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1873-Intro Poincaré Faraday Edison Perrin Planck Ampère Hubble Newton Brown Barlow Friedmann Curie Franklin Walton Einstein Ørsted Becquerel De Sitter.

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1 1873-Intro Poincaré Faraday Edison Perrin Planck Ampère Hubble Newton Brown Barlow Friedmann Curie Franklin Walton Einstein Ørsted Becquerel De Sitter Cockroft Lemaitre Maxwell Conclusion Einstein et la Théorie de la relativité : les découvertes scientifique s à la Belle- Epoque

2 Les formidables avancées scientifiques opérées à la Belle Epoque, et dans les années qui suivent, suite aux travaux dAlbert Einstein, sont largement déterminées par des recherches sur lélectricité et le magnétisme. Le savant le plus important à cet égard est un écossais : James Clerk Maxwell… James Clerk Maxwell Mode demploi : vous pouvez naviguer à votre guise dans le diaporama, qui donne aussi quelques liens vers des sites internet (placez la souris sur les images : des légendes y sont ponctuellement insérées et renvoient vers ces sites). Par commodité, deux icones vous permettent de naviguer dans le document : renvoi vers la page daccueil (date et noms des savants) renvoi vers la diapositive précédemment visitée

3 James Clerk Maxwell ( ) est un physicien écossais dont les travaux ont été indispensables à la mise au point de la théorie de la relativité. Il étudie inlassablement la physique de lélectricité et du magnétisme et, en associant les 2, il cherche à mettre en évidence les lois qui définissent lélectromagnétisme. En lespèce il nest pas vraiment original, dans le sens où ses travaux (dont il réalise la synthèse dans son grand ouvrage, publié en 1873 : Electricity and electromagnetism) sinscrivent dans un siècle de recherches sur lélectricité.un siècle de recherches sur lélectricité Loriginalité de Maxwelle réside ainsi surtout dans le fait quil est parvenu à codifier toutes les études antérieures d'André-Marie Ampère et de Michael Faraday, et à les rassembler dans un ensemble de 20 équations différentielles (finalement réduites à 4) : les lois de Maxwell (1). Celles-ci décrivent le comportement des champs électriques et magnétiques et le rapport entre les 2, à savoir l'électromagnétisme. Elles démontrent que les champs électriques et magnétiques voyagent dans l'espace, sous forme d'ondes, à une vitesse d'environ km/s : la vitesse de la lumière (1). Il a ainsi émit l'hypothèse que la lumière était une forme de rayonnement électromagnétique (ce que fut démontré ultérieurement par les expériences de Hertz). La théorie de l'électromagnétisme de Maxwell contient ainsi le germe de la relativité. Le premier à le comprendre fut le mathématicien français Henri Poincaré, mais A. Einstein le reconnaissait aussi bien volontiers puisque sa théorie intégrait un des principes mis en évidence par Maxwell : « la vitesse de la lumière dans le vide ne dépend pas de la vitesse de sa source », ou, pour le dire autrement : « la vitesse de la lumière dans le vide est toujours la même, quelque soit le référentiel ».d'André-Marie Ampère Michael FaradayHenri Poincaré (1) Voir ici pour une description des équations de Maxwell.ici (2) Les 1ères mesures de cette vitesse sont réalisées en 1676 par lastronome danois Römer, et cest un physicien français, Hippolyte Fizeau, qui mesure de façon définitive la vitesse de la lumière en 1849 ( km/s).

4 Des Lumières à la Révolution industrielle : plus dun siècle de recherches sur lélectricité (et le magnétisme) Lélectricité et le magnétisme sont évidemment des phénomènes connus depuis lantiquité. Le nom délectricité est inventé au 16e siècle par un savant anglais, mais cest surtout au 18e siècle que le phénomène devient un objet détude approfondi, notamment dans le cadre technique de la fabrication de machines produisant de lélectricité : en 1799, Alessandro Volta invente ainsi la première pile électrique (en empilant alternativement des disques de métaux différents (cuivre, zinc) séparés par des disques de feutre imbibés dacide). Ces innovations techniques se situent dans lintérêt des savants du 18e siècle pour les techniques et leur application concrète (cf. lEncyclopédie) et pour la découverte de sources dénergie nouvelles. Cest entre 1750 et 1820, environ, que les premières avancées se produisent, notamment à partir des découvertes de Benjamin Franklin sur la foudre, puis avec la mise en évidence du lien entre lélectricité et le magnétisme par le danois Hans Christian Ørsted et par langlais Peter Barlow. Si les travaux de ces derniers sont plutôt techniques, les recherches théoriques sont davantage le fait de deux savant essentiels pour J. C. Maxwell : d'André-Marie Ampère et de Michael Faraday…Benjamin FranklinHans Christian ØrstedPeter Barlow Ces travaux scientifiques et ceux qui les suivent dans les années conduisent ainsi, révolution industrielle oblige, à la construction de machines capables de produire de l'énergie électrique en grande quantité et à la transporter sur de longue distance. Lucien Gaulard et Nikola Tesla inventent respectivement le transformateur (1883) et les machines à courant alternatif (1884) : ces éléments sont essentiels à la production et au transport électrique (L. Gaulard y parvient, sur 40 km, en 1884 et ses réalisations permettent dinstaller léclairage du métro de Londres). L'invention de la machine à courant continu est brevetée par le Belge Zénobe Gramme ; elle est améliorée, commercialisée et généralisée aux États-Unis parThomas Edison.Thomas Edison

