pile
(latin pila, pilier)

Consulter aussi dans le dictionnaire : pile
Cet article fait partie du dossier consacré à l'électricité.

Appareil transformant directement en énergie électrique l'énergie développée dans une réaction chimique.

ÉLECTRICITÉ

LES PILES ÉLECTRIQUES
LA PILE DE VOLTA

L'association de deux électrodes et de leurs solutions respectives constitue une pile électrochimique. Historiquement, cette dénomination provient de la première réalisation d'un tel dispositif par Alessandro Volta, en 1800, grâce à l'empilement de séries de disques de cuivre et de zinc en contact direct, chaque couple de disques zinc-cuivre étant séparé par une rondelle de carton humide.

LA PILE DANIELL
Inventée en 1836 par John Frederic Daniell, elle est constituée par une lame de cuivre et une lame de zinc, chacune plongeant dans une solution de l'un de ses sels. Par suite de l'existence de la différence de potentiel métal/solution, lorsque les deux compartiments communiquent par une jonction électrique, il s'établit une tension entre les deux conducteurs métalliques. Quand la pile fonctionne, le courant va du pôle + au pôle −, ce qui correspond à une circulation d'électrons en sens inverse. Au total, il y a dépôt de cuivre et dissolution du zinc, selon la réaction globale : Cu2+ + Zn → Zn2+ + Cu. C'est la réaction qui se produit spontanément si on trempe une lame de zinc dans une solution d'ions cuivriques. Mais l'intérêt du montage précédent est de permettre la récupération de l'énergie de cette réaction sous forme d'électricité. (→ électrochimie.)
LA PILE LECLANCHÉ ET SES VARIANTES
Les piles les plus utilisées sont les piles du type Leclanché, mises au point en 1868 par l’ingénieur français Georges Leclanché. Elles sont constituées par une électrode zinc (pôle négatif) en contact avec une solution gélifiée de chlorure d'ammonium. Le pôle positif est une tige de carbone aggloméré avec un oxydant, le bioxyde de manganèse. La force électromotrice obtenue est voisine de 1,5 V.
De nombreuses variantes de piles existent : piles alcalines, piles au mercure, etc. Toutes ont cependant en commun de ne pas être rechargeables.

LES PILES RECHARGEABLES
Le développement des appareils de photo numérique, des lecteurs de musique MP3, des téléphones et des ordinateurs portables s'accompagne d'un essor des « piles » rechargeables, qui sont en fait des accumulateurs (ou batteries) miniaturisés, dont il existe différents types : nickel-cadmium, nickel-métal-hydrure, lithium-ion, lithium-polymère.

LA PILE À COMBUSTIBLE
HISTORIQUE
Dans son principe, la pile à combustible repose sur la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau (décomposition en hydrogène et oxygène par un courant électrique) : l'oxydation de l'hydrogène produit de l'eau et de l'électricité. Le principe de ce type particulier de pile électrique a été découvert en 1802 par le Britannique Humphry Davy et c'est son compatriote William Robert Grove (1811-1896) qui a construit, en 1839, la première cellule combinant l'hydrogène et l'oxygène. Les premières piles à combustible opérationnelles ont été réalisées au milieu du xxe s. aux États-Unis, et ont été utilisées comme générateurs électriques pour les vaisseaux spatiaux habités américains (programmes Gemini et Apollo). Elles ont connu ensuite d'autres applications, notamment dans le domaine militaire.

PERSPECTIVES
Aujourd'hui, avec l'attention portée à la protection de l'environnement et les craintes suscitées par l'appauvrissement progressif des ressources énergétiques fossiles, la pile à combustible fait l'objet d'intenses recherches. Non polluante (pas de rejets de gaz à effet de serre), silencieuse et d'un excellent rendement énergétique, elle présente d'importants atouts pour contribuer, dans le futur, à la production d'énergie (électricité et chaleur) et à la propulsion des véhicules automobiles. Cependant, c'est un dispositif qui reste pour l'instant très coûteux.

