E = mc² : l'Histoire d'une Formule Magique

Il y a un siècle, une formule composée de quatre symboles voyait le jour. Sa géniale simplicité nous a permis de comprendre comment le monde est né, et comment il fonctionne. Elle nous a permis d'accéder aux secrets les plus intimes de la matière, mais aussi aux régions les plus éloignées de notre univers.

Son auteur était un tout jeune homme : Albert EINSTEIN. Grâce à une extraordinaire intuition, il est parvenu a dépasser tous ceux qui l'avait précédé. Il a écrit l'équation la plus importante de toute l'histoire et la plus célèbre. Albert Einstein va faire aboutir tout le travail de ceux qui l'ont précédé. Des scientifiques qui se sont battus et ont même donné leur vie pour révéler chaque élément de l'équation. L'histoire de E=mc² commence longtemps avant Einstein. Avec la découverte de E pour Energie.

E = Energie

1812 : L'énergie globale et unificatrice reste à révéler, et c'est la détermination d'un homme modeste à comprendre les mystère de la nature qui va changer tout cela ! Le jeune Mickael Faradet détestait son métier d'appreti relieur, mais il était passionné de sciences lisait beaucoup. En 1812, la science était une éducation de gentlemen, ce que Faradet n'était pas. Il a reçu un billet pour aller écouter Sir Humphry Davy, le plus grand chimiste de l'époque. Sir Humphry le prend en tant qu'assitant de laboratoire et avec le temps, l'élève va dépasser le maitre.
Le grand sujet du moment est l'éléctricité. La pile vient d'être inventée et toutes sortes d'expérience sont réalisées, mais personne ne comprend vraiment ce qu'est cette étrange force qu'est l'électricité. À l'époque, on imagine l'électricité comme un fluide circulant à travers un tube en s'y frayant un passage. Mais en 1821, un chercheur Danois montre que si on fait passer le courant electrique dans un cable avec une boussole à côté, le courant devie l'aiguille à angle droit. C'est la première fois que les chercheurs voient l'électricité affecter un aimant. Le premier élément indiquant que 2 forces qu'on estimait jusque là totalement distinctes, sont unies par un lien inexplicable.

Mickael Faradet, comme Einstein, pensait en terme d'image. À l'époque, on enseignait que les forces voyageaient en ligne droite. Mais, Faradet a imaginé que des lignes de forces invisibles circulaient autour du cable electrique, puis que l'aimant avait des lignes similaires, et qu'elles étaient prises dans ce flux, comme un drapeau dans le vent. Mais la véritable trouvaille du jeune chercheur, c'est d'avoir inversé l'expérience. Au lieu de dévier l'aiguille de la boussole avec un cable électrique, il essaye de déplacer le cable avec un aimant statique. C'est l'expérience du siècle, l'invention du moteur électrique. Il invente un nouveau type de physique. Faradet ne s'en rend pas compte, mais il vient également de démontrer un principe fondamental. Les produits chimiques de la pile ont été transformé en electricité dans le cable. Cette électricité s'est combinée à l'aimant pour produire une force mécanique et générer un mouvement. Derrière toutes ces forces, il y a une énergie commune. Plus tard l'univers des forces invisibles de Faradet, aboutira à une nouvelle compréhension de l'énergie. Il vient d'initier se qu'Einstein appelera, la grande révolution.

Munich 1885 : Einstein "Mon père et mon oncle voulait faire fortune en éclairant toutes les rues d'Allemagne grace à l'electricité. Dès mon plus jeune âge, j'ai adoré regarder les machines, la façon dont elles fonctionnaient."
Il ne s'interressait qu'à la physique, aux mathématiques, à la philosophie et au violon. Tout le reste l'ennuyait. Ses professeurs s'evertuaient à lui faire admettre que non seulement l'énergie pouvait être convertie d'une forme à une autre comme l'avait démontré Faradet, mais encore que toutes les formes d'électricité ont été decouvertes. Albert Einstein va leur prouver le contraire en découvrant une autre énergie, cachée là où nul autre scientifique n'avait pensé à chercher. Au cœur même de la matière.

