Part 1
Pour comprendre EINSTEIN...
PAR l’Abbé Th. MOREUX DIRECTEUR DE L’OBSERVATOIRE DE BOURGES
Avec figures dans le texte
PARIS LIBRAIRIE OCTAVE DOIN GASTON DOIN, ÉDITEUR 8, PLACE DE L’ODÉON, 8
1922 Tous droits réservés Copyright by Gaston Doin, 1922
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POUR COMPRENDRE EINSTEIN...
INTRODUCTION
Peu de théories, en ces dernières années, ont suscité autant de conversations et de controverses que les doctrines de la relativité: Confinées tout d’abord en un cénacle fort restreint de savants, elles ont peu à peu gagné les salons, la presse, le grand public.
Lors de son dernier passage à Paris, Einstein lui-même se demandait les raisons d’un tel engouement pour un sujet de pure science et dont la discussion, en raison des difficultés d’ordre mathématique qu’elle comporte, ne saurait être fructueuse en dehors des initiés.
Or, il suffit d’être en contact permanent avec ce même public pour saisir les causes profondes de son émoi. Non certes que les Traités sérieux sur la Relativité, s’étalant aux vitrines des éditeurs, aient pu, malgré leur multiplicité, pénétrer tous les milieux, mais simplement parce que nous avons assisté en ces derniers mois, à la glose de la doctrine, par des vulgarisateurs dont la plupart, ayant à peine saisi les nuances si subtiles des théories en jeu, n’ont pas craint d’en dénaturer les conclusions. Dans une sphère plus élevée, des physiciens qui, depuis plusieurs années, professent l’exposé des nouveaux principes, ont su piquer l’intérêt de leurs élèves en énonçant des corollaires paradoxaux déduits, avec toutes les apparences de la logique, de théorèmes paraissant désormais acquis à la science. En soulignant la relativité du temps, certains auteurs n’ont pas manqué de pénétrer sur le terrain de la philosophie pour nous inviter à méditer à nouveau sur la brièveté de la vie humaine, qu’un mouvement rapide, ont-ils ajouté, pourrait singulièrement allonger; d’autres ont fait miroiter à nos yeux la possibilité d’une éternelle jeunesse entrevue grâce aux effarants principes déduits de la théorie. M. P. Langevin, l’éminent professeur du Collège de France, est allé plus loin: imitant ces prédicateurs en quête d’une fin de sermon, il nous a conviés «à travailler en communion de pensée avec Einstein qui dans l’Histoire aura le mérite essentiel d’avoir ouvert toute grande aux hommes une nouvelle fenêtre sur l’éternité».
Du coup les plus indifférents aux conclusions de la science dans les champs les plus variés, ont pris intérêt à l’exploration d’un territoire auquel ils étaient demeurés étrangers depuis la fin de leurs études, et les acquisitions des cinquante dernières années, qui auparavant n’avaient pas su retenir leur attention, furent pour eux la révélation subite d’horizons inconnus.
Au milieu de cette abondance de faits, de découvertes et de théories, comment un profane ne se trouverait-il pas déconcerté? Quel jugement portera-t-il sur l’œuvre d’Einstein, s’il n’a pas suivi la marche et le progrès des idées scientifiques depuis un demi-siècle pour le moins.
Car, en fait, pour comprendre la doctrine actuelle de la Relativité, il faut pouvoir embrasser d’un seul regard les domaines étroitement liés entre eux de la Physique et de la Chimie moléculaire, avoir présente à l’esprit la vieille querelle de l’éther, avoir assisté, ne serait-ce que d’une façon rétrospective, à la lente découverte des secrets de la nature encore mystérieuse de la matière; bref, posséder des idées nettes sur les efforts et les luttes engagées par les physiciens depuis Newton, pour arriver, après de fantastiques chevauchées et parfois de retentissants échecs, à la conquête de quelques propositions en apparence solidement établies, bien que souvent contradictoires.
C’est qu’en réalité, au lieu de se fondre en un tout harmonieux et bien équilibré, les différentes parties de la Physique et de la Mécanique, au seuil du XXe siècle, apparaissaient de plus en plus étrangères l’une à l’autre et les expériences célèbres de Fizeau et de Michelson sur la vitesse de la lumière n’avaient fait récemment qu’accentuer les hiatus et souligner les antinomies.
