Einstein fait éclater la physique

1905, l'année des tournants

Einstein fait éclater la physique

 

Ces dix-sept pages auraient suffi. Datées du 17 mars 1905, elles contiennent une intuition sur la nature de la lumière suffisamment novatrice pour fonder à elle seule une jolie légende scientifique. Un auteur sortant de l'anonymat pour brandir, à 26 ans, une thèse iconoclaste qui lui vaudra seize ans plus tard un prix Nobel : rien ne manque pour brosser l'un de ces portraits édifiants de génie précoce dont raffolent les manuels.

 

Evidemment, ces dix-sept pages n'ont pas suffi à Albert Einstein. Trois mois après cette première parution, il poursuit, en juin, son "année miraculeuse" en posant, dans la même revue Annalen der Physik, les fondations de sa théorie de la relativité. Celle-ci lui vaudra un tout autre statut, de grand savant de l'humanité, à côté d'un Newton ou d'un Galilée.

 

De ses deux coups de génie de jeunesse qui irrigueront toute la physique du XXe siècle, Einstein aura largement le temps de suivre les postérités. Pourtant, s'il prolonge lui-même sa théorie de la relativité restreinte avec la généralisation (publiée en 1916), il ne maîtrise pas les implications de son intuition sur la nature de la lumière. Et pour cause.

 

En fait, les deux voies divergent rapidement pour fonder deux physiques distinctes, si différentes qu'elles restent incompatibles encore aujourd'hui. Alors que la théorie de la relativité prolonge les travaux de Newton et s'inscrit dans la lignée d'une approche classique, l'introduction des quanta de lumière ouvre la voie d'une mécanique quantique en rupture avec la physique du palpable et de l'observable.

 

Est-ce pour cela qu'Einstein, qui s'est intéressé à la nature de la lumière pour expliquer le très concret effet photoélectrique et à la relativité pour résoudre des problèmes d'horloge, n'a pas accompagné cette révolution après l'avoir fondée ? Toujours est-il que son génie bute sur le quantique au point de contester, plus tard, les avancées du petit groupe des chercheurs qui se lancent avec enthousiasme dans la voie qu'il a ouverte. Jusqu'à la fin de sa vie, Einstein tentera de concilier la physique de l'infiniment grand, issue de la relativité générale, avec celle de l'infiniment petit, décrite par la mécanique quantique. Sans succès. Quelques années avant sa mort, dans une lettre à son ami Louis de Broglie, il reconnaît cet échec : "Je  dois ressembler à une autruche qui sans cesse cache la tête dans le sable pour ne pas faire face aux méchants quanta."

 

Quanta : le mot explose, comme un attentat, en mars 1905. Einstein l'utilise, pour la première fois, pour suggérer, contre tout ce que croyait la science à l'époque, que la lumière est constituée de grains d'infimes quantités d'énergie qui, vingt ans plus tard, seront baptisés photons. En attendant, l'idée heurte le sens commun, alors convaincu que la lumière n'est qu'une onde.

 

Pourtant, Einstein ne fait qu'expliciter la théorie élaborée dès 1900 par Max Planck. Mais, pour l'Allemand, cette idée ne constituait qu'un subterfuge, imaginé pour résoudre une anomalie. D'ailleurs, personne n'avait alors mesuré la portée de sa découverte. De sorte que si Planck est aujourd'hui considéré comme le père officiel de la physique quantique, c'est bien Einstein qui en a lancé consciemment la révolution, cinq années plus tard, comme l'a montré l'historien des sciences Thomas Kuhn. Et c'est bien lui qui en subit d'abord les désagréments, longtemps seul face aux critiques incrédules de ses pairs. En proie aussi aux frustrations du pionnier qui avance à tâtons, puisque la lumière persistera longtemps à refuser de l'éclairer sur son comportement ambivalent.

 

Ondes ou corpuscules ? Les deux peut-être, laisse entendre Einstein dans une lettre, sans parvenir à trouver, malgré plusieurs avancées importantes, le cadre théorique qui pourrait fusionner ces caractéristiques tenues, jusque-là, pour profondément antagoniques. Et ce n'est pas la démonstration expérimentale de l'existence de ces quanta de lumière, en 1916, par un physicien qui cherchait à lui donner tort qui lui offrira la clé.

 

Pour forger ce qui va devenir la mécanique quantique, il faudra rien de moins qu'un groupe de physiciens dont les plus jeunes avaient à peine 5 ans à la parution de l'article de 1905, et qui professent une admiration sans réserve pour Einstein. Ce sont les Allemands Werner Heisenberg, qui concevra son idée majeure en tournant dans sa tête une phrase d'Einstein, Wolfgang Pauli, auteur à 21 ans d'une brillante étude sur la relativité qui lui vaut les louanges du maître et l'honneur d'être présenté toute sa vie comme son fils spirituel, ainsi que l'Anglais Paul Dirac, futur découvreur de l'antimatière. A peine plus âgé, le Français Louis de Broglie, passé de l'histoire à la physique sous l'influence de son frère. Et trois autres, plus avancés dans la carrière : Max Born, Erwin Schrödinger, et surtout Niels Bohr, le Danois, qui fait figure de mentor parce qu'il a commencé à décrire, dès 1913, l'atome d'hydrogène en termes quantiques, et qu'il les a tous reçus, à intervalles réguliers, dans son institut de Copenhague.

