La fabuleuse année d’Einstein
La fabuleuse année d’Einstein
EN 1905, à l’âge de 26 ans, un employé de l’Office fédéral des brevets de Berne du nom d’Albert Einstein a publié quatre articles scientifiques qui ont transformé la vision que nous avions de l’univers, de ses composants les plus infimes à ses galaxies les plus gigantesques. Certains de ces articles ont aussi servi de tremplin à de nombreuses inventions révolutionnaires qui ont vu le jour au cours des 100 dernières années.
“ Il n’y a pour ainsi dire pas de grand concept de physique moderne qui ne tire son origine, du moins en partie, d’Einstein ”, fait observer Isidor Rabi, prix Nobel de physique. Mais qu’a découvert au juste Einstein il y a un siècle ?
Les secrets de la lumière dévoilés
L’article qu’Einstein publie en mars 1905 dévoile, sous certains aspects, la véritable nature de la lumière. Des scientifiques ont déjà découvert que la lumière qui voyage dans l’espace semble se propager comme une onde à la surface de l’eau. Cependant, la théorie ondulatoire ne peut expliquer pourquoi une lumière bleu sombre génère un courant électrique en frappant certains métaux, alors que ce n’est pas le cas d’une lumière rouge vif. L’article d’Einstein donne des explications sur ce phénomène dit “ effet photoélectrique ”.
Selon Einstein, la lumière peut parfois être considérée comme étant composée de grains d’énergie, plus tard appelés photons. Quand ces photons se situent à un niveau d’énergie spécifique, qui correspond à une couleur précise, ils parviennent à déloger les électrons des atomes de certains métaux. (Les photons d’une lumière rouge sont trop faibles pour y parvenir.) Cette interaction provoque le passage d’un courant électrique dans le matériau. Le tube analyseur, la pile solaire, le luxmètre et d’autres technologies modernes s’inspirent tous de la description qu’a faite Einstein de l’effet photoélectrique.
Grâce à ces éclaircissements sur la lumière, Einstein reçoit le prix Nobel de physique en 1921. Ses travaux seront à l’origine d’un nouveau champ d’investigation scientifique, la théorie quantique. À son tour, la théorie quantique posera le fondement d’une multitude d’applications, dont le nucléaire, l’électronique et la nanotechnologie.
La danse du pollen expliquée
En 1905, Einstein tourne également son attention vers les atomes et les molécules. Il fournit une explication théorique concernant leurs effets sur de minuscules grains de pollen en suspension dans l’eau. En 1827, le biologiste Robert Brown a remarqué au microscope que des grains de pollen plongés dans l’eau s’agitaient. Il a baptisé cette danse du pollen “ mouvement brownien ”, mais il a été incapable d’en donner la cause.
Dans son article de mai 1905, Einstein attribue le mouvement brownien aux vibrations des molécules d’eau. Non seulement il calcule la taille de ces molécules, mais il prédit aussi les propriétés spécifiques de leurs atomes. D’autres scientifiques travailleront sur la base de ces prédictions et dissiperont les doutes à propos de l’existence des atomes. D’ailleurs, la physique moderne repose sur l’idée que la matière est composée d’atomes.
Le temps est relatif
Avec sa théorie de la relativité, publiée en juin 1905, Einstein contredit une croyance fortement ancrée chez des scientifiques, comme Isaac Newton, selon laquelle la mesure du temps est une constante dans tout l’univers. Les implications de cette théorie aujourd’hui communément acceptée sont assez surprenantes.
Imaginez par exemple que vous synchronisiez parfaitement votre montre avec celle d’un ami. Celui-ci fait ensuite le tour de la terre en avion tandis que vous restez chez vous. À son retour, sa montre affichera un très léger retard sur la vôtre, comme si le temps avait ralenti sa course pour votre ami voyageur. Certes, la différence est infinitésimale à l’échelle humaine. Cependant, quand on approche la vitesse de la lumière, le temps ralentit considérablement. En outre, les objets deviennent plus petits et leur masse augmente. La théorie d’Einstein soutient que c’est la vitesse de la lumière qui est constante dans tout l’univers, et non le temps.
Une formule qui a changé le monde
En septembre 1905, Einstein publie un autre article, qui est en fait un post-scriptum à sa théorie de la relativité. Il contient la formule qui est aujourd’hui synonyme de ses travaux : E = mc2. Cette équation signifie que la quantité d’énergie libérée par la fission d’un atome est égale à la masse perdue multipliée par le carré de la vitesse de la lumière.
Grâce aux efforts de scientifiques comme Einstein, l’humanité a appris beaucoup de choses sur la nature de l’univers. Pourtant, l’état actuel du savoir humain correspond encore à la description qu’en a faite Job dans l’Antiquité. Parlant des œuvres du Créateur, Job a reconnu humblement : “ Voyez ! Ce sont là les bords de ses voies, et quel murmure de la chose a-t-on entendu à son sujet ! ” — Job 26:14.
[Schéma/Illustrations, page 20]
(Voir la publication)
La lumière revêt à la fois un aspect ondulatoire et un aspect corpusculaire. Cette découverte a rendu possible la fabrication de calculatrices solaires et de détecteurs de lumière pour appareil photo numérique.
[Schéma/Illustrations, page 21]
(Voir la publication)
Le mouvement brownien a permis de prouver l’existence des atomes.
[Schéma/Illustrations, page 21]
(Voir la publication)
E L’énergie
= est égale
m à la masse
c2 multipliée par la vitesse de la lumière au carré
c2 signifie c multiplié par c, soit 300 000 km/s multiplié par 300 000 km/s.
Étant donné que c2 est un nombre astronomique (90 000 000 000 km2/s2), une masse très faible peut être convertie en une quantité d’énergie colossale. Quand un atome d’uranium fissionne pour former deux atomes plus petits, il perd environ 0,1 % de sa masse ; cette quantité minuscule se traduit par la libération d’une énergie immense.
Énergie libérée.
Une fois convertis en énergie, 450 grammes de n’importe quelle matière produiraient :
▪ 11 milliards de kilowattheures,
▪ ou de quoi faire 180 000 fois le tour de la terre en voiture,
▪ ou de quoi propulser le plus gros des pétroliers 400 fois autour du globe,
▪ ou de quoi alimenter les États-Unis en électricité pendant une journée.
L’inverse est également vrai. Il faut une énorme quantité d’énergie pour “ matérialiser ” un seul atome.
[Illustrations, page 21]
Plus on se déplace vite, plus le temps s’écoule lentement.
[Illustration, page 21]
Les horloges à bord des satellites formant le système de positionnement par satellites, ou GPS, ne tictaquent pas à la même vitesse que celles sur terre. Sans cette adaptation qu’imposent les effets de la relativité, le signal du GPS ne serait d’aucune utilité.
[Crédits photographiques, page 20]
Einstein : Topical Press Agency/Getty Images ; arrière-plan : CERN, Genève