5 André-Marie Ampère ( ), dès son enfance, a soif d'apprendre. Son père commence à lui enseigner le latin, qui lui servira pour étudier les travaux de Daniel Bernoulli, pur savant des Lumières qui a étudié et enseigné les mathématiques, la botanique, lanatomie et surtout la physique. À partir de 1796, Ampère donne à Lyon des cours privés de mathématiques, de chimie et de langues. La période révolutionnaire et napoléonienne est pour lui propice parce quelle lui permet de mener une belle carrière denseignant. En 1801 il devient professeur de physique-chimie à Bourg-en-Bresse, à l'Ecole centrale du département de l'Ain, et en 1803 il est nommé professeur de mathématiques au lycée de Lyon (1). En 1804, il est nommé répétiteur d'analyse à l'École polytechnique (2) et s'installe à Paris. Ses travaux sont importants : ils se placent dans la foulée dØrsted, dont il lit les études dès Il tente de comprendre le lien quentretiennent lélectricité et le magnétisme : sa loi la plus connue, sur l'électrodynamique, décrit ainsi les forces que 2 conducteurs parallèles parcourus par des courants électriques exercent l'un sur l'autre ; si la direction du courant est la même dans les deux conducteurs, ceux-ci s'attirent et si le courant se déplace dans des directions opposées, les conducteurs se repoussent. Ces travaux fondent l'électrodynamique et influencent considérablement la physique du 19e siècle, notamment parce quAmpère interprète le phénomène du magnétisme par la théorie du courant moléculaire, selon laquelle d'innombrables particules minuscules, chargées électriquement, seraient en mouvement dans le conducteur : cette théorie est rejetée par les scientifiques de l'époque et ne parvient à s'imposer quen 1897 grâce à J. J. Thomson, qui met en évidence lexistence des électrons : cest un pas vers la démonstration définitive de lexistence des atomes. (1) Les lycées sont créés par Napoléon Bonaparte en 1802 (2) lécole Polytechnique est créée par un décret révolutionnaire en 1794

6 Michael Faraday ( ) complète les travaux dAmpère. En 1821, après la découverte du phénomène de l'électromagnétisme par le chimiste danois Ørsted, Faraday construit 2 appareils pour produire ce qu'il appela une rotation électromagnétique. Dix ans plus tard, en 1831, il commença une longue série d'expériences durant lesquelles il découvrit l'induction électromagnétique cest-à-dire la création d'un courant dans un conducteur à partir d'un champ magnétique : ces expériences forment la base de la technologie électromagnétique moderne (la loi de Faraday permet de relier la force électromotrice induite dans un circuit électrique avec la variation du flux du champ magnétique à travers ce circuit électrique). En 1833, il introduit les termes d'anode, de cathode, d'anion, de cation et d'ions.

7 Benjamin Franklin ( ) et son paratonnerre. Franklin mena de concert une carrière scientifique que le mis en relation avec les plus grands intellectuels de son époque (en particulier le mathématicien dAlembert en France, lun des fondateurs de lEncyclopédie), et une carrière politique comme défenseur des droits de lhomme. Cest lune des grandes personnalités des Lumières américaines Benjamin Franklin démontre en 1752 que la foudre est un phénomène dû à l'électricité et invente le paratonnerre pour s'en protèger.

8 Pour observer une animation mettant en mouvement la « roue de Barlow », cliquez sur limage. Quittez ensuite la page internet pour revenir au diaporama. Peter Barlow ( ) construit en 1822 le 1er moteur électrique de l'histoire : la « roue de Barlow » qui est un simple disque métallique découpé en étoile et dont les extrémités plongent dans un godet contenant du mercure qui assure l'arrivée du courant. Un aimant, en forme de fer à cheval, est disposé de telle sorte que les extrémités de ses 2 pôles soient situées de part et d'autre du disque. La force électromagnétique qui s'exerce sur la partie du disque parcourue par le courant lentraine vers l'extérieur, tendant ainsi à le faire tourner sur lui-même.

9 Hans Christian Ørsted, dessin, 1820 Pour observer une animation mettant en scène son expérience, cliquez sur limage. Quittez ensuite la page internet pour revenir au diaporama. Hans Christian Ørsted découvre en 1820 la relation entre électricité et magnétisme à travers une expérience toute simple quil réalisait devant ses étudiants : il faisait bouger une laiguille dune boussole en déplaçant près delle un fil transportant du courant ; il montrait ainsi quil y a bien une interaction entre les forces électriques d'une part et les forces magnétiques d'autre part, ce qui était révolutionnaire pour l'époque.