La considération et l’application d’une formule mathématique opérant une sorte de synthèse satisfaisant à la fois le monde infiniment petit de l’atome et l’incommensurablement grand, en un mot adéquate aux phénomènes de la Physique moléculaire comme aux lois de la Mécanique céleste, une formule synthétique, même acquise en posant quelques postulats proches de la vérité, voilà ce qu’a cherché Einstein. Le système qu’il nous propose est-il définitif? Évidemment non. Les meilleures théories, l’Histoire nous l’apprend, ne sont que fragile échafaudage et le Temps, ce tremplin d’Einstein, en a plus ou moins vite raison. Au surplus, la question est de tout autre ordre: il s’agit simplement de savoir si les principes posés par Einstein, aidé de son professeur Minkowski, seront de quelque utilité pour l’avancement de la science? La réponse diffère suivant les points de vue.
Une hypothèse même négative constitue toujours un progrès; la théorie de la Relativité, n’en doutons aucunement, exercera sur l’évolution des idées une action bienfaisante. Mais jouera-t-elle le rôle envisagé par ses promoteurs, c’est-à-dire celui de relier les faits actuellement connus? Voilà le point particulier que nous étudierons.
Parmi ceux qui ont vulgarisé l’œuvre du physicien germano-suisse, il s’est trouvé des commentateurs trop zélés qui n’ont pas craint d’attribuer à Einstein des acquisitions fort nombreuses que les physiciens modernes avaient depuis longtemps classées au rang des dogmes scientifiques. A vrai dire, ces acquisitions étaient quelque peu disparates et, faut-il l’avouer, plutôt éparses dans le domaine de la science; on y eût souhaité un peu plus d’ordre et d’enchaînement et c’est alors que survint Einstein, dont l’ambition fut celle d’être un «homme de liaison» ne se contentant pas de ranger et de classer suivant les étiquettes, mais indiquant, autant que possible, la raison d’un ordre logique, en apparence assez satisfaisant.
Pour juger de l’œuvre accomplie, il faut donc de toute nécessité jeter un coup d’œil sur le terrain exploré par les physiciens à la fin du siècle précédent, nous rendre compte de leurs positions stratégiques et enfin situer l’emplacement de la forteresse qu’il s’agissait d’enlever.
CHAPITRE PREMIER
LA SCIENCE AVANT EINSTEIN
On avait l’habitude autrefois de considérer l’atome comme une matière inerte, simple support d’énergie pour ainsi dire, réceptacle d’une force mystérieuse et inconnue; l’atome, en outre, restait insécable... quoique étendu. On a beau répéter le mot de Bacon: «Physique, garde-toi de la Métaphysique», lorsqu’un physicien nous expose ses idées, nous avons le droit de lui demander des précisions; nous avons beau faire, nous cherchons, malgré nous, à y voir clair et à classer nos notions nouvelles dans un ordre logique, soucieux toujours d’éviter les contradictions.
C’est qu’en fait, il n’y a pas deux façons de raisonner, l’une pour l’homme de science, l’autre pour le philosophe. Parmi ces derniers, ceux qui font appel à l’intuition finissent toujours par ne rien expliquer; quant aux autres, je veux parler des savants, s’ils constatent, je les comparerai sous un certain rapport aux premiers; il ne suffit pas à notre esprit avide de savoir, d’enregistrer des faits sans lien apparent. Découvrir une cause en jeu derrière le phénomène, puis remonter la série enchaînée des causes, voilà ce que j’appelle faire de la vraie science... et aussi de la Métaphysique, quoi qu’on dise.
Et la preuve, c’est que les philosophes sont restés des siècles à discuter sur la nature de l’espace et de l’étendue sans aboutir à autre chose qu’à des sophismes et à des contradictions; il a fallu l’intervention du physicien pour que nous commencions à entrevoir le mot de l’énigme. Ainsi, malgré lui et inconsciemment, le savant se laisse entraîner par une pente insensible vers la Métaphysique.
La conquête d’une partie des secrets de l’atome est l’exemple le plus typique peut-être de cette collaboration étroite d’esprits orientés vers des directions diverses.
* * * * *
Les savants, depuis les travaux de Lorentz, de Larmor, de Zeeman, auxquels se sont ajoutés ceux de Curie, de Perrin, de Bohr et de tant d’autres, ont mis en évidence la composition extraordinairement complexe de l’atome.
Lorsque par une belle nuit, l’astronome, l’œil au télescope, résout en étoiles distinctes les plages phosphorescentes de la Voie lactée, rien ne lui laisse encore supposer qu’autour de ces milliers d’astres tournent des planètes analogues à celles qui gravitent dans notre système, près du Soleil.
