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Einstein aujourd'hui

Il est partout

Joël Leblanc - 31/03/2010

On a souvent dit que les théories d’Einstein étaient incompréhensibles pour le commun des mortels. C’est peut-être vrai, mais les applications qui en découlent, elles, ont bel et bien des incidences dans notre vie. On peut le constater tous les jours dans la cuisine, la rue et même… la chambre à coucher. 
 

Ça colle! 

En 1905, Einstein a publié A New Determination of Molecular Dimensions, sa thèse de doctorat. Son étude de la relation entre la viscosité des liquides et la dimension des molécules dissoutes dans ces liquides l’a mené à l’élaboration de formules mathématiques permettant de mesurer la vitesse de diffusion dans les solutions. Les bases de la chimie des colloïdes étaient jetées. Les colles, le ciment, l’asphalte sont aujourd’hui élaborés selon les recettes chimiques d’Einstein.


Les CD d’Albert


C’est en 1916 qu’Einstein a étudié et expliqué l’émission stimulée de radiations. Il savait qu’un atome excité, ou «surénergisé», peut revenir à un état plus stable en émettant spontanément un photon, c’est-à-dire une particule lumineuse. À l’inverse, il savait qu’un photon qui frappe un atome amplifie son état énergétique. L’idée géniale du physicien a été d’imaginer un photon qui frappe un atome déjà excité; un nouveau photon est alors émis et se joint au premier pour aller frapper deux autres atomes excités. Il en résulte une sorte de billard atomique où les quatre photons pourront frapper quatre autres atomes, et ainsi de suite. Cette lumière amplifiée par émission stimulée de radiation est à la base des lasers (acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), inventés, aux États-Unis dans les années 1950, par Charles Townes qui s’est inspiré des concepts d’Einstein.

Le cœur d’un laser est un cylindre d’une substance transparente et homogène – souvent du rubis, mais qui pourrait théoriquement être de la simple gélatine – aux extrémités duquel se trouvent deux miroirs. Des flashs stimulent les atomes en suspension dans cette matrice et engendrent des photons en continu. La lumière qui s’amplifie dans le cylindre est constamment renvoyée dans la substance grâce aux miroirs, ce qui entretient le phénomène.

Le truc pour laisser sortir cette énergie du cylindre est que l’un des miroirs n’est que semi-réfléchissant. Une partie de la lumière peut donc le traverser et produire le faisceau rouge et constant qui nous est maintenant si familier. 

Les viseurs d’armes à feu, les niveaux des charpentiers, les pointeurs utilisés dans les conférences, les lecteurs des codes-barres, de CD et de DVD utilisent cette technologie. Certains lasers, plus puissants, servent d’outils de découpage, d’instruments médicaux, de signaux de communication par fibre optique, d’instruments pour étudier des réactions chimiques ou encore pour manipuler des objets microscopiques.


L’allumeur de réverbères


Si les lampadaires dans les rues peuvent s’allumer «tout seuls» à mesure que l’obscurité s’installe, c’est parce qu’ils sont équipés d’un capteur de lumière. Le fonctionnement de ce capteur repose sur l’effet photoélectrique, un phénomène découvert par Heinrich Hertz en 1887. Cet effet se produit lorsqu’un métal est éclairé par une lumière dont l’énergie est suffisante pour lui faire émettre des électrons. Avant Einstein, on savait que plus l’intensité de la lumière frappant le métal est forte, plus les électrons émis sont nombreux. Mais chacun de ces électrons ne produisait pas plus d’énergie, ce qui contredisait la théorie ondulatoire de la lumière qui prévalait à l’époque.

C’est Einstein qui a résolu l’énigme en développant la théorie des quanta en 1905, ce qui lui valut son Nobel en 1921. De ses observations sur l’effet photoélectrique, il a déduit que l’énergie lumineuse était rassemblée en «paquets», c’est-à-dire que la lumière se propage par grains d’énergie, que l’on baptisera plus tard des photons. Mais la notion d’onde n’était pas tombée dans les limbes pour autant: Einstein réalisa en effet que l’énergie d’un photon était directement proportionnelle à la longueur d’onde de la lumière. On commença donc à accepter la paradoxale dualité de la lumière, qui se comporte parfois comme une onde, parfois comme une particule.

Dans le capteur d’un lampadaire, la lumière qui frappe une pièce métallique fait émettre à cette dernière des électrons, ce qui crée un courant électrique dans un circuit. Si la lumière ambiante diminue, c’est-à-dire si les photons sont moins nombreux, le courant électrique baisse d’autant parce que moins d’électrons sont émis. Passé un certain seuil, un interrupteur s’active et allume le lampadaire. L’effet photoélectrique entre aussi en jeu dans tout appareil qui contrôle ou réagit à la lumière: la mesure de la durée d’exposition d’un appareil photo automatique ou le réglage de la densité d’encre à utiliser dans un photocopieur.

On s’en sert même dans les éthylomètres, ou alcootests, de la Sûreté du Québec: une cellule photoélectrique détecte une baisse d’intensité lumineuse causée par le changement de couleur d’un gaz qui réagit à la présence d’alcool. Les piles photovoltaïques qui équipent les calculatrices de poche découlent aussi des travaux du grand Einstein, tout comme les panneaux solaires des robots martiens et des satellites de communication.


