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Einstein au Collège de France

 | 
Antoine Compagnon
, 
Céline Surprenant

Quelques réflexions sur le contexte scientifique de la visite d’Einstein à Paris en 1922

Serge Haroche

Texte intégral

1La visite qu’Einstein fit à Paris en 1922 à l’invitation de Paul Langevin a suscité un intérêt bien au-delà du cercle des physiciens et des scientifiques. Le savant allemand était devenu à la fin de la Grande Guerre une star mondiale suite à l’observation de la déflection des rayons lumineux provenant d’une étoile et rasant le Soleil au cours de l’éclipse de 1919. La théorie révolutionnaire de la relativité générale, basée sur la description géométrique d’un espace-temps courbe, avait prédit pour cette déflection une différence angulaire minuscule de 0,7 secondes d’arc par rapport à la prédiction de la physique newtonienne. La distance entre la position prévue par Newton et celle produite par la courbure de l’espace au voisinage du Soleil n’était que 1/2500ème du diamètre apparent de notre astre. Cet effet minuscule avait été annoncé par l’astronome Anglais Eddington après une analyse statistique longue et complexe des plaques photographiques ramenées des expéditions qui avaient observé l’éclipse aux îles du Cap vert et dans le Nord-est du Brésil. Jamais une si grande notoriété n’avait été produite par un effet aussi petit !

2Les physiciens et mathématiciens qui comprenaient vraiment la théorie d’Einstein étaient très peu nombreux. Elle laissait aux non-scientifiques une impression d’étrangeté vaguement inquiétante. Comme une photographie en témoigne, les conférences qu’Einstein donna à Paris ont attiré une foule de messieurs en chapeau melon se pressant au portillon d’entrée du Collège de France pour écouter le grand homme. En assistant à ses conférences exposées dans un français hésitant, les auditeurs avaient le sentiment d’être les témoins d’une révolution aussi profonde que celle qui avait été initiée par Copernic et Galilée trois siècles auparavant.

M. Painlevé fait lui-même la police afin d’empêcher l’entrée d’un public trop nombreux venu pour écouter M. Einstein, avril 1922

M. Painlevé fait lui-même la police afin d’empêcher l’entrée d’un public trop nombreux venu pour écouter M. Einstein, avril 1922

© BNF

3Les débats techniques et philosophiques sur la nature du temps et de l’espace qui ont opposé Einstein à Paul Painlevé et Henri Bergson sont passés au-dessus de la tête de la plus grande partie de l’auditoire. Einstein était sûr de lui car toute sa théorie était la conséquence logique d’un principe fondamental qu’il n’avait fait que généraliser à partir des idées de Galilée, celui de l’invariance des lois de la physique par rapport au repère dans lequel on les observe. Qu’un jumeau voyageur revenant après un long voyage dans une fusée volant à une vitesse proche de celle de la lumière soit beaucoup plus jeune que son frère resté sur Terre était certes étrange, mais c’était une conséquence inéluctable de la théorie, même si cela entrait en conflit avec l’intuition bergsonienne. Paraphrasant le Epur si muove de Galilée (« et pourtant elle tourne »), Einstein aurait pu affirmer à ses contradicteurs : « et pourtant, le jumeau voyageur est plus jeune ». J’ai connu personnellement un témoin de ces discussions. Mon vieux professeur de maths en classe préparatoire au lycée Louis-le-Grand nous avait raconté, au début des années 1960, qu’il avait été quarante ans auparavant un des auditeurs d’Einstein et qu’il n’avait rien compris aux débats auxquels il avait assisté.

