L’année 2005 a été proclamée Année internationale de la physique par l’UNESCO. C’est l’occasion pour les physiciens de partager avec la communauté leur passion pour cette grande science et d’en faire connaitre les plus belles pages.

Dans cet esprit, le Département de physique donne le coup d’envoi cette semaine à une série de courts textes traitant de quelques-unes des préoccupations actuelles des physiciens et qui paraitront habituellement toutes les deux semaines. Nous espérons que vous prendrez plaisir à les lire!

Albert Einstein

1905, annus mirabilis : Albert Einstein n’a que 26 ans et il publie trois articles – sur l’effet photoélectrique, le mouvement brownien et la relativité restreinte – qui vont révolutionner la physique. Les bases sont jetées pour l’essor fulgurant que connait la discipline au cours des 100 années qui suivent: la mécanique quantique, la physique statistique et la cosmologie sont de dignes héritières des travaux d’Einstein.

Dans le premier de ces articles, en mars 1905, Albert Einstein «invente» la mécanique quantique en introduisant la notion de quanta pour expliquer l’effet photoélectrique – l’émission d’électrons par un matériau qu’illumine un faisceau de lumière. Chaque quantum ou photon transporte une énergie égale à un multiple entier de la fréquence de la lumière, multiplié par la constante de Planck, ce qu’on traduit par la formule bien connue E = nhv; ainsi, si le photon dispose d’une énergie suffisante, un électron est émis et l’effet photoélectrique se produit. C’est ce travail qui valut au jeune homme le prix Nobel de physique en 1921.

En mai 1905, dans un deuxième article, Albert Einstein démontre l’existence des atomes par son explication du «mouvement brownien», cette agitation aléatoire incessante à laquelle sont soumises des particules microscopiques en suspension dans un liquide. D’après Einstein, le phénomène, bien connu des biologistes, résulte des collisions entre les atomes, ou les molécules, et les particules en suspension. En découvrant l’origine du mouvement brownien, il donne du même coup une base solide à la théorie cinétique des gaz et ouvre largement la porte à la physique statistique telle que nous la connaissons aujourd’hui.

La théorie de la relativité restreinte, publiée en juin 1905, est probablement la contribution la plus célèbre d’Einstein. On a dit de cette théorie qu’elle était l’une des plus grandes réalisations de l’esprit humain. Elle s’appuie sur deux postulats fondamentaux. Le premier, le principe de relativité, également fondamental en mécanique classique ou newtonienne, stipule que les lois de la physique sont les mêmes partout, dans tous les référentiels pour utiliser le langage des physiciens. Le second postulat affirme que la vitesse de la lumière est constante, peu importe le référentiel, la source de lumière ou l’observateur. Dans la vision classique des phénomènes naturels, les deux postulats sont en contradiction; dans la théorie d’Einstein, cette contradiction est levée par une redéfinition des concepts d’espace et de temps. Cette théorie a fait l’objet de nombreuses vérifications expérimentales. En septembre 1905, Albert Einstein fait état d’une remarquable conséquence de la théorie – l’équivalence entre l’énergie et la masse, la fameuse équation E = mc².
Au moment de la publication de ces travaux, Einstein était simple commis au bureau des brevets de Suisse. Élève hésitant selon ses parents, il trouvait peu de plaisir dans la fréquentation scolaire; seul, à la maison, il lisait pourtant avec avidité des ouvrages de physique, de mathématiques et de philosophie. Il aura ce mot mémorable: «C’est presque un miracle que les méthodes d’enseignement traditionnelles n’aient pas encore tué la soif de savoir; ce dont une délicate petite plante a le plus besoin, à part la stimulation, c’est la liberté.» Étudiant moyen, pour ce qui est des matières autres que la physique et les mathématiques, à l’École polytechnique fédérale de Zurich, il ne réussit pas à obtenir un poste d’enseignant. Il continue néanmoins à faire de la physique en dilettante et finit par obtenir son doctorat en 1905 de l’Université de Zurich. Il quitte le bureau des brevets en 1909 pour épouser, finalement, la carrière universitaire.

Laurent J. Lewis
Professeur titulaire et directeur
Département de physique
Collaboration spéciale