Overblog Suivre ce blog
Editer la page Administration Créer mon blog

Albert Einstein génie insoumis

Publié par Daniel Sario

Albert Einstein génie insoumis
Tardif dans le langage, inadapté aux règles de l’école, recalé à l’examen d’entrée à polytechnique... Qui aurait pu prédire que l’employé au bureau des brevets de berne allait révolutionner la science et la manière de la concevoir ? Au-delà de cette fracassante entrée, propre à forger le mythe du génie, c’est le rapport étroit entre sa vie et les grands événements de son temps – le nazisme, la seconde guerre mondiale et la bombe atomique notamment – mais aussi la personnalité singulière d’un homme pour lequel rien n’était gagné au départ qui ont contribué à construire la légende Einstein. Légende que sa révolte et ses combats pour le pacifisme et contre le capitalisme n’ont jamais démenti. Par Marc Lachieze-Rey

Depuis près d’un siècle, Albert Einstein est devenu le prototype du génie scientifique. Il est surtout admiré pour avoir élaboré, presque à lui seul, deux théories parmi les plus originales, et fondamentales, du XX e siècle: la relativité restreinte en 1905 et la relativité générale en 1915, dont nous célébrons cette année le centenaire. Mais il est aussi un des initiateurs de la physique quantique. Théories relativistes d’un côté et physique quantique de l’autre constituent encore aujourd’hui les bases de notre physique actuelle. En même temps, ce sont davantage que des théories: elles représentent chacune un véritable corpus de pensée qui nous oblige à modifier profondément notre vision du monde; à remettre en cause certaines notions des plus fondamentales: nature et réalité du temps et de l’espace, causalité, cosmologie, constitution de la matière et des objets physiques ... D’ailleurs, nombre de ces questions occupent, encore aujourd’hui, physiciens et philosophes (1). Mais ces théories ont aussi entraîné une pléiade de découvertes et d’applications concrètes, qui n’est pas encore terminée.

Anticonformisme. Ainsi Einstein a non seulement initié une nouvelle physique – et même d’une certaine manière plusieurs nouvelles physiques – mais il a bouleversé les conceptions établies du monde, du temps, de l’espace, de la matière: une révolution d’une ampleur sans doute unique dans l’histoire de la physique, et même sans doute des idées, qui fait de lui l’un des plus grands scientifiques de tous les temps.
Ses premières années (il est né à Ulm, en Allemagne, en 1879) ne révèlent rien de remarquable. Il rencontre même quelques difficultés dans sa scolarité, surtout à cause de son rejet de l’autorité imposée, une attitude qu’il conservera toute sa vie. Il s’intéresse cependant à la science et aux mathématiques, où ses bons résultats lui ouvriront finalement les portes de l’École polytechnique de Zurich, à l’âge de 17 ans. Il obtient son diplôme en 1900 sans grande gloire (son anticonformisme lui vaut encore des reproches), puis il approfondit ses connaissances en autodidacte. L’université ne lui offrant pas de poste, il finit par devenir, en 1902, « expert technique de troisième classe » à l’Institut fédéral de la propriété intellectuelle, à Berne. Son travail consiste à évaluer les demandes de brevets. Certains de leurs aspects techniques l’intéressent et, peut-être, l’inspirent. Il continue en tout cas ses recherches en vue d’un doctorat. Profitant de son temps libre, il étudie les œuvres de grands physiciens et philosophes; il en discute avec ses amis.
Tout ceci constitue le prélude à son « année miraculeuse». En 1905, Einstein est un parfait inconnu qui n’a pas encore obtenu son doctorat. Totalement en dehors des circuits de la recherche institutionnelle, il publie pourtant cinq articles d’une importance extrême. Un article sur l’effet photoélectrique est considéré comme un des fondements de la physique quantique. Il sera couronné par le prix Nobel de physique en 1921. Un autre article sur le mouvement brownien présente un argument décisif en faveur de la conception atomiste (2), qui vient clore un débat durant depuis plusieurs décennies.

