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I Comment Einstein a changé le monde Comment Einstein a changé le monde Jean-Cl

I Comment Einstein a changé le monde Comment Einstein a changé le monde Jean-Claude BOUDENOT Préface de Claude COHEN-TANNOUDJI E l SCIENCES 7, avenue du Hoggar Parc d’Activités de Courtabceuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France Illustration de couverture : Photographie d‘A. Einstein O Hulton Archive / Stringer. ISBN : 2-86883-763-8 Tous droits de traduction, d‘adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les << copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective » , et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, << toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite x (alinéa le‘ de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal. O EDP Sciences 2005 2 À la mémoire de mon père Comment Einstein a changé le monde 3 Préface C’est en 1905, son <( année miraculeuse » , qu’Einstein a publié plusieurs articles qui ont été à l’origine de pratiquement tous les développements de la physique du vingtième siècle. Pour célébrer cet anniversaire, l’année 2005 a été déclarée par l’ONU «année internationale de la physique ». L’œuvre d’Einstein, au cœur des bouleversements scienti- fiques et technologiques qui marquent l’histoire de l’humanité, sa fasci- nante personnalité, la haine dont il a été l’objet dans la tourmente des années trente et quarante en font une véritable figure emblématique : les physiciens, les historiens et les philosophes sont loin d’avoir dressé l’inventaire complet de l’immense héritage qu’il nous lègue. Plus modestement, l’intention de cette année internationale de la physique est de prendre appui sur le prestige qui s’attache au père de E=rnc2 pour s’adresser à un large public et l’amener à s’interroger sur les finalités et les enjeux, les difficultés, voire les risques de l’aventure scientifique. L’ouvrage de Jean-Claude Boudenot participe pleinement de cette intention. Après quelques rapides, mais précises indications sur la bio- graphie d’Einstein, il s’attache à faire le point des trois domaines de la physique qui ont été profondément marqués par les contributions du jeune Einstein : la théorie de la relativité, celle des quanta et la concep- tion atomique du monde. Pour chacun de ces domaines, Jean-Claude Boudenot retrace l’histoire des idées et des problématiques qui faisaient débat parmi les physiciens du début du vingtième siècle ; il met en évidence ce qui est la marque distinctive d’Einstein, l‘audace avec laquelle il enchaîne ruptures épistémologiques et remises en causes fondamentales et enfin il montre l’immense fécondité de ces avancées, Comment Einstein a changé le monde une fécondité qui encore actuellement est riche de nouveaux dévelop- pements. Dans le domaine qui est le mien, celui de la manipulation des atomes et des fondements de la théorie des quanta, cet ouvrage m’a per- mis de prendre la mesure du chemin parcouru, en particulier grâce à l’apport d’Einstein, depuis le temps où des physiciens et philosophes d’inspiration positiviste niaient l’existence même des atomes et où la découverte des quanta d’énergie ressemblait à un défi au bon sens, jusqu’aux perspectives qu’ouvrent aujourd’hui les recherches sur les condensats de Bose-Einstein, sur les lasers à atomes et sur l’information quantique. Claude Cohen-Tannoudji 6 Préface bornmaire Préface .................................................................................. Introduction ........................................................................ 1 . Einstein. l'homme du siècle ....................................... Enfance et années d'études ........................................................................ Premières recherches .................................................................................. 1905 . l'année miraculeuse ......................................................................... Professeur à Berlin ...................................................................................... Einstein médiatisé ....................................................................................... Einstein. père de la bombe ? ..................................................................... Dernières années ......................................................................................... 2 . 1905 : un tournant décisif ........................................... L'héritage de Newton ................................................................................. XIXe siècle : le siècle de la science ............................................................ La physique en révolution ......................................................................... Les premiers pas d'Einstein en physique ............................................... 2 ... .. 3 - E = mc . deja un siecle ................................................. L'origine de l'équivalence masse-énergie .............................................. Einstein annonce l'équivalence masse-énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Première vérification de l'équivalence masse-énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Une conséquence surprenante : l'antimatière ........................................ E . mc2 au quotidien : de l'énergie nucléaire à la médecine ............... 