16 – Explosion d'intelligence 1

L'image ci-dessus représente les savants Maxwell, Thomson et Planck.

Avant de plonger vers le monde du tout petit, de l’extrêmement petit, je voudrais vous présenter quelques-unes des personnes qui ont fait la physique que nous utilisons aujourd'hui et grâce auxquelles nous comprenons le monde comme nous le comprenons et qui sont à l'origine de beaucoup d'outils que nous utilisons.

A la fin du 19ème siècle, toutes les sciences bougent. Les idées évoluent rapidement et les instruments également. De nombreux scientifiques mériteraient d'être cités. Le savant anglais Maxwell a unifié l'étude de l'électricité et du magnétisme en élaborant la théorie de l'électromagnétisme. L'électron a été découvert en 1897 par Thomson, mais beaucoup de scientifiques ne croient pas vraiment à l'existence de l'atome. Les physiciens savent que la lumière est une onde et beaucoup pensent que, comme toute onde, elle se déplace dans un milieu, l'éther. Par contre on sait que la vitesse de la lumière est la même quelle que soit sa direction. Le physicien allemand Max Planck introduit dans ses calculs l'idée que l'énergie est transmise par paquets, qu'on appellera des "quanta".

Beaucoup d'autres domaines évoluent également (mathématiques, chimie, médecine, radioactivité).

La toute fin du 19ème siècle et surtout le tout début du 20ème voient une véritable explosion d'intelligences supérieures.

 

Je vais vous parler de quelques-uns d'entre eux.

Tout d'abord le plus connu et le plus grand d'entre eux, celui qui va bouleverser notre compréhension du monde : Albert Einstein (1879, dans l'empire allemand – 1955, États-Unis) est un jeune physicien avec une très grande imagination. Il a un petit travail dans un bureau qui lui laisse du temps pour réfléchir.

Berne, Einstein passait sous cette horloge pour se rendre à son bureau des brevets

Aussi il s'attaque à des questions controversées, voire carrément rejetées. 1905 sera son "année merveilleuse" !

 

En mars 1905, à 26 ans, Einstein envoie un article qui sera publié en juin et qui explique l'effet photoélectrique. (pour en savoir plus sur l'effet photoélectrique voir la note 1 en bas de page).

Einstein va émettre l'hypothèse que la lumière, en plus d'être ondulatoire, est également corpusculaire. Elle est "quantifiée". La lumière est envoyée non pas de manière continue mais, à l'échelle microscopique, par petits paquets, des "quanta". Il y a des "grains" de lumière, qu'on appellera plus tard des photons.

Lettre de l'Académie de Berne à Einstein. Je ne résiste pas au plaisir de vous la traduire : "Votre travail pour le doctorat n'a pas été couronné de succès et en tant que tel vous n'êtes pas admissible au poste de professeur associé.
Alors que vous avez élaboré une théorie intéressante dans votre article publié dans les "Annalen der Physik", nous pensons que vos conclusions sur la nature de la lumière et la connexion fondamentale entre l'espace et le temps sont quelque peu radicales. Dans l'ensemble, nous trouvons que vos hypothèses sont plus artistiques que de la physique réelle."

Son explication est un bouleversement dans le monde la physique. Et il faudra attendre plus de 10 ans (en 1916) avant d'en avoir les preuves formelles. C'est un physicien qui voulait prouver qu'Einstein avait tort qui les apportera. Ceci vaudra à Einstein, en 1921, son seul prix Nobel.

Le champ d'application de l'effet photoélectrique est important, à commencer par les cellules qui couvrent les panneaux solaires, les cellules photoélectriques qui permettent aux portes automatiques de s'ouvrir, les cellules des appareils photo. L'électronique en découle, ainsi que les lasers que l'on retrouve dans énormément d'appareils : les CD, les DVD et de nombreux appareils médicaux.

Ce sera aussi la véritable base de la physique quantique.

 

En mai 1905, Einstein envoie deux articles (publiés en juillet) qui expliquent les mouvements browniens (voir la note 2) mal compris à l'époque et fournit une formule mathématique qui permet de prédire ces mouvements.

Être capable de calculer de tels mouvements et de les prédire !

Un physicien français, Jean Perrin, fera plusieurs expériences, à partir de 1908, qui prouveront la validité des calculs d'Einstein, et qui prouveront définitivement l'existence des atomes, idée qui était rejetée par de nombreux physiciens de l'époque.