Mais, surtout, deux articles fondent sa théorie de la relativité restreinte (que la relativité générale viendra compléter 10 ans plus tard). Cette théorie, où l’on découvre la célèbre équation E = mc ², vient résoudre une crise aiguë qui tourmentait les physiciens depuis plusieurs décennies: l’invariance absolue de la vitesse de la lumière (dans le vide) apparaissait en contradiction avec les lois du mouvement telles que les avaient énoncées Galilée et Newton au XVII e, qui s’appliquaient pourtant de manière parfaite à la matière. Le mérite d’Einstein fut de comprendre que cette « crise de la lumière » qui tourmentait tant les physiciens exigeait une refonte totale des notions les plus fondamentales de la physique.
La nouvelle théorie peut se résumer comme l’abandon des notions d’espace et de temps, puis leur remplacement par celle d’espace-temps. Il est important de comprendre que la disparition du temps n’est pas une affirmation gratuite de la nouvelle théorie, mais un fait d’observation et d’expérience. Le mérite d’Einstein consiste à avoir véritablement compris l’incompatibilité de la notion de temps avec le monde physique; et d’avoir proposé une théorie physique qui la prenne en compte. Par la suite, les contributions des mathématiciens allemand Hermann Minkowski (ancien professeur d’Einstein) et français Henri Poincaré introduiront la notion nouvelle d’espacetemps qui donnera à la théorie sa forme définitive. Ainsi décrite, cette dernière se révèle d’une cohérence et d’une concision remarquables ; bien supérieures à celle de l’ancienne physique newtonienne. Les premières années d’einstein ne révèlent rien de remarquable. Il rencontre même des difficultés scolaires à cause de son rejet de l’autorité imposée, attitude qu’il conservera toute sa vie.

Comment Einstein, parfait inconnu, en dehors du système, peut-il asséner trois contributions aussi fracassantes et fondamentales ? Il le déclare lui-même : en premier lieu, en ne cessant jamais de penser à ces questions ; et en imaginant des situations extrêmes – des expériences de pensée – mettant en jeu des rayons lumineux, des échanges de signaux, des mouvements dans des situations très spécifiques… Sans doute ses expériences de jeunesse, où son environnement familial l’a confronté à des problèmes techniques bien particuliers, et son examen des dispositifs proposés dans les brevets qui passaient sous ses yeux lui ont conféré ce mode de pensée, le conduisant à imaginer des situations concrètes mais extrêmes. On peut également penser que son caractère rebelle à l’autorité lui a permis de sortir du cadre de la physique établie. Historiens et philosophes n’ont pas manqué de se pencher sur ces singularités. Toujours est-il que la relativité restreinte est une véritable révolution. Depuis 1905, elle n’a jamais été mise en échec. Au contraire, son champ d’application s’est considérablement élargi : accélérateurs de particules, rayons cosmiques, navigation ou télécommunications spatiales, astronomie… et autres expériences de précision… nous confrontent quotidiennement à des phénomènes relativistes (impliquant des vitesses proches de celle de la lumière). La théorie, pourtant élaborée bien avant leur découverte, en rend parfaitement compte. Malgré ses succès remarquables, elle déroute encore souvent car certains des phénomènes relativistes qu’elle permet de décrire contredisent notre intuition. Il faut cependant comprendre que ce ne sont ni les phénomènes en question ni la théorie qui génèrent incohérences et contradictions ; mais seulement les tentatives de les décrire avec la notion de temps qui, bien qu’elle nous soit si familière, est inapplicable dans ce contexte (3).