L'un des modèles de pile à combustible les plus étudiés aujourd'hui est la pile à membrane échangeuse de protons. Elle comprend deux électrodes minces et poreuses séparées par une membrane de polymère qui ne laisse passer que les protons. Des catalyseurs recouvrent une face de chaque électrode. Quand l'hydrogène entre dans le dispositif, il est décomposé en électrons et en protons par le catalyseur qui recouvre l'anode. Les électrons circulent dans un circuit externe et actionnent un moteur électrique, tandis que les protons migrent à travers la membrane jusqu'à la cathode. Le catalyseur qui recouvre la cathode combine les protons avec les électrons qui, avec l'oxygène de l'air, forment de l'eau.

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Les 4 interactions fondamentales

Publié le 2 juin 2022

Quatre interactions fondamentales régissent l’Univers : l’interaction électromagnétique, l’interaction faible, l’interaction nucléaire forte et l’interaction gravitationnelle. Les interactions électromagnétiques forte et faible sont décrites par le modèle standard de la physique des particules, qui est en cohérence avec la physique quantique, tandis que l’interaction gravitationnelle est actuellement décrite par la théorie de la relativité générale. Quelles sont les propriétés de chacune de ces interactions ? Quel est leur impact sur notre quotidien ? Quels sont les enjeux de la recherche sur les interactions fondamentales ?

L’INTERACTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE (FORCE ÉLECTROMAGNÉTIQUE)

L’interaction électromagnétique régit tous les phénomènes électriques et magnétiques. Elle peut être attractive ou répulsive : par exemple, deux pôles d’aimants de même signe (« nord » ou « sud ») vont se repousser alors que deux pôles d’aimants de signe opposé vont s’attirer.
Cette interaction est liée à l’existence de charges électriques et est notamment responsable de la cohésion des atomes en liant les électrons (charge électrique négative) attirés par le noyau de l’atome (charge électrique positive).
Le photon est la particule élémentaire associée à l’interaction électromagnétique. Il est de charge électrique nulle et sans masse, ce qui fait que cette interaction a une portée infinie.
J.C. Maxwell écrit, vers 1864, la théorie de l’électromagnétisme qui explique l’existence d’ondes électromagnétiques (ondes radio, infra-rouge, lumière, ultra-violet, rayons X et gamma). Leur importance n’est plus à démontrer. Dans la seconde moitié du XXe siècle, cette théorie a été reformulée grâce notamment aux travaux du physicien Feynman sous la forme de l’électrodynamique quantique pour y introduire les concepts quantiques de façon cohérente et qui décrit l’interaction comme un échange de photons.

L’INTERACTION FAIBLE (FORCE FAIBLE)
L’interaction faible est la seule qui agit sur toutes les particules, excepté sur les bosons. Responsable de la radioactivité Bêta, elle est donc à l’origine de la désintégration de certains noyaux radioactifs.
Le rayonnement Bêta est un rayonnement émis par certains noyaux radioactifs qui se désintègrent par l'interaction faible. Le rayonnement β+ (β-) est constitué de positons (électrons) et se manifeste lorsqu’un proton (neutron) se transforme en neutron (proton). Un neutrino (antineutrino) électronique est également émis. Ce rayonnement est peu pénétrant : un écran de quelques mètres d'air ou une simple feuille d'aluminium suffisent pour l’arrêter.
Les particules élémentaires associées à l’interaction faible sont le boson neutre (le Z0) et les deux bosons chargés (les W+ et W−). Ils ont tous une masse non nulle (plus de 80 fois plus massifs qu’un proton), ce qui fait que l’interaction faible agit à courte portée (portée subatomique de l’ordre de 10-17 m).

La datation au carbone 14 est possible grâce à l’interaction faible. Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone qui se transforme en azote 14 par désintégration Bêta moins. Sa période radioactive, temps au bout duquel la moitié de ses atomes s’est désintégrée, est de 5 730 ans. La technique du carbone 14 permet de dater des objets de quelques centaines d’années à 50 000 ans environ.
    