A l’œil nu, il n’y a devant lui qu’une tache blanchâtre et ses moyens optiques l’avertissent que c’est là une illusion; la tache est en réalité formée d’une _discontinuité_ de points brillants et si ses instruments étaient plus puissants, nul doute que chaque étoile se résoudrait encore, dans la plupart des cas, en système planétaire.
Or, ce que nous contemplons sur la voûte céleste n’est que l’image agrandie de ce qui se passe plus près de nous. Le papier sur lequel j’écris n’est qu’un assemblage fantastique de milliers de milliards d’atomes représentant chacun pour son propre compte les étoiles de l’univers, avec cette différence toutefois qu’ici, l’agitation est caractérisée par des vitesses bien supérieures aux mouvements propres des étoiles. Les lacunes entre atomes sont de même ordre de grandeur et toute matière tombant sous nos sens est prodigieusement _discontinue_. Ce résultat est quelque peu déconcertant lorsqu’on ajoute qu’une tête d’épingle renferme au moins 8 sextillions de parties distinctes.
Penchons-nous maintenant sur l’atome lui-même; nous allons, à notre stupéfaction, découvrir en lui le modèle d’un véritable système solaire. Autour d’un noyau chargé d’électricité positive (_ion_), circulent des corps d’une extrême ténuité: ce sont les _électrons_ chargés négativement et qui décrivent de vraies orbites à la façon des planètes[1]. Les atomes de chaque substance ont un noyau différent, mais leurs électrons, tous identiques, paraissent varier en nombre et forment ainsi, avec leur noyau central, la caractéristique du corps[2].
[1] Pour de plus amples détails V. J. PERRIN: _Les Atomes_, p. 259, 7e éd. (Alcan, Paris, 1914).
[2] MAX BORN.--_La Constitution de la Matière_, p. 3 (A. Blanchard, Paris, 1922).
La quantité d’électrons circulant dans la moindre portion de matière est donc considérable: prenons comme exemple une petite sphère d’hydrogène de 1/2 millimètre de diamètre seulement; imaginez-vous combien il vous faudrait d’années pour en détacher les électrons à raison de _un_ par seconde? Pas moins de un million de siècles! Et cependant, au sein du corps le plus dur, ces éléments ne se touchent pas; le diamètre des noyaux est de l’ordre de grandeur de un trillionième de millimètre et l’électron s’en trouve toujours éloigné dans son mouvement de circulation; le rayon de son orbite, dans le cas de l’hydrogène, est de 53 milliardièmes de millimètre en moyenne. Trajectoire et mouvement y paraissent régis par des lois analogues à celles de Képler pour les corps célestes, mais ici les vitesses sont fantastiques[3].
[3] N. BOHR.--_Phil. Mag._ 26, pp. 1, 476 (1913).
Dans notre système, Mercure, la planète la plus proche du Soleil, accomplit sa révolution en 88 jours, à raison de 48 kilomètres en moyenne par seconde, tandis que dans l’atome d’hydrogène, notre électron parcourt un espace de 2 000 kilomètres à chaque seconde et trouve le moyen, pendant ce faible laps de temps, d’accomplir 620 000 milliards de révolutions autour de son soleil[4].
[4] W. NERNST: _Traité de Chimie Générale_, 2e éd. (Hermann, Paris, 1922).
Voilà ce que nous apprennent sur la structure de l’atome, les travaux réalisés dans la dernière décade et l’on comprend mieux maintenant et l’incroyable énergie renfermée dans les édifices atomiques et les difficultés rencontrées lorsqu’on essaie de les dissocier. Généralement, en effet, en raison de la stabilité de l’atome, cette énergie interne est latente, cachée pour ainsi dire, mais si nous arrivions à l’utiliser, nous accomplirions des travaux de géants. C’est ainsi que 20 kilogrammes de charbon dissociés complètement, fourniraient à la France le même résultat que les 60 millions de tonnes de houille dont nous avons besoin chaque année pour alimenter notre industrie et nos foyers.
Cette énergie latente se montre au moment de la désagrégation de l’atome, et celle-ci est toujours spontanée dans les substances très radioactives qui émettent alors des particules libérées à des vitesses énormes atteignant jusqu’à 290 000 kilomètres par seconde, presque la vitesse de la lumière.
Cette particularité a donné l’idée à Rutherford d’employer des corpuscules de ce genre pour bombarder d’autres atomes et essayer de leur soustraire quelques électrons. Et ce fut ainsi qu’après avoir lancé un faisceau de rayons _alpha_ dans une enceinte renfermant de l’azote, il eut la joie d’obtenir la dissociation d’une partie de ce dernier gaz en atomes d’hydrogène. A côté de ces expériences que le savant anglais continue sans relâche, avec l’espoir, nous disait-il récemment, de faire encore mieux, d’ingénieux physiciens MM. Wendt et Iron en ont imaginé d’un autre genre.