 

Précoces, iconoclastes, radicaux dans les conséquences à tirer de leurs intuitions, et futurs "nobélisés" : à eux tous, ils retrouvent les qualités d'Albert Einstein, dont ils dessinent un portrait de groupe.

 

De fait, ils vont mener collectivement, de 1925 à 1926, une révolution de même ampleur que celle réussie par Einstein, seul, en 1905. Leur nombre divise leur notoriété mais ne diminue pas leur génie. Et il n'atténue pas les chocs entre fortes personnalités. Dans le passionnant récit de sa vie, Heisenberg relate des journées et des nuits entières de discussions qui opposent Bohr à Schrödinger, à Copenhague en septembre 1926. Les débats sont si intenses que Schrödinger finit par en tomber malade. La manie des exclusions en moins, les architectes de la physique quantique partagent bien des traits avec les surréalistes. Ils font souffler sur l'art et la science le même vent d'impertinence et d'anticonformisme. Ils violentent les représentations figées et bousculent les images toutes faites.

 

Celles des atomes, en premier lieu. Pauvres petites choses ! A peine émergent-elles dans la science moderne (principalement depuis les travaux d'Ernest Rutherford en 1911), que la physique quantique ordonne de renoncer à la manière dont on les symbolise. Séduisante, l'analogie les représentait comme un système solaire en réduction, les électrons tournant autour du noyau comme les planètes autour du Soleil, grâce à un succédané de gravitation. Mais si tel était le cas, prouvent les calculs, les électrons s'abattraient immédiatement sur les noyaux, les objets s'effondreraient sur eux-mêmes, notre monde s'écroulerait. Seule la physique quantique, jamais prise en défaut depuis quatre-vingts ans, est capable d'expliquer la stabilité de nos soubassements. Mais à condition de renoncer tout à fait aux images. Et d'user d'un nouveau langage, hermétique au profane, une construction mathématique extrêmement ardue, autrement dit un formalisme.

 

Ce langage répond aux interrogations d'Einstein sur la dualité de la lumière : il assure en effet que les aspects ondulatoires et corpusculaires sont complémentaires dans un objet quantique (principe de complémentarité de Bohr). Entre les deux caractéristiques, c'est la question que l'on pose à la particule qui décidera de sa réponse. Dans une expérience destinée à évaluer sa nature ondulatoire, elle se comportera comme une onde. Dans une mesure cherchant à vérifier son aspect corpusculaire, elle se dévoilera comme telle.

 

Ainsi la physique quantique met-elle fin, pour la première fois dans l'histoire des sciences, à la fiction de l'observateur neutre. Aux échelles infimes de l'atome, l'instrument de mesure ne peut qu'interagir avec l'objet mesuré. Il ne peut prétendre passer inaperçu et observer les phénomènes se produire "en soi", dans l'intimité d'un milieu préservé de son intrusion. Conséquence : le formalisme quantique ne peut attribuer simultanément à une particule une vitesse et une position dans l'espace (principe d'indétermination de Heisenberg). Deux questions en même temps, c'est une de trop pour les atomes. Voilà pourquoi la représentation d'une trajectoire de l'électron autour du noyau, qui aurait besoin de ces deux coordonnées simultanées, ne tient pas. Voilà pourquoi la physique des quanta ne décrit pas de phénomènes mais en prédit les résultats. Avec une précision jusqu'à présent infaillible, qui lui a permis de voler de succès en succès au cours du siècle, en faisant faire des bonds, par exemple, à la chimie moléculaire.

 

Etonnamment, cette exactitude irréprochable ne s'exprime pourtant qu'en termes de statistiques. "D'une façon générale, écrit le physicien Etienne Klein, elle indique seulement que si l'on effectue tel ou tel type de mesure, on a telle ou telle probabilité d'obtenir tel ou tel résultat."  Encore plus curieusement, elle tolère un principe de superposition, dérivé des aspects ondulatoires des objets, qui permet à une particule d'être comme suspendue entre plusieurs positions. Seule une mesure permettrait de trancher entre elles. Schrödinger ne supportait pas cette dernière fantaisie. En 1935, il l'avait rapportée à nos dimensions, pour en traduire le ridicule : ainsi, un chat dont la mise à mort dépendrait d'un mécanisme quantique se verrait dépeint comme à la fois mort et vivant.

 

Depuis, une nouvelle génération de physiciens a tenté d'éliminer les aberrations produites par l'application des effets quantiques à notre échelle. Une théorie de la "décohérence" explique que c'est leur interaction avec leur environnement qui fait perdre immédiatement aux objets macroscopiques leurs caractéristiques quantiques. A chacun ses lois, selon son échelle. Mais à l'époque, Einstein ne goûtait pas non plus cette aberration. Quelques mois avant Schrödinger, il avait lui-même tenté sa propre image d'un baril de poudre qui se trouvait à la fois intact et explosé. La postérité n'a retenu que le fameux chat.