Le neutrino
Le neutrino, particule élémentaire du modèle standard, n’est sensible qu’à l’interaction faible. Le neutrino est un lepton du modèle standard de la physique pouvant prendre trois formes (ou saveurs) : le neutrino électronique, muonique et tauique. Les neutrinos n'ont pas de charge électrique et ont une masse très faible dont on connaît seulement une borne supérieure. Ils se transforment périodiquement les uns en les autres selon un processus appelé "oscillation des neutrinos". N'étant sensibles qu'à l'interaction faible, les neutrinos n'interagissent que très peu avec la matière si bien que pour absorber 50 % d'un flux de neutrinos, il faudrait lui opposer un mur de plomb d'une année-lumière d'épaisseur. >> En savoir plus sur les neutrinos

L’INTERACTION NUCLÉAIRE FORTE OU INTERACTION FORTE (FORCE FORTE)
L’interaction forte permet la cohésion du noyau de l’atome. Elle agit à courte portée au sein du proton et du neutron. Elle confine les quarks, particules élémentaires qui composent les protons et neutrons, en couples "quark−antiquark" (mésons), ou dans des triplets de quarks (un ou deux autres (anti) quarks) (baryons). Cette interaction se fait par l'échange de bosons appelés "gluons".
Le gluon est la particule élémentaire liée à l’interaction forte. La charge associée à cette interaction est la "charge de couleur". Lors de l'échange d'un gluon entre deux quarks, ils intervertissent leurs couleurs. L’interaction entre deux quarks est attractive et d’autant plus intense que ceux-ci sont distants l’un de l’autre, et est quasi nulle à très courte distance.
La réaction primordiale de fusion de deux protons en deutéron (un isotope naturel de l’hydrogène dont le noyau contient un proton et un neutron) est un processus dû à l’interaction faible dont le taux gouverne la lente combustion des étoiles. C’est ensuite l’interaction forte qui est à l’œuvre dans les chaînes de réactions nucléaires qui suivent et qui produisent d’autres noyaux.
Cette interaction est notamment responsable des réactions nucléaires qui ont lieu au sein du Soleil.

La réaction de fusion nucléaire

Les quarks portent une charge de couleur qui est à l’interaction forte ce que la charge électrique est pour la force électromagnétique. Un quark peut avoir trois couleurs, appelées par convention rouge, bleu et vert. Un antiquark a l’une des « anticouleurs » correspondantes : antirouge, antibleu et antivert.
Les quarks forment des particules composites « blanches », c’est-à-dire sans charge de couleur. Il y a deux manières de former ces hadrons : soit en combinant un quark et un antiquark dont la couleur et l’anticouleur s’annulent (par exemple rouge et antirouge) ; on parle alors de « méson ». Soit en associant trois quarks porteurs chacun d’une couleur différente ; de telles particules sont appelées « baryons » – par exemple le proton et le neutron.

L'INTERACTION GRAVITATIONNELLE (FORCE GRAVITATIONNELLE)
Dans la vision de la loi de la gravitation universelle de Newton, l’interaction gravitationnelle est celle qui agit entre des corps massifs. La force est attractive. La pesanteur et les mouvements des astres sont dus à la gravitation.


Dans le cadre de la relativité générale, la gravitation n’est pas une force mais une manifestation de la courbure de l’espace-temps. La gravitation ne fait pas partie du modèle standard, elle est décrite par la relativité générale. Elle se définit par la déformation de l’espace-temps.

La gravitation est la plus faible des quatre interactions fondamentales. Elle s'exerce à distance et de façon attractive entre les différentes masses. Sa portée est infinie.


La première théorie la décrivant efficacement est celle de Newton en 1687. Pesanteur, mouvements planétaires, structure des galaxies sont expliqués par la gravitation. En 1915, elle est remplacée par la théorie de la relativité générale d’Einstein qui sert de cadre à la description de l’Univers entier et où les masses déforment l’espace-temps au lieu d’y exercer des forces à distance.

A ce jour, on ne sait pas décrire l’interaction gravitationnelle par la mécanique quantique, et on ne lui connaît aucun boson médiateur. Au niveau théorique, la gravitation pose problème car on ne sait pas la décrire à l’aide du formalisme de la «  théorie quantique des champs  », utilisé avec succès pour les trois autres interactions. L’hypothétique graviton serait la particule médiatrice de la gravitation dans une description quantique de cette interaction.

