Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

P H Y S I Q U E Einstein aujourd’hui Alain ASPECT François BOUCHET Éric BRUNET

P H Y S I Q U E Einstein aujourd’hui Alain ASPECT François BOUCHET Éric BRUNET Claude COHEN-TANNOUDJI Jean DALIBARD Thibault DAMOUR Olivier DARRIGOL Bernard DERRIDA Philippe GRANGIER Franck LALOË Jean-Paul POCHOLLE S A V O I R S A C T U E L S www.biblio-scientifique.net www.biblio-scientifique.net Einstein aujourd’hui S A V O I R S A C T U E L S EDP Sciences/CNRS ÉDITIONS www.biblio-scientifique.net Illustration de couverture : Photographie d’A. Einstein (1905). c ⃝Hebrew University of Jerusalem. Archives, California Institute of Technology. c ⃝2005, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A et CNRS ÉDITIONS, 15, rue Malebranche, 75005 Paris. Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utili- sation collective, et d’autre part, les courtes citations justiﬁées par le caractère scientiﬁque ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35. ISBN EDP Sciences 2-86883-768-9 ISBN CNRS Éditions 2-271-06311-6 www.biblio-scientifique.net Avant-propos Par Michèle Leduc et Michel Le Bellac E n 1905, Einstein publiait une série d’articles fondateurs sur la relativité, les quanta lumineux et le mouvement brownien. Un siècle après cet « an- nus mirabilis », il nous a paru intéressant de demander à quelques physiciens français de renom de donner leur point de vue sur l’apport d’Einstein à la physique de ce début du XXIe siècle. Nous avons choisi de ne pas nous limiter à l’année 1905, mais nous avons pris en compte l’ensemble de l’œuvre scienti- ﬁque d’Einstein jusqu’au milieu des années 1930. En eﬀet ses derniers travaux passés à la postérité sont d’une part celui sur les fondements de la mécanique quantique, eﬀectué en collaboration avec Podolsky et Rosen et connu sous les initiales « EPR » (1935), et d’autre part celui sur les lentilles gravitation- nelles (1936). Le panorama dressé dans ce livre permet de juger de la diversité impressionnante des sujets abordés par Einstein. Parmi les plus marquants, citons : Quanta : quanta lumineux (1905) ; chaleur spéciﬁque des solides (1907) ; émis- sion stimulée de rayonnement (1917) ; condensation de Bose-Einstein (1923). Relativité : relativité restreinte (1905) ; énoncé du principe d’équivalence (1907) ; relativité générale (1916). Fluctuations : mouvement brownien (1905) ; théorie des ﬂuctuations thermo- dynamiques (1910). Fondements de la mécanique quantique : article EPR, débats avec Niels Bohr (1935). Cosmologie : principe cosmologique et constante cosmologique (1917) ; modèle d’Univers en expansion d’Einstein et de Sitter (1932). Ces travaux ont non seulement ouvert la voie à une bonne partie de la physique du XXe siècle, mais ils continuent encore aujourd’hui à avoir un impact dans des domaines parfois inattendus : ainsi il a fallu attendre près de 50 ans, avec les travaux de John Bell et les expériences qui ont suivi, pour que soit reconnue l’importance de l’intrication des systèmes quantiques. Ce n’est qu’en 1995 qu’a été vériﬁée sans ambiguïté la prédiction de la condensation www.biblio-scientifique.net iv M. Leduc, M. Le Bellac de Bose-Einstein. Et Einstein n’avait sûrement pas envisagé que la relativité serait indispensable pour notre système de navigation GPS, un outil qui fait partie maintenant de notre vie quotidienne. Ce livre contient sept contributions. La première est une introduction his- torique écrite par Olivier Darrigol, qui décrit en détail la genèse des articles fondateurs de 1905, et plus succinctement celle des travaux ultérieurs. On constatera combien Einstein, loin de l’image du savant solitaire isolé dans son bureau des brevets à Zürich, était parfaitement au courant des grandes interrogations de la physique de son époque et des travaux de ses grands contemporains (Lorentz, Poincaré, Planck, Mach, ...) tout en « les dépassant par l’ampleur et la radicalité de ses points de vue », comme le souligne Olivier Darrigol. Les trois contributions suivantes concernent la physique quantique, en sui- vant l’ordre historique inversé des articles fondateurs. Alain Aspect et Philippe Grangier montrent comment Einstein, Podolsky et Rosen (EPR), parallèle- ment à Erwin Schrödinger, avaient mis en lumière une particularité unique de la mécanique quantique, qui est largement connue aujourd’hui sous le nom d’intrication des systèmes quantiques. Einstein, très opposé à l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, s’était appuyé sur l’intrication aﬁn d’essayer de prouver que la mécanique quantique constituait une description incomplète de la réalité physique. Niels Bohr