07 ALBERT EINSTEIN. CENTENAIRE DE LA THEORIE DE LA RELATIVITE GENERALE

1916 – 2016 Gilles LEROY Ancien enseignant en Sciences Physiques. 17 janvier 2018
A la découverte des trois grandes théories du savant, du contexte historique, de l’avancement actuel des connaissances et applications et des évolutions futures.
Le contexte historique, c’est la guerre, ce sont les conflits qui chassent Albert Einstein de l’Europe. Né le 14 mars 1879 à Ulm, dans le Wurtemberg et mort le 18 avril 1955 à Princeton, dans le New Jersey, il fut successivement allemand, apatride, suisse et de double nationalité helvético-américaine. Aujourd’hui aussi, les chercheurs bougent pour cause de guerres, de changements climatiques.
Regardons les images satellites. Depuis la Lune, lever de Terre, aurores boréales. Les champs magnétiques nous mettent à l’abri de certaines météorites. L’âge de l’Univers que l’on connait c’est 13,798 milliards d’années, l’âge de la terre c’est 4.54o milliards d’années. Rayon de la terre : 6378 km. Distance terre-lune : 384400 km. Distance Terre-Soleil : 149.6 millions de km. 2016 : 7.4 milliards d’êtres humains sur notre terre.
La théorie des quanta. 4ème siècle avant JC, Aristote et la théorie des 4 éléments, la Terre est en bas, l’Eau au milieu, le Feu en haut et l’Air au-dessus de tout. Ce qui change c’est notre perception du monde. Galilée (1564-1632) et la découverte de l’héliocentrisme qui place le Soleil au centre de l’Univers. Newton (1642-1727) la théorie de la gravitation universelle. Les équations de Maxwell (1831-1879) qui unissent l’électricité, le magnétisme et l’induction soit l’électromagnétisme. Années 1900. Max Planck (1858-1947), l’un des fondateurs de la mécanique quantique. Un corps chauffé émet de l’énergie (lumière), un gaz chauffé donne de l’énergie aux molécules du gaz. En 1905, Albert Einstein découvre la lumière discontinue, composée de petites particules (grains de lumière). Plus la fréquence est élevée, plus les particules ont de l’énergie. C’est l’effet photoélectrique (télécommande, IRM, imagerie médicale). Il ne remet pas en question les théories précédentes. Il dit qu’elles ne sont pas complètes, qu’elles sont limitées.
La théorie de la relativité restreinte. Fin 19ème siècle, on calcule la vitesse de la lumière. La lumière est une onde donc il faut savoir comment calculer sa vitesse car l’onde est transport d’énergie. Les vagues sont aussi de l’énergie, bien que la quantité d’eau reste la même. La lumière a besoin d’un support et à l’époque on l’appelle l’éther. Albert Einstein considère la lumière comme absolue et l’espace et le temps comme relatifs. La théorie de la relativité restreinte est la plus difficile à comprendre. La vitesse de propagation de la lumière dans le vide est invariable quelle que soit la fréquence de l’onde lumineuse et quelle que soit le référentiel galiléen considéré. Plus on se déplace à la vitesse de la lumière, plus le temps se dilate. Il ne s’écoule pas toujours de la même façon (expérience des horloges atomiques). Les lois de la physique sont inchangées dans tous les référentiels galiléens donc quand on est dans le référentiel, on ne peut pas savoir si on est en mouvement ou au repos. La vitesse de la lumière apparaît dans l’équation d’équivalence masse/énergie soit E=MC2. L’énergie cinétique met l’objet en mouvement, la masse intervient pour contrer la vitesse. Avec plus de masse, besoin de plus d’énergie pour mettre en mouvement. Si un objet perd une masse, celle-ci est transformée en énergie (nucléaire). Albert Einstein est un peu responsable de la bombe atomique mais ce n’est pas lui qui l’a développée. Sa théorie n’a jamais été remise en question.
