Einstein, Albert

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Sa figure a été aussi abusivement utilisée que celle de la Joconde; il s'est vu attribuer, de façon injustifiée, la paternité de la bombe «atomique», et son célèbre E = mc 2 est galvaudé à tout propos. En réalité, dans son véritable domaine - la physique théorique - Einstein a ouvert et balisé toutes les voies empruntées par la recherche au XXe siècle.    

Albert Einstein est né le 14 mars 1879 à Ulm, ville du sud de l'Allemagne, de parents de confession juive, mais peu pratiquants. Il passe son enfance à Munich, où son père a monté une affaire d'installations électriques, qui ne donnera jamais de résultats satisfaisants. Les déboires paternels, professionnels et financiers, impressionneront fortement le jeune homme.  

A Munich, il suit les cours du Gymnasium (lycée) Luitpold. Il y sera un élève relativement brillant mais profondément malheureux; de cette époque date son aversion pour toute forme de discipline militaire et d'autorité gratuite. A l'âge de quinze ans, ne pouvant plus supporter le régime du Gymnasium, il décide de son propre chef de quitter l'école, avant même la fin de ses études secondaires, et d'aller rejoindre ses parents, alors installés à Pavie, en Italie, où son père tente de refaire fortune.  

Après avoir travaillé seul pendant plusieurs mois, Einstein décide de se présenter au concours d'entrée du célèbre Institut polytechnique de Zurich. Il échoue, mais obtient la possibilité de préparer le concours dans une école suisse dont les méthodes d'éducation libérales l'enthousiasment. En 1896, admis au Polytechnicum, il y effectue, jusqu'en 1900, un cycle complet d'études sous la direction des meilleurs professeurs de l'époque. Il y découvre tous les grands classiques de la science allemande. Il y fait également la connaissance de Mileva Mari, jeune fille d'origine serbo-croate, l'une des rares femmes admises au Polytechnicum. Il l'épousera en 1903, après la mort de son père, qui s'opposait à ce mariage avec une femme non juive.  

A sa sortie du Polytechnicum de Zurich, en dépit du diplôme prestigieux dont il est titulaire, Einstein ne trouve pas un travail à sa convenance. Il sollicite à plusieurs reprises un poste d'assistant dans diverses universités, mais ses candidatures n'aboutissent pas et la situation aurait pu devenir catastrophique s'il n'avait obtenu, grâce à l'intervention du père de l'un de ses amis d'études, un poste d'expert au Bureau de la propriété intellectuelle (Office des brevets) de Berne. Selon Einstein, rien ne pouvait être plus propice que cette fonction à l'avancement de son travail de physicien. «La rédaction des actes de brevets était pour moi une véritable aubaine; cela me permettait de penser à la physique», écrira-t-il dans son Esquisse autobiographique, rédigée quelques semaines avant sa mort, en 1955.  
 

Depuis dix ans, Einstein ne cesse de penser à «cette profonde division» qui traverse la physique, et la scinde en deux régions théoriques apparemment irréconciliables: l'une, la théorie de la lumière (lumière dont James C. Maxwell a démontré la nature électromagnétique), traite d'ondes, s'étalant dans tout l'espace, à l'image des vagues à la surface de l'eau, et relève du continu; l'autre, la mécanique, théorie de Newton, raisonne sur des particules de matière, objets ponctuels, parfaitement localisés, et relève du discontinu. Profondément choqué par la coexistence du continu et du discontinu au sein de la théorie physique, et fermement convaincu que la physique ne peut être qu'unitaire, et non scindée en deux sous-disciplines sans rapport l'une avec l'autre, Einstein cherche obstinément le moyen d'effacer cette division. Tout au long de sa vie, ce thème récurrent sera le but ultime, la motivation réelle de toutes ses recherches.  

