Albert Einstein, le physicien qui a bousculé le temps et l’espace

Un élève qui déteste le par-cœur

Albert Einstein naît le 14 mars 1879 à Ulm, en Allemagne, dans une famille juive de la classe moyenne, et grandit à Munich, où son père a fondé une entreprise d'électricité. À 12 ans, un petit livre de géométrie l'émerveille : on peut y prouver avec certitude des choses qui ne sautent pas aux yeux.

Il a de bonnes notes, et il est excellent en mathématiques. Mais il déteste son lycée, où l'on réussit en apprenant par cœur et en obéissant sans discuter. À 15 ans, il quitte l'école en cours d'année pour rejoindre ses parents, partis en Italie.

En 1895, à 16 ans, bien plus jeune que la plupart des candidats, il tente l'examen d'entrée de l'École polytechnique de Zurich, en Suisse. Il échoue. On lui conseille de finir sa scolarité dans une école suisse, à Aarau. Là, ses professeurs le laissent réfléchir librement, et il s'y épanouit. Il entre à Zurich l'année suivante.

Deux ans sans travail

À Zurich, il sèche beaucoup de cours et travaille à sa façon, en bibliothèque et au laboratoire. Son ami Marcel Grossmann prend d'excellentes notes en mathématiques et les lui prête avant les examens. Einstein écrira plus tard qu'il préfère ne pas imaginer ce qu'il serait devenu sans ces notes.

Il obtient son diplôme en 1900, sans éclat. Trois de ses camarades deviennent assistants à l'École ; lui écrit à des universités, sans succès. Il vit de remplacements comme professeur. C'est le père de Grossmann qui le recommande au directeur du bureau des brevets de Berne. En 1902, Einstein y devient « expert technique de troisième classe » : il examine les demandes des inventeurs. Il épouse une ancienne camarade d'études, la physicienne Mileva Marić.

1905, l'année extraordinaire

Le soir et pendant son temps libre, sans laboratoire et presque sans collègues, il écrit en quelques mois de 1905 quatre articles qui changent la physique :

• La lumière est faite de grains d'énergie. On la croyait uniquement faite d'ondes. Einstein montre qu'elle se comporte aussi comme un jet de petits paquets d'énergie, qu'on appellera photons. Cela explique l'effet photoélectrique : une lumière assez « énergique » arrache des électrons à un métal.
• Les atomes existent vraiment. En étudiant le mouvement désordonné de minuscules grains dans un liquide, il propose une façon de prouver l'existence des atomes, dont certains savants doutaient encore.
• La relativité restreinte. Il part d'un principe : la vitesse de la lumière est la même pour tous les observateurs, qu'ils bougent ou non. Conséquence surprenante : le temps ne s'écoule pas au même rythme pour tout le monde. Pour quelqu'un qui se déplace très vite, il passe plus lentement.
• E = mc². La masse et l'énergie sont deux formes d'une même chose. Comme c, la vitesse de la lumière, est immense, une toute petite masse correspond à une énergie énorme.

La même année, il termine sa thèse de doctorat, présentée à l'université de Zurich.

Dix ans pour comprendre la gravitation

Einstein veut ensuite expliquer la gravitation, la force qui fait tomber les objets et tourner les planètes. En 1907, il a une intuition : une personne enfermée dans une cabine qui tombe librement ne sent plus son poids. Gravitation et accélération seraient donc la même chose.

Il lui faudra huit ans de plus, avec des années entières dans des impasses. Il lui manque des outils mathématiques. Grossmann, encore lui, lui fait découvrir le calcul inventé par deux mathématiciens italiens, Gregorio Ricci-Curbastro et Tullio Levi-Civita. Fin 1915, Einstein publie la relativité générale : une masse comme le Soleil courbe l'espace et le temps autour d'elle, un peu comme une boule lourde creuse un drap tendu. Les planètes, et même la lumière, suivent cette courbure.