10 Thomas Edison (11 février 1847 Ohio - 18 octobre 1931 New Jersey) est reconnu comme l'un des inventeurs américains les plus importants des États-Unis. Fondateur de General Electric, un des 1er empires industriels mondiaux, pionnier de l'électricité, diffuseur, popularisateur et perfectionneur de technologies d'avant garde, auto- proclamé inventeur de lampoule électrique (sa plus emblématique invention, en 1879), du téléphone, du cinéma et de l'enregistrement et de la diffusion du son, il n'hésita pas à s'attribuer quantité d'inventions réalisées par d'autres, jusqu'à revendiquer le nombre record de 1093 brevets (alors que l'immense majorité de ceux ci fut soit racheté pour un prix dérisoire, soit allègrement pillé sur le dos de ses collaborateurs et concurrents, tels Nicolas Tesla, Alexander Graham Bell, Antonio Meucci, Georges Méliès). À sa naissance, les applications de l'électricité n'existaient pas, 84 ans plus tard, elles éclairent le monde entier.

11 Henri Poincaré ( ) est larrière-petit-fils d'Étienne Geoffroy Saint-Hilaire, grand zoologue et anatomiste de lépoque révolutionnaire et napoléonienne (un des 1ers théoriciens de lévolutionnisme, développé par Charles Darwin en 1859). Issu dun milieu relativement aisé et porté sur les travaux scientifiques, il fut un brillant élève, obtint le baccalauréat en 1871, entra 1er à l'École polytechnique en 1873, puis à l'École des Mines en octobre 1875 ; il est licencié de sciences le 2 aout Il obtient le 1er aout 1879 le doctorat de mathématiques. Deux ans plus tard, il obtient ses premiers résultats marquants en mathématiques (sur les équations différentielles linéaires à coefficients algébriques…), et rapidement, il s'intéresse à l'application de ses connaissances mathématiques en physique et plus particulièrement en mécanique. Nommé professeur de mécanique physique et expérimentale le 16 mars 1885, il quitte celle-ci pour la chaire de Physique mathématique en aout 1886 et en novembre 1896, il obtient la chaire d'Astronomie mathématique et de mécanique céleste. Sa carrière de professeur universitaire montre tout son effort pour associer constamment mathématique et physique : cest là son apport essentiel, qui lui permet dannoncer la théorie de la relativité, en particulier 2 éléments essentiels : la relativité du temps et de lespace et léquivalence entre la masse et lénergie, quil détaille dans son ouvrage essentiel, La science et lhypothèse, en 1902.la relativité du temps et de lespaceéquivalence entre la masse et lénergie Alors la théorie de la relativité est-elle lœuvre de Poincaré ? Il est un fait quEinstein se réfère peu à ses travaux, quil connaissait pourtant, et on le lui a reproché… Mais il y a un élément qui les distingue fondamentalement : Poincaré maintint lexistence de léther jusquà sa mort, en 1912, tandis quEinstein rejeta purement et simplement son existence… En somme, cest bien Einstein qui tira toutes les conséquences de la relativité et ce dès 1905, à travers les articles quil fait alors paraître.Einstein

12 Contre Newton, la relativité du temps et de lespace Poincaré est lun des premiers savant à remettre en question certains principes newtoniens sur le temps et lespace. Les travaux de Maxwell sur lélectromagnétisme sont ici décisifs pour comprendre le dilemme qui se pose à Poincaré. Ce dilemme est bien simple : les équations de Maxwell ne sont pas conciliables avec les principes de Newton, que lon croyait absolument certains ! Que faire, donc ? Poincaré répond quil est impossible de rendre manifeste le mouvement absolu de la matière par rapport à léther (qui est supposé absolu, cest-à-dire englobant tout, immobile et stationnaire) : en bref, on ne peut pas calculer la vitesse absolue dun objet, dun corps ou dune onde (y compris la lumière) par rapport à léther. Au mieux, on peut calculer les vitesses relatives des objets les uns par rapport aux autres. Il le dit dans son ouvrage La science et lhypothèse, parue en 1902 : « il ny a pas despace absolu et nous ne concevons que des mouvements relatifs [les uns par rapports aux autres et non par rapport à un référenciel absolu fixe, léther] ». Il analyse ensuite les principes qui fondent la physique et met dans sa liste « le principe de relativité, daprès lequel les lois des phénomènes physiques doivent être les mêmes soit pour un observateur fixe soit pour un observateur entraîné dans un mouvement, de sorte que nous navons aucun moyen de discerner si nous sommes ou non entraînés dans un pareil mouvement ». Et il conclut : « de tous ces résultats, sils sont confirmés, émergerait une mécanique entièrement nouvelle qui serait par-dessus tout caractérisée par le fait quaucune vitesse ne pourrait dépasser celle de la lumière ». En somme il donne raison à Maxwell tout en corrigeant Newton (1)… Mais il laisse à un autre le soin de faire émerger cette « mécanique entièrement nouvelle » : cet autre fut Albert Einstein… (1)On ne peut utiliser aucun référenciel fixe absolu, ni le temps ni lespace, afin de calculer une vitesse absolue par rapport à lui. Pourquoi ? Parce que même si léther est fixe, nous ne savons pas si nous sommes nous-mêmes fixes ou mobiles !