m = masse

En France en 1771, un siècle avant la naissance d'Einstein, c'est une période d'éfervescence intellectuellequi dessine un nouvel horizon. L'époque des lumières. Antoine Lavoisier a une passion particulière pour la chimie. À 24 ans, il tente de comprendre comment la matière est composée. Il démontre que le fer combiné à l'air devient un métal plus lourd. Lavoisier a l'ambition de démontrer que la nature est un système fermé. Que dans toute transformation, même si la quantité de matière ou de masse est importante, rien ne se perd, rien ne se crée.
Expérience : une quantité d'eau précise chauffée jusqu'à évaporation, la vapeur traverse un canon à fusil incandescant dans les braises. À l'autre bout, on refroidit la vapeur et là, premier constat. Il y a moins d'eau récoltée qu'au départ. Il manque une certaine quantité d'eau. Cependant, il a récolté un gaz (hydrogène), et le poids du canon a augmenté. Or le poids du gaz plus le poids de l'augmentation du canon est égal au poids de l'eau perdue. Le gaz récolté est plus léger que l'air, et est inflammable. Lavoisier vient de décomposer l'eau. Il a obtenu l'oxygène captée par le fer du canon, et l'hydrogène récolté en bout d'expérience. Donc rien ne s'est perdu, la matière s'est simplement transformée. Grâce à l'argent, Lavoisier a des instruments d'une très grande précision pour l'époque. Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.
Lavoisier trouve son couronnement lorsqu'il parvient à recombiner l'hydrogène et l'oxygène pour former de manière synthétique et pour la première fois de l'eau. Après la révolution, les fermiers généraux qui avaient collecté l'impot pour le roi seront tous comdamnés à mort. C'est se qui arriva à Lavoisier le 8 Mai 1794. Ce qu'a fait Lavoisier est absoluement essentiel pour la science et en particulier pour la formule.

Zurich 1897 : Un siècle plus tard, la nature toute entière a été divisée en 2 grands domaines. L'énergie, les forces qui animent les objets et la masse, et, la matière physique dont se compose ses objets. La science du début du 19ème siècle repose entièrement sur ces 2 pilliers. Les lois qui gouvernent la première ne s'appliquent pas à l'autre. Et Einstein ne peut se contenter de cette contradiction. Avec la lumière Einstein va reinventer l'univers. La lumière se propage extrèmement vite, 300.000 km/seconde, C pour celeritas (vitesse en latin).

c = vitesse de la lumière

1846 : Londres. La vitesse de la lumière a été mesurée bien avant le 19ème siècle mais personne ne connait véritablement la nature de la lumière. Faradet, devenu un des plus grands savants du monde, a une idée sur la question. Sa théorie selon laquelle l'électricité et le magnétisme sont deux aspects d'un même phénomène qu'il nomme électro, n'est pas encore accepté par le monde scientifique. Mais Faradet a une idée encore plus audacieuse. Il va tenter pendant 15 ans de convaincre les septiques que la lumière est une onde électromagnétique. Mais ses compétences en mathématiques sont trop limitées pour prouver sa théorie, jusqu'à ce que James Clerk Maxwell lui vienne en aide. Il montra l'existence d'ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière (c). Partant des travaux de Faraday, il établit la relation mathématique entre les champs électriques et magnétiques. En 1864, Maxwell démontra les propriétés électromagnétiques de la lumière qu'il décrivit comme une onde se propageant dans l'éther. Maxwell et le vieux Faradet deviennent amis et Maxwell démontre quelque chose de crucial dans les calculs. Cette électricité produisant du magnétisme et le magnétisme produisant de l'électricité, tout ça ne peut arriver qu'à une vitesse précise. Les équations sont très claires et on tombe sur le même nombre : cela donne 300.000 km/s, la vitesse de la lumière. Donc Faradet avait raison, la lumière est une onde électromagnétique. L'électricité et le magnétisme sont deux aspects d'une unité plus vaste désormais appellée une force électromagnétique, qui se propage à près de 300.000 km/s, dans sa forme visible, c'est la lumière elle-même. Et on sait que rien ne fassine plus Einstein que la lumière.
Les équations de Maxwell contiennent un étrange postula. Selon elles, on ne peut pas rattraper la lumière, même en voyageant à 300.000 km/s. Einstein comprend que la lumière ne ressemble à aucune autre onde, mais il reste un autre élément mathématique dont il va avoir besoin : la simple élévation au carré.

2 pour au carré

1722, France : Une jeune aristocrate de 16 ans Emilie de Châtelet, décide d'être une femme savante, ce qu'aucune femme n'avait fait. L'élévation au carré est une procédure ancienne, cet accroissement au carré se retrouve constamment dans la nature. La Marquise du Châtelet, brillante mathématicienne, trancha en faveur de Leibniz dans le débat l'opposant à Newton. L'hollandais Vilems Gravesand et son expérience vont prouver que Leibniz avait raison. Selon Leibniz, pour calculer l'énergie totale d'un objet, il faut prendre en compte non sa vitesse, mais le carré de sa vitesse. Gravesand fait tomber une bille en plomb dans de l'argile, puis une deuxième bille de 2 fois plus haut. Selon Newton, il suffit de doubler la vitesse de la bille pour doubler la distance qu'elle traverse dans l'argile. Leibniz, lui, l'élève au carré. Si ces calculs sont corrects, la bille s'enfoncera non pas 2 fois, mais quatre. Leibniz avait donc raison.
Il faudra attendre un siècle après la mort d'Emilie du Châtelet pour que sa conviction selon laquelle l'énergie d'un objet est fonction du carré de sa vitesse fut acceptée, juste à temps pour permettre à Albert Einstein d'utilisé cette géniale découverte pour enfin réunir l'énergie et la masse avec la lumière.

