La relativité restreinte

Le récit

L’employé du bureau des brevets

En 1905, un jeune homme de 26 ans travaillait à Berne, en Suisse, comme employé au bureau des brevets, où l’on examinait les inventions des gens. Il s’appelait Albert Einstein, il était né à Ulm, en Allemagne, en 1879, et n’avait pas trouvé de poste à l’université. Son travail lui laissait pourtant du temps : il notait ses idées et y réfléchissait dans les trains, à la maison, en se promenant avec son ami Michele Besso, avec qui il discutait de physique. Cette année-là, que les historiens appellent « l’année miraculeuse », il publia quatre articles qui changèrent la science.

Le premier expliquait que la lumière est faite de petits paquets d’énergie, les « quanta », et c’est pour cette idée qu’il reçut le prix Nobel de physique 1921 (décerné en 1922). Le deuxième expliquait le mouvement en zigzag des grains de pollen dans l’eau par la présence d’atomes et de molécules, et il aida à convaincre ceux qui doutaient encore que les atomes existent. Les deux autres articles portaient sur la « relativité restreinte ».

Une lumière, deux observateurs

Le problème venait d’un fait étrange. Si je saute sur un train qui roule à cent kilomètres à l’heure et que je lance une balle vers l’avant à vingt kilomètres à l’heure, pour quelqu’un qui reste immobile sur le quai, la balle va à cent vingt. Pour la lumière, en revanche, ça ne marche pas ainsi. Les expériences de la fin du XIXe siècle montraient que la lumière a toujours la même vitesse, environ trois cent mille kilomètres par seconde, pour tous ceux qui la mesurent, même s’ils courent dans la même direction qu’elle.

Einstein partit de deux idées simples : les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs qui se déplacent à vitesse constante, et la vitesse de la lumière est la même pour tous. Pour que les calculs tombent juste, il fallait accepter quelque chose de surprenant : l’espace et le temps ne sont pas les mêmes pour tout le monde. Celui qui se déplace à très grande vitesse voit le temps s’écouler plus lentement, et les distances se raccourcissent dans la direction du mouvement. C’est comme si chacun avait sa propre horloge et son propre mètre.

Ces idées semblent absurdes, parce que dans la vie de tous les jours, nous voyageons à des vitesses minuscules par rapport à celle de la lumière, et les effets se remarquent à peine. Pourtant, ils existent et ont été mesurés : par exemple avec des horloges atomiques emportées en avion, et avec des particules créées dans la haute atmosphère, qui vivent assez longtemps pour arriver jusqu’au sol justement parce qu’elles vont presque à la vitesse de la lumière.

E = mc²

À la fin de 1905, Einstein écrivit un article très court, de trois pages, qui tirait une autre conséquence : la masse et l’énergie sont deux faces d’une même chose. La formule est devenue la plus célèbre du monde : E = mc², où E est l’énergie, m la masse et c la vitesse de la lumière. Comme c est un nombre énorme, et qu’il est multiplié par lui-même, même une toute petite quantité de masse contient une énorme quantité d’énergie : un gramme équivaut à environ 21 000 tonnes de TNT. C’est ce qui explique comment le Soleil brille, en transformant chaque seconde des millions de tonnes de sa masse en lumière et en chaleur, et comment fonctionne une centrale nucléaire.

La gravité et la célébrité

Pendant dix ans, Einstein continua à réfléchir, et en 1915, il acheva la « relativité générale » : la gravité n’est pas une force mystérieuse, mais une courbure de l’espace et du temps, causée par la matière, comme une lourde boule posée sur un drap tendu. En 1919, pendant une éclipse de Soleil, l’astronome anglais Arthur Eddington mesura que la lumière de certaines étoiles se courbait en passant près du Soleil, exactement comme prévu. La nouvelle fit la une des journaux du monde entier, et Einstein devint célèbre. En 1933, face à la montée du nazisme, il quitta l’Allemagne pour les États-Unis, où il resta jusqu’à sa mort, en 1955.