13 E = mc² ou léquivalence entre la masse et lénergie Poincaré est le premier savant à avoir évoqué (implicitement) léquivalence entre la masse et lénergie. Cette idée est directement liée aux travaux sur lélectromagnétisme, qui intéressent Poincaré qui se demande, en bon physicien mécaniste quil est, comment mesurer limpact de lénergie électromagnétique. Il écrit en 1900 : « Si un appareil après avoir produit de lénergie électromagnétique la renvoie par rayonnement dans une certaine direction, cet appareil devra reculer comme recule un canon qui a lancé un projectile. Il est facile dévaluer en chiffre limportance de ce recul. Si lappareil a une masse de 1 kg et sil a envoyé dans une direction unique avec la vitesse de la lumière de joules, soient 3000 watts, la vitesse due au recul est de 1 cm par seconde. En dautres termes si lénergie produite par une machine de 3000 watts est envoyé dans une seule direction, il faudra pour maintenir la machine en place, malgré le recul, une force si faible quelle ne pourrait être décelée par lexpérience » (1). Son texte indique que dès 1900, soit 5 ans avant Einstein, Poincaré a trouvé, mais sans lexpliquer ni en souligner limportance, la fameuse formule E = mc² ! Il termine son texte en indiquant quon ne pourrait pas mettre en évidence la force nécesaire pour maintenir en place la machine car cette force est trop faible (à cause du facteur gigantesque c²). Pourtant, un nouveau phénomène vient dêtre découvert lorquil écrit ces lignes, qui allait permettre de vérifier, par lexpérience, la fameuse formule E = mc². Ce phénomène, cest la radioactivité.radioactivité (1) Appelon M la masse de lappareil (M = 1 kg), v sa vitesse de recul et E lénergie quil a envoyé (E = 3000 watts, soient de joules, soit E = 3MJ). Désignons par m la masse équivalente à cette énergie et par c la vitesse de la lumière (c = km/s soient 3 x 10 8 m/s). La conservation de la quantité dénergie de mouvement sécrit Mv = mc (ou v = mc/M). En utilisant la relation entre la masse et lénergie (E = mc²), ce que fait ici implicitement ici Poincaré), on obtient v = mc/M = mc²/M² = E/Mc). En utilisant les valeurs numériques rappelées plus haut, on trouve bien v = 1 cm/s comme annoncé par Poincaré !

14 Cest en 1896 quAntoine Henri Becquerel découvre la radioactivité, par accident : en étudiant une plaque photographique mise en contact avec les sels duranium, il s'aperçoit qu'elle est impressionnée même lorsque le matériau n'a pas été soumis à la lumière du soleil : il en conclut que le matériau émet son propre rayonnement sans nécessiter une excitation par de la lumière… Cest la 1ère observation de la radioactivité. Consciente de lampleur de la découverte, une étudiante polonaise, Marie Curie, choisit comme sujet de thèse l'étude de ce nouveau type de rayonnement. Elle baptise cette propriété « radioactivité » (avril 1898) ; en juillet et décembre de la même année, elle découvre avec son mari Pierre Curie 2 éléments plus radioactifs encore que luranium : le polonium et le radium. Ensembles, ils assistent, par hasard, à la 1ère constatation expérimentale de léquivalence masse-énergie : un soir, après leur repas, Pierre et Marie retournent dans leur laboratoire ; il fait nuit et quand ils entrent dans le labo, sans en allumer la lumière, ils constatent que le radium est spontanément lumineux ! Pierre Curie se demande à quoi tient ce rayonnement et sil faut en chercher la cause dans les corps radioactifs eux-mêmes où à lextérieur deux. De nombreuses expériences suivront cette interrogation, jusquen 1932 (expérience de Cockcroft et Walton), mais cest Einstein qui donne la réponse théorique au phénomène : il tient à la transformation énergétique du radium (sous leffet de la désintégration des noyaux instables du radium). La formule E = mc² lexplique théoriquement : « si un corps cède de lénergie (E) sous forme de rayonnement, sa masse (m) diminue, en fonction de la vitesse de la lumière, de E/c² (…) La masse dun corps est une mesure de son contenu en énergie : si lénergie varie de E, la masse varie dans le même sens de E/c² ». Et il ajoute : « Il nest pas exclu que lon puisse réussir à vérifier la théorie avec des corps dont le contenu énergétique varie dans de grandes proportions, par exemple les sels de radium »… Einstein a bien sûr ici en tête lobservation des Curie, dont il devine quelle vient confirmer expérimentalement sa théorie, la masse du radium se convertissant en énergie (doù le rayonnement spontané).expérience de Cockcroft et Walton Pour une présentation biographique des carrières de Pierre et Marie Curie, cliquez sur une des images ; quittez ensuite la page internet pour revenir au diaporama

15 Lexpérience de John Cockcroft et Ernest Walton constitue la première vérification expérimentale incontestable de léquation E = mc². En 1932, ils projetent des protons sur des atomes de lithium et observent la production de paires de noyaux dhélium. Ils viennent de réaliser la première « transmutation » nucléaire : les protons parviennent, individuellement, à pénétrer dans les noyaux de lithium (qui contiennent 3 protons et 4 neutrons) et y sont capturés. Se forment alors des noyaux constitués de 4 neutrons… et de 4 protons… cest-à-dire des noyaux de béryllium. Instables, ceux-ci de divisent (ils fissionnent) rapidement en 2 noyaux dhélium formés chacun de 2 neutrons et de 2 protons. Le bilan de chaque chaque rencontre proton-lithium confirme la formule dEinstein : la somme de lénergie de masse du noyau de lithium et de lénergie totale du proton propulsé est égale aux énergie de masse des deux noyaux dhélium. Cette expérience, qui annonçait le développement de la fission nucléaire par accélération de particule atomique (et donc la bombe atomique…), leur permis dobtenir le prix noble de physique en 1951.

