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L'année miraculeuse d'Einstein : 1905

4 articles publiés dans Annalen der Physik 

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 01 juin 2013

Albert Einstein est né le 14 mars 1879 à Ulm, moyenne cité du Wurtemberg en Germanie. Einstein se posait des questions toutes simples, comme les enfants et ces questions ont révélé chez lui, des vérités insoupçonnées. Il cherchera toute sa vie, l'ordre caché derrière l'apparence des phénomènes. Chez Einstein, la conception du monde, du temps, de la réalité, est inscrite dans l'arborescence cérébrale. Ces liens nous permettent d'interpréter ce que nos sens perçoivent. Par exemple, Il s'est demandé comment lui apparaitrait le monde, s'il tombait en chute libre dans un ascenseur. Einstein se forme tout seul en lisant les textes des plus grands physiciens de l'époque (Maxwell, hertz, Planck). Il veut faire de la recherche. Après ses études à l'école polytechnique de Zurich, en 1902, il travaille au bureau des brevets à Berne. Depuis 1905, E=mc2 est la formule mathématique la plus célèbre, Einstein n'a que 26 ans. Il publie cette année là, cinq articles, qui ont révolutionné la physique. Parmi ces articles, il y a sa thèse qui étonnement, ne fait que 23 pages, il la passe à l'université de Zurich et il développe dans ses 23 pages, une méthode assez nouvelle de mesure des quantités relatives aux molécules. Cette thèse est intitulée Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen (« Une nouvelle détermination des dimensions moléculaires ». Il obtient son diplôme de doctorat le 15 janvier 1906. Les 4 autres articles qui ont fait sa popularité, seront publiés dans la plus grande revue allemande, "Annalen der Physik". L'université allemande a su voir dans les articles d'un inconnu, même pas soutenu par son directeur de thèse, une vision révolutionnaire de la physique. Le premier article, publié en mars 1905, est révolutionnaire. Einstein l’intitule "Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière".

nota : Heuristique, veut simplement dire qu'on ne mène pas la recherche de façon rigoureuse, selon les lois scientifiques, mais indique une voie de recherche vers laquelle, il y a quelque chose à trouver.

 

La lumière définie par Maxwell, est considérée depuis 1840, comme une onde, tel le son qui se propage dans l'air. Mais si l'on fait disparaitre l'air, le son disparait, la lumière, elle, continue de se propager. La lumière se propage dans le vide de l'espace mais pas le son. Les physiciens du 19è siècle inventent l'éther,  substrat immatériel qui sert de support dans le vide pour véhiculer la lumière. A la fin du 19è siècle, deux physiciens, Albert Abraham Michelson (1852-1931) et Edward Williams Morley (1838-1923) cherchent à déterminer ce flux de l'éther, en mesurant la vitesse de la lumière. La vitesse de la lumière doit être différente compte tenu du mouvement de la Terre dans l'espace. Ils s'attendaient à mesurer une variation, même minime de cette vitesse, mais le résultat fut surprenant, tous les rayons de lumière avaient la même vitesse.
La lumière ne respecte pas la loi de la composition des vitesses. En décembre 1900, Max Planck résout l'énigme du corps noir, sa formule décrit parfaitement la lumière qu'émet un corps en fonction de sa température. Mais Planck est désespéré, son équation semble contredire la nature même de la lumière. Il n'a qu'un pas à franchir pour dire que la lumière ne se comporte plus comme une onde, mais il ne le franchit pas, il y voit une bizarrerie mathématique.
Au début du 20è siècle, une nouvelle définition de cette lumière s'impose, mais qui aura le courage de tout remettre en question ?
Il fallait un esprit rebelle, révolutionnaire et non conformiste pour renoncer aux acquis de la physique.
Albert Einstein saisit sa chance en 1905, il trouve qu'il y a une incompatibilité entre les équations de Maxwell et les hypothèses de Planck. Il fallait des petits grains (quanta) de lumière pour que les hypothèses de Planck soient correctes, et il conclut en énonçant que la lumière se comporte à la fois comme une onde et un flux de particules. Max Planck, directeur de la revue, Annalen der Physik, apporte sa caution scientifique à Einstein. Ce n'est qu'en 1920, que ces grains élémentaires "quanta" furent appelés, "photons".

 Albert Einstein

Image : Il fallait un esprit rebelle, révolutionnaire et non conformiste pour renoncer aux acquis de la physique.
Albert Einstein, fit une analyse du concept du temps.
Il n'y a pas de grande horloge universelle, c'est ce que raconte sa théorie.
Sa célébrité n'apparaitra qu'en 1909.

Le mouvement brownien

    

En mai 1905, Einstein publie, toujours dans la grande revue allemande, "Annalen der Physik", un deuxième article, assez subtil, sur le mouvement brownien, décrit par Robert Brown en 1827. Ce botaniste remarque dans la nature, que des pierres contiennent de l'eau, dans laquelle il y a des grains de pollen. Ces grains de pollen bougent alors qu'ils sont enfermés depuis des millions d'années. Comment se fait-il, que ces grains de pollen bougent ?
De la même façon des gouttes d'encre dans un liquide, se diluent du fait de l'agitation permanente des particules. C'est cela le mouvement brownien. Depuis plus de 70 ans aucun physicien n'a pu expliquer ce phénomène car l'existence des molécules, ces petites particules, n'étaient pas découvertes.
Le mouvement brownien est expliqué en 1900, par Einstein, par Marian Smoluchowski et par Louis Bachelier. Le mouvement que font les pollens en suspension dans l'air, par exemple, dans un rayon de soleil traversant une forêt ombragée, s'explique par l'existence de molécules. Einstein explique ce mouvement brownien par l'hypothèse moléculaire et atomique et calcule la taille des molécules.