Le grand mérite d'Einstein est d'avoir su concevoir la théorie de la lumière comme le lieu de la physique où la contradiction est la plus aiguë. Autre trait de génie: comprendre qu'un des concepts fondamentaux de la théorie de la lumière alors en vigueur, celui d'éther, était l'obstacle à l'unité de la physique. En effet, la lumière était pensée comme une onde, concept théorique élaboré par analogie avec les phénomènes ondulatoires qui se produisent à la surface de l'eau. Les choses auraient été parfaitement claires si l'analogie avait pu être menée jusqu'au bout; or il se trouve que le support de l'onde, qui dans le cas des vagues est à l'évidence l'eau, n'était pas aussi facilement identifiable pour la lumière. Des générations entières de physiciens avaient buté sur cet obstacle: quel est le milieu servant de support à la propagation de l'énergie lumineuse? Ce milieu, l'éther, dont on n'arrivait pas à cerner les diverses caractéristiques physiques (sa densité et son élasticité semblaient impossibles à calculer ou à mesurer), mais dont on était obligé de supposer (pour des raisons internes à la théorie) qu'il était immobile.  

L'éther n'existe pas!
Ce rappel historique permet d'apprécier à sa juste valeur l'audace intellectuelle dont fait preuve Einstein en 1905, alors qu'il n'est âgé que de vingt-six ans. Il affirme en effet, démonstrations à l'appui, que si les caractéristiques physiques de l'éther sont si difficiles à préciser c'est parce qu'il n'a aucune réalité physique, qu'il n'est qu'un mythe, une invention dont on peut très bien se passer. Tel est, sur le fond, le contenu de l'article fondateur, et si justement célèbre, de la relativité restreinte: L'éther n'existe pas. Einstein, dans cet article, réussit - au prix d'une critique approfondie des idées «naturelles» sur le temps et ses relations à l'espace - à dépouiller l'éther du seul attribut substantiel qui lui reste: l'immobilité. Ce faisant, il réalise l'unité de la physique. En effet, supposer, comme on le faisait jusqu'alors en théorie ondulatoire de la lumière, l'existence d'un éther immobile, c'est aller de façon évidente contre l'idée et le principe de relativité sur lesquels était fondée toute la mécanique (depuis Galilée), toute la théorie du mouvement des particules, et qui peuvent s'énoncer ainsi: L'immobilité n'existe pas, elle n'a pas de sens physique. C'est aussi rendre d'emblée homogène la théorie de la lumière, sur le plan des principes, avec la mécanique. En «décrétant» la fin de l'éther, Einstein abolit cette hétérogénéité, rend relativiste la théorie de la lumière, l'unifie avec la mécanique.  

Cette même année 1905, il démontre, en étudiant les propriétés thermiques de la lumière, c'est-à-dire la couleur de la lumière émise par un corps chauffé, que l'on ne peut guère éviter de lui supposer une nature corpusculaire. Cela permet de progresser dans la voie de l'unification de la physique: il apparaît que la lumière, que l'on croyait jusqu'alors d'une nature radicalement différente de celle des particules, dont traite la mécanique, possède également certaines propriétés corpusculaires. Pointe alors à l'horizon l'idée d'une nature commune à tous les objets dont est fait le monde.  

Unifier la physique
Pendant les cinquante années qui lui restent à vivre, Einstein va poursuivre, avec des succès divers, ses recherches dans les deux voies qu'il a ouvertes en 1905, en vue d'édifier une théorie unitaire de la physique: la voie de l'unification des principes sur lesquels reposent les diverses branches de cette science (ce qu'il appelle la «recherche d'une théorie à principes»), et celle de l'unification des objets dont traite la physique et à partir desquels les choses du monde sont construites (voie qu'Einstein décrit comme la «recherche d'une théorie construite»).  
 
La recherche des principes unificateurs
Après 1905, Einstein tente de découvrir les principes fondamentaux qui permettraient de traiter de la même façon les forces électromagnétiques et les forces de gravitation. Il y parvient en partie, avec la théorie de la relativité générale, qu'il élabore entre 1907 et 1916.  