La portée de ces contributions ne sera reconnue que plus tard. En attendant, Einstein doit attendre l’année 1908 pour enfin obtenir un poste à l’université de Berne. Il enseigne, donne de nombreuses conférences. Alors que sa notoriété s’établit dans la communauté scientifique, il continue à travailler avec acharnement à élargir sa théorie de la relativité restreinte, qu’il considère incomplète car elle ne prend pas en compte la gravitation. Il aboutit, à la fin de l’année 1915, à sa nouvelle théorie, la relativité générale, encore plus révolutionnaire. Publiée en 1916, elle confère à Einstein une gloire mondiale, affermie par une spectaculaire confirmation expérimentale le 29 mai 1919, lors d’une éclipse totale de Soleil. Il est désormais professeur à l’université de Berlin, la plus prestigieuse institution scientifique de l’époque. Son génie scientifique et le caractère extrêmement déroutant de sa nouvelle théorie impressionnent. Son esprit rebelle, son côté photogénique, ses boutades… séduisent. C’est un homme recherché et aimé de la presse et du public.
La genèse de la relativité générale résulte d’une insatisfaction d’Einstein (en fait, celle de nombreux physiciens) : il n’a jamais cessé de penser – et toujours d’une manière très originale – à certains problèmes conceptuels qui sous-tendent la physique depuis Newton. Ils concernent essentiellement la gravitation ; et aussi les notions d’espace absolu (4) et d’influence à distance (comment le Soleil peut-il in- fluencer le mouvement de la Terre sans aucun contact entre les deux astres ?) qui l’accompagnent. Il cherche une extension de sa théorie qui, tout en en conservant les acquis, puisse résoudre ces problèmes. Il entrevoit petit à petit la solution, mais se rend compte qu’elle exige des mathématiques nouvelles, dont il n’a pas la maîtrise. Quelques coups de main de ses amis mathématiciens lui permettront de formuler sa relativité générale en 1915, qui apporte une résolution naturelle et élégante de ces problèmes.

C’est un coup de maître. L’espace-temps reste le cadre de tous les phénomènes physiques. Mais l’usage d’une nouvelle géométrie (5) permet de lui associer une « forme », exprimée mathématiquement par une courbure (6). La théorie se ré résume alors à deux déclarations. 1) La loi fondamentale de la théorie, l’équation d’Einstein, exprime comment le contenu de l’Univers – matière, rayonnements, énergie – détermine la forme de l’espacetemps, en engendrant sa courbure. 2) Tous les corps physiques (matière, lumière, rayonnements) ne font rien d’autre que de suivre cette forme, comme un train suit des rails. « La matière indique à l’espace- temps comment il doit se courber ; l’espace-temps indique à la matière comment elle doit se comporter. » À elle seule, cette double prescription rend parfaitement compte, de manière simple et concise, de la mécanique, de l’optique, de la gravitation! même si les calculs impliqués présentent souvent des difficultés non négligeables.
C’est ici, en observant la circulation auto autour de l’horloge astronomique de Berne, en Suisse, qu’Einstein aurait eu l’idée de sa théorie de la relativité en se demandant ce qu’il adviendrait des voitures si elles se déplaçaient à la vitesse de la lumière... La pertinence de la relativité générale est reconnue dès 1919. Mais elle apparaît comme une théorie ardue, apparemment dépourvue d’applications concrètes (celles-ci apparaîtront pleinement à partir des années 1960). L’intérêt des physiciens se tourne plutôt vers la physique quantique, alors en pleine construction.

Très différente de la relativité générale (7), cette théorie traite des interactions entre la matière et les rayonnements, essentiellement dans le domaine de l’infiniment petit. Einstein n’en fournira pas le cadre définitif: ce dernier sera établi graduellement dans les décennies suivantes, par une pléthore de physiciens. Mais son article de 1905 est considéré comme fondateur de cette nouvelle discipline: il y montre de manière claire et convaincante que les échanges d’énergie entre matière et rayonnement se font par paquets: les quanta de lumière (8). En découle la nécessité absolue d’un cadre nouveau pour la physique. Par la suite, Einstein ne participera guère au développement proprement dit de la nouvelle théorie mais le suivra cependant de très près. Il sera l’un des plus actifs, et des plus écoutés, participant aux débats passionnés que suscite son interprétation. Ces débats restent toujours très actuels en ce XXI e siècle et, que l’on soit ou non de l’avis d’Einstein, ses positions constituent une référence.

