3.

Premières publications scientifiques

En 1905, Einstein obtient son doctorat à l’université de Zurich pour une thèse théorique sur les dimensions des molécules. Il publie également cette année-là quatre articles théoriques qui se révéleront d’une importance capitale pour le développement de la physique du XX^e siècle. Publiés dans la revue scientifique allemande Annalen der Physik, ses mémoires étaient ainsi titrés : Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière ; Sur le mouvement brownien ; Sur l’électrodynamique des corps en mouvement ; L’inertie d’un corps dépend-elle de son contenu en énergie ?

1.

Effet photoélectrique

Dans le premier article, Einstein donne une explication à l’effet photoélectrique en émettant l’hypothèse que la lumière est constituée de grains d’énergie, appelés par la suite photons. Il postule également que ces quanta doivent posséder une énergie proportionnelle à la fréquence du rayonnement, proposant la formule E = hu, où E représente l’énergie rayonnée, h la constante de Planck, et u la fréquence du photon. L’existence de ces photons ne sera confirmée que dix-huit ans plus tard par le physicien américain Arthur Compton, lors d’une expérience sur les rayons X.

Einstein, dont l’intérêt premier est de comprendre la nature du rayonnement électromagnétique, contribue par la suite au développement de la théorie, élaborée par Louis de Broglie en 1923, qui reprend en les unifiant les modèles ondulatoire et corpusculaire de la lumière (voir dualité onde-particule).

2.

Mouvement brownien

Le deuxième article publié concerne l’étude du mouvement brownien, c’est-à-dire le mouvement aléatoire de particules en suspension dans un fluide. Faisant appel aux probabilités, Einstein y formule une description mathématique du phénomène.

3.

Théorie de la relativité restreinte

Dans le troisième article, de loin le plus célèbre, Einstein expose la théorie fondamentale de la relativité restreinte. Depuis l’époque de Newton, les scientifiques tentaient sans succès de relier les lois du mouvement aux lois de Maxwell dans le cadre d’une description unifiée du monde. Selon la conception mécaniste, les lois du mouvement devaient pouvoir expliquer la totalité des phénomènes, alors que, d’après les partisans de Maxwell, les lois de l’électricité devaient constituer le fondement de la physique. Mais ces deux grands ensembles théoriques demeuraient l’un et l’autre incapables de donner une explication cohérente de l’aspect que prend l’interaction de la lumière avec la matière dans différents repères inertiels, c’est-à-dire à une vitesse constante les uns par rapport aux autres.

Au printemps 1905, Einstein se rend compte que le cœur du problème ne réside pas dans la théorie de la matière, mais dans la théorie de la mesure. Il est donc amené à réviser les notions de mesure d’espace et de temps, cela le conduit à développer une théorie fondée sur deux postulats : le principe de la relativité, stipulant que toutes les lois de la physique sont similaires dans tous les repères inertiels, et le principe de l’invariance de la vitesse de la lumière, énonçant que cette vitesse dans le vide est une constante universelle. Grâce à cette théorie, il est alors capable de donner une description logique et correcte des événements physiques dans des repères inertiels différents, sans devoir émettre pour autant des hypothèses particulières sur la nature de la matière ou du rayonnement, ou sur la façon dont ils interagissent.

Le quatrième article qu’Einstein publie en 1905 correspond en fait à un corollaire du précédent : il y expose la notion nouvelle d’équivalence entre masse et énergie, introduisant la célèbre formule E = mc². Voir lois de conservation.