Lettre n° 13

Éditorial

Marcel Froissart

Titulaire de la chaire de Physique corpusculaire (1973-2004)

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À quoi sert la physique d'Einstein ?

Vous êtes tranquillement assis dans votre bureau, votre portable sur les genoux, et vous vous promenez sur internet. D'un clic vous êtes accueilli sur la page d'accueil d'un site d'électroménager par un appareil de photo numérique, avec imprimante autonome. « Pour leur plus grand plaisir, vos amis repartent avec les photos-souvenirs de cette soirée ! » Ce tour de force en miniaturisation aurait été impensable il y a cinq ans.

Dans les rayons de cette caverne d'Ali-Baba : informatique, téléphonie, image et son, électro-ménager, accessoires, rien n'existait il y a cinquante ans, sauf peut-être la gazinière - sans l'allumage presse-bouton ou la sécurité en cas d'extinction - ou l'aspirateur-traîneau (le bon vieux moulin). Mais les matériaux ont changé : les casseroles n'ont rien à voir avec celles d'alors, qui brûlaient si facilement leur contenu, et qu'il fallait récurer. Par contre, des objets dont on n'aurait même pas rêvé il y a dix ans sont là, en plusieurs versions, par exemple, le GPS qui vous indique à chaque instant où vous êtes, et dont certains peuvent vous situer instantanément sur un atlas de l'Europe.

Quel rapport avec l'Année mondiale de la Physique 2005 ? Je voudrais simplement faire ressortir le fait que ce catalogue vient cent ans après la publication par Albert Einstein de trois papiers fort arides mais fondamentaux, dont on aurait pu dire alors : « À quoi ça sert ? »

Le premier, envoyé en mars 1905, suggérait que malgré la contradiction, la lumière n'était pas une onde bien continue, mais avait - en même temps - l'aspect de paquets, de « quanta » discontinus d'énergie. Ceci était fondé sur l'invention que Max Planck avait faite en 1899 pour expliquer le rayonnement rouge des corps chauffés.

Dès 1911, cette idée fructifiait entre les mains de Niels Bohr, qui en tirait un modèle de l'atome. De perfectionnement en perfectionnement, on en est venu à une compréhension détaillée de la constitution de la matière : la « mécanique quantique ».

Les applications pratiques ont démarré quand on a compris la structure des matières appelées semi-conducteurs, dont le type est le silicium. En implantant des impuretés microscopiques sur une tranche de silicium pur, on réalise sur quelques millimètres carrés des circuits électroniques complexes : l'électronique devient quasiment sans limites. C'est l'avènement de l'électronique de poche, mais aussi des quantités considérables d'électronique invisible à bord des avions ou des voitures.

En mai 1905, Einstein envoyait un nouvel article sur un sujet tout différent. Il s'agissait d'expliquer le mouvement que les biologistes observaient au microscope : un léger frémissement désordonné des plus petites particules, que l'on appelait « mouvement brownien », resté mystérieux depuis sa découverte par R. Brown, cinquante ans auparavant. Einstein a montré que c'était une conséquence directe de la théorie de la chaleur, et a donné ainsi à cette dernière une base solide. À partir de cette démonstration, on a pu comprendre le comportement de divers matériaux et progresser, comprendre les semi-conducteurs et les cristaux divers, y compris les cristaux liquides qui servent un peu partout à l'affichage, sur les montres et autres circuits électroniques.

Enfin, en juin et septembre 1905, Einstein publie deux analyses sur la relativité. Dans la première, il réinterprète les formules mathématiques de H. A. Lorentz, qui paraissaient absurdes, car elles affirmaient que le temps dépend de la vitesse de déplacement de l'horloge que l'on utilise. Einstein, dans son bureau de brevets, étudiait alors beaucoup d'inventions destinées à obtenir la même heure de toutes les horloges de chemins de fer. Il démontre que pour mettre des horloges à la même heure, il faut échanger des signaux radio ou lumineux. C'est impossible pour le simple fait que la lumière va à la même vitesse quel que soit le déplacement du laboratoire (expérience de Michelson et Morley). Il ne s'agit que de corrections très faibles, tant que les vitesses considérées sont petites par rapport à celle de la lumière (300 000 km/s), ce qui correspond à notre intuition. Même le GPS doit tenir compte de corrections de la relativité en raison de la vitesse de déplacement de ses satellites.

Dans la seconde, il montre l'équivalence de la masse et de l'énergie, illustrée par la fameuse formule E=mc². Nous en connaissons les retombées pratiques : énergie nucléaire du soleil, ou terrestre, civile ou militaire. Mais l'étude des constituants élémentaires de la matière en dépend toujours.

Einstein ajoute : « Cette réflexion [sur la relativité] est amusante et séduisante, mais je ne peux pas savoir si [le Bon] Dieu ne s'en moque pas, et s'il ne m'a pas mené par le bout du nez* ». La révolution que cette idée a accompagnée a montré qu'il lui faisait là un mauvais procès.

*« Die Überlegung is lustig und bestechend, aber ob der Herrgott nicht darüber lacht und mich an der Nase herumgeführt hat, das kann ich nicht wissen. »