Site de vulgarisation scientifique d'Etienne Klein
"Il me plaît de penser que la physique est une sorte d’alpinisme intellectuel consistant à grimper jusqu’à des hauteurs himalayennes où le logos est rare et la vérité mutique."
0:00 Ambitions d’Einstein en 1902 ; office des brevets à Berne 2:37 La synchronisation des horloges, une priorité nationale 4:10 1905, l’année miraculeuse de la physique 6:16 L’effet photoélectrique ; postulat des quanta de lumière 9:06 Le mouvement brownien ; postulat puis vérification (Perrin, 1906) de l’existence de l’atome 11:20 Peut-on synchroniser des horloges à distance ? 12:25 Théories dominantes au XIXe siècle : la mécanique et l’électromagnétisme ; incompatibilité de ces deux théories : l’éther luminifère 16:59 Principe de relativité : le mouvement (rectiligne uniforme) est comme rien 20:37 Mise à mort de l’éther par Einstein 21:55 Questions posées par Einstein dans l’article de juin 1905 25:10 La relativité restreinte, une théorie universelle de l’espace-temps 26:46 Un observateur en chute libre ne sent pas son poids : le principe d’équivalence 29:23 La fin du temps universel newtonien, exemple des deux lampes 35:28 Tautologie : « vitesse d’écoulement du temps » 39:39 Autant de temps propres que d’observateurs ; le problème du vocabulaire 42:12 Paradoxe des jumeaux de Langevin 43:50 Lien entre l’inertie et l’énergie d’un corps : E = mc2, la vitesse de la lumière devient une constante universelle de la physique 49:00 Applications de E = mc2 51:05 Implication de l’existence d’une vitesse limite ; l’inertie n’est pas la masse 53:24 Exemple de collision au LHC ; collision particule – antiparticule 56:28 Vraie formule E2 = m2c4 + p2c2 : existence possible de particules sans masse, se déplaçant à la vitesse de la lumière
0:00 Ambitions d’Einstein en 1902 ; office des brevets à Berne
Comment le décor de Berne a inspiré Einstein dans l'élaboration de la relativité restreinte
Le Monde selon Etienne Klein
Einstein à Berne : le décor ça compte, même pour les savants
Les articles de l’année 1905
17 mars 1905 : « Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière »
Disponible ici (avec traduction partielle en français) : Article du 17 mars 1905
11 mai 1905 : « Sur le mouvement de particules en suspension dans un fluide au repos impliqué par la théorie cinétique moléculaire de la chaleur »
Article en anglais : Investigations on the theory of the brownian movement
30 juin 1905 : « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement »
Article en anglais : On the electrodynamics of moving bodies
Version en français : De l’électrodynamique des corps en mouvement Traduction de l’allemand vers l’anglais : D.H, Jivesh3141 et l’IP 83.79.31.102
Traduction de l’anglais vers le français : Cantons-de-l’Est et Simon Villeneuve
Texte sous licence CC-BY-SA
Pour ceux qui souhaitent approfondir, nous vous proposons ici le polycopié de Jean-Michel Raimond ; sont présentés de façon claire et pas trop technique les principes fondamentaux de la relativité restreinte et le formalisme mathématique associé.
Jean-Michel Raimond est professeur de physique à l’Université Pierre et Marie Curie et directeur du département de physique de l’ENS au LKB. Ses travaux portent essentiellement sur l’électrodynamique quantique en cavité et les puces à atomes supraconductrices.
Il était sept fois la révolution
Certaines révolutions sont lentes et ne font pas couler de sang. Entre 1925 et 1935, la physique a connu un tel bouleversement : les atomes, ces petits grains de matière découverts quelques années plus tôt, n’obéissaient plus aux lois de la physique classique. Il fallait en inventer de nouvelles, penser autrement la matière. Une décennie d’effervescence créatrice, d’audace, de tourments, une décennie miraculeuse suffit à un petit nombre de physiciens, tous jeunes, pour fonder l’une des plus belles constructions intellectuelles de tous les temps : la physique quantique, celle de l’infiniment petit, sur laquelle s’appuie toujours la physique actuelle. Originaux, déterminés, attachants, pathétiques parfois, ces hommes ont en commun d’avoir été, chacun à sa façon, des génies. Dispersés aux quatre coins de l’Europe, à Cambridge, Copenhague, Vienne, Göttingen, Zurich ou Rome, ils se rencontraient régulièrement et s’écrivaient souvent. Leurs travaux se faisaient écho, suscitant l’admiration des uns, la critique des autres, jusqu’à ce qu’ils constituent un édifice formel cohérent. Ce livre rend hommage à quelques-uns de ces hommes remarquables : George Gamow, Albert Einstein, Paul Dirac, Ettore Majorana, Wolfgang Pauli, Paul Ehrenfest et Erwin Schrödinger.
