Comment Einstein a bouleversé la physique et nos vies quotidiennes

En 1915, Albert Einstein formulait la ‘relativité générale’, l’un des piliers centraux de la physique moderne. Génie incontesté et visionnaire, ce prix Nobel de physique a développé des théories qui permirent ensuite nombre d’innovations scientifiques et technologiques : GPS, laser, DVD,… Retour sur les découvertes de cette incontournable personnalité du XXè siècle. Professeur de physique théorique à l'ULB et lauréat du prix Francqui 2000, le baron Marc Henneaux nous éclaire à ce sujet.

Dorian de Meeus & Jessica Flament
Comment Einstein a bouleversé la physique et nos vies quotidiennes
©IPM

En 1915, Albert Einstein (1879-1955) formulait la ‘relativité générale’ ou ‘théorie de la gravitation d’Einstein’, l’un des piliers centraux de la physique moderne. Génie incontesté et visionnaire, ce prix Nobel de physique a développé des théories qui permirent ensuite nombre d’innovations scientifiques et technologiques : GPS, laser, DVD,… Retour sur les découvertes de cette incontournable personnalité du XXè siècle.

Professeur de physique théorique à l'ULB et lauréat du prix Francqui 2000 et du Prix Quinquennal du FNRS 2011-2015, le baron Marc Henneaux était l’Invité du samedi de LaLibre.be le 29 août dernier. Notre rédaction vous propose de redécouvrir cet entretien.


Comment Einstein a bouleversé la physique et nos vies quotidiennes
©Christophe Bortels

Comment Albert Einstein a-t-il posé les fondations de la physique actuelle en 1915 ?

Il y a eu deux grandes révolutions de la physique moderne : la mécanique quantique et la relativité, qui culmine avec la relativité générale ou théorie de la gravitation d’Einstein. La gravité avait déjà été bien étudiée auparavant, depuis les travaux de Newton qui se basaient sur ceux de Galilée. Mais la théorie de Newton n’était pas compatible avec les travaux remarquables d’Einstein sur la relativité. En 1905, Einstein a en effet développé la théorie de la relativité restreinte qui prédit qu’aucun signal ne peut se propager plus vite que la lumière. Un postulat qui a été abondamment vérifié scientifiquement. Or la théorie de Newton prédisait des interactions se propageant à une vitesse supérieure à celle de la lumière…

Comment peut-on résumer la théorie de la relativité générale en 1915 ?

Einstein a mis dix ans pour développer une nouvelle théorie qui fasse la synthèse entre la relativité restreinte de 1905 et la gravitation. En résultera la théorie de la relativité générale. Pour Newton, si on lâchait un objet, il tombait sur terre car la Terre exerce une force sur l’objet. Einstein voit les choses différemment. Pour lui, la présence d’un objet massif va déformer l’espace-temps autour de lui. C’est cette déformation de l’espace-temps qui va faire que l’objet va tomber. On peut illustrer ce concept en prenant l’image d’une balle posée sur un drap tendu. La balle va déformer le drap de la même manière que l’objet massif va déformer l’espace-temps. Selon Einstein, la gravitation se manifeste donc comme la géométrie de l’espace et du temps, qui deviennent des entités dynamiques.

Cette théorie a eu un impact inattendu, celui d’alimenter la science-fiction.

Einstein a fait l’hypothèse que le temps n’avançait pas de la même manière partout. Si l’on place une horloge sur Terre et une horloge à des milliers de kilomètres de la Terre, l’horloge sur Terre retardera par rapport à l’autre car la gravitation y est plus intense. A partir de cette relativité du temps, on peut imaginer des situations extrêmes où il serait possible de revenir dans son passé. Mais si on regarde de plus près ces solutions qui violent la causalité à l’échelle macroscopique, elles ont de nombreux aspects non physiques. Les scientifiques ne les prennent donc pas au sérieux. Il est vrai qu’un astronaute qui voyage peut revenir sur terre plus jeune que ceux qui y sont resté! Mais l’effet est négligeable. Pour qu’il soit perceptible, il faudrait une accélération qui permette d’atteindre des vitesses proches de celle de la lumière, ce qui nécessiterait des quantités d’énergie que nous ne pouvons pas produire.

Notre vie quotidienne - GPS, CD, DVD, laser,… - est truffée d’innovations issues du génie d’Einstein.

Einstein avait développé ses théories pour comprendre les choses au niveau fondamental, guidé par la curiosité. Néanmoins, comme pour beaucoup de percées en sciences, des applications concrètes en ont résulté. C’est ce qu’on appelle parfois avec une certaine ironie « l’utilité de la connaissance inutile ». Savoir que le temps ne s’écoule pas de la même façon sur Terre que sur un satellite nous a permis de programmer correctement ces derniers afin que les GPS fonctionnent sans accroc. Si nous n’avions pas tenu compte de cet effet, les GPS donneraient rapidement une mauvaise position – en fait, ils feraient une erreur de l’ordre de 15 km après 24 heures !