Nous savons depuis longtemps que les étoiles chaudes sont loin de renfermer tous les corps prétendus simples que nous connaissons; ceux-ci doivent donc être dissociés par la chaleur, ramenés à un état plus primordial et plus proche de l’hydrogène qui forme l’étoffe même de tous les éléments. Tout le problème revient donc à trouver des sources calorifiques supérieures à celles dont nous disposons. Et c’est ce qu’a fourni la décharge brusque de condensateurs à grande capacité: un fil de tungstène put être ainsi porté à une température de 30 000° et sa volatilisation donna comme résidu, des atomes d’hélium proche parent de l’hydrogène[5].
[5] V. _Revue du Ciel_, juin 1922.
Nous arrivons donc à la réalisation de cette chimère caressée pendant si longtemps par les vieux alchimistes: la transmutation des métaux. Et voilà nos modernes physiciens rejoignant sans le vouloir ceux dont ils se sont tant moqués: les métaphysiciens d’antan.
* * * * *
Mais l’étude de l’atome nous réservait bien d’autres surprises. Depuis longtemps, Faraday avait été conduit par ses expériences, à soupçonner la nature _discontinue_ de l’électricité et peu à peu on en était venu à admettre l’existence dans les phénomènes électriques, d’une sorte d’unité naturelle qu’on nomma _l’électron_. Ainsi, par un détour inattendu, l’électron des physiciens rejoignait celui des chimistes: tous deux n’étaient au fond qu’un même objet, une simple charge électrique.
Mais alors, une autre question se posait: sur quoi reposait cette charge, car enfin, il fallait un support à cette unité de quantité électrique, un substrat, une substance en un mot, une masse pondérable comme disaient les contemporains de Galilée.
Mais ici, nous allons pénétrer dans un domaine tellement extraordinaire qu’il nous faut exposer de nouveaux faits et nous livrer à une digression nécessaire.
Aussi impressionnantes que soient les théories relativistes actuelles, elles n’ont, à tout prendre, révélé aux physiciens avertis, rien de bien nouveau. Il suffit en effet de jeter un coup d’œil rétrospectif sur l’histoire de la science depuis deux cents ans, pour voir que la doctrine de la relativité a envahi tous les domaines au fur et à mesure de nos acquisitions.
La substance ne se manifeste vraiment que par les effets qu’elle exerce sur notre _moi_: elle y provoque des états de conscience qui, en aucun cas, ne sauraient nous donner une représentation adéquate du monde extérieur. C’est aujourd’hui vérité banale que d’affirmer la non-identité de la sensation avec la cause qui la fait naître. La couleur d’un corps n’est pas en dehors de moi comme elle est en moi; il en est de même du son; il faut distinguer l’objectif du subjectif et tous les deux ne se ressemblent pas.
Objectivement, le son et la lumière ne sont que des vibrations; celles-ci excitent mes sens et me procurent des états de conscience différents. Voilà comment je prends contact avec le monde extérieur. Les qualités de couleur et de sonorité que je prête à un corps répondent évidemment à quelque chose, mais ce quelque chose est loin de ressembler à ce que me fournit la sensation. Peu importe au fond; cela n’entrave aucunement les progrès de ma connaissance, puisqu’il y a correspondance constante entre la sensation et sa cause extérieure.
Lors donc que je regarde une orange, ce n’est pas précisément le fruit que je vois, mais la façon dont _quelque chose_ réagit sur les vibrations lumineuses; supprimez la couleur, le fruit n’en subsiste pas moins; de même l’odeur n’est pas nécessaire; et l’élasticité? Pas davantage. Derrière toutes ces qualités, il y a cependant un support; c’est ce que nous appelons la substance.
Pour un homme privé de l’odorat, sourd et aveugle, ce qui resterait de l’orange, ce serait l’impression tactile et, mieux encore, la résistance que le corps opposerait au sien; en un mot, le corps pesant un certain poids, notre sujet dirait que le fruit possède une certaine masse.
Ainsi raisonnaient d’ailleurs implicitement les physiciens depuis Galilée: pour eux, la substance, en dernière analyse, était représentée par la _masse_, quantité constante, tangible, objet de science parce que _mesurable_.