Introduction
Etat des connaissances sur l’atome début XXe, particules connues ; Einstein, Perrin (preuve expérimentale), Rutherford, Becquerel, Curie
Naissance de la physique quantique, les congrès Solvay (en note)
Présentation des physiciens éponymes, génies trop (et mal) connus ou trop oubliés
1. George Gamow, joyeux passe-frontières
Vulgarisateur hors pair ; romans populaires pleins d’imagination pour comprendre la physique
Naissance, enfance, eucharistie soumise à l’expérience, études.
Première idée de singularité de l’univers ; passion pour les récentes découvertes.
Application de l’équation de Schrödinger au noyau atomique et explication de la radioactivité bêta
Découverte de l’effet tunnel
Chez Bohr, à Copenhague ; modèle atomique de la goutte liquide
Premier accélérateur de particules à Cambridge (avec Cockroft et Walton), preuve de E=mc2
Retour en Russie, mariage, procès à son laboratoire (de même que Landau)
Congrès Solvay
Etats-Unis : travaux mêlant physique des particules et astrophysique (neutrinos et supernovae), romans pour le grand public
Participation au projet Manhattan dirigé par Oppenheimer
Publication du papier alpha bêta gamma sur l’origine des éléments chimiques, prémisses de la théorie du big bang, hypothèse de Lemaître
Conditions physiques de l’univers primordial dans les accélérateurs de particules
Rayonnement cosmologique
Intérêt pour la génétique, modèle mathématique du code génétique (décompte des acides aminés)
Fin de vie
2. Albert Einstein, un jeune homme à cheval sur les horaires
Difficultés à la sortie du Polytechnicum de Zurich, rencontre avec Mileva Maric
Place au bureau des brevets de Berne
Unification de l’heure en Allemagne
Mort de son père, mariage avec Mileva
Discussions avec ses amis sur les idées de Mach, Poincaré, Kant, Hume…
Article de 1905 : relativité restreinte ; problème contextuel de la synchronisation des horloges, concept de simultanéité, fin du temps absolu
Inventions techniques et brevets d’Einstein : voltmètre, profil d’aile d’avion, réfrigérateur
Rappels de mécanique classique (Galilée), électromagnétisme et remise en cause de l’éther luminifère
Relativité restreinte : simultanéité et synchronisation, invariance de la vitesse de la lumière, temps propre, mouvement, référentiels équivalents
E=mc2, énergie de masse, vitesse de la lumière constante universelle
Illustrations : ampoule, fission nucléaire (uranium 235), fusion nucléaire (Soleil), inertie, collisionneurs de particules
3. Paul Dirac ou la beauté silencieuse du monde
Taciturne, laconique ; anecdotes : interview d’un journaliste, échange avec Bohr, avec un ministre à Cambridge, avec Pauli dans un train (en note)
Père tyrannique, peut-être à l’origine de ce minimalisme
Naissance, enfance, études, poste à Cambridge, suicide de son père
Rencontre à Cambridge avec Bohr, et Heisenberg qui présente son modèle mathématique de l’atome (mécanique des matrices)
Le Beau et le Vrai : beauté des invariances
Article pointant les différences entre mécaniques classique et quantique ; Max Born impressionné
Anecdotes : avec Pauli (rencontre), avec Gamow
Mariage avec Margit Wigner
Rencontre avec Oppenheimer, Ehrenfest ; passivité dans le débat Bohr – Einstein
Découverte de la version relativiste de l’équation de Schrödinger
Résolution de cette équation : apparition du spin et d’énergies négatives ; réactions mitigées
Prédiction du positron et par suite de l’antimatière, mer de Dirac ; découverte expérimentale accidentelle du positron (Anderson)
Prédictions et découvertes d’autres particules d’antimatière
En note : nous, humains, radioactifs
Prix Nobel, partagé avec Schrödinger
Mort en Floride
4. Les fantômes de Majorana
Signalement après sa disparition, lettre et télégramme à Carelli ; recherches vaines, mystère persistant
Impossibilité pour Majorana d’avoir imaginé la fission de l’uranium
Naissance, études brillantes
Présentation de Fermi et de ses ambitions
Test d’entrée de Segré à l’Institut et admission de Majorana
Présentation de l’Institut et des cours de Fermi ; surnoms des membres
Génie de Majorana, premier article et doctorat
Personnalité de Majorana, sombre et misanthrope ; vision de la physique
Articles majeurs : spin flip, théorie relativiste des particules
Quantification du spin, article sur l’équation décrivant toutes les particules quel que soit leur spin