16 Isaac newton ( ) est certainement le plus important mathématicien des (débuts des) Lumières, pour avoir établi la loi de la gravitation universelle, en Elle sappuie sur la double notion de temps absolu (« vrai et mathématique, sans relation à rien dextérieur, il coule uniformément ») et despace absolu (« sans relation aux choses extérieures, il demeure toujours similaire et immobile »). Dans ce cadre absolu, Newton pose le principe dune interaction universelle à laquelle aucun corps ne peut échapper : la gravitation. Celle-ci semble définitivement établie et permet des calculs astronomiques qui ont validé les équations newtonienne (notamment la prévision exacte, en 1682, du retour de la comète de Halley en 1758)… Mais voilà que Maxwell met en évidence et théorise une nouvelle forme dinteraction universelle : lélectromagnétisme, qui démontre notamment que la lumière est une onde électromagnétique comme un autre et qui se déplace à une vitesse finie ( km/s). Comme telle il lui faut bien un support pour quelle se propage. Ce support, pour Newton comme pour Maxwell, cest léther, du moins le croit-on depuis des siècles, substance matérielle imaginée par Aristote… mais qui a le défaut de rester invisible (1). Newton fait de léther le milieu dans lequel tous les phénomènes se déroulent, dans le temps et dans lespace, en particulier les mouvements que ses équations décrivent. Ces mouvements mettent en jeu des vitesses et Newton postule que celles-ci sont additives, cest-à-dire quon peut les additionner ou les soustraire. Exemple : dans un train qui roule à 200 km/h, si un passager se déplace dans le sens du train à la vitesse de 5 km/h, il aura par rapport au sol une vitesse de km/h soient 205 km/h. Et si une ampoule est fixée au plafond du train, elle émet de la lumière qui se déplace donc par rapport au sol à km/s km/h. Sauf que les lois de Maxwell établissent ici une impossibilité, parce que la lumière se déplace à une vitesse finie indépassable, que ce soit par rapport au sol… ou par rapport à léther qui est le support de toute chose. Que faire ? Abandonner la mécanique newtonienne dont lefficacité est établie depuis 2 siècles ou bien abandonner les équations de Maxwell ? (1) La lumière a une nature ondulatoire similaire aux vibrations qui apparaissent à la surface de leau (les ronds dans leau) ; il y a bien ici un support, leau : pas deau, pas de ronds dans leau. Maxwell aurait dit : pas déther, pas donde électromagnétique à se propager et donc pas de lumière…

17 Albert Einstein ( ) est un jeune homme de 26 ans en (voyez ici sa biographie).Cette année là il passe saici sa biographie thèse de physique et publie plusieurs articles dans la prestigieuse revue allemande Annalen der Physik qui feront date dans lhistoire de la discipline constitue de fait une année révolutionnaire dans lhistoire des sciences… et plus globalement dans celle de lhumanité : de façon caricaturale, on pourrait dire que sans ces 4 articles dEinstein nous ne connaitrions pas la bombe atomique, ni les centrales nucléaires, ni les accéléra- teurs de particules, ni le concept de Big Bang, ni la physique quantique, les lasers, Ou limagerie médicale par raisonnance magnétique (IRM)... Quelles sont donc les découvertes du jeune Einstein ? Et doù vient quen 1905 il fait paraître coup sur coup 4 articles révolutionnaires, alors même quil est un inconnu dans le milieu de la physique ? Inconnu ? Il a réussi a faire publier un article en 1901 dans les Annalen der Physik, suite à son diplôme de fin détude au Polytechnicum de Zurich. Depuis, il travaille au Bureau des brevets de Berne où il met en action sa connaissance profonde des matériels électriques (quil a découvert dans lentreprise de son père), en débusquant les erreurs de fonc- tionnement des brevets soumis au Bureau. Il travaille 8 heures par jour… Et dispose dun temps libre important quil passe à ingurgiter toute la littérature scientifique qui lui tombe sous la main. Cest dans ce contexte favorable quil propose à sa revue fétiche 4 articles, en mars, mai, juin et septembre 1905… 10 ans plus tard, en 1915, il généralise sa théorie de la relativité…marsmai juinseptembre1915

18 Mars 1905, « Sur un point de vue heuristique (1) concernant la production et la transformation de la lumière » Einstein sattaque de front à la question de la lumière et sa propagation. Il propose que lénergie de la lumière est véhiculée par des quantas, en clair la lumière est constituée de petits grains dénergie de la même façon que lélectricité est constituée de petites charges électriques invisibles (les électrons). Ces quantas se déplacent par paquets, et non de façon continue. Mais comment dire une chose pareille alors que Maxwell a démontré que la lumière est une onde électromagnétique ? Réponse : on en peut pas le dire et cest pourquoi Einstein parle « dun point de vue heuristique ». En un mot son approche est prudente et utilitaire : il tente en fait dexpliquer une théorie formulée par un savant allemand, Max Plack, qui travaillait sur la question de la lumière depuis une dizaine dannées. Celui-ci reste sceptique vis-à-vis des propositions dEinstein ; toutes les vérifications ultérieures montreront pourtant la justesse de son idée : la lumière est à la fois ondulatoire et matérielle, cest-à-dire composée de petits corps dénergie appelés des quantas.Max Plack Cest pour cet idée quEinstein a reçu le prix Nobel de physique en (1)Heuristique : en science, le terme sapplique à une méthode qui procède par approches successives en éliminant progressivement les alternatives et en ne conservant qu'une gamme restreinte de solutions tendant vers celle qui est optimale.

