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E=MC2 ou Einstein, la naissance de la physique moderne

 

   Il est né le 14 mars 1879, vingt-six ans plus tard, ses travaux vont tout simplement révolutionner la science moderne. Ouvrant la voie à de nouveaux axes de recherche, il va dynamiter la structure de la lumière et de l’univers offrant au monde une nouvelle vision de l'espace et de la physique. En théorisant la relativité restreinte puis la relativité générale, Albert Einstein va bouleverser notre compréhension de l’univers.

 

 

    Obscur étudiant à l'Ecole polytechnique de Zurich dans laquelle il aura bien du mal à obtenir son diplôme par manque d’assiduité et d’appétence pour les études trop structurées, il poursuivit une carrière tout aussi obscure à l’Office des Brevets dès 1902. Allait-il rester toute sa vie un gratte-papier sans avenir ? C’était sans compter la pugnacité d’Einstein et son intérêt pour la science à laquelle il consacra son temps libre. En marge d’un travail ennuyeux, sans doute sans intérêt, il se lança corps et âme dans la recherche théorique sur laquelle il planchait déjà depuis quelques années. Trois ans plus tard, en 1905, il allait livrer au monde scientifique une bombe dont la déflagration allait renverser croyances et sciences déjà acquises. Il allait livrer au monde la théorie de la relativité restreinte dont la plus célèbre formule est mondialement connue, E=MC2.

    Que se cache-t-il derrière cette célèbre formule mathématique et pourquoi a-t-elle une telle importance ? C’est assez simple, il s’agit d’une formulation qui dit qu’il y a une certaine équivalence entre l’énergie (E) et la matière (M), C représentant la vitesse de la lumière. Pour résumer simplement, pour Einstein, matière et énergie, énergie et matière, c’est pareil (ou presque). Un exemple concret permet de facilement comprendre de quoi il en retourne. Notre Soleil a une masse (comme tout objet), il brille, il émet donc de l’énergie issue directement de cette masse. Comment obtient-il cette énergie que nous ressentons comme la chaleur du Soleil ? Voici l’explication. Le Soleil, par réaction nucléaire (transformation des noyaux des atomes), produit de l’hydrogène au rythme de 620 millions de tonnes par seconde, cet hydrogène se transforme en hélium en combinant deux atomes d’hydrogène qui donne un atome d’hélium, de la physique de base. Résultat, 615,7 millions de tonnes d'hélium chaque seconde. Mais au cœur de cette transformation se cache le mystère de E=MC2, car vous aurez noté qu'il y a moins d'hélium que d'hydrogène, pourquoi? Si on pèse deux atomes d’hydrogène avant qu’ils ne se combinent pour donner de l’hélium, on obtient une certaine masse. Une fois combinés, l’atome d’hélium qui en résulte est plus léger que les deux atomes séparés comme le prouve les données de production citées plus haut. Pourquoi cette perte de masse? Parce que cette combinaison de deux atomes a créé une énergie, énergie dont va se servir le Soleil pour briller. En produisant de l’énergie, il y a donc une perte de masse.

 

 

    Qu’en est-il alors de l’inverse, quand l’énergie devient une masse (ce qui est sans doute plus difficile à comprendre) ? Voici un autre exemple pour illustrer ce lien d’équivalence masse/énergie. Dans les accélérateurs de particules, les chercheurs propulsent des particules à des vitesses folles et cette énergie issue de ces hautes vitesses est utilisée pour créer de la matière. Comment le savons-nous ? Tout simplement en observant le résultat des chocs de particules les unes contre les autres. Qu’en résulte-t-il donc? De nouvelles particules, donc de la matière, donc matière et énergie, énergie et matière, il s’agit bien de la même chose (ou presque). Ainsi, tout objet ayant une masse a également une énergie et c’est tout simplement révolutionnaire comme découverte.   