En fait, l’appréciation de la masse en Mécanique--qu’il ne faut pas confondre avec le poids--ne souffrait aucune difficulté. Supposons une poussée équivalente à _un_ kilogramme et appliquons-la à une bille; notons aussitôt la vitesse ainsi communiquée, soit 2 mètres par seconde; je constaterai peu après qu’une force double, c’est-à-dire de 2 kilogrammes, donnera à la bille une vitesse double de la première, soit 4 mètres par seconde.
Il y a donc une relation entre la force appliquée à un corps et la vitesse communiquée. Pourquoi? Évidemment parce que le corps oppose toujours la même résistance au déplacement et que cette résistance dépend de la quantité de matière en présence, de sa _masse_ qui mesure ainsi ce qu’on appelait autrefois son inertie.
Si donc, j’appliquais la force de _un_ kilogramme à une bille nouvelle et si la vitesse obtenue n’était que de un mètre par seconde, je serais en droit de conclure que ma bille contient _deux fois moins_ de matière que dans le premier cas, donc que la masse est exactement _la moitié_ de la première.
Cette fois, pouvaient prétendre les physiciens, nous nous dégagions du phénomène subjectif pour atteindre vraiment le réel, nous tenions l’absolu[6] car la masse, en réalité, c’était la substance. Hélas! la quiétude fut de courte durée dès qu’on eut le moyen d’apprécier les vitesses des atomes et surtout celles des électrons. Ceux-ci sont en effet expulsés dans quelques-unes de nos expériences, nous l’avons vu, à des vitesses fantastiques: 100 000 kilomètres à la seconde dans les ampoules de Crookes; 280 000 kilomètres et davantage pour les rayons Bêta du radium. Or, les mesures mille fois répétées ont montré que, loin d’être invariable et indépendante de la vitesse, la masse apparaît toujours comme une fonction de cette vitesse. En d’autres termes, un même corps n’offrirait pas toujours la même résistance aux actions extérieures: l’inertie de la matière serait un mot vide de sens; la masse, ce dernier refuge de la substance, ne serait elle-même qu’un accident comme la couleur, une modalité de la substance, et, qui mieux est, elle serait tout entière d’ordre électrique.
[6] Le mot absolu offre des sens très différents suivant les cas: ici, il est simplement opposé au mot _relatif_.
Voilà d’ailleurs ce qu’avaient déjà annoncé Max Abraham et Lorentz d’après la théorie, mais la première idée du fait est due à J.-J. Thomson qui l’avait émise dès 1881[7].
[7] Cf. J.-J. THOMSON: _Philos. Mag._ 5e série, t. XI, 1881, p. 229; MAX ABRAHAM, _Dynamique de l’électron_ dans _Ann. der Phys._ t. X. 1903 pp. 105 à 179; H. A. LORENTZ, _Sur la Théorie des Électrons_ dans _Ions, Électrons, Corpuscules_, édité par la Soc. de Phys. de France (Gauthier-Villars, Paris).
Les auteurs qui attribuent cette trouvaille à Einstein exagèrent quelque peu «la pratique de la relativité» puisqu’à cette époque, notre futur physicien était dans sa deuxième année!
Au reste, n’est-ce pas rendre un bien mauvais service à un savant que de lui attribuer faussement ce qu’il n’a pas découvert. Einstein, j’imagine, n’a nul besoin de cette inopportune réclame; avant d’être le théoricien que nous savons, il avait à son actif d’importants travaux sur la physique moléculaire et plus tard cela suffira peut-être à sa renommée[8].
[8] Cf. _Ann. der Phys._ t. XVII, 1905 et t. XIX, 1906.
Quoi qu’il en soit de ces considérations, nous allons voir comment les physiciens furent peu à peu acculés, c’est le mot, à jeter par dessus bord l’ancienne notion de la masse.
Supposons une petite masse électrisée, notre électron, lancée avec force dans une certaine direction. Il est facile de démontrer que cette petite masse chargée d’électricité est équivalente à un courant proportionnel à sa vitesse. Mais toute apparition d’un courant donne naissance à un champ magnétique d’intensité également proportionnelle à cette même vitesse.
Pour maintenir notre électron en mouvement, nous sommes donc obligés de lui communiquer une quantité d’énergie plus grande que s’il s’agissait d’un mobile non électrisé.
Ne sait-on pas en effet que la naissance d’un champ magnétique a pour conséquence l’apparition d’un phénomène de self-induction qui s’oppose au courant et, dans le cas particulier que nous considérons, au mouvement de l’électron. Tout se passe donc comme si, par le fait qu’elle est électrisée, notre petite sphère avait vu sa masse s’augmenter. A la masse ordinaire, peut-on dire, s’est ajoutée une masse de nature magnéto-électrique.