19 Max Planck ( ) Issu dune famille bourgeoise prussienne, Planck fait des études correctes mais sans plus, et choisit, non sans hésitation, de se lancer dans la physique. Il sintéresse, à partir de 1894 à la question du rayonnement du « corps noir ». Quest-ce donc ? Nous savons tous que les corps chauffés émettent de la lumière : cest le cas dune bougie, dun feu de cheminée, ou dune barre de métal qui rougit en chauffant. Il en va de même à lintérieure dune enceinte absolument fermée (il fait donc noir à lintérieur) dont les parois sont maintenues à une haute température. Dans ce cas, même dans le noir, lenceinte émet de la lumière : cest le fameux rayonnement du corps noir. Doù vient ce rayonnement (1), comment le mesurer et surtout comment lévaluer à coup sûr, en fonction de la température ? Après 6 années de travail, Max Planck proposa deux idées : lénergie transportée par le rayon lumineux lest par lintermédiaire dune entité nouvelle élementaire, le photon, que Planck nomme un quantum dénergie (au pluriel : quantas) lénergie transportée par le rayonnement lumineux dun corps chauffé peut être évaluée par une loi dont le calcul intègre une valeur énergétique fixe, la constante h, qui est devenue « la constante de Planck » Si ses calculs mènent Planck à cette théorie, ses propres conceptions sy refusent : il veut se débarrasser de la constante et reste sceptique à légard des quantas dénergie, particules élémentaires (en 1900 lexistence de ces particules, y compris des atomes, est incertaine : à cette date, Planck ne croit dailleurs pas à lexistence des atomes, la matière étant pour lui continue…). (1)Dont Planck rend compte à travers les lois de lélectrodynamique de Maxwell.

20 Mai 1905, « Sur le mouvement de particules en suspension dans un fluide au repos impliqué par la théorie cinétique (1) moléculaire de la chaleur » Larticle de mars donne le ton : Einstein fait de la lumière une particule, ce qui nest pas admis à une époque où lexistence même des atomes est loin dêtre prouvée. Ici il se propose détudier le mouvement dobjets très petits en perpétuelle agitation dans un liquide. Si lon arrive, dit-il, à observer ce mouvement et à en décrire les lois, alors cela nous donnera des informations essentielles sur les atomes. Et cela montrera que le mouvement décrit en 1828 par le biologiste britannique Robert Brown, correspond à de lagitation moléculaire…Robert Brown Einstein parvient théoriquement à décrire le déplacement moyen des particules en suspension (2) : en 1908 le français Jean Perrin réalise des expériences pour tester les prédictions dEinstein, qui prouveront définitivement lexistence des atomes.Jean Perrin (1)Qui se rapporte ou qui est dû au mouvement. (2) Einstein considère le déplacement des grains pendant un temps considéré et montre que le carré de ce déplacement (X²) pendant une durée t est proportionnel à cette durée (le terme X²/t est donc constant). Il montre ainsi que le mouvement brownien est un processus de diffusion des grains dans le liquide et relie le coefficient de diffusion D à la grandeur précédente (D = ½ X²/t). Il établit ensuite une relation entre le coefficient de diffusion (qui peut être déterminé apr lobservation en mesurant les valeurs de X et de t) et des grandeurs physiques suivantes : la température T du liquide, la constante R des gaz, le nombre dAvogadro N, la viscosité η du liquide et le rayon a des grains. Il établit la formule D = (RT/N) x (1/6 πa η). Cest cette formule qui a permis de déterminer le nombre dAvogadro cest-à-dire le nombre dentité dans une mole.

21 Jean Perrin ( ) est né à Lille. A 21 ans il est reçut à lEcole normale de Paris et à 26 ans met en évidence que les rayons cathodiques sont constitués de corpuscules de charge négative. Il obtient son doctorat de physique en 1897 et se passionne alors pour la théorie atomique, qui, à cette époque, nest pas du tout admise. Lidée datome remonte à lantiquité grecque, mais elle a été relancée en 1808 par un chimiste anglais, John Dalton, qui pense que la matière est bien faite datomes et que les réactions chimiques correspondent à des réarrangements entre atomes et que les éléments composés (molécules) sont constitués datomes de différents éléments. Lidée est proprement révolutionnaire… mais mettra près dun siècle à simposer (on a davantage tendance à croire que la matière est continue et non fragmentée en atomes). Cest Jean Perrin qui démontre définitivement lexistence des atomes : dès 1901 il définit latome comme un système solaire en miniature avec des électrons négatifs tournant autour dun noyau chargé positivement. Cette description, trop en avance sur son temps, ne trouve aucun échos… hormis chez Einstein, dont larticle de 1905 montre quon peut déterminer le nombre de molécules par unité de volume (nombre dAvogadro) en mesurant les distances que parcourent les particules visibles : le mouvement brownien est pour lui lune des meilleurs preuves directes de la réalité moléculaire et Jean Perrin de jette sur les observations dEinstein pour en montrer lexatitude par diverses expériences. De fait il déclare en 1909 « quil devient impossible de nier la réalité objective des molécules ». Jean Perrin, en poursuivant son travail a finalement déterminé par 13 méthodes différentes la valeur du nombre dAvogadro, prouvant définitivement la réalité des atomes. Il publie son ouvrage fondamentale, Les atomes, en 1913, et obtient le prix Nobel de physique en 1926.