4Pour un physicien, la visite d’Einstein à Paris pose une question intéressante. Pourquoi n’y a-t-il parlé que de la relativité ? S’il est surtout connu du grand public pour cette théorie, on oublie souvent que le savant allemand est aussi l’un des pères de la physique quantique, la théorie qui nous a ouvert les clés de l’infiniment petit. Avant même son article fondateur sur la relativité restreinte de l’été 1905, Einstein avait publié au printemps de la même année un papier introduisant le concept de photon et le dualisme onde-particule pour la description des phénomènes électromagnétiques. Einstein avait affirmé que la lumière se propage dans l’espace comme une onde donnant lieu à des phénomènes d’interférences et, qu’en même temps, elle interagit avec la matière de façon granulaire, comme un ensemble de particules. Ce modèle expliquait les propriétés du rayonnement thermique des corps chauffés et élucidait les caractéristiques étranges de l’effet photo-électrique nouvellement observé.

5Alors même qu’il cherchait entre 1907 et 1915 à étendre son principe de relativité de 1905 à la gravitation, Einstein avait aussi généralisé sa théorie des quanta à la matière en décrivant les atomes d’un solide comme de petits oscillateurs vibrant autour de leurs positions d’équilibre, sautant d’un état de vibration à l’autre par quanta indivisibles. Ce modèle, exposé à la conférence Solvay de 1911, lui permit d’expliquer les propriétés de la chaleur spécifique des solides. La constante ℎ que Planck avait introduite de façon heuristique en physique jouait un rôle central dans cette théorie. Les quanta d’un oscillateur de fréquence 𝜈, qu’il s’agisse d’un champ électromagnétique ou d’un mode de vibration d’un atome, transportaient chacun une énergie ℎ𝜈. La constante ℎ, homogène à une énergie divisée par une fréquence, ou encore à une énergie multipliée par un temps a les dimensions de ce qu’on appelle une action en physique. Elle a une valeur extrêmement petite dans l’unité usuelle du système de mesure international, le joule-seconde (J · s). Sa valeur, 6.10-34 J · s, s’écrit en notation décimale avec trente-trois zéros suivis par un 6 après la virgule ! C’est dire que tous les phénomènes macroscopiques impliquent des nombres de quanta si gigantesques et des actions si grandes devant ℎ que l’aspect granulaire de la physique est en général totalement indécelable.

6En un sens on peut dire que la physique quantique est encore beaucoup plus étrangère à l’expérience de notre vie quotidienne que la relativité. Dans notre monde où les objets macroscopiques bougent à des vitesses v d’au plus quelques kms/seconde – très faibles devant la vitesse de la lumière c = 300.000 km/s - les effets relativistes de dilatation des temps ou de contraction des longueurs, du second ordre en v/c, sont des corrections de l’ordre de 10-10 au plus. Elles sont certes très petites, mais restent énormes comparées au facteur 10-34 de la constante de Planck ! Si Einstein avait parlé de quanta à Paris en 1922, il aurait sans doute suscité encore plus d’étonnement et d’incrédulité auprès du grand public qu’en évoquant la relativité !

7Les travaux d’Einstein sur les quanta ne s’étaient pas limités à la découverte du photon et à celle des oscillateurs quantiques. Il avait aussi élucidé les mécanismes d’échange d’énergie entre la matière et la lumière et découvert en 1916 le phénomène d’émission stimulée qui fait qu’un atome porté dans un état électronique excité a tendance à amplifier de la lumière incidente en émettant un photon identique à ceux qui l’éclairent. Cet effet annonçait le laser, inventé quelques cinquante ans plus tard.

8Si Einstein n’a consacré aucune de ses conférences parisiennes de 1922 à ses recherches sur les quanta c’est sans doute parce que la théorie quantique était encore en gestation et qu’aucune idée simple n’émergeait d’un ensemble d’observations disparates et de modèles théoriques incomplets incapables de rendre compte de façon précise et unifiée des propriétés de la matière et de la lumière à l’échelle atomique. La physique des quanta était alors plus un sujet de discussions et d’analyses passionnées entre collègues qu’un thème à aborder devant un auditoire non spécialisé.

