Le génie d'Einstein

Si la vie d'Einstein a été extraordinaire, son génie l'a été encore plus! Je vais vous raconter, à ma façon, sans calculs ni équations, quelques évènements et travaux du plus grand mathématicien et astrophysicien du 20 ème siècle.

La double nature de la lumière

En 1905, Einstein révéla la double nature de la lumière: elle est constituée d'ondes électromagnétiques et elle est aussi constituée de particules, les photons. 

 

Lorsqu'une source lumineuse frappe une plaque métallique, les photons de cette source lumineuse arrachent des électrons de la plaque (sur la figure, les deux électrons arrachés sont au- dessus de la plaque). C'est l'effet photoélectrique qui valut à Einstein son prix Nobel en 1921.

Einstein et la physique quantique

Plus généralement dans la physique quantique la matière est constituée de quanta (quantités minimales) et à partir d'une situation donnée plusieurs issues sont possibles avec une certaine probabilité. Einstein ne l'admettait pas et le proclama au congrès de Solvay en 1927:

Einstein interpella Niels Bohr, l'un des fondateurs de la physique quantique:" Dieu ne joue pas aux dés". Bohr agacé lui répondit:"Qui êtes-vous, Einstein, pour dire à Dieu ce qu'il doit faire!"

 

La courbure de la lumière

L'une des prédictions les plus étonnantes de la théorie de la relativité générale d'Einstein est la courbure de la lumière lorsqu'elle passe au voisinage d'un corps massif, le Soleil par exemple:

Cet effet fut observé lors de l'éclipse de Soleil de 1919 par Sir Arthur Eddington:

Einstein et Sir Arthur Eddington

            

Eddington observa des étoiles situées dans l'amas des Hyades avant et pendant l'éclipse, il mesura les modifications de leurs positions apparentes prédites par Einstein.

 

Les lentilles gravitationnelles

Comme le Soleil, tout corps massif dévie les rayons lumineux qui s'en approchent.

Une galaxie, un amas de galaxies, un trou noir sont des corps massifs qui dévient et amplifient la lumière d'une galaxie plus lointaine, ils peuvent donner ainsi plusieurs images de cette dernière galaxie comme une lentille d'où le nom de lentille gravitationnelle. Exemple: la croix d'Einstein ci-dessous

 

 

 

La gravitation selon Einstein

Dans l'Univers, un évènement peut se produire en un lieu et à un instant déterminés. On associe à cet évènement un système de 4 coordonnées (x,y,z,t) où x,y,z sont les coordonnées de l'évènement dans l'espace et t l'instant de cet évènement. On peut concevoir une structure conciliant les deux concepts de l'espace et du temps: l'espace-temps.

Selon Einstein, la gravitation est une déformation de l'espace-temps c'est-à-dire des modifications de la courbure de l'espace et du temps provoquées par le mouvement à très grande accélération d'une masse énorme:

La masse énorme  creuse dans le tissus espace-temps une cuvette dans laquelle tombent les petites masses qui s'en approchent.

 

Les ondes gravitationnelles

Lorsqu'une étoile massive explose, lorsque deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs fusionnent, ou encore au début du Big Bang, l'énergie énorme dégagée engendre un cataclysme cosmique, des déformations de l'espace-temps se propagent comme des vagues à la surface de l'eau lorsqu'on jette un caillou, ce sont des ondes gravitationnelles.

Les interféromètres Virgo (ci-dessus) et Ligo ont détecté, quasi simultanément et chacun de son côté, le 29 juillet 2017 des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs à environ 5 milliards d'années-lumière.

E=mc²

C'est la formule qui a rendu Einstein si célèbre, elle signifie qu'une particule de masse m possède une énergie propre E égale à mc² , c étant la vitesse de la lumière dans le vide. Du fait de l'énormité du facteur c² (puisque c= 300 000 km/s), une masse même très petite renferme une quantité considérable d'énergie susceptible d'être libérée.

Dans la fission nucléaire, des noyaux d'atomes sont divisés, cassés en noyaux plus petits, il y a une perte de la masse totale compensée par une émission d'énergie suivant la formule d'Einstein. Une telle fission nucléaire se produit dans les piles atomiques et les centrales nucléaires. Elle s'est produite dans le lancement des bombes atomiques A  d'Hiroshima et de Nagasaki les 6 et 9 Août 1945 (il y a eu

plus de 300 000 morts de civils et non de militaires!)

Dans la fusion nucléaire, au contraire, des petits noyaux fusionnent pour donner des noyaux plus gros, il y a encore une perte de la masse totale donc une émission d'énergie. Cette énergie est beaucoup plus grande que celle libérée dans la fission nucléaire. C'est le principe de la bombe H. La fusion nucléaire se fait aussi au coeur des étoiles, en particulier dans notre Soleil. Savez-vous que chaque seconde 700 millions de tonnes d'hydrogène fusionnent pour donner 695 millions de tonnes d'hélium. Où sont donc passés les 5 millions de tonnes perdues? Elles sont  converties en énergie pour nous chauffer et nous éclairer pendant encore 4 milliards et demi d'années..... environ!

Lettre d'Einstein à Roosevelt. Dans une lettre célèbre du 2 août 1939, Einstein avertit le président Franklin Roosevelt de son inquiétude et des dangers d'une bombe atomique que pourrait préparer l'Allemagne nazie, de sa recherche de grandes quantités d'uranium pour la préparation de la bombe. Cette lettre n'empêcha pas, hélas, bien au contraire, le lancement des bombes atomiques par les États-Unis (Projet Manhattan).

Il faut bien que je m'arrête!.... Mais on peut aller plus loin. Einstein n'avait pas prédit l'assistance gravitationnelle, ces sondes que l'on envoie dans l'espace, qui se rapprochent d'une planète, la frôlent et sont renvoyées par effet de fronde beaucoup plus loin. Einstein ne pouvait pas prévoir une telle avancée technologique.

Jusqu'à la fin de sa vie, Einstein s'est débattu avec la physique quantique, persuadé qu'elle n'est qu'un cas particulier d'une théorie qui reste à découvrir, une théorie qui unifierait enfin ses deux enfants terribles: la relativité générale et la physique quantique.