PORTÉE DE L'INTERACTION ENTRE DEUX CORPS
La masse du boson vecteur (ou médiateur) va définir la portée de l’interaction. Imaginez deux particules en interaction comme deux personnes se lançant une balle, représentant le boson vecteur : plus la balle est légère, plus ils peuvent la lancer loin. Par analogie, plus le boson vecteur est léger, plus la portée de l’interaction est grande.
*         Force forte : 
Particules médiatrices (boson vecteurs) : gluons
*         Domine dans :  noyau atomique
*         Force électromagnétique
Particules médiatrices (boson vecteurs) : photons
*         Domine dans : électrons entourant le noyau
*         Force faible
Particules médiatrices (bosons vecteurs) : Boson Z0, W+, W- 
Domine dans : Désintégration radioactive bêta
*         Gravitation
Particules médiatrices (bosons vecteurs) : Graviton ? (pas encore observé) 
Domine dans : Astres .

Notions clés
*         Interactions fondamentales et particules élémentaires : chacune des trois interactions fondamentales décrites par le modèle standard, à savoir l’interaction électromagnétique, l’interaction faible et l’interaction nucléaire forte - est associée à une ou plusieurs particule(s) élémentaire(s), les bosons. Ainsi, l’interaction forte est véhiculée par les gluons ; le photon transmet l’interaction électromagnétique tandis que les trois autres bosons sont responsables de l’interaction faible.
*         Spectre électromagnétique : le spectre du rayonnement électromagnétique s’étend des ondes radio aux rayons gamma en passant par les micro-ondes, l’infrarouge, la lumière visible, l’ultraviolet et les rayons X. Ce sont tous des rayonnements électromagnétiques qui ne différent que par la fréquence de l’onde. Pour en savoir plus, consulter L'essentiel sur les ondes électromagnétiques.
*         Le graviton est une particule hypothétique de la famille des bosons, médiateur de l'interaction gravitationnelle. Il s'agirait d'une particule de masse nulle, de charge électrique nulle et de spin égal à 2.

LA THEORIE DU TOUT : VERS L’UNIFICATION DES INTERACTIONS FONDAMENTALES ?
L’objectif des recherches est de trouver une théorie qui expliquerait simultanément les quatre interactions fondamentales.
L’unification des quatre interactions fondamentales fait partie des axes de recherche principaux de la physique des particules. Une première étape a été franchie il y a une trentaine d’années avec l’unification de l’interaction faible et de la force électromagnétique dans un même cadre : l’interaction électrofaible. Celle-ci se manifeste à haute énergie – environ 100 GeV. La suite logique de ce processus est d’y ajouter l’interaction forte. Mais, si convergence il y a, elle ne devrait se manifester qu’à des échelles d’énergie encore bien plus élevées (1015 ou 1016 GeV), totalement hors de portée des expériences actuelles. L’étape ultime, l’ajout de la gravité à ce formalisme, est encore plus éloignée et se heurte à des problèmes mathématiques non résolus pour le moment.

La théorie des cordes et la théorie de la gravitation quantique à boucles sont les deux cadres théoriques les plus étudiés aujourd’hui.
Les théories de dimensions supplémentaires, dont la théorie des cordes, ont été initialement proposées pour résoudre le problème de l’extrême faiblesse de la gravité. L’une des réponses serait que seule une petite fraction de la force gravitationnelle n’est perceptible, le reste agissant dans une ou plusieurs autres dimensions. Ces dimensions, imperceptibles, seraient courbées et non plates comme les quatre connues de l’espace et du temps.
Les cordes seraient des petits brins d’énergie en vibration qui seraient reliées dans plusieurs « branes » (des cordes qui se seraient étirées et transformées en grandes surfaces).  Les branes seraient comme des barrières entre plusieurs dimensions, jusqu’à 10, mais ces dimensions supplémentaires nous sont invisibles.
Toute la physique fondamentale serait unifiée, c’est-à-dire la mécanique quantique avec la relativité générale.
La gravité quantique à boucles a pour but de quantifier la gravitation. Elle a notamment pour conséquences que le temps et l’espace ne sont plus continus, mais deviennent eux-mêmes quantifiés (il existe des intervalles de temps et d’espace indivisibles). La gravité quantique à boucles cherche à combiner la relativité générale et la mécanique quantique directement, sans rien y ajouter.
Cependant, à ce jour, aucune théorie unique ne peut expliquer de façon cohérente toutes les interactions.

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La radioprotection


Pour protéger la population et les travailleurs, des mesures ont été fixées à l’échelle internationale et nationale.