avait jusque là répondu brillam- ment aux objections antérieures d’Einstein, mais il ne put donner cette fois qu’une réponse alambiquée. Ce débat de géants tomba dans l’oubli pendant une trentaine d’années, et il fallut attendre les travaux de John Bell en 1964 pour que l’article EPR revienne sur le devant de la scène. En eﬀet, John Bell put montrer que les idées contenues dans cet article étaient susceptibles de vériﬁcation expérimentale. Alain Aspect et Philippe Grangier décrivent les expériences récentes qui ont permis d’invalider la conclusion immédiate du travail EPR (il faut compléter la mécanique quantique), tout en montrant en revanche combien la notion d’intrication est fondamentale : jointe aux progrès expérimentaux qui permettent de manipuler des objets quantiques individuels, elle a donné naissance à une « nouvelle révolution quantique », dont un exemple est l’information quantique. Dans l’article suivant, Claude Cohen-Tannoudji, Jean Dalibard et Frank Laloë examinent la postérité du travail de 1923, qui prédisait le phénomène appelé aujourd’hui « condensation de Bose-Einstein », le fait que des atomes d’un certain type (obéissant à la statistique de Bose) ont tendance à s’accumu- ler dans un état quantique unique à très basse température. Einstein lui-même était assez sceptique sur la possibilité de mettre cet eﬀet en évidence. Depuis les premières vériﬁcations expérimentales de la condensation de Bose-Einstein en 1995, on assiste à une explosion de travaux sur ce nouvel état de la matière. L’intérêt du phénomène vient de la relation fascinante et controversée entre superﬂuidité et condensation de Bose-Einstein, et aussi des perspectives de transposer toute l’optique aux ondes de matière, et de fabriquer des « lasers à atomes ». Enﬁn les condensats de Bose-Einstein atomiques gazeux (et les gaz www.biblio-scientifique.net Avant-propos v d’atomes fermioniques à très basse température) permettent de réaliser des systèmes modèles qui servent à tester des idées de la physique de la matière condensée dans des conditions parfaitement contrôlées. Dans la dernière contribution à cette série « quantique », Jean-Paul Pocholle fait le point sur ce qui est sans doute l’application la plus large- ment connue des travaux de 1917, le laser. L’apport conceptuel d’Einstein à la théorie de l’interaction lumière-matière est essentiel. Il a en eﬀet introduit la notion d’émission stimulée de rayonnement, qui est à l’origine du proces- sus d’émission laser ; celle-ci a vu le jour dans les laboratoires à la ﬁn des années 1950, lorsque les physiciens ont été capables de réaliser des inversions de population de niveaux atomiques ou moléculaires. Depuis lors, la techno- logie du laser a enregistré des progrès spectaculaires, allant des diodes laser à semi-conducteur de taille micrométrique jusqu’aux sources laser à verre dopé surpuissantes pour la fusion contrôlée. Les applications des lasers sont au- jourd’hui trop nombreuses pour être recensées de façon exhaustive ; ils sont devenus les compagnons de notre vie quotidienne tout autant que des outils incontournables pour la recherche. L’apport d’Einstein à la théorie du mouvement brownien et aux ﬂuctua- tions statistiques est sans doute moins connu que ses contributions à la phy- sique quantique et à la relativité. Elle n’en est pas moins essentielle, car il fut le premier à saisir le lien quantitatif entre les ﬂuctuations d’origine microsco- pique et les propriétés thermodynamiques, une idée à la base de la physique statistique moderne. Comme le montre Olivier Darrigol, sa compréhension profonde des ﬂuctuations constitue aussi le ﬁl directeur de ses travaux sur la physique quantique. Dans leur chapitre, Bernard Derrida et Eric Brunet donnent un aperçu de la variété des problèmes de physique allant de la théo- rie du mouvement brownien à celle des polymères, du théorème ﬂuctuation dissipation aux systèmes hors équilibre, qui sont dans le prolongement des travaux d’Einstein. Les deux derniers chapitres, par Thibault Damour et François Bouchet, sont des synthèses très documentées et actualisées sur la relativité générale et la cosmologie. Après la relativité restreinte en 1905, il fallut à Einstein une dizaine d’années de travail acharné pour mettre au point sa théorie relati- viste de la gravitation, ou relativité générale. Cette extraordinaire construc- tion intellectuelle connut des débuts très médiatisés en raison de l’expédition d’Eddington conﬁrmant la déviation des rayons lumineux par le Soleil. Elle fut cependant assez largement ignorée des physiciens jusqu’au uploads/Science et Technologie/ einstein-aujourd-x27-hui-edp-sciences.pdf