Le parcours étudiant d’Albert Einstein (1879-1955) ne fut pas classique. Excellent en mathématiques dès son plus jeune âge, il avait toutefois quelques difficultés à travailler de façon scolaire. Il réalisa une grande partie de sa formation en autodidacte et ne trouva pas de poste académique rapidement malgré ses premières publications scientifiques en 1901.

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Employé de l’Office des Brevets à Berne, il poursuivit ses recherches jusqu’à publier en 1905 des articles d’une importance capitale.

L’effet photoélectrique

En 1829, Antoine Becquerel observe que le courant circulant dans des électrodes métalliques varie suivant l’éclairage dans certaines conditions. Hertz détaille le phénomène en 1887 et le nomme effet photoélectrique : un métal soumis à un rayonnement lumineux émet un courant électrique. Il observe en particulier que, même avec une intensité lumineuse très forte, aucun courant n’est émis si la lumière est de trop grande longueur d’onde (rouge, infrarouge…) .

La vision classique qui considère que la lumière est une onde ne permet pas d’expliquer ce phénomène. Einstein s’appuie alors sur l’hypothèse des quanta de Planck pour apporter un éclairage nouveau.

Voici comment Einstein voit les choses. La lumière se propage par paquets d’énergie qu’on appellera plus tard des photons. Et chaque photon transporte une énergie proportionnelle à sa fréquence : les photons de petite longueur d’onde et de haute fréquence (bleu, ultraviolet…) transportent donc plus d’énergie que les photons de grande longueur d’onde et de basse fréquence (rouge, infrarouge…). Seuls les premiers sont donc capables d’exciter suffisamment le métal pour lui faire émettre du courant (on dira plus tard : pour lui arracher des électrons).

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Cette description de l’interaction entre la matière et la lumière ouvrira la voie à la mécanique quantique et vaudra à Albert Einstein le Prix Nobel en 1921.

Le mouvement brownien

En observant des grains de pollen au microscope, Robert Brown observe en 1827 des particules aux trajectoires erratiques et plutôt inexplicables. L’idée d’Einstein est que ces particules de quelques micromètres de diamètre sont percutées en permanence par des objets encore plus petits et invisibles même au microscope.

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Mouvement erratique des particules dans un grain de pollen

Il affirme ainsi ni plus ni moins l’existence des molécules et donc des atomes. Quatre ans plus tard, Jean Perrin s’appuiera sur ces travaux pour calculer le nombre d’Avogadro correspondant au nombre de molécules présentes dans une mole de matière.

La relativité restreinte

S’inspirant des travaux de Lorentz, Einstein met au point, 5 ans après Henri Poincaré mais avec une interprétation plus élégante, une nouvelle théorie de l’espace-temps.

En 1887, Michelson et Morley avaient réalisé une expérience capitale en montrant que la vitesse de la lumière était la même, que la mesure soit faite parallèlement au déplacement de la Terre ou perpendiculairement. La mécanique classique est alors prise en défaut.

En effet, considérons une personne qui marche à 5 km/h dans un train. Sa vitesse est de 5 km/h par rapport au référentiel-train qui circule lui-même à 200 km/h par rapport au référentiel-sol. Cette personne aura une vitesse par rapport au sol de 205 km/h si elle marche vers l’avant et de 195 km/h si elle marche vers l’arrière. En physique classique, la vitesse d’un objet dépend du référentiel. Or dans l’expérience de Michelson et Morley la lumière garde la même vitesse en toutes circonstances !

Einstein postule que la vitesse de la lumière n’est pas relative mais absolue c’est-à-dire la même dans tous les référentiels. Conséquence de cette nouvelle vision du monde : le temps est relatif. La durée entre deux événements est différente si le phénomène est observé dans des référentiels de vitesses différentes.

Par exemple, lorsqu’un rayon cosmique entre dans l’atmosphère, il se désintègre en donnant naissance à des particules nommées muons. Ces muons vont se désintégrer très rapidement à leur tour, si bien qu’en comparant la durée de traversée de l’atmosphère (100 microsecondes) et le temps très court de désintégration, on s’attend à ce qu’aucun muon ne puisse atteindre le sol. En 100 microsecondes, la quasi-totalité des muons se sont en effet désintégrés et n’ont pas le temps d’atteindre la surface terrestre. Or il se trouve que ces muons sont bel et bien détectés au sol en grande quantité.

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Image d’artiste représentant des désintégrations de rayons cosmiques

La relativité restreinte permet de résoudre cette énigme : du point de vue du muon, la durée entre les deux événements apparition du muon et arrivée au sol est de 6 microsecondes alors que du point de vue d’un observateur attaché au référentiel terrestre, cette durée est de 100 microsecondes.

Cette théorie permettra de mieux comprendre les interactions entre particules élémentaires, ouvrira la voie à la physique nucléaire et posera les bases d’une toute nouvelle théorie de la gravitation.

La relativité générale

Entre 1907 et 1915, Albert Einstein aidé par Grossman et Hilbert, élargit le cadre de la relativité en y incluant les mouvements accélérés. Il remplace, de cette manière, la gravitation universelle de Newton qui reste valable seulement lorsque les objets ont une vitesse faible et sont soumis à des champs gravitationnels d’intensité raisonnable.

Là encore, les conséquences théoriques sont renversantes. La gravité n’est pas une force mais seulement l’effet de la courbure de l’espace-temps : les objets massiques (comme les étoiles) courbent l’espace-temps et réciproquement une courbure de l’espace-temps influe la trajectoire des objets.

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Cette théorie de la relativité générale, œuvre principale d’Einstein, donnera naissance à la cosmologie moderne et, entre autres, aux concepts de trous noirs et d’ondes gravitationnelles.

Par la suite, Einstein participera activement aux débats scientifiques et philosophiques autour de la mécanique quantique et continuera d’apporter à la physique des contributions majeures comme la description de l’émission stimulée (permettant de fabriquer des lasers) ou le condensat de Bose-Einstein.