Einstein et l’effet photoéléctrique

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Einstein vers 1905 (Wikipedia)

Au début des années 2000, Albert Einstein a été élu personnalité la plus marquante du XXième par le Times. Il faut dire qu’Einstein fut plus qu’une icône scientifique, il devint une véritable pop star avec sa cohorte d’admiratrices après 1919, lorsque fut confirmée par l’expérience d’Eddington que la lumière était bien déviée par les objets massifs comme le prédisait sa théorie de la relativité générale. Lors d’une projection d’un film de Charlie Chaplin aux Etats-Unis en 1931, le cinéaste confia à Einstein: « On m’acclame parce que tout le monde me comprend. On vous acclame parce que personne ne vous comprend ».

Mais il n’en était pas encore ainsi lorsque Albert Einstein n’était qu’ingénieur au bureau des brevets à Berne. Pour en savoir plus, retrouvons notre reporter en direct du passé. La liaison est-elle établie ?

-Oui, tout à fait. Nous sommes donc le 14 avril 1905 et je me trouve à Berne au coin de la Speichergasse et de la Gengergasse devant le siège administratif des Postes et Téléphones fédéraux, où se trouve l’office fédéral de la propriété intellectuelle. Il est 18 heure et Albert Einstein ne devrait pas tarder à sortir. Vous devez penser qu’il est étrange qu’un scientifique d’une telle envergure occupe un tel emploi. Il faut dire que son parcours fut un peu chaotique dès lors que réfractaire à la discipline et au militarisme du Reich, il choisit, avec l’accord de ses parents, de renoncer à la nationalité allemande à 16 ans. Attendez! le voilà qui arrive…Monsieur Einstein !

On aperçoit un homme vêtu d’un étrange costume écossais et d’une paire de vieille pantoufle verte qui approche

-Albert Einstein: Oui ?

-Bonjour, et tout d’abord bon anniversaire, car je sais que vous avez aujourd’hui 26 ans.

-A.E: En effet, merci. Mais qui êtes-vous ?

-Peut importe, Monsieur Einstein, puis-je vous poser quelques questions ? Pourquoi travaillez-vous ici ?

-A.E.: Et bien je ne sais pas pourquoi, mais il me semble que je peux vous parler franchement. Je suis rentré ici grâce au père de mon ami Marcel Grossmann, ce qui m’a permis de mettre fin à cette occupation agaçante qui consiste à crever de faim. J’avais pourtant envoyer mon CV à presque tous les physiciens que compte cette partie de l’Europe ! Mais ne vous méprenez-pas, j’aime beaucoup ce travail, qui demande un sens aigu de l’observation, un esprit critique toujours en éveil et une  grande polyvalence de pensée. D’ailleurs mon chef vient de me nommer expert technique de seconde classe !

-Je crois aussi savoir que c’est une métier qui vous laisse suffisamment de temps pour réfléchir à des problèmes qui vous passionnent.

-A.E: C’est exact. Vous êtes vraiment bien informé.

-C’est parce que je vois la sacoche que vous tenez à la main. La valeur de son contenu est inestimable car j’imagine qu’il s’agit des ébauches de votre thèse de doctorat et des quatre articles que vous allez publier cette année dans la revue Annalen der Physik, à savoir l’article sur les quanta de lumière, l’article sur le mouvement brownien, celui qui énonce le principe de relativité restreinte et enfin celui qui contient l’ultra-célèbre équivalence masse-énergie, E =mc².

-A.E. (serrant sa sacoche contre sa poitrine): Comment le savez-vous ? Et d’abord que me voulez-vous ?

-Rassurez-vous M. Einstein ! Je voudrais simplement parler avec vous de ce premier article sur les quanta de lumière, dans lequel vous donnez une explication de l’effet photoélectrique. Pourriez-vous d’abord dire à nos lecteurs du futur en quoi consiste cet effet ?

-A.E.:Vous êtes un peu excentrique, mais j’accepte. Souvenez-vous que dans les années 1880, Heinrich Hertz menait des expériences visant à confirmer la théorie électromagnétique de Maxwell qui stipulait notamment que la lumière était une onde électromagnétique et qui venait couronner la suprématie du caractère ondulatoire et non corpusculaire de la lumière. En découvrant les ondes radio, Hertz apporte une preuve expérimentale solide. Mais, au cours de ses expériences, il est lui même témoin d’un phénomène qu’il qualifie de « totalement nouveau et très énigmatique »: en envoyant de la lumière sur la surface d’un métal, on peut arracher des électrons à ce dernier. Après la mort précoce et tragique de Hertz, c’est son élève Lenard qui reprend ses travaux. Il s’attend à trouver des résultats en accord avec la théorie ondulatoire.