 

Peu doué pour les métaphores, Einstein l'était bien plus pour confronter ses opposants au feu roulant des exercices de pensée. Ainsi, au congrès Solvay de 1927 il dresse un véritable tir de barrage devant la progression de la troupe quantique. Qui dira les bienfaits qu'a prodigués à la science le richissime industriel Ernest Solvay, en réunissant à intervalles réguliers l'élite de la physique mondiale à l'hôtel Métropole de Bruxelles ? Le cinquième congrès, celui de 1927, est sans doute le plus grand de tous. Parce qu'il ne manque aucune personnalité marquante de la discipline sur la traditionnelle "photo de classe". Parce que la rupture entre Einstein et le groupe de Niels Bohr va hisser la controverse scientifique vers les hautes sphères de la philosophie.

 

" Einstein nous exposait au petit déjeuner une nouvelle expérience susceptible de contredire (le principe d'indétermination), raconte Heisenberg. Au cours de la journée, de nombreuses discussions étaient menées sur ce problème et, en général, nous arrivions le soir à un point où Bohr pouvait prouver à Einstein, au cours du dîner, que l'expérience envisagée ne pouvait conduire à une réfutation du principe. Einstein était alors quelque peu inquiet, mais déjà le matin suivant il avait une autre expérience idéale, plus compliquée que la précédente (et qui) devait échouer le soir même." Après quelques jours de ce manège, "son ami Paul Ehrenfest lui dit : 'Einstein, j'ai honte pour toi, car tu argumentes maintenant contre la nouvelle théorie quantique exactement de la même manière que tes adversaires contre la théorie de la relativité.' Même cet avertissement amical ne devait pas modifier son attitude. (...) 'Dieu ne joue pas aux dés', dit-il souvent dans ces discussions."

 

La fortune de cette dernière citation a conduit à quelques excès d'interprétation. Ce n'est pas seulement l'introduction de la statistique qui déroute Einstein. Après tout, lui-même a utilisé les probabilités dans ses travaux. Le cœur du différend avec Bohr porte sur l'accès que la science peut ouvrir sur la réalité. Pour Einstein, une théorie digne de ce nom ne doit pas seulement fournir des résultats. Elle doit nous apprendre quelque chose de notre monde.

 

Comme au temps de Newton, le père de la relativité souhaite que les équations transcrivent la vérité des phénomènes tels qu'ils adviendraient si nous n'étions pas là pour les observer. Pour lui, dénuée d'images, coupée des faits bruts, la physique quantique ne peut être qu'une théorie, certes efficace, mais provisoire et surtout incomplète. Il lui manque quelque chose qui restituera cette adhérence entre le monde et sa description scientifique.

 

Pour Bohr, le plus rigoriste de tous, la principale chose que l'on demande à une théorie valide est que ses calculs tombent juste. Notre vision du monde des atomes restera à jamais faussée par l'intrusion de nos instruments. La physique quantique, complète, n'a pas à se poser de questions sur la nature du monde, qui relèveraient de la métaphysique la plus fumeuse. Comme le résume le physicien Roland Omnès, les termes de la controverse reposent sur cette contradiction : "Jamais auparavant l'humanité n'était parvenue aussi loin dans la conquête des principes qui atteignent au cœur et à la moelle des choses, mais qui ne sont pas les choses."

 

Paradoxalement, Einstein, en s'obstinant à critiquer les fondements de la mécanique quantique de Bohr, a lui-même contribué à en dévoiler de nouvelles dimensions. Ainsi, en 1935, une note limpide, de quatre pages sans équations, passée à la postérité sous le nom de "paradoxe EPR" (en référence aux initiales de ses auteurs, Einstein et ses deux collaborateurs, Boris Podolsky et Nathan Rosen), souligne une faille dans la physique de Bohr. Elle prédit que deux particules jumelles, qui ont interagi dans le passé, ne peuvent avoir un comportement strictement identique lorsqu'elles sont séparées, alors que le formalisme quantique prévoit cette anomalie. Bohr balaya l'argument d'un revers de main car il impliquait un raisonnement prohibé sur la réalité des choses.

 

D'autres le prirent au sérieux. Et, en 1982, une équipe française démontra qu'Einstein avait encore tort, dévoilant la propriété la plus fascinante du monde quantique. Oui, grâce cette "intrication", qui peut paraître magique, deux particules séparées peuvent agir comme une seule, même à des distances défiant l'imagination. Comment échangent-elles cette information ? Nul ne l'a saisi. Mais cette capacité ouvre la voie à des applications proches comme la cryptographie, ou plus lointaines comme l'ordinateur, ou même la téléportation quantique. Jusqu'au bout, après l'avoir inspirée, Einstein aura ainsi fécondé par ses critiques cette physique qui le déroutait tant.

 

 

 

Jérôme Fenoglio

Article paru dans l'édition du 24.08.05

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