Pas de fumée sans feu


Un détecteur de fumée contient une petite quantité d’américium-241, un élément faiblement radioactif. Et qui dit radioactivité dit désintégration continue. Lorsqu’il se désintègre, chaque atome d’américium se transforme en neptunium-237. La différence de masse atomique, qui passe de 241 à 237, s’explique par l’émission d’une particule alpha (a), c’est-à-dire deux neutrons et deux protons, liés tous les quatre. Ces particules a chargées positivement sont concentrées en un fin faisceau et dirigées vers un capteur qui mesure en continu la quantité d’énergie qui lui parvient. La fameuse équation formulée par Einstein en 1905, E=mc2, permet de calculer l’énergie libérée par toute désintégration nucléaire. La masse de matière «perdue» lors d’une fission nucléaire est en réalité convertie en énergie puisque, selon Einstein, la matière n’est rien d’autre que de l’énergie sous forme ultra-concentrée. Dans le détecteur, le faisceau d’énergie peut être atténué par la fumée d’un incendie. La détection de cette baisse soudaine d’énergie déclenche le cri strident de la machine.

La formule magique E=mc2 veut dire que l’énergie dégagée par la fission d’un atome est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. Cette découverte a permis la mise au point de la bombe atomique, mais aussi la production d’électricité par les centrales nucléaires, le traitement de cancers par radiothérapie, l’imagerie médicale par émission de positons, la mesure précise du temps par les horloges atomiques et la datation d’artefacts archéologiques.
 

La relativité à la télé

Propulsés par un tube cathodique, les électrons atteignent une vitesse si grande, avant de frapper la vitre de l’écran de télévision, que leur poids augmente. Cet effet de la relativité modifie légèrement leur course. Grâce aux observations d’Einstein, les concepteurs de téléviseurs savent qu’ils doivent tenir compte de cette masse changeante lorsqu’ils calculent la trajectoire des électrons dans l’appareil. Sinon, les images à la télé n’auraient pas la netteté qu’on leur connaît. 

Le système de positionnement global par satellite, ou GPS, doit aussi beaucoup à la théorie de la relativité. Pour mesurer précisément une position au sol, le système inclut la mesure du temps. Or, relativité oblige, le temps ne s’écoule pas à la même vitesse là-haut, pour les 24 satellites du système, qu’ici sur Terre, et ce, pour deux raisons. D’abord, les satellites se déplacent à une vitesse de 14 000 km/h. Ils «vieillissent» plus lentement; leurs journées sont ainsi plus courtes que les nôtres de sept microsecondes (sept millionièmes de seconde).

Ensuite, à l’altitude à laquelle ils orbitent (20 000 km), ils ne subissent que le quart de l’attraction gravitationnelle terrestre, ce qui, au contraire, accélère leur vieillissement et augmente leurs journées de 45 microsecondes. Il y a donc une différence totale de 38 microsecondes entre une journée terrestre et une journée satellitaire. En fait, tout cela est encore compliqué par la trajectoire plutôt elliptique des satellites autour du globe, qui leur fait subir une attraction plus ou moins grande selon la distance par rapport à la Terre.

Les horloges atomiques à bord des satellites ne coïncident donc pas parfaitement avec celles des unités GPS. Il faut tenir compte de cette différence lors des calculs des positions. Le système GPS peut vous permettre de vous situer sur Terre avec une précision moyenne d’une quinzaine de mètres. L’imprécision serait de quelques centaines de kilomètres, et augmenterait de 11 km par jour, si on ne suivait pas les conseils de ce bon vieil Einstein.

En fait, les concepteurs du système GPS eux-mêmes n’étaient pas tout à fait convaincus de la nécessité de tenir compte de la relativité dans les calculs lors qu’ils ont commencé à mettre en place les premiers satellites. Ils ont donc programmé les ordinateurs selon les deux possibilités et les ont équipés d’un interrupteur qui permettait de passer facilement du mode non relativiste au mode relativiste. Une solution pour laquelle ils ont opté très vite, lorsqu’ils ont vu la précision de leur système décliner.


Les pilules du génie


Plusieurs des médicaments que nous utilisons, depuis les pilules contre le cholestérol jusqu’au viagra lui-même, sont fabriqués grâce aux techniques développées par Einstein dans son article de 1905 sur le mouvement brownien. Dans son désir d’unification de la physique, le savant a utilisé les vieilles observations d’un botaniste. Ce dernier avait étudié le comportement des petites particules se bousculant dans un fluide, comme la fumée d’une cigarette dans l’air, ou du thé dans une tasse d’eau chaude. C’est à partir de ces observations qu’Einstein en a déduit des techniques statistiques qui permettent de relier les micro-quantités, comme la masse des molécules, aux macro-quantités, comme la température. Ces techniques sont maintenant monnaie courante dans les labos des grandes firmes pharmaceutiques qui doivent s’assurer d’un taux précis d’éléments actifs dans chaque comprimé vendu.


L’éthique d’Einstein

Le grand physicien allemand nous a laissé un autre héritage, moins tangible, mais plus profond. Il a rappelé aux chercheurs du monde entier leur obligation de réfléchir aux conséquences de leurs actes et de leurs découvertes. Par son militantisme, il a éveillé les dernières générations de scientifiques au devoir du chercheur-citoyen. Aujourd’hui, tout institut ou université qui se respecte s’interroge sur les trouvailles de ses savants. Le clonage humain et les OGM n’ont pas la voie libre parce que des chercheurs préfèrent s’assurer de toutes les conséquences possibles de ces manipulations génétiques avant de les autoriser. 

Si de telles considérations avaient existé à son époque, Einstein n’aurait peut-être jamais dit, alors qu’il se sentait coupable des ravages causés par la bombe atomique: «Si seulement j’avais su, je serais devenu horloger...»




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