Table of contents for HS Special Dec 2015 in Science & Vie

La guerre va exacerber un conflit larvé entre la France et l’Allemagne, qui dominent les mathématiques à l’époque. « De chaque côté du Rhin, on pense que l’on pratique des mathématiques différentes. Ce qui, avec le recul, n’est pas flagrant », commente Catherine Goldstein, historienne des mathématiques. Les Allemands défendent une approche abstraite et théorique; les Français, des mathématiques intuitives ayant des applications pratiques. Ainsi, au congrès international de mathématique de 1897, Henri Poincaré célèbre la capacité des mathématiques à expliquer l’Univers, alors qu’au congrès suivant, en 1900, David Hilbert énonce une liste des « 23 problèmes », « caractérisée par des notions abstraites, peu ancrées dans la réalité. C’est un peu une réponse du berger à la bergère », analyse Catherine Goldstein. Cette rivalité atteindra son point d’orgue avec…

C’est le principe à la base de la relativité générale: tous les objets chutent de la même manière dans un champ de gravitation, quelle que soit leur masse. L’idée n’a rien d’évident : on pourrait intuitivement penser qu’une masse lourde subit d’avantage d’attraction qu’une masse légère ! Le principe a pourtant été établi par Galilée à partir d’une expérience de pensée, dans laquelle il faisait tomber différents objets du sommet de la tour de Pise pour constater qu’ils atterrissaient simultanément. Depuis, les expérimentateurs ont fait rouler des billes de diverses matières sur des plans inclinés, fait osciller des pendules de masses différentes mais de longueur identique, et même tenté l’expérience sur la Lune (voir ci-dessous), ils ont toujours abouti au même constat: la gravitation agit de même pour toutes les…

En mars 2014, la découverte avait fait sensation. À Science & Vie comme ailleurs : les grands quotidiens l’avaient immédiatement mise à la une, et certains spécialistes voyaient déjà ses auteurs couronnés du prochain prix Nobel ! La collaboration scientifique Bicep2, travaillant avec un télescope installé en Antarctique à quelques kilomètres du pôle Sud, avait proclamé avoir enfin démasqué des ondes gravitationnelles. Plus exactement, les physiciens pensaient avoir observé leur trace dans une toute petite portion du fond diffus cosmologique (CMB, selon l’acronyme anglais), ce flash lumineux émis 380 000 ans après le big bang et qui livre de précieux renseignements sur les premiers instants de l’Univers. En étudiant la polarisation (la direction d’oscillation des champs électrique et magnétique) des grains de lumière composant le CMB, ils voyaient en effet…

Tapez « Einstein » sur Google. Le moteur de recherche affiche 105 000 000 de pages ! Moins que pour le Christ et Newton, mais plus que pour Platon, Galilée, Vinci, Mozart, mais aussi Freud, Chaplin, Churchill, le Che et autres monstres sacrés du XXe siècle. Cent ans après l’avènement de la relativité générale, la renommée d’Einstein – désigné fin 1999 comme « personnalité du siècle » devant Roosevelt et Gandhi par le magazine américain Time, et consacré « plus grand héros de l’Histoire » par les étudiants de 37 pays début 2015 – reste vivace. Les ouvrages de vulgarisation ou d’histoire des sciences, les essais philosophiques, les romans policiers ou de science-fiction, les nouvelles… font leur miel de ce savant hors normes. Plus de 2000 livres, à ce jour,…

GALILÉE LE PIONNIER DE LA RELATIVITÉ GALILEO GALILEI (1564-1642). LE SAVANT ITALIEN EST LE FONDATEUR DE LA PHYSIQUE MODERNE. Trois siècles séparent l’Allemand Einstein du Pisan Galilée. Malgré tout, Galilée est, pour Einstein, un compagnon de route très présent dans sa théorie de la relativité. Et pour cause : il est l’inventeur du principe de relativité des mouvements. Il le formule en 1632 dans son Dialogue concernant les deux plus grands systèmes du monde, sous la forme d’une poétique expérience de pensée (une rêverie rationnelle de physique dont il est l’inventeur et qui s’est imposée dans la pratique de la physique). Galilée écrit : « Enfermez-vous avec un ami à l’intérieur d’un grand bateau et prenez avec vous des mouches, des papillons et d’autres petits animaux volants […]. Le bateau…

