Comment Einstein a changé le monde

samedi 28 avril 2012
par  Jacques

N°10- COMMENT EINSTEIN A CHANGE LE MONDE

J.Cl.Boudenot - E.D.P Sciences - 02/05 - 187 pages - tout lecteur

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RÉSUMÉ : Survol très précis de la science d’aujourd’hui et des applications, autour des trois thèmes développés par Einstein lors de son « année admirable » : la relativité, les quanta, les conceptions atomiques, et son rêve d’une théorie unitaire.

MOTS CLÉ : relativité(s), quanta, atomes, unification(s).

L’AUTEUR : Jean Claude Boudenot ingénieur agrégé en physique, enseigne à l’ISEP, spécialiste en nanotechnologie au Thalès Research & Technology.

Les trois thèmes développés par Einstein lors de l’année 1905 (annus mirabilis) servent de fil conducteur à l’auteur pour à la fois mettre en valeur l’héritage du grand homme et faire un point très précis sur l’état actuel de cet héritage où « les deux domaines de la physique de l’infiniment petit et de la physique de l’infiniment grand s’enrichissent mutuellement ». Elles constituent ce que Claude Cohen-Tannoudji appelle dans la préface des «  ruptures épistémologiques et des remises en causes fondamentales » dont « l’immense fécondité » qui ouvrent de nouveaux horizons dans le domaine de la compréhension de l’univers et de l’unité de la science.

Une rapide et honnête biographie, agrémentée de nombreuses citations tirées des publications de 1986 (courrier M.Maric) et des Collected Papers of A.Einstein permet de retrouver ce voyageur solitaire passionnément curieux et «  motivé par un irrésistible désir de comprendre les secrets de la nature à l’exclusion de toute autre considération … Je veux savoir comment Dieu a crée le monde… ». Sont présentés dans ce premier chapitre les 6 articles proposés en 1905, année admirable plutôt que miraculeuse ! Rappelons que celui du 17/03 offre un « point de vue heuristique » sur la quantification des ondes de lumière. Ce n’est qu’en 1923 avec l’effet Compton et en 1926 avec Lewis que le photon acquérra ses lettres de noblesse. Les 3 autres (fin 04 et 11/05 complété fin 12/05) sur le dénombrement des atomes et sur leur mouvement (brownien) touchent à leur réalité. Le quatrième enfin (30/05), le plus célèbre, crée une mécanique relativement nouvelle.

Afin d’asseoir cette triple rupture avec le passé, abandon de l’espace et du temps absolu, abandon de la continuité et découverte de la dualité onde corpuscule, l’auteur retrace le cadre de pensée (paradigme) en cette fin de XIX° où l’héritage de Newton permet de tout interpréter ; enfin presque tout !

« Tout ce qui doit être pensé sur le sujet, l’a déjà été dans sa petite enfance. Pour ma part au contraire, je me suis développé si lentement, que je n’ai commencé à m’interroger sur l’espace-temps qu’à l’âge adulte. Par conséquent, j’ai creusé plus profondément le problème que ne l’aurait fait n’importe quel enfant ordinaire »

Dès 1899 (il a 20 ans !) il est sur l’affaire : rayonnement, électrodynamique des corps en mouvement, cinétique des gaz, mijotent dans la marmite « Olympia » créée pour « moquer nos sœurs bien assises », suite aux lectures passionnées d’autres géants et discussions avec Miléva ou l’ami Besso.

C’est par la relation d’équivalence masse-énergie, déduite par Einstein du principe de relativité et des équations de Maxwell, mais mise en lumière par Poincaré dès 1900 (à partir de la conservation de la quantité de mouvement : M.v=m.c), que l’auteur rentre dans le vif du sujet (ch.3). Elle est étendue à des processus mécaniques en 1906 et 1907 « sans pour autant prendre appui » sur le mémoire de Poincaré. Les applications sont à chercher dans le domaine nucléaire et médical (TEP) essentiellement. Elles sont aussi à l’origine de la découverte de l’antimatière (équation relativiste de l’électron quantique de Dirac) et de la matérialisation du rayonnement (équation manquante à réinsérer avec LaTeX : γ—>e+ + e-) (. On passe ensuite (ch.4) à l’étude de phénomènes traités par les méthodes statistiques et « prouvant autant que possible l’existence d’atomes de dimension précise et finie ». Il en résulte une cinétique moléculaire de la thermodynamique qui prolonge les travaux de Boltzmann et Gibbs et qui seront à leur tour perfectionnés et vérifiés expérimentalement par J.Perrin (1909) pour déterminer le nombre d’Avogadro-Ampère à partir de 13 méthodes différentes (1913). Un monde nanométrique s’ouvre avec ses pinces à atomes et son microscope à force atomique. Ce n’est qu’au chapitre 5 que l’auteur aborde la relativité dite restreinte destinée à rendre compatible la constance de la vitesse de la lumière et le principe de relativité. Les premiers signes relativistes sont évoqués dès 1741 avec Bradley et Clairaut (phénomène d’aberration de la lumière) et Fresnel (1818), puis bien sûr avec Michelson (1887), Lorentz (92)-Fitzgerald (89) et Poincaré (98) : la constance de c est proposée et des formalismes établis où temps et espace sont liés avec dilatation de l’un et contraction (réelle) de l’autre et où la masse augmente avec la vitesse. Le Lecteur, à l’appui de nombreuses citations historiques, jugera de lui-même des points de vue différents et des mérites de chacun. L’idée était dans l’air et il revient à Einstein de nous présenter ces modifications d’espace et de temps comme des effets de perspective dans l’espace-temps dont on aurait bien aimé voir évoquer la mathématisation de Minkowski (1908) avec les lignes d’univers si riche de conséquence. Est-ce la raison pour laquelle on reste un peu sur sa faim dans l’évocation du « paradoxe » des jumeaux de Langevin ? Il s’agissait ensuite d’établir l’équivalent des équations de Maxwell pour la gravitation. « L’idée heureuse » du principe d’équivalence résultant de l’identité de la masse inertielle et pesante, et le calcul tensoriel offrent à la théorie une « structure logiquement complète » vérifiable expérimentalement. Elle ouvre la voie à l’étude de l’univers dans son ensemble (cosmologie).

Avec les quanta (ch.7), dont l’aspect historique est remarquablement décrit, du rayonnement du corps noir (1900) suivi de l’effet photoélectrique (05) on arrive à la prédiction de l’émission stimulée, aux lasers lumineux (60), pulsés et à atomes (95). Les particules élémentaires contribuent efficacement à cette quête vers l’unification avec la quantification de deux autres interactions (faible et forte). Gravitation et théorie quantique cohabitent encore dans le modèle standard actuel (ch.8), mais de grandes potentialités se dégagent à l’horizon de la connaissance avec diverses théories élaborées (supercordes, géométries non commutatives, géométrie quantique) comprises par l’auteur comme le prolongement naturel des voies ouvertes par Einstein et les autres…

Ouvrage fort bien argumenté, agréable à parcourir et… qui s’ajoute, avec sa charge de couleur, aux quelques autres, dans le cadre de l’année mondiale de la physique.

Jacques cazenove



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