La théorie de la relativité générale. En 1906, Albert Einstein est professeur à Berne, en 1907, il émet l’idée que la lumière est déviée par une masse. 1908-1910, la gravitation modifie la trajectoire de la lumière. La difficulté est de définir le champs gravitationnel alors que l’on connait le champs électromagnétique. La masse gravitationnelle est calculée par le comptage des atomes qui constituent l’objet. 1911, 1er des 25 Congrès Solvay de physique, à Bruxelles, avec Hendrik Lorentz : création de l’espace-temps, une zone de présent entendu, temps qui s’écoule, pas d’instantanéité. Chemin de la lumière soit cônes de lumière. Albert Einstein rapporte toutes les unités-temps à la vitesse de la lumière. L’univers est courbé par les champs de gravitation soit la gravité comme déformation de l’espace-temps. Vérification expérimentale : Hubble en 1929, on voit encore pendant un certain temps la lumière d’étoiles mortes.
Ses dates : 1915, 1er exposé de la théorie de la Relativité Générale. 1916, publication. 1920, attaque antisémite. 1922, prix Nobel pour la Théorie des Quanta. 1928, président de la Ligue des Droits de l’Homme. 1931, communauté intellectuelle avec Freud. 1933, Hitler 1er ministre, il part pour les USA à Princeton. 1934, «Comment je vois le monde». 1940, naturalisation. 1945, explosion de la bombe atomique. 1952, refuse d’être président d’Israël. 1955, 18 avril, jour de sa mort à Princeton.
Les vérifications. 1919, éclipse solaire totale : déviation des rayons lumineux (Arthur Eddington). L’étoile Mercure tourne autour du soleil mais toujours en décalé, ne suit pas le même chemin : Précession du périhélie. 1990, découverte des exoplanètes à l’extérieur du système solaire et déviation des rayons lumineux. 2008, déviation des raies spectrales d’émission de la lumières des étoiles et supernovas.
Les résultats pratiques de la relativité générale. IRM, transfert d’énergie. GPS, en orbite autour de la terre, suit la courbure de l’espace-temps et subit les ondes gravitationnelles à 20184 km de la Terre. Télécommunications. Calcul des trajectoires des satellites. Observations cosmologiques. Les évolutions actuelles : la théorie quantique. Découverte des quarks en 1963.
On va encore franchir un cap. L’univers est constitué de 25% de matière noire et de 70% d’énergie noire. La matière noire est invisible. Le CERN travaille sur l’antimatière. Annonce du 11 février 2016 : quand 2 trous noirs entrent en collision, « événement cataclysmique dans l’Univers lointain atteignant la Terre après un long voyage », des scientifiques observent des ondulations de l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles. 100 ans après Albert Einstein.
Conclusion. Albert Einstein, un savant visionnaire dans un contexte historique très dur. C’est un scientifique et un philosophe. Sa philosophie : innover plutôt qu’observer. Les évolutions futures, la maîtrise de l’énergie et le transport de matière à grande distance. Il avait bien compris que sa seule théorie ne pouvait pas expliquer la naissance de l’Univers.
L’énigme d’Einstein
Les faits:
1. Il y a cinq maisons de 5 couleurs différentes.
2. Dans chaque maison vit une personne de nationalité différente.
3. Chacun des 5 propriétaires boit un certain type de boisson et garde un certain animal domestique.
La question : Qui est le propriétaire du zèbre et quelle est la boisson préférée du Norvégien?
Quelques indices:
1. L’Anglais vit dans une maison rouge.
2. Le Japonais est acrobate
3. Le chien appartient à l’Espagnol.
4. On boit du café dans la maison verte.
5. La maison verte est à droite de la maison blanche.
6. Le Russe boit du thé.
7. Le sculpteur élève des escargots.
8. Le diplomate habite la maison jaune.
9. On boit du lait dans la maison du milieu.
10. Le Norvégien habite la maison d’extrême gauche.
11. Le médecin habite la maison voisine de celle où demeure le propriétaire du hamster.
12. La maison du diplomate est voisine de celle où il y a un cheval.
13. Le violoniste boit du jus d’orange.0
14. Le Norvégien vit juste à côté de la maison bleue.