orbites dont le rayon est un facteur entier de la constante de Planck. Einstein réinterprète ce modèle d'atome dans le cadre des travaux d'Hamilton-Jacobi et y retrouve les orbites de Niels Bohr et leur quantification. D'après l'auteur, cela portait en germe la découverte de la mécanique ondulatoire, mais Einstein ne franchira pas le pas et elle sera élaborée par Louis de Broglie.
A l'absorption lumineuse et à l'émission spontanée, Einstein est conduit à adjoindre l'émission stimulée, à la fois satisfaisante sur le plan logique, et dont l'introduction seule explique le rayonnement du corps noir. Il découvrira même théoriquement l'amplification lumineuse (mécanisme du laser).
Pour passer de l'échelle des mouvements individuels des atomes ou des molécules au comportement global qui en résulte, le physicien doit avoir recours à la statistique. La statistique de Maxwell-Boltzmann est appropriée aux températures ambiantes ou élevées, mais aux basses températures il faut recourir à la statistique d'Einstein-Bose et, si on suppose de plus que les particules obéissent au principe d'exclusion de Pauli (je ne connais pas), il faut utiliser la statistique de Fermi-Dirac.
L'auteur expose les différences de vues entraînées par la mécanique ondulatoire (le dualisme onde-corpuscule) en particulier lors du cinquième congrès Solvay, en 1927. Puis il finit sur le paradoxe d'Einstein, Podolski et Rosen (les chats noir et blanc expédiés de Paris à New York et Tokyo). Malheureusement, ma méconnaissance de ce qu'est le spin de l'électron ne me permet pas de cerner le problème.

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