4 . Des atomes à l'infiniment petit ................................. Les atomes : une bataille de cent ans ....................................................... Robert Brown. un botaniste au service de la physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstein interprète le mouvement brownien ......................................... Vérifications expérimentales .................................................................... 5 9 13 13 16 18 23 26 28 30 33 33 38 41 42 45 45 48 50 53 57 63 63 66 69 73 Comment Einstein a changé le monde 7 Les atomes aujourd’hui .............................................................................. 75 78 Des atomes aux particules fondamentales ............................................. 5 . La relativité restreinte dans l’air du temps ............. 83 Des faits troublants .................................................................................... 83 88 Le temps relatif ! .......................................................................................... 93 96 De riches applications ................................................................................ 101 Qu‘est ce que la relativité ? ....................................................................... La relativité : Einstein, Lorentz ou Poincaré ? ....................................... 6 . La relativité générale et l’infiniment grand ........... 103 Un coup de génie : la généralisation de la relativité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La relativité générale au service de l‘astrophysique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La relativité au service de la cosmologie ................................................ 103 La relativité générale confirmée ............................................................... 108 116 122 7 . Un siècle de quanta ..................................................... 135 Une constante encombrante ...................................................................... 135 L’interprétation d‘Einstein ........................................................................ 138 Vers un monde discontinu ........................................................................ 141 Vers un monde dual ................................................................................... 143 Des usines à photons. les lasers ............................................................... 149 155 158 Un nouveau type de laser. le laser à atomes .......................................... Quelques autres conséquences de la mécanique quantique .............. 8 . 2005. vers une nouvelle ère ........................................ 163 Résumons-nous ........................................................................................... 163 Le modèle standard .................................................................................... 167 Vers l‘unification ........................................................................................ 172 Liste des noms cités ........................................................... 177 Prix Nobel de physique (1901-2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Remerciements ................................................................... 187 8 Sommaire Introduction Einstein, l’homme du siècle Lorsque Albert Einstein rencontra Charlie Chaplin, il s’exclama : cc Vous L‘tes célèbre car tout le monde vous comprend, je le suis car personne ne me comprend ! )> L’immense célébrité d’Einstein est en effet très surprenante en regard de ses travaux, certes fondamentaux, mais réservés a priori un cercle restreint de physiciens théoriciens. La médiatisation d’Einstein est peut être liée à l’objet même de ses recherches : (c Je veux savoir comment Dieu a créé ce monde, je ne m‘intéresse pas à tel ou tel phénomène, au spectre de tel ou tel élément : Je veux connaître Ses pensées, le reste n‘est que détail. M Ainsi peut-on suggérer que la célébrité d’Einstein est plus une affaire de religion que de science. I1 s’est posé la question que tout le monde se pose ; pourquoi le monde existe t-il, d’où vient-il, pourquoi sommes-nous là pour poser ces questions ? Le magazine Time a fait une longue enquête pour savoir quel est la personne ayant le mieux personnifié le XXe siècle ; Freud, Gandhi, Churchill, Hitler, Einstein, Mao, Picasso, Marilyn Monroe, le Ché, Roosevelt, Martin Luther King, mère Térésa, Jean-Paul II, Margaret Thatcher, l’Imam Khomeyni, Gorbatchev, Nelson Mandela, Bill Gates, la Princesse Diana ? Le résultat a été Einstein. Ce magazine s’est ensuite posé la question de savoir quelles auraient pu être les cc personnes du siècle >) pour chacun des siècles du deuxième millénaire. I 1 est intéressant d’examiner la liste proposée : William le conquérant (XIe siècle) ; Saladin (XIIe siècle) ; Genghis Khan (XIIF siècle) ; Giotto (XIVe siècle) ; Gutenberg (XV‘ siècle) ; la Reine Elizabeth I (XVIe siècle) ; Newton Comment Einstein a changé le monde 9 ( X V F siècle) ; Jefferson (XVIIIe siècle) ; Edison (XIXe siècle). I 1 est admirable d’y voir apparaître Newton; ainsi les deux plus grands physiciens de tous les temps (qu’il serait difficile de départager) sont des (< hommes du siècle ». Des centaines de biographies ont été consacrées à Einstein, ses travaux, sa vie et sa pensée ont été analysés dans les moindres détails. I 1 faut toutefois savoir qu’une biographie d’Einstein écrite dans les années 60 n’est pas comparable uploads/Industriel/houssem-einstein-a-change-le-monde-pdf.pdf