-Je vois. Si la lumière est une onde qui vient heurter la surface métallique, comme une vague qui vient heurter une digue, alors en augmentant l’intensité de la lumière (la hauteur de la vague), alors les électrons devraient être expulsés avec plus de force et avoir une vitesse plus grande, comme des fragments d’une digue sont éjectés plus vite si la vague fait dix mètres au lieu de un mètre.

-A.E.:  Tout à fait ! Or ce n’est pas du tout ce que Lenard observe ! Lorsqu’il augmente l’intensité de la lumière, la vitesse des électrons éjectés ne changent pas, mais leur nombre augmente ! De plus il constate qu’il peut faire varier cette vitesse non pas en changeant l’intensité mais la fréquence (la couleur) de la lumière. Ainsi les électrons expulsés par une lumière bleue iront plus vite que ceux expulsés par une lumière rouge.

– Aïe ! Et vous avez une explication ?

-A.E.: Je crois: imaginez que la lumière soit constituée de petits grains, de particules, alors augmenter l’intensité revient à augmenter le nombre de ces petits grains, ils pourront donc « cogner » plus d’électrons, mais ces derniers n’iront pas plus vite. De plus, si, comme je le pense, l’énergie de ces petits grains dépend de la couleur de la lumière (plus grande pour le bleu que pour le rouge), alors il est normal que la vitesse des électrons éjectés dépende de la couleur.

– Je comprend, vous venez d’inventer le concept de « quanta de lumière », comme Planck avait introduit les quanta d’échange d’énergie.

-A.E.: Oui.

-Mais on peut aussi dire que vous ne faites « que » reformuler l’hypothèse corpusculaire de la matière, qui a été abandonnée au XIXéme siècle après tout les succès obtenus par la théorie ondulatoire pour décrire les phénomènes d’interférence ! Aucun physicien ne va accepter votre hypothèse sérieusement !

-A.E.: Il y a un peu de ça, mais pas seulement. C’est pourquoi j’ai appelé mon article « Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière« . Par heuristique, je veux dire « qui aide à la découverte ». Autrement dit je pense que mon travail est un pas en avant, mais qu’une théorie unifiant l’aspect ondulatoire et l’aspect corpusculaire doit être trouvée.

-Certes, mais vos collègues auront beaucoup de mal avec votre hypothèse. Prenez Planck par exemple, il écrira pour vous une lettre de recommandation pour l’Académie des sciences prussienne en 1913. Vous pourrez y lire :

En somme, on peut dire que parmi les problèmes importants, et qui sont si abondants dans la physique moderne, il n’y en a pratiquement aucun sur lequel Einstein n’ait pas pris position d’une manière remarquable. Le fait qu’il ait pu parfois viser trop haut dans ses spéculations, comme, par exemple, dans son hypothèse des quanta de lumière, ne devrait pas trop être retenu contre lui. Parce que, sans prendre de risque de temps à autre, il est impossible, même dans la plus exacte des sciences de la nature, d’introduire de véritables innovations

-A.E.: Ah tiens, vous lisez dans l’avenir, vous ?

-Regardez encore Millikan. Dès qu’il aura lu votre article, il va passer 10 ans de sa vie à faire des expériences pour tenter de montrer que vous avez tort ! Et alors même qu’il sera parvenu à la conclusion que vous avez raison et qu’il recevra le prix Nobel 1923 pour ses expériences, il continuera de dire : »la théorie quantique sur laquelle se fonde cette équation est totalement intenable ».

-A.E.: Mais bien sûr…

-Mais rassurez-vous, on vous décernera le prix Nobel en 1921 pour l’explication de l’effet photoélectrique !

-A.E.: Et la marmotte, elle met le chocolat…

-Mais cette hypothèse vous hantera toute votre vie, lorsque vous verrez toutes les conséquences qu’elle aura dans la théorie quantique. Dans une lettre adressée à De Broglie en 1954, vous écrirez:

Je dois ressembler à une autruche qui sans cesse cache la tête dans le sable pour ne pas faire face aux méchants quanta.

-A.E.: Écoutez, je n’ai plus de temps à perdre avec vos sornettes, ma femme Mileva et mon petit Hans-Albert m’attendent.

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