MINKOWSKI IL A CONÇU POUR LA RELATIVITÉ UN CONTINUUM ESPACE-TEMPS HERMANN MINKOWSKI (1864-1909). LE MATHÉMATICIEN ALLEMAND PROPOSE UN CADRE GÉOMÉTRIQUE à QUATRE DIMENSIONS POUR LA RELATIVITÉ RESTREINTE. Einstein y a d’abord vu un artifice de mathématicien, avant de réaliser qu’Hermann Minkowski, son ancien professeur au Polytechnicum, à Zurich, venait de faire une invention extraordinaire : la géométrie de l’espace-temps. On est au printemps 1908 et Einstein travaille déjà à la relativité générale, sa prochaine théorie censée inclure la gravitation et généraliser le principe de relativité aux observateurs en mouvement accéléré et non-rectiligne. Minkowski est un pur mathématicien, mais son ami David Hilbert, mathématicien et physicien, l’entraîne en 1905 vers la physique fondamentale : les théories d’Einstein, de Poincaré, de Lorentz. En 1907, c’est le coup de génie : sur la…

« Je suis persuadé que cette découverte fut, et de loin, la plus grande expérience émotionnelle qu’Einstein ait connue dans sa vie scientifique. Peut-être même dans son existence », écrit le physicien Abraham Pais dans la biographie qu’il a consacrée au père de la relativité, dont il fut le collègue et l’ami. Cette découverte bouleversante, c’est tout simplement le premier « test » de la relativité générale. En effet, à peine Einstein a-t-il posé sa nouvelle équation qu’il note qu’elle permet de rendre compte du mouvement de Mercure, qui ne suit pas exactement la loi de Newton (voir ci-dessous). En effet, la position privilégiée de Mercure tout près du Soleil la place dans la zone la plus intense de son champ de gravitation, région idéale pour vérifier la très légère…

La gravitation est une force fondamentale dont les physiciens peinent à saisir les composants ultimes… Et s’ils faisaient fausse route ? La question apparaît provocatrice, mais elle commence à être prise au sérieux par une poignée de théoriciens pour qui la gravitation pourrait bien, en définitive, n’être qu’une vaste illusion à l’échelle du cosmos tout entier. Les prémices de ce changement radical de perspective se sont esquissées dans les années 1970. Le physicien israélien Jacob Bekenstein, décédé l’été dernier, et le cosmologiste britannique Stephen Hawking, travaillent alors sur les trous noirs, ces monstres gravitationnels qui subtilisent à l’Univers tout ce qui passe à leur portée de manière définitive. Or ils montrent qu’en réalité, les équations qui décrivent leur horizon (la région au-delà de laquelle plus rien, pas même la lumière,…

En 1998, l’annonce a fait l’effet d’une bombe: l’expansion de l’Univers s’accélère. Car cette observation, confirmée depuis par des groupes indépendants via des méthodes différentes (voir encadré p. 115), présente toutes les caractéristiques du fait inconcevable. Comment imaginer, quand la gravitation est une force exclusivement attractive et de portée infinie, que l’Univers puisse continuer à croître, et ce, de plus en plus vite ? À en croire la relativité générale, il est pourtant clair que son destin ne peut être que de voir son expansion ralentir sous l’effet des forces gravitationnelles auxquelles se soumettent entre eux amas et superamas galactiques, étoiles et galaxies. Voire qu’après une longue période de croissance initiée par l’explosion initiale du big bang, l’Univers connaisse une phase de rétractation le précipitant vers un big crunch. Or…