9Dans l’année où Einstein visita Paris et au cours des trois suivantes, des pans du voile qui recouvrait le monde quantique se levèrent progressivement, jusqu’à ce qu’une théorie complète émerge en 1925-1926, à la suite des travaux indépendants de Heisenberg, Schrödinger et Dirac. Einstein suivit pendant cette période de près l’évolution des recherches sur les quanta et y participa activement. À l’époque de sa visite au Collège de France et à la Sorbonne, il était sans doute intellectuellement plus intrigué par les mystères des quanta que par ceux qu’il considérait alors comme largement résolus de la relativité. Cette année 1922 est aussi celle où Einstein allait recevoir le prix Nobel de physique pour sa découverte des quanta de lumière et l’élucidation de l’effet photoélectrique, sans que la relativité ne soit mentionnée par l’Académie suédoise des sciences dans la motivation du prix.

10Il y avait en 1922 à Paris un jeune homme passionné par la physique, qui s’intéressait aux deux faces de l’œuvre d’Einstein. Louis de Broglie comprenait en profondeur les implications de la relativité et était fasciné par les quanta. Frère de Maurice de Broglie – un physicien que connaissait bien Einstein – et étudiant en thèse de Langevin, Louis a probablement assisté aux conférences du Collège de France et de la Sorbonne. Il est bien possible qu’il ait eu l’occasion de parler personnellement à Einstein à Paris au printemps 1922. Il allait l’année suivante combiner les idées relativistes et quantiques pour faire une avancée décisive sur le chemin de l’élaboration de la mécanique quantique. Einstein avait annoncé que la lumière, vue par la physique classique comme une onde, était aussi formée de particules. Adoptant le point de vue inverse, de Broglie fit l’hypothèse que les constituants de la matière, électrons, noyaux et atomes – que la physique classique considérait comme des corpuscules – étaient aussi associés à des ondes. Le dualisme introduit par Einstein pour décrire la lumière devait s’étendre à toute la physique. La longueur de l’onde de matière associée à une particule de masse m et de vitesse v était égale à ℎ/mv. Cette relation était identique à celle qui reliait d’après la relativité la longueur d’onde des photons de fréquence 𝜈 à leur impulsion p= 𝜈/c.

11Paul Langevin, malgré sa profonde connaissance de la relativité, ne sut que penser de l’idée révolutionnaire de Louis de Broglie qui mariait en quelque sorte la relativité et les quanta. Il envoya pour avis à Einstein le manuscrit de la thèse de son étudiant. Einstein eut tout de suite l’intuition que le jeune Français avait levé un pan du grand voile. Il l’écrivit à Langevin qui, rassuré par l’appréciation enthousiaste de son collègue, fit soutenir sa thèse à de Broglie. Quelques mois plus tard, Einstein, suivant une idée que lui avait donné un autre jeune physicien, l’Indien Satyendranath Bose, devait confirmer la similarité entre photons et atomes en prédisant le phénomène de condensation de Bose-Einstein. À très basse température, certaines catégories d’atomes, appelés depuis bosons, devaient tous tomber dans le même état quantique et se comporter collectivement comme une onde de matière géante. Ce nouvel état de la matière quantique dans lequel les atomes d’un gaz peuvent être comparés aux photons d’un laser, ne devait être produit expérimentalement que soixante-dix ans plus tard, en 1995.

12Einstein revint à Paris en 1929 pour y recevoir un doctorat honoris causa. Ce nouveau séjour parisien s’intercala entre deux visites importantes qu’Einstein fit à Bruxelles en 1927 et 1930, pour assister aux fameux congrès Solvay où l’interprétation de la théorie quantique a été longuement et passionnément discutée. Einstein s’est alors opposé à Niels Bohr et à Werner Heisenberg, les tenants de l’École de Copenhague qui défendaient la validité des relations d’incertitude et le principe de complémentarité quantique. L’interprétation de Copenhague remet en cause le déterminisme de la physique classique. Elle décrit un monde microscopique où le hasard joue un rôle essentiel et où des quantités physiques telles que la position ou la vitesse d’une particule ne prennent de valeurs réelles que si un appareil de mesure extrait de l’information du système étudié en le perturbant de façon inévitable. Parler de la valeur d’une quantité physique sans spécifier la façon dont elle est observée n’a pas de sens en physique quantique. Einstein n’acceptait pas ce point de vue et ne pouvait concevoir comme achevée une théorie qui ne donnait pas un statut de réalité à des grandeurs physiques simplement parce qu’on ne les regardait pas. Les expériences de pensée qu’il a imaginées avec Bohr pour discuter des concepts quantiques sont restées fameuses. Leur analyse a toujours donné raison à Bohr et le principe de complémentarité est jusqu’à aujourd’hui la règle admise de la physique quantique.