La preuve vient d'une île africaine et du Brésil

Comment le vérifier ? Si la théorie est juste, la lumière d'une étoile qui passe près du Soleil doit être légèrement déviée. Mais on ne voit pas les étoiles en plein jour, sauf pendant une éclipse totale.

Le 29 mai 1919, l'éclipse est visible du nord du Brésil à l'Afrique de l'Ouest. Deux expéditions britanniques partent : l'astronome Arthur Eddington sur l'île de Príncipe, au large de l'Afrique (dans l'actuel São Tomé-et-Príncipe), deux autres astronomes à Sobral, dans le nord-est du Brésil. Nuages, orages, instruments déformés par la chaleur : peu de photos sont utilisables. Mais elles vont dans le sens d'Einstein. En novembre 1919, l'annonce fait la une des journaux du monde entier, et Einstein devient célèbre du jour au lendemain.

Le prix Nobel, mais pas pour la relativité

Il reçoit le prix Nobel de physique 1921, remis en 1922, « pour ses services rendus à la physique théorique, et en particulier pour sa découverte de la loi de l'effet photoélectrique ». La relativité était encore trop discutée.

Exil et engagements

Dans l'Allemagne des années 1920, Einstein et ses théories sont violemment attaqués par des antisémites. Il part pour les États-Unis fin 1932 ; en janvier 1933, les nazis prennent le pouvoir, et il ne reviendra jamais en Allemagne. Il travaille à Princeton jusqu'à sa mort, le 18 avril 1955.

En 1939, des physiciens, dont son ami Leo Szilard, craignent que l'Allemagne nazie fabrique une bombe à l'uranium. Einstein signe une lettre qui alerte le président américain Franklin Roosevelt. Il ne joue aucun autre rôle dans la fabrication de la bombe : on lui refuse même l'autorisation de travailler sur des sujets secrets. Une semaine avant sa mort, il signe un appel demandant à tous les pays de renoncer aux armes nucléaires.

Aux États-Unis, il dénonce la ségrégation raciale. En 1946, à l'université Lincoln, en Pennsylvanie, la plus ancienne université noire du pays, il déclare que la ségrégation n'est pas une maladie des Noirs, mais « une maladie des Blancs », et qu'il ne compte pas se taire à ce sujet.

Ce que la légende oublie

• « Einstein était nul en maths » : faux. Il était excellent en mathématiques. Il a échoué à un examen d'entrée, très jeune, sur l'ensemble des épreuves.
• E = mc² n'a pas fabriqué la bombe. Il a fallu la découverte de la fission de l'uranium en 1938, puis le travail de milliers de personnes. Einstein n'y a pas participé.
• Il n'était pas seul. Plusieurs morceaux de la relativité restreinte avaient été proposés avant lui ; son apport a été de les réunir. Le mathématicien allemand David Hilbert est arrivé aux bonnes équations de la relativité générale presque en même temps que lui.
• Il avait ses zones d'ombre. Ses carnets de voyage de 1922-1923, publiés en 2018, contiennent des remarques racistes et méprisantes sur les Chinois qu'il rencontre. Elles contrastent avec son combat public contre le racisme, et montrent qu'on peut être un immense savant et avoir des préjugés de son époque.
• Il a aussi échoué. Il a passé ses trente dernières années à chercher une théorie qui réunirait toutes les forces de la nature, sans y parvenir.

Ce qu'il a laissé

Sa physique est dans la poche de milliards de personnes. Les satellites du GPS tournent à environ 20 000 km d'altitude. Là-haut, à cause de leur vitesse et d'une gravitation plus faible, leurs horloges avancent d'environ 38 millionièmes de seconde par jour par rapport au sol. Sans correction, les positions calculées dériveraient d'une dizaine de kilomètres par jour. L'effet photoélectrique, lui, aide à comprendre les capteurs qui transforment la lumière en signal électrique.

Pour aller plus loin : la lumière et les couleurs et les étoiles et les galaxies.