Le champ d’application du mouvement brownien est vaste et inclut des modèles de mathématiques financières (par exemple la modélisation du prix des actions), est utile pour les circuits électriques et les perturbations aléatoires dans un grand nombre de systèmes physiques, biologiques ou économiques.

 

Fin juin 1905, Einstein envoie un nouvel article (publié en septembre), sur la relativité restreinte, qui règle les contradictions qu'il y avait entre la théorie de l'électromagnétisme et la mécanique de Newton.

Bien sûr ce n'est qu'une illustration ; pour s'en rendre compte il faut s'approcher de la vitesse de la lumière

Sur quoi cela a-t-il débouché comme application concrète ? Sur le GPS. En effet, comme les satellites qui nous indiquent la position ne sont pas sur Terre, comme nous (on dit qu'ils ne sont pas dans le même référentiel – voir la note 3), il est nécessaire de coordonner très précisément les horloges embarquées dans les satellites et les horloges au sol, car elles ne mesurent pas la durée de la même façon. Si elles n'étaient pas coordonnées très précisément, le GPS indiquerait une position fausse. C'est pourquoi un laboratoire américain (le GPS est américain) travaille jour et nuit à vérifier et corriger si besoin la coordination des horloges au sol et dans l'espace.

 

En novembre 1905, il publie encore un nouvel article avec une nouvelle formule, sûrement la plus connue de toutes : E = mc². Dit en langage ordinaire, cette formule signifie que l'énergie (E) et la masse (m) sont deux façons de voir la même chose, liée par la vitesse de la lumière (c). Cela débouchera sur le contrôle de l'énergie nucléaire.

 

Voilà ce qui s'appelle une année bien remplie pour un jeune homme de 26 ans à peine connu, et qui va bouleverser la physique. De plus il ne pouvait pas utiliser des instruments pour aboutir à ces résultats ! Alors comment a-t-il fait ? C'est simple, quand on s'appelle Einstein : on réfléchit.

Effectivement toutes ces découvertes découlent d'expériences … de pensée. Einstein suppose quelque chose et il en tire toutes les conclusions, aussi bien les incohérences que les seules possibilités, souvent sans calculs. Quelle imagination et quelle puissance de raisonnement cet Einstein !

Pourtant le jeune Einstein n'était pas un élève particulièrement brillant comme le montre son carnet.

Le carnet de notes du jeune Einstein

(source : http://www.maadigazette.com/albert-einstein/nggallery/page/2 )

Par exemple pour la relativité restreinte qui règle les contradictions entre la théorie de l'électromagnétisme et la gravité de Newton, Einstein réfléchit et se dit qu'en changeant un petit quelque chose, les deux théories pourraient s'accorder. Et il imagine ce petit quelque chose qui est - voir les dessins ci-dessous !

Représentation traditionnelle du passé - présent - futur

Représentation du passé - présent - futur selon Einstein

(Images tirées du livre de Carlo Rovelli, "Par delà le visible" (page 66))

Il fallait oser imaginer cela. Ne cherchez pas à comprendre, c'est ainsi et toutes les expériences depuis montrent que c'est réellement ainsi !

En fait cela exprime le fait que dans deux référentiels distincts, deux évènements ne sont pas simultanés (voir la note 3). Bien sûr à notre échelle cela n'est pas perceptible mais, par exemple, cette zone "étendue" si nous sommes sur Terre et un autre observateur est sur Mars, elle vaut déjà ¼ d'heure. Du fait que l'espace et le temps sont étroitement imbriqués, on ne peut pas réduire ce décalage. Dit autrement, on ne peut pas dire d'un évènement qui se produit ailleurs, qu'il se produit "précisément maintenant". Plus on est loin l'un de l'autre plus le décalage est important (d'après Carlo Rovelli, ouvrage cité).

Oui, je sais c'est difficile à imaginer, mais c'est pourtant ainsi. Et lorsque nous allons commencer à explorer le monde de l'infiniment petit vous allez découvrir des choses encore plus extraordinaires.

Parmi les choses courantes et pourtant extraordinaires, pensez à quelque chose que vous savez et que nous vivons tous. Par rapport à nous, les habitants de l'Afrique du sud vivent la tête en bas, ou alors c'est nous qui vivons la tête en bas par rapport à eux. On le vit quotidiennement, même si nous ne nous en rendons pas compte et cela ne nous choque pas …

 

En dehors de la physique, Einstein s'est également intéressé à beaucoup d'autres domaines dont la philosophie.

