(Albert) Einstein & l'unification des forces

Physicien suisse, 1879-1955

Albert Einstein est probablement le physicien le plus célèbre de notre temps : tout le monde est capable de reconnaître son portrait. Comment a-t-il pu acquérir une telle popularité ?

Albert Einstein La vie d'Einstein illustre l'histoire tourmentée du XX ^e siècle. Issu d'une famille juive allemande, il passe son enfance en Bavière et en Suisse. Contrairement à ce que colporte une légende tenace, c'est un élève brillant, au point qu'il peut poursuivre des études supérieures à la prestigieuse École Polytechnique de Zurich. Mais une fois la thèse en poche, les postes universitaires sont rares et convoités. Einstein doit se contenter d'un travail alimentaire à l'Office Fédéral des Brevets de Berne, en attendant mieux...

La créativité scientifique d'Einstein est vite remarquée, et on lui offre finalement un poste de professeur à Berlin. Mais quand Hitler prend le pouvoir en 1933, Einstein pressent la folie qui va dévaster l'Europe, et il fuit aux États-Unis. Pendant la Seconde Guerre Mondiale, Einstein joue de son prestige pour convaincre les Américains de se lancer dans la course à la bombe atomique. Toutefois, Einstein ne participe pas directement à la conception de l'arme et il militera ensuite activement pour la paix. Il inaugure ainsi une ère nouvelle - et tumultueuse ! - des relations entre science, politique et société.

Einstein a marqué son siècle par une œuvre riche et originale.

Entre 25 et 35 ans, il publie des travaux qui révolutionnent des pans entiers de la physique. Durant la seule année 1905, il répond à trois questions fondamentales :

de quoi la matière est constituée ? D'un assemblage d'atomes : c'est ce que prouve le mouvement brownien, qui est l'agitation désordonnée de petits grains en solution dans un liquide.
la lumière est-elle seulement une onde ? Non, elle peut aussi être conçue comme un ensemble de grains de lumière, les photons : c'est ainsi que s'explique l'effet photoélectrique, qui consiste à arracher des électrons à une plaque de métal grâce à un faisceau de lumière énergétique,
existe-t-il un point de vue privilégié pour décrire les interactions entre lumière et matière ? Non, les équations de la relativité restreinte sont identiques pour deux observateurs qui se déplacent à vitesse constante l'un par rapport à l'autre. En particulier, la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous.

Représentation artistique des déformations de l'espace-temps causées par un objet très massif, tel un trou noir.

Einstein pousse bientôt cette idée plus loin pour décrire la force de gravitation. Selon sa théorie de la relativité générale, l'attraction gravitationnelle équivaut à une modification des propriétés de l'espace et du temps. Ainsi, pour expliquer la rotation de Lune autour de la Terre, on peut invoquer Newton et parler d'une attraction mutuelle qui empêche la Lune de quitter son orbite. Mais on peut aussi suivre Einstein et considérer que l'espace-temps, déformé par la Terre, constitue un puits dont la Lune ne peut s'échapper. L'avantage d'Einstein sur Newton ? Sa théorie peut s'appliquer dans des cas extrêmes (objets très massifs, vitesses proches de celle de la lumière) où Newton doit rendre son tablier.

Un exemple pour les physiciens contemporains.

Les travaux d'Einstein ont eu un retentissement immense dans la communauté scientifique, en défrichant plusieurs domaines : la physique des particules en quête des constituants ultimes de la matière, la physique statistique qui s'attache aux systèmes complexes, la cosmologie qui s'intéresse aux premiers instants de l'univers...

Pour les physiciens, Einstein constitue un exemple car il a toujours recherché des symétries, des principes unificateurs expliquant des phénomènes en apparence très différents. Il a donné un nouveau souffle à cette idée - vieille comme la physique ! - en proclamant que cette quête de symétrie doit guider tous ceux qui veulent imaginer de nouvelles théories physiques. C'est en particulier le cas en physique des particules. A l'heure actuelle, toutes les expériences s'expliquent grâce à quatre interactions. Deux nous sont familières : la gravité et l'électromagnétisme. Deux autres apparaissent à l'échelle du noyau atomique : la force faible, responsable de la radioactivité naturelle, et la force forte, qui lie les constituants du noyau ensemble.

Vue aérienne du CERN avec le tracé du tunnel LEP et du futur LHC (1994)

Dans les années 70, des théoriciens ont proposé d'unifier les forces électromagnétique et faible, en dépit de leur aspect très dissemblable. Cette théorie « électro-faible » a été validée par des expériences menées au CERN (Genève), un des centres mondiaux de recherche en physique nucléaire et en physique des particules. Peut-on simplifier encore cette description ? Dans différents laboratoires du CNRS, des physiciens théoriciens suivent toujours les principes d'Einstein pour parvenir à réunir dans une seule description les forces électro-faible, forte et gravitationnelle.

Ce n'est pas une mince affaire, et le problème le plus sérieux vient d'ailleurs de la gravitation si chère à Einstein... En effet, les autres interactions sont décrites par la mécanique quantique, dont la philosophie est fondamentalement différente de la relativité générale. Arrivera-t-on à tout réconcilier ? Peut-être les prochaines expériences menées au LHC du CERN permettront-elles de répondre en partie à ces questions.

Mots-Clefs : Einstein, relativité, mécanique quantique, grande unification, CERN