En 1998, l’observation de supernovae lointaines a mis les astrophysiciens sur la piste de l’accélération de l’expansion. Depuis, l’hypothèse s’est confirmée. Ainsi, l’analyse de la première lumière émise par l’Univers, 380 000 ans après le big bang, indique que la densité de l’Univers est telle que la matière ordinaire ne peut représenter que 4 % du contenu du cosmos. Le reste se partage entre une matière dite noire d’origine inconnue (25 %) et une entité mystérieuse, l’énergie noire (70 %). Par ailleurs, une série d’observations ont permis de cartographier la structure 3D de toute la matière visible et noire de l’Univers. Or, l’évolution de sa distribution implique une accélération de l’expansion. Enfin, la géométrie des structures filamentaires formées par les amas de galaxies traduit elle aussi la présence d’énergie noire…

« J’ai vécu ce dernier mois l’un des moments les plus excitants, les plus épuisants de ma vie », écrit Albert Einstein à son ami le physicien Arnold Sommerfeld. Et des plus gratifiants aussi, reconnaît-il ce 28 novembre 1915. En trois semaines, il vient de publier quatre articles majeurs, qui donnent la touche finale au grand œuvre de sa vie : une théorie révolutionnaire de la gravitation ! Les équations ultimes ont été livrées il y a trois jours à peine, le 25 novembre. Et Einstein avoue être, depuis, dans un état extatique. Personne, en deux cents ans, n’avait osé s’attaquer aussi frontalement aux principes édictés au début du XVIIIe siècle par Isaac Newton. Mais l’ancien employé du Bureau des brevets de Berne n’en est plus à une révolution près……

Einstein est connu pour être le père de la relativité générale. Mais il est aussi, en grande partie, celui de la physique quantique. Au début du XXe siècle, la physique classique est tenue en échec par une petite anomalie presque insignifiante : le problème du rayonnement du corps noir. Une expression étrange pour désigner un phénomène très familier : lorsque l’on chauffe un corps, il se met à émettre de la lumière, même s’il est totalement noir. Un métal, par exemple, devient rouge, puis rouge vif, puis orange, puis jaune… à mesure que sa température augmente. Les deux théories phares du XIXe siècle, l’électromagnétisme (qui décrit le rayonnement lumineux) et la thermodynamique (qui explique la chaleur), devraient donc s’associer pour rendre compte de cette banale observation. Or il n’en est…

À la différence de la gravitation newtonienne, dans laquelle la lumière ne subit aucune attraction gravitationnelle et circule en ligne droite, la courbure de l’espacetemps engendre naturellement une courbure des rayons lumineux au voisinage des masses. Dans son article de novembre 1915, Einstein propose donc de mesurer la déviation d’un rayon lumineux au voisinage du Soleil. Un test effectué avec succès quatre ans plus tard par l’astronome britannique Eddington (voir ci-dessous). Aujourd’hui, la courbure de la lumière sous l’effet des masses avoisinantes est devenue si familière qu’elle n’est plus un test de la relativité, mais un outil d’astronome ! Imaginons, en effet, qu’un objet très massif, comme un amas de galaxies, soit situé entre un observateur et une galaxie très lointaine. En déformant les rayons lumineux venus de la galaxie,…

Il y a belle lurette que les plus grands physiciens envoient des hommes dans l’espace. Et pour cause, c’est un milieu idéal pour l’expérimentation : le vide y règne et, surtout, la gravitation n’y a pas cours, une condition impossible à reproduire sur Terre ! Einstein n’a d’ailleurs pas hésité à se propulser lui-même dans le vide spatial pour chevaucher un rayon de lumière tout en s’observant dans un miroir lorsqu’il concevait sa relativité restreinte. Il a aussi envoyé des astronautes dans des ascenseurs cosmiques dont il coupait les câbles afin de les observer flotter en chute libre (voir p. 62), avant de construire la relativité générale. Mais le plus célèbre des tour-opérateurs de l’espace est sans conteste Paul Langevin qui, en 1911, a choisi comme cobayes des frères jumeaux,…