22 Robert Brown ( ) En 1795, après des études de médecine, Brown rejoint l'armée comme chirurgien. Son régiment reste en Irlande pendant plusieurs années, ce qui lui laisse le temps de s'intéresser à la botanique, et il apprend également l'allemand, langue dominante au niveau scientifique à l'époque. Grâce à l'appui de Joseph Banks, botaniste émérite, il participe, en 1801, au voyage d'exploration sur les côtes australiennes conduit par Matthew Flinders à bord de lH.M.S. Investigator. Son voyage sinscrit dans les grandes expéditions de découvertes initiées par les encyclopédistes et que Napoléon Ier encouragea lors de son expédition militaire en Egypte. Toujours est-il que Brown revient cinq ans plus tard, apportant avec lui plus de quatre mille espèces de plantes. Banks lui confie alors la conservation de ses propres collections et de sa bibliothèque personnelle. En 1810, il publie Prodromus Florae Novae Hollandiae, qui décrit les espèces rapportées d'Australie. En 1827, il observe le pollen du Clarkia pulchella et constate au microscope la présence de très petites particules bougeant dans tous les sens. Il renouvelle cette observation chez d'autres plantes, croyant dans un premier temps la manifestation d'une « fluide vital ». L'observation du même phénomène sur des particules non-organiques le fait changer d'avis. Il publie ses résultats en 1828 dans un ouvrage essentiel: A brief account of microscopical observations on the particles contained in the pollen of plants ; and on the general existence of active molecules in organic and inorganic bodies ». Il y décrit ce mouvement (qui est depuis appelé le « mouvement brownien ») mais avoue être incapable de lexpliquer…

23 Juin 1905, « Sur lélectrodynamique des corps en mouvement » On aura compris que les articles précédents ne font que préparer des idées plus fondamentales, qui nécessitent ces introductions relatives à la lumière et aux atomes. Le 3e article est de fait le plus élaboré : Einstein travaille dessus depuis des années mais le rédigera de façon définitive en seulement 5 à 6 semaines. Il y réforme deux concepts de la physique : le temps et lespace. Larticle est écrit à la manière dun brevet, avec un nombre limité déquations… Il est pourtant lun des plus fameux de toute la physique du 20e siècle. Que dit Einstein dans cet article ? Il y fonde une nouvelle théorie des corps en mouvement selon 2 principes. Premièrement, les lois de la physique ont la même forme quelque soit le référentiel considéré. Deuxièmement : la propagation de la lumière est indépendante du mouvement de sa source et elle est constante et indépassable. Or, pour que les deux postulats coïncident il faudrait justement quelle fluctue, notamment en obéissant à la règle de laddition des vitesses. Or ce nest pas le cas. Einstein en déduit donc que cest un autre paramètre qui varie, et pour lui ce paramètre, cest le temps ! Il donne un exemple clair pour comprendre sa théorie : « si, aux points A et B dun repère se trouvent deux horloges dont la marche est synchrone, et si on déplace lhorloge A selon une vitesse V le long dune ligne qui relie A à B, on constate quaprès sont arrivée en B, les deux horloges ne sont plus synchrones » ! On imagine le malaise de la communauté scientifique à la lecture de larticle ! Seulement, toutes les tentatives expérimentales conduites ultérieurement ont confirmé les propos dEinstein…

24 Septembre 1905, « Linertie dun coprs dépend-elle de son énergie ? » Cet article poursuit les précédents autour de la question de la vitesse de la lumière. Ici, Einstein met en évidence que si un corps libère de lénergie E, sous forme de lumière (qui se déplace donc à la vitesse de la lumière, c), alors sa masse, m, diminue dune quantité E/c². Autrement dit, « il ny a pas de distinction essentielle entre la masse et lénergie » : E = mc² !