La théorie de la relativité générale est une théorie de la gravitation, c'est-à-dire de l'attraction que subissent deux corps mis en présence l'un de l'autre. Elle vient se substituer à la théorie de Newton, qui avait postulé cette interaction sans en donner l'explication. Il apparaît, au terme des travaux d'Einstein, que cette attraction n'est qu'un effet de la courbure de l'espace-temps , induite par la présence des corps qui s'y trouvent. Cette théorie, aujourd'hui vieille de plus de soixante-quinze ans, n'a toujours pas été démentie par les «faits». Après avoir connu une éclipse de popularité pendant les années 1930 à 1950, époque où il n'est pas rare de la voir rangée dans la rubrique «mathématiques», la relativité générale constitue aujourd'hui le cadre à l'intérieur duquel travaillent les astrophysiciens. Elle a même totalement renouvelé la cosmologie: très rapidement, en effet, Einstein s'aperçoit que sa théorie permet de décrire la structure globale de l'Univers et découvre, à sa grande surprise, que celui-ci est à la fois illimité et fini.  

Aujourd'hui la cosmologie ne se conçoit pas en dehors du cadre de la théorie de la relativité générale. Qu'il s'agisse des trous noirs, du big-bang ou des ondes gravitationnelles, on exploite encore, et pour longtemps, la voie ouverte par les travaux d'Einstein entre 1907 et 1916.  

Toute sa vie, Einstein considérera la théorie de la relativité générale comme son «enfant chéri», probablement parce que, contrairement à la relativité restreinte, elle n'a pas été élaborée dans la facilité: non seulement il lui faut, entre 1911 et 1916, apprendre des mathématiques qui lui sont totalement inconnues (le calcul tensoriel et la géométrie non euclidienne), mais il doit également faire appel, lui qui aime travailler en solitaire, à l'aide d'un de ses camarades d'études, Marcel Grossmann; il demande à cet éminent mathématicien de le guider dans le dédale du formalisme qui, au fur et à mesure que la théorie se développe, devient de plus en plus compliqué.  

Le champ, concept central de la théorie
De fait, la théorie de la relativité générale, par sa structure et le mode de description du monde qu'elle implique, représente pour Einstein une forme d'idéal. En effet, il s'agit d'une théorie du champ, théorie reposant sur l'idée qu'un objet, par sa seule présence en un point de l'espace, modifie l'espace qui l'entoure; cet objet crée un «champ», qui n'est autre que la modification de l'espace induite par l'objet qui le crée. Ce raisonnement pose un principe: l'espace n'est pas le même en présence ou en l'absence de l'objet - contrairement à la représentation spontanée et habituelle de l'espace comme réceptacle insensible aux objets.  

Dans la conception relativiste, l'interaction entre deux objets est décrite comme l'effet du champ créé par l'un d'entre eux sur l'autre: le premier objet crée un champ, une modification de l'espace qui se fait sentir là où se trouve le second, et celui-ci réagit à cette modification. Comme le processus est réciproque (les rôles du premier et du second objet pouvant être inversés), ce qui est décrit est bien une «inter-action» - interaction en quelque sorte médiatisée par l'espace.  

Ainsi, le concept de champ repose sur l'idée d'un continuum: l'espace est modifié en chacun de ses points. Cette notion fait à la fois la grandeur et la misère du concept de champ. Grandeur, parce que l'espace est de l'ordre du continu, en sorte qu'une théorie du champ semble adéquate à la description des processus physiques qui se passent tous sur la scène de l'espace (l'«espace-temps»). Misère, car il est clair que le nombre de «degrés de liberté» (c'est-à-dire de possibilités de variations) qui correspondent à une théorie du continu est bien trop grand pour représenter le monde; il faut nécessairement qu'à un moment ou à un autre intervienne une sorte de «cristallisation» du champ en objets localisés.  

Pendant quarante ans - jusqu'à sa mort -, Einstein ne cessera de ruminer, selon sa propre expression, des considérations de ce type. Ne cédant en rien sur son ambition d'une théorie qui unifierait tous les domaines de la physique, il recherchera indéfectiblement le principe qui lui permettrait, de façon analogue au principe de relativité, tel qu'il l'a énoncé en 1905, ou au principe dit d'«équivalence», fondement de la théorie de la relativité générale, d'asseoir une théorie du champ valable pour toutes les interactions. D'où ses multiples tentatives, abandonnées aussitôt qu'énoncées, de théorie unitaire. La physique contemporaine a repris cette ambition à son compte, mais dans une perspective différente - ne serait-ce que parce qu'on a, depuis lors, découvert d'autres interactions (les interactions propres au noyau atomique), dont Einstein n'avait pas connaissance à l'époque de ses travaux sur la théorie unitaire.