Après avoir énoncé le fait que la lumière est à la fois une onde et aussi une particule, il a fallu comprendre comment cela était possible et ce que cela impliquait. Ce sera le travail de nombreuses autres jeunes intelligences. Nous les verrons dans la prochaine note.

Pour le plaisir d'entendre ce génie, écoutez un extrait de l'une de ses conférences sur la relativité.

 

À très bientôt.

 

Allez lire le PS après la note 3. 

 

NOTE 1 : Cet effet dit qu'un métal correctement éclairé émet des électrons, ce qu'on peut visualiser en voyant les étincelles que cela produit. Ce sont en fait tous les phénomènes électriques qui sont provoqués par l'action de la lumière sur la matière. C'est une transformation de l'énergie lumineuse en énergie électrique. A l'époque d'Einstein on connaît bien cet effet mais on ne sait pas l'expliquer. On sait que la lumière est une onde (comme les vagues à la surface d'un lac). et les physiciens de l'époque pensent que c'est la nature ondulatoire de la lumière qui explique ce phénomène mais cela ne permet pas d'expliquer certaines observations.

Pour Einstein l'effet photoélectrique s'explique par la collision entre un grain de lumière et un électron et c'est l'énergie du grain de lumière qui permet d'extraire l'électron du métal. Il fournit une équation qui explique parfaitement le phénomène, et en particulier les cas où il ne se produit pas.

 

NOTE 2 : En 1827 le botaniste Robert Brown, a décrit très précisément le mouvement des petites particules qui se déplacent en zigzag, comme des poussières dans l'air ou un grain de pollen dans un liquide, qu'il a étudié au microscope, ce qu'on a appelé le mouvement brownien. Les grains de poussière bougent parce qu'ils sont heurtés par les molécules d'air.

Reprenant la description précise de ces mouvements et en effectuant des calculs à partir des déplacements de ces particules, Einstein explique le pourquoi de ces mouvements et fournit une formule mathématique qui permet de prédire ces mouvements.

 

NOTE 3 : La relativité restreinte émet comme première idée que pour définir un évènement, il faut d'abord définir son emplacement et son mouvement, ce qu'on appelle son "référentiel", qui n'est pas le même partout. La deuxième idée contenue dans cette théorie, c'est que la vitesse de la lumière est une vitesse absolue, indépassable, et ce quel que soit le référentiel. La conséquence de ces deux idées c'est que si dans un référentiel, deux évènements sont simultanés, dans un autre référentiel, ces deux évènements ne seront pas simultanés ! L'espace-temps est donc relatif. En outre cela lui permet de prédire la dilatation du temps et la contraction des longueurs.

Avec les horloges atomiques les plus précises, on arrive maintenant à constater un décalage entre une horloge au niveau du sol et une autre horloge placée quelques centimètres plus haut ! Bien sûr ce décalage est extrêmement modeste, de l'ordre du milliardième de seconde. C'est d'ailleurs pourquoi on ne s'en rend pas compte.

Par contre il manque quelque chose à la théorie de la relativité restreinte. Elle ne tient pas compte de la gravité. Pour cela, Einstein va mettre dix ans avant de réussir à mettre en équation la théorie de la relativité en incluant la gravité qu'il publiera en 1916. Ce sera la théorie de la relativité générale. Il n'y parviendra d'ailleurs que grâce à l'aide de grands mathématiciens (dont son ami Marcel Grossmann) car, de son propre aveu, lui-même n'était pas assez bon mathématicien … pour des calculs aussi complexes.

[Mon] « intuition dans le domaine des mathématiques n'était pas assez forte pour distinguer avec sûreté ce qui est essentiel et fondamental du reste. (…) Mon intérêt pour la connaissance de la nature était réellement plus fort ; et du temps de mes études, il ne m'était pas évident que l'accès à une connaissance plus approfondie des principes de la physique passe obligatoirement par les méthodes mathématiques les plus raffinées ». Albert Einstein, Documents autobiographiques.

 

PS : À la demande générale - enfin, bon, de l'un d'entre vous : voir le commentaire de la note précédente - afin de faire plaisir à mes chères lectrices et chers lecteurs, j'ai préparé un "récapitulatif" des 15 premières notes sous forme de fichiers.
Aussi je propose à qui est intéressé(e) de vous envoyer par mail l'ensemble des notes 1 à 15 sous forme de fichier soit au format "pdf" (lisibles par Acrobat Reader), soit au format "doc" (lisible par Microsoft Office Word ou Open Office, soit encore au format "odt" (lisible par Open Office ou Word), zippés (compressés en un seul fichier décompressable) ou non.
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