Le génie d'Einstein consista à relier ces 4 concepts.

1905 : À la grande et difficile question que se pose Einstein sur la synchronisation des horloges, il a une intuition phénoménale. Quand vous synchronisez deux horloges et que vous les éloignées l'une de l'autre, donc qu'il y eu un mouvement par rapport à l'autre, les temps qu'elles s'indiquent vont se désynchroniser, c'est à dire qu'il va y avoir un phénomène de dilatation de la durée, donc lemouvement des horloges va ralentir leur battement par rapport à un observateur qui est resté immobile. À l'instant où il a eu cette idée que le temps peut ralentir, la porte s'est ouverte. 1905 est une année miraculeuse pour Einstein et la physique. D'abord, il publie un article sur la nature de la lumière qui lui vaudra le prix Nobel. Deux mois plus tard, il explique comment calculer la véritable taille de l'atome. Un mois après, le troisième article, décrit les mouvement des molécules quand on les chauffe, et clos enfin le débat sur l'existence de l'atome. Le quatrième article, est publié à la fin de ce premier semestre, Einstein y établit sa théorie de la lumière, du temps et de l'espace : la théorie de la relativité restreinte. Elle a changé notre façon de voir le monde. Dans le nouveau monde d'Einstein, se ne sont plus le temps et l'espace qui sont absolus et universels. C'est désormais la vitesse de la lumière qui est identique pour tous les observateurs où qu'ils se trouvent dans l'univers. Au printemps 1905, Einstein formalise une nouvelle inspiration, il donne une impulsion encore plus extraordinaire à sa théorie en proposant une vision encore plus novatrice des concepts d'énergie et de masse. Au lieu de les maintenir séparées comme chez Newton, il relie la masse et l'énergie par la vitesse de la lumière (c). L'energie et la massene sont pas distinctes et absolues. Elles peuvent être transformée l'une en l'autre. L'énergie peut devenir masse et la masse, énergie. L' E = mc².

Albert Einstein réalise que la vitesse de la lumière (c) est une limite cosmique, rien ne peut aller plus vite. Si on donne encore plus d'énergie à un train roulant déjà à 300.000 km/s, cette energie se transforme en masse et le train devient donc plus lourd, mais ne va pas plus vite...
En Septembre 1905, Einstein publie un cinquième article. En trois pages il pose simplement que E = mc². Qu'est-ce que la matière ? D'une certaine façon, ce n'est rien d'autre que la condensation de vaste quantité d'énergie. Donc si on pouvait parvenir à libérer toute l'énergie emmagasinée de mon stylo par exemple, elle jaïrait avec une force comparable à celle d'une bombe atomique. Mais la parution des 5 articles ne suscitent aucune réaction. L'année 1905 pour la science s'achève dans un silence le plus total. Et puis cela démarre par une lettre, puis une autre, Einstein répondant en essayant d'expliquer ses idées complexes à une communauté scientifique perplexe. Grace à la caution de Max Planck, la communauté scientifique prend Einstein au sérieux et sa carrière connait une progression fulgurante.
Lorsque en 1919 un savant Anglais, Arthur Stanley Eddington observe lors d'une éclipse solaire la déviation de la lumière, l'espace est alors pris en flagrant déli de courbure, et en 1921, Einstein reçoit le prix Nobel pour ses travaux sur la lumière et non pour ses travaux sur la théorie de la relativité générale appellée aussi théorie de la gravitation.

L'aventure de l'atome

Un noyau d'atome est composé de neutron et de proton réunis par la force nucléaire.

Notre soleil est une énorme fournaise dans l'espace mûe par E=mc². On sait aujourd'hui que chaque seconde, le soleil perd 4 millions de tonnes de masse solide, elle ressort sous forme d'énergie. Assez pour illuminer notre système solaire et le faire rayonner de chaleur et de lumière. Non seulement les étoiles produisent de l'énergie en accord avec E=mc², mais l'essemble du processus crée la vie elle-même. Un jour, une gigantesque étoile meurt, les débrits flottent dans l'espace, s'amassent ensemble, sont attirés par une autre étoile et forment une nouvelle planète. La Terre sur laquelle nous vivont et nous, les humains, sommes fait de poussières d'étoiles. Nous sommes un produit direct de E=mc².

Doc "Albert Einstein" diffusé sur ARTE > Octobre > 2005
 
 

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