Le parcours d'un solitaire
Si la voie des principes ne permet pas d'aboutir à l'unification tant désirée, du moins Einstein pouvait-il espérer que l'autre voie, celle qui consiste à élaborer une théorie «construite», dans laquelle on cherche à se figurer les «briques» dont est fait l'Univers, se révélerait plus praticable. L'article de 1905, qui laisse entrevoir la possibilité que la lumière, relevant du continu, puisse également posséder des propriétés discontinues, constitue un premier pas dans ce sens. De fait, cet article peut être considéré comme l'acte fondateur de la théorie quantique, dont on sait qu'elle constitue aujourd'hui la théorie de base de la physique. Comme conséquence, et non des moindres, cette théorie oblige à abandonner l'idée que les objets fondamentaux dont est fait le monde possèdent une nature soit corpusculaire, soit ondulatoire - conformément à ce qu'indiquait clairement l'article de 1905; de plus, elle impose d'admettre que les résultats d'une mesure ne peuvent être que statistiques: la théorie permet seulement de calculer des probabilités.  

Le dualisme onde-corpuscule
Tels sont, résumés, les principes de la mécanique quantique, élaborée entre 1905 et 1927 par Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Paul Dirac et autres «pères fondateurs» de la théorie - parmi lesquels on ne fait traditionnellement pas figurer Einstein. Il serait pourtant faux d'imaginer que sa contribution à la théorie quantique s'arrête en 1905, avec l'article sur les quanta de lumière (ou même en 1907, avec l'article sur les chaleurs spécifiques, qui est à l'origine de la théorie actuelle des phonons dans les solides). Einstein, qui en 1905 énonce de façon «heuristique» (autrement dit, de façon non rigoureusement démontrée mais justifiée par des raisons de cohérence interne) l'hypothèse des quanta de lumière, entreprend, dans les années qui suivent, d'explorer la «réalité» de cette hypothèse, de manière à la débarrasser de son qualificatif d'«heuristique». En 1909, après avoir analysé les propriétés des fluctuations du rayonnement, il avance l'idée que celui-ci est caractérisé par ce qu'il appelle un «dualisme» de sa nature réelle, à la fois corpusculaire et ondulatoire. En 1916, il pense avoir accompli un pas décisif dans l'établissement de la réalité des quanta en montrant qu'ils sont caractérisés non seulement par leur énergie, mais également par leur quantité de mouvement - tout comme le sont les «vraies» particules (proton et neutron, par exemple). Mais diverses déconvenues rencontrées dans la mise en évidence expérimentale de cette nature corpusculaire l'amènent bientôt à réviser ses positions. Revenant à l'analogie matière-rayonnement, fondement de l'article de 1905, il démontre, en 1924, que les quanta de lumière n'obéissent pas à la même statistique que les «vraies» particules classiques: au lieu de se répartir régulièrement dans les divers états possibles, ils ont tendance à s'accumuler les uns sur les autres, comme si une force les poussait à se regrouper - c'est d'ailleurs la raison pour laquelle ils peuvent donner une impression globale d'onde. L'importance de cette découverte ne saurait être sous-estimée: c'est sur la connaissance de cette «statistique quantique» (dite de Bose-Einstein), propre aux photons, que reposent l'invention du laser et la théorie de la supraconductivité.  

Une approche déterministe
Pourtant, il est vrai qu'Einstein, en dépit de l'importance de ces divers travaux, est toujours resté en dehors du courant principal d'élaboration de la théorie quantique, représenté par Bohr, Heisenberg, Dirac et d'autres. En effet, il se refusera toujours à admettre le caractère statistique de la théorie quantique; il ne conçoit pas que le résultat d'une mesure ne puisse pas être parfaitement prédit par la théorie, ou, comme il le dit en plaisantant à moitié, «que Dieu joue aux dés». Pendant toute la période d'élaboration de la théorie quantique, de 1913 à 1927, Einstein adoptera, au grand désespoir de ses jeunes collègues qui recherchent ardemment son approbation, une attitude de réserve critique, cherchant à débusquer les contradictions internes dont souffre selon lui la théorie. Plus tard, il cessera de contester la cohérence logique de la théorie, et l'objet de ses objections se déplacera quelque peu: il lui semblera que la théorie quantique est «incomplète» - et doit donc être encore approfondie, afin d'être complétée - dans la mesure où elle ne permet pas, dans des conditions expérimentales précises, de prévoir avec la même précision l'évolution ultérieure du système. Le congrès Solvay de 1927, qui réunit l'élite des physiciens quantiques de l'époque, restera célèbre dans l'histoire de la physique pour l'affrontement théorique qui opposa Einstein à Bohr.