 

Selon Einstein, les molécules tireraient leur énergie cinétique de la chaleur. Le mouvement des particules et la température sont liés. La température provoque un mouvement désordonné des particules.
Cet article fournit une preuve théorique de l’existence des atomes et des molécules.
Ce sont les travaux de Jean Baptiste Perrin qui, en 1908 vérifieront les prédictions d'Einstein.
On a "vu" les atomes que dans les années 1980, grâce aux télescopes électroniques.

Nota : Le mouvement brownien a été décrit pour la première fois en 1827 par le botaniste Robert Brown, en observant les mouvements des grains de pollen de Clarkia pulchella (une espèce de fleur sauvage nord-américaine).
Le mouvement brownien ou processus de Wiener est une description mathématique du mouvement aléatoire d'une « grosse » particule immergée dans un fluide et qui n'est soumise à aucune autre interaction, que des chocs avec les « petites » molécules du fluide environnant. Il en résulte un mouvement désordonné, de la grosse particule.

 mouvement brownien d'une particule

Image : Mouvement brownien d'une particule est un mouvement désordonné, très irrégulier de la grosse particule se cognant sur les petites particules.

La mort de l'éther

    

En septembre 1905,  et toujours dans la revue allemande, "Annalen der Physik", parait le troisième article d'Einstein. Ce troisième article qui s'intitule "’électrodynamique des corps en mouvement", est encore plus révolutionnaire, car l'intuition d’Einstein va rompre avec la physique newtonienne.
Einstein s’attaque au postulat d’un espace et d’un temps absolus, tels que définis par la mécanique de Newton. Il s'attaque aussi à l’existence de l’éther, milieu interstellaire inerte qui devait soutenir la lumière, comme l’eau ou l’air soutiennent les ondes sonores, dans leurs déplacements.
Cet article porte le princeps de la théorie de la relativité restreinte. ΔE=Δmc2, Einstein a redéfini certaines lois de la nature, mais sa théorie a des limites, c'est pour cela qu'elle s'appelle théorie de la relativité restreinte. C'est seulement lorsque des objets passent à grande vitesse, en ligne droite à côté de l'observateur, qu'ils rétrécissent et que les horloges ralentissent.

 

Cet article amène à deux conclusions : l’éther n’existe pas, et le temps et l’espace sont relatifs. Einstein édifie ces deux notions que sont l’espace et le temps. De nombreux historiens des sciences rappelle le travail des prédécesseurs, Hendrik Antoon Lorentz et Henri Poincaré en ce qui concerne la relativité restreinte.
L’apport exact d’Einstein par rapport à Henri Poincaré et quelques autres physiciens est aujourd’hui assez controversé.

Image : représentation simplifiée de l'espace sur une surface plane bidimensionnelle courbée par la gravité. Quand l'espace augmente la surface s'étire et se courbe.
La théorie de la relativité appartient à une théorie encore plus vaste que nous ne comprenons pas encore.
"Il est absolument possible qu'au delà de ce que perçoivent nos sens, se cachent des mondes insoupçonnés." Albert Einstein prix Nobel en 1921.

 l'espace temps courbé par la gravité

Inertie de l'énergie

    

Le dernier article de cette année là, dérive de l'article précédent, il contient à peine deux pages, et il est publié immédiatement après le troisième en septembre 1905. Cet article est intitulé "Inertie de l'énergie", et se termine, non pas par E=mc2 mais par ΔE=Δmc2. La variation du contenu énergétique d'un système est égale à la variation de masse, multiplié par c2, la vitesse de la lumière. Cette idée explique que lorsque qu'un corps massif absorbe de l'énergie, sa masse est modifiée. Cette énergie est donc calculée en multipliant la masse par le carré de la vitesse de la lumière. On comprend alors que la puissance de l'énergie contenue dans la matière est gigantesque, même quand un corps est inerte.
E
est l'énergie exprimée en joule, m la masse en kg et c la vitesse de la lumière en m/s. Les physiciens comprennent alors que La masse recèle une énergie cachée, énorme. L’énergie cachée, correspondant à 1 kg de matière est considérable, car elle atteint 9×1016 joules (1kw/h = 3 600 000 J). Cela correspond à l’énergie produite par un réacteur nucléaire d'une puissance de 1 400 MW pendant deux ans environ.

 

Alors que cette formule est considérée comme une simple possibilité théorique, les physiciens de l'atome constatent que les protons et neutrons sont liés les uns aux autres, par une incroyable force.
Cette force explique le fonctionnement de notre Soleil et l'énorme puissance de destruction de la bombe atomique.
Le Soleil émet sans arrêt, depuis 4,57 milliard d'années, de l'énergie. Le flux de photons qu'il envoie dans l'espace lui fait perdre de la masse et cela va durer encore 5 milliards d'années.
Le Soleil (ci-contre) tire son énergie des réactions de fusions nucléaires, qui transforment l'hydrogène en hélium, dans son noyau, à une température de 15 millions de degrés. La consommation c'est à dire la perte de masse du Soleil est de 4 millions de tonnes d'hydrogène par seconde, en effet il transforme 564 millions de tonnes d'hydrogène en 560 millions de tonnes d'hélium. Ce réacteur thermonucléaire est vraiment monstrueuse, elle produit une énorme source d'énergie de 380 milliards de milliards de mégawatts.
Ce phénomène repose sur la formule E=mc2.

 protubérance solaire

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