13En rapprochant les débats auxquels Einstein a participé à Paris en 1922 de ceux des Congrès bruxellois de la fin des années 1920, on mesure l’étendue du génie d’Einstein et aussi le drame personnel qu’il a vécu. En 1922, il a triomphé de ses contradicteurs qui remettaient en cause pour des raisons psychologiques et philosophiques ses conceptions de l’espace et du temps. Il n’avait qu’à s’appuyer pour cela sur l’analyse de ses expériences de pensée de trains et de fusées relativistes. Quelques années plus tard, il fut par contre vaincu par ses opposants dans l’interprétation de la mécanique quantique. Au lieu de venir à son secours, les expériences de pensée confirmèrent l’intuition de ses adversaires. On peut dire qu’il adopta dans le débat quantique une attitude similaire à celle de Bergson dans leurs discussions sur la relativité. Sans contester la validité et la puissance de la théorie quantique, il refusa d’accepter comme définitifs des principes qui heurtaient ses idées préconçues sur le monde, pour des raisons qui étaient finalement de nature plus psychologique et philosophique que scientifique.

14La contestation prudente de la relativité par Bergson était celle d’un outsider, philosophe et amateur éclairé des mathématiques et de la physique. Celle qu’Einstein opposait à la doxa de l’École de Copenhague était autrement plus sérieuse. Elle venait d’un acteur qui avait joué un rôle essentiel dans la genèse des concepts quantiques au cours du quart de siècle où ils s’étaient élaborés. Le conflit dans lequel Einstein se trouvait impliqué n’en était que plus douloureux. Son opposition à l’interprétation de Copenhague de la physique quantique fut pour lui un drame personnel, tant il s’était investi dans la recherche de la vérité dans les deux révolutions scientifiques qu’il avait initiées. La théorie de la relativité, qui ne l’a jamais déçu, a été son enfant chéri. La mécanique quantique a été l’enfant rebelle qui lui a échappé. Quand il visita Paris en 1922, il était le père heureux d’une théorie de la relativité triomphante et d’une jeune physique des quanta encore balbutiante mais prometteuse. Quelques années plus tard, son horizon s’était assombri. L’enfant rebelle triomphait, après avoir pris une direction qu’il désapprouvait.

15Le drame vécu par Einstein n’était pas seulement de nature intellectuelle et scientifique. Entre 1922 et 1930, d’autres tempêtes s’étaient levées qui allaient entraîner l’exil d’Einstein en Amérique. L’année 1922 les annonçait déjà. En revenant à Berlin, Einstein dut subir les reproches de ses collègues furieux qu’il ait pactisé avec l’ennemi Français. Deux mois plus tard, son ami Walther Rathenau, ministre des affaires étrangères de la République de Weimar fut assassiné par des nationalistes d’extrême droite. Rathenau avait fortement encouragé Einstein à accepter l’invitation de Paul Langevin pour marquer symboliquement la reprise des contacts entre la France et l’Allemagne. Le contexte de la visite d’Einstein à Paris m’a conduit ainsi à évoquer la science, mais aussi la philosophie, la politique et l’histoire. Les contributions à ce volume reviendront au fil des pages qui suivent sur ces différents aspects, dont la vie et l’œuvre d’Einstein ne peuvent être dissociées.

Table des illustrations

Titre M. Painlevé fait lui-même la police afin d’empêcher l’entrée d’un public trop nombreux venu pour écouter M. Einstein, avril 1922
Crédits © BNF
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© Collège de France, 2020

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