Critiques de la théorie quantique
L' affrontement entre les deux physiciens connaîtra un regain de vigueur quelques années plus tard, en 1935, alors qu'Einstein, fuyant le nazisme, se réfugie aux Etats-Unis. La controverse portera cette fois-ci sur ce qu'on appelle la «non-localité» de la théorie quantique: cette dernière implique en effet que des mesures effectuées sur deux systèmes ayant interagi dans le passé ne sont pas indépendantes, la mesure d'une grandeur sur l'un des systèmes fixant la valeur de cette grandeur sur l'autre, comme si les deux systèmes, pourtant séparés, étaient corrélés ou pouvaient «communiquer» instantanément l'un avec l'autre. Ce point n'avait pas été remarqué par les pères fondateurs de la théorie quantique. C'est Einstein qui, en 1935, dans un article resté célèbre, au point d'être généralement désigné par de simples initiales, EPR (initiales des trois auteurs de l'article: Einstein, Podolsky et Rosen), attire l'attention de la communauté des physiciens sur cette particularité troublante de la théorie quantique. Depuis lors, les travaux sur ce sujet n'ont pas manqué, en particulier les fameuses expériences réalisées par Alain Aspect en 1982, qui établissent que les états de deux photons ayant interagi gardent effectivement trace de cette interaction et sont à jamais corrélés.  

De façon générale, les objections formulées par Einstein à l'encontre de la théorie quantique sont à mettre en rapport avec la prédilection qu'il manifeste pour des théories du champ. Bien qu'il ait été à l'origine de l'irruption du discontinu dans le continu, cette irruption n'a cessé de le troubler. Selon lui, le principal défaut de la théorie quantique est de ne pas expliquer l'existence des particules, de poser celle des quanta sans la justifier. Il n'est pas exagéré de dire qu'Einstein a terminé sa vie en solitaire, seul parmi ses collègues à douter de l'existence des quanta de lumière, qu'il avait lui-même «inventés» en 1905: «Cinquante années de rumination consciente ne m'ont pas rapproché de la réponse à la question: Que sont les quanta lumineux? Aujourd'hui le premier fripon venu croit qu'il sait ce qu'ils sont, mais il se leurre», écrit-il dans une lettre datée du 12 décembre 1951.  
 

Un pacifiste désabusé
Sciemment, Einstein mettra cette célébrité subite au service des causes qui lui tiennent à cœur, qu'il s'agisse du combat pour la paix ou de la création d'une terre d'accueil pour les Juifs en butte à l'antisémitisme grandissant en Europe.  

Son engagement politique commence en 1914 à Berlin par son refus de signer un manifeste, dit des Quatre-vingt-treize, approuvé par une grande partie de l'intelligentsia allemande, appelant à défendre les valeurs de la civilisation (sous-entendu allemande) contre la barbarie. La fin de la Première Guerre mondiale, qui coïncide avec l'achèvement de la théorie de la relativité générale, est pour lui l'occasion d'une intense activité politique, essentiellement en faveur de la paix et de la réconciliation entre les peuples. Membre de certaines organisations dirigeantes de la Société des Nations, il lutte en leur sein contre le boycott des savants allemands par les autres nations, qui se pensent plus «civilisées», et pour que la lumière soit faite sur les crimes de guerre commis de part et d'autre. Il défend activement la cause des objecteurs de conscience de tous les pays, et se montre un ardent militant de la réconciliation franco-allemande (son voyage à Paris, en 1922, n'a pas d'autre motif). Einstein change brusquement d'attitude en 1933, lors de l'accession de Hitler au poste de chancelier; il met désormais toutes ses forces au service de la lutte contre le nazisme, qui, selon lui, doit être menée par tous les moyens - y compris militaires. Sa maison ayant été mise à sac par les nazis dès les premiers mois de 1933, alors qu'il est en voyage aux Etats-Unis, il décide de ne pas rentrer en Allemagne et d'accepter la chaire qui lui est offerte au tout nouvel Institute for Advanced Study de Princeton et s'y installe à l'automne de l'année 1933.  