Einstein fait partie de notre vie quotidienne en somme…

Oui, car il a - avec d’autres scientifiques comme Schrödinger, Heisenberg, Planck – aussi beaucoup contribué au développement la mécanique quantique, qui décrit le monde à l’échelle des molécules, des atomes et des particules subatomiques. Toute l’électronique d’aujourd’hui est basée sur les principes de cette théorie. Les lasers ou les téléphones portables ne seraient pas là si l’on n’avait pas compris comment la nature fonctionne au niveau microscopique.

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©REPORTERS

Einstein n’a pas décroché le Prix Nobel pour la théorie de la relativité, mais pour ses travaux sur les quanta de lumière et l’effet photoélectrique. Pouvez-vous nous éclairer sur l’importance de son travail ?

C’est l’autre pilier de la physique moderne, qui est la mécanique quantique. Elle décrit comme je l’ai indiqué le monde microscopique, tandis que la gravitation d’Einstein traite de « l’infiniment grand ». Au niveau microscopique, la nature se comporte de manière si étrange que notre intuition ordinaire ne nous permet pas de comprendre comment les choses se passent. Einstein s’est beaucoup intéressé à la nature de la lumière. Il a découvert qu’elle pouvait se comporter tantôt comme une onde tantôt comme un paquet de particules nommées quanta de lumière ou photons. Il a ensuite pu comprendre certains effets physiques grâce à cette nouvelle interprétation de la lumière.

Même s’il est à l’origine d’avancées dans le domaine quantique, Einstein a toujours entretenu des rapports assez houleux avec ce domaine scientifique.

Il y a un aspect probabiliste dans la mécanique quantique qui le dérangeait. Par exemple, la théorie prédit qu’avec des conditions initiales précises, plusieurs résultats sont possibles. Chacun ayant une certaine probabilité de se produire. Einstein a toujours été très sceptique par rapport à cette formulation des choses. Il aurait d’ailleurs déclaré que « Dieu ne joue pas aux dés ».

La mécanique quantique et la théorie de la relativité générale semblent inconciliables à l’heure actuelle.

Si l’on cherche à utiliser les deux simultanément, on aboutit à des contractions. Une probabilité doit toujours être comprise entre 0 (l’événement n’aura pas lieu) et 1 (l’événement se produira avec certitude). Or, si on calcule les probabilités de certains phénomènes dans le cadre de la théorie de la gravitation d’Einstein en utilisant les principes de la mécanique quantique, on obtient des probabilités infinies, ce qui est absurde. Deux théories qui sont en contradiction ne peuvent pas être correctes toutes les deux. On essaie donc d’en trouver une qui marierait de manière cohérente ces deux pans de la physique, de la même manière que la théorie de la relativité générale d’Einstein avait fait une synthèse cohérente entre la théorie de Newton et le concept de relativité. En sciences, toute résolution de questions conduit irrémédiablement à de nouvelles questions.

E=MC², la star des formules, est à la base de la physique nucléaire. Que nous apprend-elle exactement ?

Cette formule montre que la masse est une forme d’énergie, pouvant être convertie sous une autre forme, et constituant de ce fait une énorme source d’énergie. C’est ce qui ce passe dans les réactions nucléaires, où l’énergie de masse peut être transformée en une autre forme d’énergie. Si vous mesurez les masses avant et après des désintégrations nucléaires, la différence entre ces masses est égale à l’énergie gagnée sous une autre forme (chaleur qui peut être elle-même transformée en électricité) lors de ce processus. La mécanique quantique est cruciale pour comprendre les réactions nucléaires.

Contrairement à certaines idées reçues, Einstein n’est pas l’inventeur de la bombe nucléaire ?

Non, mais il est impossible de produire une bombe nucléaire sans maîtriser la mécanique quantique. Il faut insister sur le fait que la mécanique quantique n’a pas été développée pour créer la bombe nucléaire. Mais comme d’autres physiciens, Einstein a très vite perçu le danger que représenterait l’éventuelle création d’une bombe nucléaire à base d’uranium. Prévenu par des collègues européens, il craignait que des physiciens allemands soient forcés par le régime nazi de développer une telle technologie. C’est la raison pour laquelle – se sachant influent - Einstein a lui-même alerté par écrit le président américain Roosevelt d’un tel danger. Dans sa lettre, il incite les Etats-Unis à également développer un programme nucléaire. Son intention était humaniste, puisqu’il percevait bien les dégâts immenses que pouvait créer une telle arme entre des mains ennemies.