Publié le 1 juillet 2014

LES RÈGLES DE RADIOPROTECTION

La radioprotection est un ensemble de mesures destinées à assurer la protection sanitaire de la population et des travailleurs.

Trois règles de protection contre toutes les sources de rayonnements sont :
*         s’éloigner de la source de rayonnements, car leur intensité diminue avec la distance ;
*        
*         mettre un ou plusieurs écrans entre la source de rayonnements et les personnes (par exemple, dans les industries nucléaires, de multiples écrans protègent les travailleurs. Ce sont des murs de béton, des parois en plomb et des verres spéciaux chargés en plomb) ;
*        
*         diminuer au maximum la durée de l’exposition aux rayonnements.


Ces mesures de radioprotection peuvent être comparées à celles que l’on prend contre les ultraviolets : utilisation d’une crème solaire qui agit comme un écran et limitation de l’exposition au Soleil.

*         attendre, quand cela est possible, la décroissance naturelle radioactive des éléments ;
*        
*         utiliser la dilution lorsque l’on a affaire à des gaz radioactifs.

Par exemple, les installations nucléaires ne sont pas démantelées aussitôt après leur arrêt, de façon à attendre une diminution de l’activité des zones. Dans les mines d’uranium souterraines, une ventilation très efficace permet de maintenir une faible concentration de radon dans l’air que respirent les mineurs.

Les travailleurs pouvant être soumis à des rayonnements ionisants lors de leur activité (industries nucléaires, médecins, radiologues…) portent dosimètres, gants, ceintures, bague qui mesurent la quantité de rayonnements auxquels ils ont été soumis. Ces dispositifs permettent de s’assurer que la personne n’a pas reçu une dose supérieure à la norme tolérée ou d’en mesurer la localisation et l’importance.

Plusieurs commissions indépendantes ont amené les autorités à fixer des normes réglementaires pour les limites de doses.

LES NORMES INTERNATIONALES DE RADIOPROTECTION
La prise de conscience du danger potentiel d’une exposition excessive aux rayonnements ionisants a amené les autorités à fixer des normes réglementaires pour les limites de doses. Ces limites correspondent à un risque supplémentaire minime par rapport au risque naturel, qui le rend donc acceptable.
*         Depuis 1928, la Commission internationale de protection radiologique (CIPR) rassemble des médecins, physiciens, biologistes… de tous pays. Cette autorité scientifique indépendante émet des avis précieux en matière de radioprotection, pour les réglementations propres à chaque État.
*        
*         L’UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) réunit des scientifiques représentant 27 nations. Il a été créé en 1955 au sein de l’ONU pour rassembler le maximum de données sur les niveaux d’exposition dus aux diverses sources de rayonnements ionisants et leurs conséquences biologiques, sanitaires et environnementales. Il établit un bilan régulier de ces données, mais également une évaluation des effets en étudiant les résultats expérimentaux, l’estimation des doses, les données humaines.
*        
*         Au niveau européen, l’Union européenne reprend ces avis dans ses propres normes ou directives.

Les normes légales de radioprotection donnent :
*         une limite de dose efficace de 1 mSv/an pour la population et de 20 mSv/an en moyenne sur 5 ans pour les personnes directement affectées aux travaux sous rayonnements ionisants (industrie nucléaire, radiologie médicale) ;
*        
*         une limite de dose équivalente (organe) de 150 mSv pour le cristallin (œil) et 500 mSv pour la peau et les mains.

     
Le législateur divise par 20 les doses admissibles des travailleurs pour la population car il considère que celle-ci comporte des sujets de tous âges, de tous états de santé et qui ne sont pas si bien suivis médicalement…


AU NIVEAU NATIONAL
En France, c’est l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN), autorité administrative indépendante, créée en 2006, qui a en charge le contrôle de la sûreté et de la radioprotection. L’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), appui technique de l’ASN, est placé sous la tutelle conjointe des ministres chargés de la Défense, de l’Environnement, de l’Industrie, de la Recherche et de la Santé. Il a été créé en février 2002 par la réunion de l’Institut de protection et de sûreté nucléaire (IPSN) et de l’Office de protection contre les rayonnements ionisants (OPRI).
L’IRSN réalise des recherches, des expertises et des travaux dans les domaines de la sûreté nucléaire, de la protection contre les rayonnements ionisants, du contrôle et de la protection des matières nucléaires, et de la protection contre les actes de malveillance.