En 1939, il écrit une lettre restée célèbre au président Roosevelt, lui demandant d'entreprendre les recherches qui conduiront à la réalisation des premières bombes «atomiques». C'est évidemment avec amertume qu'il assiste après la guerre au développement du maccarthysme et de la guerre froide dans son pays d'adoption, et ses dernières années seront consacrées à lutter contre l'hystérie guerrière. La préservation de la paix nécessite, selon lui, la constitution d'un gouvernement mondial - fédération supranationale aux pouvoirs plus étendus que ceux de l'Organisation des Nations unies - unique responsable des forces armées.  

Un militant sioniste convaincu
Simultanément à son activité en faveur de la paix, Einstein consacre une grande part de son temps à promouvoir l'idée d'un foyer juif en Palestine. Dès 1921, il accepte d'accomplir, en compagnie de Chaïm Weizmann, une tournée aux Etats-Unis destinée à récolter auprès de la communauté juive américaine des fonds pour la création de l'université hébraïque de Jérusalem. Einstein consacrera beaucoup d'efforts à la réalisation de ce projet d'université, allant jusqu'à fixer les divers cursus d'un enseignement de haut niveau. Il prend également une part active aux discussions internes du mouvement sioniste à propos de la Palestine, et ses prises de position à cet égard se signalent par leur réalisme: il ne cessera d'insister sur le fait que l'installation des colons en Israël ne peut aller sans problème dans la mesure où la terre appartient déjà aux Arabes. Il semble avoir placé une confiance excessive dans la capacité de la puissance mandataire (la Grande-Bretagne) à régler les divers conflits.   Einstein meurt le 18 avril 1955; son dernier écrit est un appel à la paix rédigé en collaboration avec Bertrand Russell.  
 
Le dernier des physiciens classiques
Einstein est aujourd'hui une figure mythique largement utilisée, que ce soit pour vendre des petits déjeuners vitaminés ou des calculettes, ou encore pour signifier une certaine attitude face à la vie. Au-delà de la légende, il importe de prendre la mesure de son apport dans son domaine d'activité propre: la physique.  

L'inventeur critique de la théorie quantique
Il est, avec l'article sur les quanta de lumière de 1905, le fondateur de la théorie quantique. Certes, il a très vite pris ses distances avec celle-ci, mais on ne saurait oublier que cette attitude critique est extrêmement fructueuse pour l'ensemble de la communauté scientifique; des problèmes, tel celui de la non-localité, seraient peut-être passés longtemps inaperçus si Einstein ne les avait soulevés. Cela dit, son refus d'admettre la théorie quantique telle qu'elle est marque bien son appartenance à une époque de l'histoire de la physique qui s'achève avec lui: aujourd'hui, la physique ne se conçoit pas sans cette théorie, qui en constitue le fondement.  

La recherche des invariants
Il est un autre domaine dans lequel la contribution d'Einstein a été telle que la physique n'est plus après lui ce qu'elle était avant: c'est celui de la recherche des principes fondamentaux. La physique actuelle repose entièrement sur la reconnaissance d'un certain nombre de principes, dits d'invariance ou de symétrie, qui sont des «super-lois» auxquelles sont soumises les lois de la physique elles-mêmes. Rechercher ces principes constitue l'essentiel de l'activité du théoricien actuel. Or ce n'est qu'avec Einstein que l'importance heuristique de ces principes est apparue. Non que la physique antérieure n'ait fait usage de tels principes, mais elle le faisait empiriquement, se contentant de vérifier après coup que telle ou telle loi était conforme à tel principe d'invariance. Depuis Einstein, on procède à l'inverse: on commence par déterminer quels sont les principes d'invariance, puis les lois en découlent. En ce sens, les physiciens actuels sont les héritiers d'Einstein.