25 Le coup de génie : la généralisation de la relativité… La relativité de 1905 est dite restreinte parce quelle ne sapplique quaux référenciels inertiels, cest-à-dire en mouvement rectiligne à vitesse uniforme les uns par rapport aux autres. Einstein se demande en 1907 « sil est pensable que le principe de la relativité vaille également pour des systèmes qui sont en accélération les uns par rapport aux autres »… Le problème est dune compléxité terrible et Einstein va y travailler 10 ans darrache-pied. En 1915, il lui donne une solution toute simple, à travers la théorie de la relativité générale : imaginons un ascenseur uniformément accéléré selon une accélération donnée (a). Cette accélération est en fait équivalente à un ascenseur au repos subissant une gravitation, g, dune même intensité que a. En bref : laccélération est équivalente à la gravitation. Partant de cette idée, il reconsidère la théorie newtonienne de la gravitation. Pour Newton, la gravitation est un force dattraction : ainsi, dans un espace à 3 dimensions (longueur, hauteur, profondeur), une masse comme le soleil produit une force dattraction qui incurve les trajectoires des planètes. Dans la théorie dEinstein une planète de subit aucune force : elle est libre et se déplace dun point à un autre selon le chemin le plus court (ce chemin le plus court se nomme une geodésique). Mais lespace dans lequel elle se déplace na plus 3 mais 4 dimensions : longueur, hauteur, profondeur et temps. Lespace et le temps ne sont donc plus dissociables : la trajectoire de la planète est donc une géodésique de lespace-temps courbée par la masse du soleil. Einstein en conclut que la gravitation nest pas une force, mais la manifestation de la structure de lespace- temps, courbée par la présence de matière ou dénergie (cest la même chose : E = mc²) en son sein. Conscient du caractère extraordinaire de sa découverte, il écrit, en 1917 : « jai de nouveau commis quelque chose sur la théorie de la gravitation qui me fait quelque peu courir le risque de linternement à lasile »… Lui-même se trouve parfois dépassé par les implications de sa découverte.Lui-même se trouve parfois dépassé par les implications de sa découverte

26 Einstein dépassé par ses propres théorie : les conséquences de la théorie de la relativité générale pour la connaissance de lunivers Les nouvelles équations dEinstein déterminent la courbure de lespace en fonction de la densité de matière. En clair : matière (ou énergie) = courbure. Einstein comprend immédiatement que ces équations peuvent permettre de décrire la forme même de lUnivers : il suffit de poser dun côté des équations la masse approximative de lunivers pour trouver, de lautre, sa géométrie ! Mais comment connaître la masse de lunivers ? En 1915, lUnivers se limite à la Voie lactée (les atronomes nont pas compris que les amas détoiles quils visualisent dans leurs télescopes constituent dautres galaxies) : pour connaître le poids de lunivers il suffit donc de compter les étoiles. Problème : la masse de ces étoiles courbe évidemment lespace, le déforme continuellement, provoquent du mouvement et ce mouvement produit une extension de lUnivers. Or Einstein est persuadé que lunivers est éternel, fermé, sphérique et surtout : stable ! Il invente un force fictive, la « constante cosmologique », qui vient contrebalancer la force gravitationnelle des étoiles. Sa solution est fragile et Einstein sait que ses équations ont ouvert la voie à un autre modèle, qui, développé en 1917, 1922, 1927 et 1929, oblige Einstein à finalement rendre les armes : il abandonne son idée dun Univers statique et reconnaît la validité de lidée dun univers en extension (dont lorigine est appelée Big-Bang en 1950) en

27 Willem de Sitter ( ) En 1917 lastronome hollandais de Sitter montre, à partir de la théorie de la relativité générale, que si lunivers est vide, la matière qui sy rencontre le met nécessairement en mouvement. Einstein De Sitter

28 Alexandre Friedmann ( ) En 1922, le russe Alexandre Friedmann démontre mathématiquement que la relativité générale implique de considérer lunivers comme un espace qui se dilate ou se contracte au cours du temps : il est le premier à envisager un moment initial à partir duquel lUnivers a commencé à sétendre : lidée de Big-Bang trouve ici sa première formulation. A cause de la fermeture de lURSS, suite à la révolution bolchévique de 1917, Friedmann navait eu connaissance de la théorie de la relativité quen Il meurt dune pneumonie en 1925 et ne parvint donc pas à pousser ses recherches…

29 Georges Lemaitre ( ) Né dans une bonne famille belge, soldat durant la première guerre mondiale, il se met à la physique après guerre, soutient sa thèse en 1920 et écrit son premier article en 1923 ; la même année il devient prêtre. En 1927, il parvient aux mêmes conclusions que Friedmann (mais sans connaître les travaux du russe) et va plus loin : il parvient à calculer la vitesse de lextension de lUnivers et propose lidée dun atome originel à partir duquel lunivers sest constitué ! Einstein le félicite pour ses calculs, tout en indiquant que ses idées lui paraissent « tout à fait abominables » ! Pourant, les deux hommes se rencontrèrent souvent et sestimaient mutuellement.

30 Edwin Hubble ( ) En 1929, lastronome américain Ewin Hubble donne largument décisif : il montre que les amas détoiles que lon peut observer au télescope sont dautres galaxies et quelles séloignent toutes les unes des autres. Pire, cette fuite généralisée suit une règle bien précise : plus les galaxies sont éloignées de la notre, plus elles sen éloignent rapidement ! Ses observations consolident lidée dun univers en extension.

31 De la théorie de la relativité restreinte à la théorie de la relativité générale, Albert Einstein aura révolutionné la science. Issues des travaux antérieurs du 19e siècle, favorisées par le contexte de la Belle Epoque, ses propres recherches auront, de la bombe atomique à la théorie du Big-Bang, profondément bouleversé les sciences tout au long du 20e siècle.


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