Expérience des Joliot-Curie, interprétation de Majorana (découverte du neutron) inspirée par Rutherford, vérification expérimentale (Chadwick)
Nouvelle conception de l’atome, nouvelle vision de la cohésion des noyaux
Rencontre avec Heisenberg
Lettre teintée d’antisémitisme à Segré ; lecture de Schopenhauer
Isolement, lecture de Pirandello et Shakespeare
Poste de physique théorique à Naples
Mer de Dirac et énergies négatives face au modèle et aux particules de Majorana
Débat sur le neutrino, double désintégration bêta
Préparation des cours et déception
Interprétation de la passion de Majorana pour Pirandello
5. Les variations cachées de Wolfgang Pauli
Apparence physique ; bouillonnement intellectuel, postérité
Effet Pauli (anecdote)
Naissance, influence de Mach, brillantes études, premiers travaux (salués par Einstein)
Rencontre avec Sommerfeld et Heisenberg à Munich
Doctorat sur la molécule d’hydrogène ionisée
Assistant de Born à Göttingen
Séjour à l’Institut de Bohr à Copenhague
Etude de l’effet Zeeman anormal ; introduction d’un quatrième nombre quantique, principe d’exclusion
Interprétation du spin (Uhlenbeck, Goudsmit)
Caractère méprisant et cassant de Pauli ; anecdote avec Weisskopf
Pauli impressionnant en cours (anecdote)
Années à Hambourg : rencontre avec Otto Stern, mort de sa mère, mariage (fiasco), dépression, divorce
Relation avec Carl Jung, correspondance
Radioactivité bêta, hypothèse d’une nouvelle particule sauvant la conservation de l’énergie baptisée neutrino par Fermi
Critique de Pauli envers Bohr au congrès Solvay
Découverte du neutrino (Reines, Cowan)
Présentation du neutrino, toujours mystérieux
Rencontre, voyage et mariage durable
Découverte de nouvelles particules prédites par Pauli et Weisskopf : méson pi, pion
Fuite du nazisme, demande (refusée) de participer au projet Manhattan mené par Oppenheimer
Anecdote : salut nazi involontaire
Formalisation de l’invariance CPT traduisant le principe de causalité
Prix Nobel
Relation entre Pauli et Einstein, entre respect et désaccords
Point de vue de Pauli sur la physique quantique ; notion de complémentarité (Bohr)
Etudes de Pauli en parallèle : rôle de l’inconscient dans la création scientifique (physis et psyché), alchimie, intérêt pour Képler et l’idée d’intuition, rôle de l’observateur
Mort et anecdote de la chambre 137 à l’hôpital
Anecdote de la rencontre de Pauli avec Dieu
6. Paul Ehrenfest, l’oncle Socrate
Citation d’Einstein après la mort d’Ehrenfest
Naissance, excellent élève, malheurs familiaux
Passion pour la physique, cours de Boltzmann (son directeur de thèse), rencontres prestigieuses à Göttingen
Mariage avec Tatiana ; suicide de Boltzmann traumatisant
Départ pour la Russie, premiers articles sur l’origine de l’irréversibilité des phénomènes
Chaire en Hollande : qualités de pédagogue, surnom, organisation de colloques
Ambiance chez les Ehrenfest, credo sur la naissance des idées
Rencontre décisive avec Einstein, début d’une grande amitié ; duos Einstein (violon) – Ehrenfest (piano)
Leçon d’Einstein à l’université d’Ehrenfest sur l’éther et la relativité
Complexe d’Ehrenfest, trop peu créateur à ses yeux : période de déprime
Contributions d’Ehrenfest à la physique : étude du corps noir, mécanique céleste, théorème d’Ehrenfest
Travaux de Bose sur les gaz de photons (pour démontrer la loi de Planck)
Article d’Einstein commenté par Ehrenfest ; condensat de Bose – Einstein
Débat Bohr – Einstein aux congrès Solvay : défense du réalisme par Einstein, thèse de Bohr (interprétation de Copenhague) ; Ehrenfest du côté d’Einstein
Dépression, lettre d’Einstein réconfortante
Lettre d’Ehrenfest à ses amis puis suicide
7. Erwin Schrödinger, l’homme des superpositions
Grande attirance pour les femmes
Naissance, Vienne florissante, brillantes études
Influence de Boltzmann, Mach et ses groupes de sensations
Passionné de philosophie, premières amours et chagrins
Assistant de physique expérimentale à l’université de Vienne
Articles sur le mouvement brownien, étude sur la relativité générale
Schopenhauer : une révélation ; rédaction de cahiers de philosophie
Volonté d’unification des connaissances
Mariages et voyages ; chaire au Polytechnicum de Zurich
Etude de la thèse de de Broglie, équation de Schrödinger
Modèle de l’atome de Bohr, d’Heisenberg (matrices), de Schrödinger ; discussions houleuses, congrès Solvay
Vecteur d’état, principe de superposition ; chat de Schrödinger
Théorie de la décohérence