    Evidemment, la théorie de la relativité restreinte, ce n’est pas que cela. Avant elle, le monde comptait sur trois dimensions pour analyser et comprendre le monde. La hauteur, la largeur et la longueur. Les travaux d’Einstein vont introduire un autre paramètre dont les auteurs de science-fiction feront leurs choux gras, le paramètre du temps. Avec Einstein, le monde ne se limite plus à trois dimensions, il en comporte désormais quatre. La notion de temps devient relative et dépend de conditions d’observation du fait de la vitesse de la lumière, une donnée indépassable. Faisons simple pour comprendre le phénomène. A bord d’un hypothétique vaisseau spatial, un astronaute emporte avec lui une boîte qui contient un faisceau de lumière qui se déplace constamment en se reflétant sur des miroirs, cette lumière est donc en mouvement permanent et il se déplace dans sa boîte à la vitesse de la lumière, évidemment... Ce faisceau se déplace donc à la vitesse de la lumière, c'est une chose certaine. Qu’en sera-t-il de sa vitesse si l’astronaute donne à son vaisseau une accélération fulgurante ? La vitesse du vaisseau et celle du faisceau vont-elles s’additionner et ainsi augmenter la vitesse du faisceau lumineux ? Quand bien même pourrait-il pousser son vaisseau à de folles vitesse spatiales, la vitesse du faisceau lumineux restera la même, c'est-à-dire celle de la vitesse de la lumière dans le vide qui est une valeur indépassable, en physique, on parle de constante C pour la définir. De cette expérience, comme d’autres, la science-fiction se nourrira pour parler de voyages dans le temps et de paradoxes temporels que nous apprécions tant au cinéma ou dans la littérature.

 

    1905 fut donc une grande année pour Einstein comme pour la science. Et en 1915, Einstein et ses collaborateurs, les mathématiciens Marcel Grossmann et David Hilbert récidivèrent en livrant au monde la théorie de la relativité générale qui allait redéfinir les lois de la gravitation émises par Isaac Newton et utilisées jusque là en physique. Dans une version courte et épurée, on peut dire qu’avec la relativité générale on comprend qu’un astre déforme l’univers (tous les astres déforment l'univers) et que plus il est massif, plus il le déforme et produit ce qu’on nomme une courbure de l’espace-temps. Un astre si massif qu’un trou noir déforme tellement l’espace-temps qu’il attire tout ce qui passe à ses côtés sans aucune chance pour lui résister. Même la lumière est piégée par un trou noir.  

 

Illustration de la déformation de l'espace-temps, un corps déforme chaque

point de l'espace qui l'entoure de par sa masse. C'est force la de gravité 

qui prouve la courbure de l'espace-temps.   

 

 

 

 

    On a tendance à croire que les expériences scientifiques ne servent à rien, qu’elles ne remplissent que la cervelle des chercheurs farfelus. Il n’en est rien et par exemple, sans les théories d’Einstein, le système de GPS ne fonctionnerait pas, sans une rectification issue des équations d’Einstein, il y aurait une erreur de 10 kilomètres dans le résultat de nos GPS, autant dire qu’ils seraient inutilisables. Pour comprendre le phénomène, je vous invite à regarder cette vidéo

https://www.youtube.com/watch?v=V51dGqHw_24&ab_channel=Lesicsfran%C3%A7ais.

 

    Après tant d’exploits scientifiques, faut-il pour isoler Einstein au sommet de l’Olympe de la science et en faire le seul génie de la recherche moderne ? Non, ce serait trop vite oublier les autres grands noms de la physique. Newton, Paul Dirac, Schrödinger, Heisenberg, Planck, Niels Borh, Fermi ou Rutherford et j’en oublie bien sûr. Ils ont tous une place au Panthéon des immenses physiciens qui ont consacré leur existence à une seule quête, à une seule œuvre, celle de la connaissance. Quelle fascinante perspective! Cependant, Einstein tient une place particulière dans le monde des physiciens et plus généralement des chercheurs, il est devenu, à juste titre, une personnalité populaire, une sorte d’oncle savant récupéré par la pop-culture, une icône de la science. Ses travaux sont gigantesques et leurs répercutions énormes, d’où l’importance de ses découvertes pour le monde, d’où la popularité de E=MC2, équation si méconnue et du visage d’Einstein, faciès si connu de par le monde. Einstein était un immense chercheur, ses théories sont toujours utilisées, toujours d'actualité, même si l'univers conserve de nombreux mystères, qu'est-ce qui a engendré la matière? Qu'y avait-il avant le Big Bang? Pourquoi quelque chose plutôt que rien? Y a-t-il d'autres univers? Mais cela est une autre histoire...