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1905, l'année où Einstein bouleverse la physique moderne

Par Azar Khalatbari le 08.02.2015 à 14h00, mis à jour le 25.11.2015 à 12h22


En quatre articles, le jeune physicien de 26 ans émet des théories surprenantes qui vont révolutionner notre compréhension de l’Univers. Retour sur cette "année miraculeuse"…

CRÉDIT : AFP

PENSEE. Il y a 110 ans tout juste, un très jeune chercheur – même pas 26 ans – allait révolutionner en un an seulement, notre compréhension de l’Univers et ce pour des décennies ! De sorte qu’encore aujourd’hui les physiciens sont chaque jour épatés par le brio de ses démonstrations, la justesse de ses prédictions, et les épistémologues n’en finissent pas d’étudier le cheminement de sa pensée. Son nom : Albert Einstein… L’essentiel se passe en cette année 1905 – qui a été par la suite baptisée "année miraculeuse". L’ensemble de cet ouragan de pensée est présenté ci-dessous au cours d’une conférence TED, en 5 mn chrono…

Après des études de maths et de physique, l’élève Einstein préfère le labo aux cours théoriques et obtient un emploi à l’Office des brevets suisse… grâce à l’aide d’un des amis de son père. Six jours par semaine il y travaille mais le septième jour est souvent consacré à sa passion : discuter avec quelques amis,  refaire le monde à sa manière c’est-à-dire le comprendre d’abord, et consigner les quelques idées qui naissent lors de ces discussions dans des articles qu’il envoie sans trop y croire à des publications scientifiques. Ce travail n’est pas très remarqué.

 
1-La lumière est à la fois onde et particule
Mais en mars 1905, le vent tourne : Einstein propose quatre articles qui vont coup sur coup révolutionner la physique ! Le premier avance une hypothèse étonnante.  Alors que depuis quelques décennies, les physiciens ont admis que la lumière est une onde, Einstein propose que la lumière soit considérée comme une particule. Cela permet, affirme-t-il, d’expliquer un phénomène encore mystérieux –l’effet photoélectrique, le fait que lorsqu’un matériau reçoit de la lumière, il perd un électron, une des particules de matière que renferment les atomes. La communauté scientifique mettra vingt ans avant de comprendre fondamentalement cette idée. En avance sur son temps, le travail d’Einstein n’a pas été apprécié à sa juste valeur. Aujourd’hui, la dualité de la lumière – le fait qu’elle puisse être considérée à la fois comme onde et particule – est la base même de la physique quantique.

 
2-La matière est faite d’atomes
Deux mois plus tard, en mai 1905, Einstein soumet un second article et s’attaque à une des questions les plus brûlantes de la physique de l’époque : est-ce que les atomes existent vraiment ? A l’époque, en effet, la plupart des chercheurs admettait que la matière était constituée d’un ensemble d’éléments indivisibles… mais nombreux étaient ceux qui se demandaient si ces minuscules bouts de matière étaient une vue de l’esprit, une hypothèse commode ou… une réalité à l’image des objets macroscopiques de la physique que l’on peut toucher et sentir ? Dans ce second article, Einstein l’affirme sans aucun doute : oui les atomes existent et il propose même une expérience pour appuyer son affirmation : le mouvement désordonné d’une poignée de particules dans l’eau – que l’on appelle mouvement brownien, comme par exemple une poignée de pollen que l’on éparpille dans un verre d’eau, peut être précisément prédit si l’on suppose que la matière est faite d’atomes. En effet, ces particules que nous observons rentrent en collision avec des milliards d’atomes invisibles du liquide et rebondissent sur eux à chaque fois, comme lorsque deux boules de billard s’entrechoquent. Très vite, des calculs ont été effectués et les mouvements de pollen – devenu prévisibles – ont prouvé l’existence des atomes.
 