En 1917, Einstein applique sa relativité générale à l’étude de l’Univers dans son ensemble. Il fonde ainsi la cosmologie relativiste, à laquelle il ne contribuera plus guère par la suite. Le flambeau de la discipline sera repris, après la découverte de l’expansion cosmique dans les années 1920, par le physicien belge Georges Lemaître, puis par bien d’autres. Ceci aboutira à la mise en œuvre de nos modèles de big bang et à la cosmologie observationnelle actuelle, dont Einstein et ses contemporains n’auraient jamais pu imaginer la grande précision.
Par la suite, Einstein n’apportera plus de contribution aussi fracassante. Il participe aux débats autour de la physique quantique. Il se consacre essentiellement à la recherche d’une théorie unitaire qui pourrait décrire de manière unifiée l’ensemble de la physique. Il n’y réussit pas mais cette recherche constitue l’activité première de la physique théorique depuis cette époque, et encore très activement aujourd’hui. Là encore, les travaux d’Einstein constituent une référence.
En 1917, Einstein fonde la cosmologie relativiste, qui aboutira à la mise en œuvre de nos modèles de big bang et à la cosmologie actuelle, dont il n’aurait jamais pu imaginer la grande précision.

En 1932, peu de temps avant l’arrivée d’Hitler au pouvoir, il quitte l’Allemagne pour s’installer aux États-Unis où il devient professeur à Princeton. C’est une célébrité et il met sa notoriété au service du pacifisme et de l’antinazisme. En août 1939, dans une lettre au président Franklin Roosevelt, il exprime la crainte que l’Allemagne nazie puisse construire une bombe atomique. Cela contribuera à lancer le « projet Manhattan », qui développera les armes nucléaires américaines. En 1945, il priera Roosevelt de renoncer à cette arme. Ce sera cette fois
un échec et il se consacrera par la suite à militer pour un désarmement atomique mondial, jusqu’à sa mort (à Princeton en 1955) d’une rupture d’anévrisme.
Ses contributions révolutionnaires de 1905, celle encore plus extraordinaire de 1915; sa participation à la fondation de la physique quantique, et de la cosmologie relativiste, font sans aucun doute d’Einstein un acteur hors pair dans l’histoire des sciences. Sa manière de penser originale, orientée vers la philosophie et guidée par l’imagination; son audace intellectuelle; son esprit d’indépendance, son non-conformisme, son allergie à tout autoritarisme, son pacifisme ... en font en même temps une figure originale et emblématique. Un héros de la science et de l’humanisme!

Notes :

  • (1) Voir « Au-delà de l’espace et du temps: la nouvelle physique».
  • (2) Cette dernière déclare que la matière est composée d’entités microscopiques que
  • l’on qualifiera d’atomes. Leur nature sera élucidée quelques décennies plus tard: ils sont eux-mêmes composés de particules élémentaires.
  • (3) Voir « Voyager dans le temps: la physique moderne et la temporalité».
  • (4) Physiciens et philosophes ont longuement débattu à ce propos; en particulier Emmanuel Kant et Ernst Mach. Einstein les a lus tous deux.
  • (5) La géométrie riemannienne, que les mathématiciens avaient inventée quelques décennies plus tôt, et que Einstein a ingurgitée avec peine.
  • (6) Tout comme la forme d’une surface (à deux dimensions) est exprimée mathématiquement par une courbure, qui permet de distinguer un plan d’une sphère ou d’un drap froissé.
  • (7) Voir « Au-delà de l’espace et du temps: la nouvelle physique».
  • (8) En 1900, Max Planck avait déjà suggéré une première amorce de la vision quantique mais le phénomène restait totalement incompris.