Sciences physiques

Nous avons vu comment la « Belle Époque » a inauguré une révolution sans précédent dans la physique, avec Röntgen, Becquerel, les Curie etc.

Avec Einstein, Planck et d'autres savants moins connus mais dont la contribution fut majeure, le XXe siècle découvre que la lumière a la même vitesse en permanence et en tout lieu - c'est le fondement de la théorie de la relativité - et qu'il existe une physique, nommée plus tard « quantique », dont les lois sont radicalement différentes de celles qui prévalent dans la réalité commune.

Bienvenue dans le XXe siècle !

Entre mars et septembre 1905, la revue allemande Annalen der Physik publie cinq articles d'un jeune homme dénommé Albert Einstein, né vingt-cinq ans plus tôt à Ulm et qui n'a même pas encore son doctorat !

Le cinquième et dernier de ces articles évoque une mystérieuse théorie de la relativité. Il résout une énigme qui tourmente les physiciens de divers pays depuis près d’un siècle. Elle concerne la lumière émise par le Soleil : elle a par rapport au Soleil une vitesse donnée.

Mais par rapport à un observateur situé sur la Terre, elle-même en mouvement par rapport au Soleil, elle devrait normalement avoir une vitesse variable...

Or, les lois de réfraction et de propagation de la lumière sont les mêmes que si la Terre était immobile par rapport au Soleil !

En 1887, une très belle expérience des Américains Albert Michelson et Edward Morley démontre que la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions, qu’elles soient parallèles, opposées ou perpendiculaires à la vitesse de la terre.

En 1905, Einstein tire de ce résultat la nécessaire conclusion : la vitesse de la lumière dans le vide est la même par rapport à n’importe quel objet matériel. C’est le « postulat de relativité », selon les termes d’Henri Poincaré.

La relativité restreinte heurte le bon sens commun. Dès 1898, Henri Poincaré en a eu l'intuition et en 1904, le Néerlandais Hendrik A. Lorentz en a donné la théorie.

L'idée était déjà dans l’air mais c’est bien Einstein qui, à juste titre, est considéré comme l’inventeur de la relativité restreinte. En effet, il en donne une formulation claire et rigoureuse, avec des postulats bien posés et des déductions impeccables.

Et tandis que la théorie de Lorentz ne pouvait s'appliquer qu'à des déplacements relatifs uniformes, Einstein va conduire à sa généralisation : « La masse d’un corps est une mesure de son énergie ; si l’énergie varie de ΔE, alors la masse varie de ΔE/(9.10²⁰), si l’énergie est mesurée en ergs et la masse en grammes. Il n’est pas exclu que, dans des corps dont l’énergie peut varier considérablement (par exemple dans les sels de radium) on puisse vérifier la théorie » (Annalen der Physik, 18, 639). En résumé, E=mc², c étant la vitesse de la lumière, 3 10¹⁰ cm/sec !

Une autre manifestation de l’art qu’avait Einstein de généraliser les découvertes se situe en 1906.

À partir d’un résultat obtenu en 1900 par Max Planck concernant l’émission de lumière par les corps chauffés, il en tire des conséquences bien plus générales et devient ainsi un cofondateur de la physique quantique (étude des phénomènes à l'échelle atomique et subatomique).

Une des questions qui passionnent les physiciens de l’époque est l’émission du corps noir. Un corps noir est un corps qui absorbe toutes les radiations. Quand on le chauffe, il devient rouge sombre, puis rouge vif et même blanc. Ainsi, le soleil est approximativement un corps noir dont la température de surface est de 5500°C (5773 K). Comment expliquer ses changements de couleur successifs ? De ce problème particulier est né l’un des plus formidables développements de la science.

À la fin du XIXe siècle, beaucoup de physiciens hésitent encore à parler d’atomes. Certains les regardent comme des hypothèses appartenant à l’époque « métaphysique » de la science.

En 1894, Max Planck, professeur à l’université de Berlin, s’intéresse au rayonnement du corps noir.

Se pliant à l'opinion dominante, il fait de la thermodynamique tout en évitant dans un premier temps de parler d’atomes et de mécanismes microscopiques. Mais, en 1900, il sort de son silence prudent. Par une formule audacieuse qui suppose que l’énergie émise à une certaine fréquence est un multiple entier d’une certaine quantité ou « quantum », il rapproche les domaines microscopique et macroscopique.

C'est la naissance de la mécanique quantique !

Le sens physique profond de sa formule en sera donné par Albert Einstein dans un de ses articles de 1905 sur l’effet photoélectrique (arrachage d’un électron par irradiation), à savoir que la radiation (lumière) est absorbée non pas de manière continue mais par paquets d’énergie nommés plus tard photons.

En 1909, Einstein évoque la dualité de la lumière qui est à la fois particule, comme l’avait suggéré Newton, et onde, comme l’avait démontré Huygens.

Depuis lors, la physique quantique est devenue un corpus de doctrine cohérent mais terriblement contre-intuitif. Elle est à la base de nombreuses applications qui ont changé nos vies (laser, transistor, électronique, nanotechnologies…).

Les recherches parallèles sur le mouvement brownien sont une autre manifestation de la révolution scientifique de la « Belle Époque ». Elles aussi portent la marque du génie d'Ulm, Albert Einstein.

Dans le troisième de ses cinq articles de 1905, il s'est penché sur un sujet en apparence décorrélé des autres : le mouvement désordonné de particules en suspension, observé dès le XVIIIe siècle.

Il porte le nom d’un botaniste écossais, Richard Brown (1773-1854). Il a observé au microscope le mouvement de particules contenues dans les grains de pollen et montré en 1828 qu’il ne s’agissait pas de petites bêtes comme certains le pensaient, mais d’un phénomène physique.

Le jeune Einstein, qui est sans poste d’août 1900 à mai 1901, commence une thèse sur les forces moléculaires dans les gaz et montre comment il est possible de déterminer la taille d'une molécule, et donc le nombre d’Avogadro. Pour ce faire, il établit la théorie du mouvement brownien.

C'est ainsi qu'à la fin de cette décennie prodigieuse sont posées les fondations de la physique moderne. Mais la construction de l’édifice prendra près d'un siècle... comme les cathédrales du Moyen Âge.