3-La vitesse de la lumière est constante
En quelques mois, les physiciens allaient de surprise en surprise : ce très jeune scientifique, travaillant au rythme d’un jour par semaine, avait déjà à son actif deux conclusions essentielles. Mais Einstein n’allait pas s’arrêter en si bon chemin… Il restait encore 6 mois à cette année miraculeuse de 1905. Le troisième article paru en juin. Il concernait une incompatibilité entre deux principes physiques – d’une part, la loi du mouvement qui remontait à Galilée considérait que le mouvement absolu ne pouvait exister : en effet le mouvement d’un objet dépend de la position de l’observateur. Par exemple, lorsqu’un train passe sans s’arrêter le long d’un quai, ceux qui attendent sur le quai voient passer le train à 100 km/heure, alors que le voyageur installé dans le wagon, ne ressent aucun mouvement. Ce n’est que s’il regarde le paysage qui défile, qu’il se rend compte du mouvement du train. Si un autre voyageur se déplace dans le train à une vitesse de 6 km/h – une marche rapide – l’observateur sur le quai le voit se déplacer à une vitesse de 106 km/h (c’est ce que l’on appelle la règle d’addition des vitesses), tandis que le voyageur assis lui attribue une vitesse de 6 km/h. Le mouvement ne peut être défini que par rapport à un référentiel. Ce principe avait fait ses preuves à maintes reprises!

Mais, parallèlement, la théorie électromagnétique, qui décrit les déplacements de charges électriques et magnétiques, stipule que ces charges se déplacent toujours à la même vitesse et ce, quelle que soit la position de l’observateur. Alors laquelle des deux dit vrai ? Ce genre de dichotomie énerve les physiciens au plus haut point tant ils considèrent que leur discipline est universelle, une et inséparable. Mais un jour en mai, une idée géniale germe dans l’esprit d’Einstein : il y a une seule manière d’éliminer cette contradiction, c’est de supposer que la vitesse de la lumière est constante, quel que soit le référentiel considéré ! Un principe qu’il suppose, comme un coup de bluff – en utilisant des « expériences de pensées » – ces expériences que l’on peut imaginer et non réaliser concrètement. Admettons qu’un train se déplace à la vitesse de la lumière, le voyageur qui marche dans le train ira – aux yeux de l’observateur sur le quai – toujours à la vitesse de la lumière et non pas à la vitesse de la lumière plus 6 km/h !

Cette incroyable idée a des retombées gigantesques : elle sera à la base de la « relativité restreinte », et elle a aujourd’hui de nombreuses applications, depuis la conception des accélérateurs de particules jusqu’aux GPS.
 
4- La masse et l’énergie sont équivalentes
C’est en septembre que le quatrième article fut envoyé. Pendant tout l’été Einstein a réfléchi aux conséquences de la relativité restreinte et annonce ce qui lui semble une conséquence directe: la masse et l’énergie, ces deux entités qui semblent si différentes – l’une matérielle, l’autre non – sont en fait équivalentes. Un petit fragment de masse représente même une quantité immense d’énergie car, pour passer de l’une à l’autre il faut tout bonnement appliquer la formule E=Mc2. (c étant la vitesse de la lumière dans le vide, soit 300 000 km/s)
La formule deviendra célèbre – elle est l’équation la plus connue de toute la physique – Aujourd’hui sans cesse utilisée en physique des particules et atomique, mais  Einstein ne sera reconnu qu’en 1919. Cette année-là, lors d’une éclipse solaire, les prédictions de sa théorie de la relativité générale furent vérifiées par l’expérience. Le Nobel de physique n’arrivera qu’en 1921… couronnant ses tous premiers travaux sur l’effet photoélectrique.
 
Mais revenons en 1905, la folle année où fut annoncé l’essentielle de la physique moderne : la lumière est à la fois onde et particule, les atomes existent bel et bien, la vitesse de la lumière est finie, la masse et l’énergie sont équivalentes !  
Cette année-là, le prix Nobel fut attribué à l’allemand Philipp Lenard, pour la découverte des rayons cathodiques, ces faisceaux d’électrons que l’on observe dans les tubes à vide. Lenard deviendra plus tard, pendant le régime nazi, un des défenseurs de la science « aryenne », la « deutsche physic ». Antisémite et nationaliste, il s’opposera à Einstein, pacifiste et pro-européen. Il qualifiera Einstein de représentant de la physique juive et l’accusera de vouloir dominer l’ensemble de la physique.

Pour en savoir plus : le Hors-Série de Sciences et Avenir

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