Il a aussi laissé des traces dans d’autres domaines scientifiques, comme la cosmologie.

L’un des domaines d’application de la relativité générale – aussi appelée la Théorie de la gravitation d’Einstein – c’est la cosmologie, car la gravitation est la force dominante à grandes distances. La gravitation a ceci de particulier que rien ne peut l’écranter car il n’y a pas d’antigravitation correspondant à une répulsion annulant l’attraction gravitationnelle qui nous est familière. En d’autres termes, pour comprendre et développer la cosmologie, il fallait intégrer la théorie d’Einstein. C’est lui qui a donné la clé pour comprendre l’évolution de l’univers dans un cadre scientifique.

Mais voilà, Albert Einstein était ennuyé que sa théorie n’admette pas de solution représentant un univers statique tel qu’imaginé au début du XXè siècle… Il ne croyait pas à sa propre équation ?

Non. Les idées philosophiques en vogue à l’époque étaient que l’univers était statique et immuable. Einstein, gêné d’élaborer une thèse qui prédise un univers en expansion, va modifier ses équations en intégrant la constante cosmologique afin d’obtenir des solutions statiques dans le temps. Par la suite, on observera que l’univers est bel et bien en expansion. Einstein aurait dit qu’il a fait là « la plus grande erreur de sa vie ». Cela dit, par la suite, on a découvert que la constante cosmologique n’était pas nulle, mais très petite, dans notre univers en expansion.

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©REPORTERS

Peut-il encore aujourd'hui être considéré comme le plus grand génie de l'histoire récente ?

Un tel jugement est toujours difficile à faire… Einstein était certainement une personne géniale, hors du commun, qui a marqué de manière extraordinaire le développement de la physique sur beaucoup de fronts. Ajoutez à cela son impact dans la société qui a de loin dépassé l’univers des physiciens. C’est un parcours unique.

Pour un jeune physicien, reste-t-il encore suffisamment d’inconnues scientifiques pour espérer pouvoir un jour le détrôner ?

Oui, je crois. La science est un univers ouvert où il y a constamment de nouvelles questions très importantes qui sont soulevées. Là où on cale, un jeune génie pourrait trouver la solution en cherchant dans des directions qui n’ont pas encore été exploitées. Il faut pour cela des esprits frais et non-pollués par des idées existantes. C’est vrai pour toutes les sciences, pas uniquement pour la physique. De jeunes mathématiciens découvrent régulièrement des choses extraordinaires.

Homme brillant et visionnaire, Einstein était aussi réputé pour être un époux et père médiocres. Que faut-il selon vous retenir de l’homme ?

Retenons que c’était un grand humaniste et pacifiste. Ainsi par exemple, après 14-18, les savants allemands étaient exclus des rencontres internationales. N’ayant pas la nationalité allemande, Einstein ne faisait pas l’objet de ces sanctions, mais il n’acceptait pas qu’on mette à l’écart les scientifiques sur base de leur nationalité. Aussi, refusait-il de participer à ces rencontres internationales – dont les célèbres conseils de l’Institut Solvay soumis aux mêmes contraintes de 1918 à 1926 – tant que les savants allemands en étaient écartés. A ses yeux, la science devait être au-dessus des nationalismes.

Solvay
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Justement sur la photo ci-dessus prise à Bruxelles en 1911, l’on voit Einstein au sein du conseil de l’Institut Solvay. Il avait d’autres attaches avec la Belgique ?

Il avait des rapports étroits et fréquents avec la Belgique au travers des conseils Solvay (avant 1914 et après 1926), mais il avait aussi un oncle anversois qui a financé en partie ses études à Zurich. Cet oncle avait une famille, et des proches d’Einstein vivent toujours en Belgique. Lors de ses visites, il a aussi noué des relations étroites avec la Reine Elisabeth, également originaire de Bavière. Ils partageaient une passion pour la musique. Enfin, il a vécu au Coq-sur-Mer et c’est de Belgique qu’il a rejoint l’Amérique en paquebot en 1932.

Pour quelle raison le FBI a-t-il suivi Einstein à la trace dès son arrivée aux Etats-Unis et jusqu’à sa mort ?

Etre pacifiste en 1932 était parfois assimilé à du militantisme communiste. J’imagine que les propos pacifistes d’Einstein l’ont sans doute rendu suspect aux yeux du FBI. C’était un homme engagé sur le plan politique. Il était très préoccupé par le sort des Juifs après la guerre 40-45 et il s’était prononcé en faveur de la création de l’Etat d’Israël. On lui a d’ailleurs proposé en 1952 de devenir le premier Président d’Israël, ce qu’il aurait décliné en affirmant qu’il avait des choses plus importantes à faire dans le domaine scientifique.


Entretien : Dorian de Meeûs et Jessica Flament