Albert Einstein

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Albert Einstein
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Rubrique des Personnalités


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  • Albert Einstein (14 mars 1879 - 18 avril 1955). Il est l'un des scientifiques les plus connus à ce jour. Il était un physicien théoricien d'origine allemande qui a développé la théorie générale de la relativité, l'un des deux piliers de la physique moderne (à côté de la mécanique quantique). Ses théories de la relativité générale et restreinte ont relancé la physique en crise de l'époque et ont bouleversé notre perception du monde et notre vision de l'univers (Révolution scientifique et philosophique par les nouvelles relations aux dimensions d'espace et de temps). Einstein a fortement contribué à l'étude du photon et a établi de nombreuses théories notamment celles de:
La relativité restreinte (effet photoélectrique, vitesse de la lumière invariable, équivalence entre masse et énergie (E = mc²), mouvement brownien)
La relativité générale (critique la physique Newtonienne et la notion de temps universel (absolu et immuable par opposition à un temps relatif) et unifie (Force, Matière, Espace, Temps) espace-temps, déformation géométrique de l'espace-temps, ondes gravitationnelles,..)
Bien qu'il soit surtout connu pour sa formule d'équivalence en énergie de masse E = mc2 (surnommée «l'équation la plus célèbre au monde»), il a reçu le prix Nobel de physique en 1921 pour ses services à la physique théorique et surtout pour sa découverte à la loi relative à l'effet photoélectrique ". Cette dernière a été déterminante dans l'établissement de la théorie quantique.



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Albert Einstein (1879 - 1955)


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Naissance le 14 Mars 1879 Empire Allemand Ulm Allemagne / Plusieurs Nationalités: Allemande et Autrichienne (1879-1896) et (1919-1933); Autrichienne (1911-1912); Apatride (1896-1901), Suisse (1901-1955); Américaine (1940-1955)


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Décès le 18 Avril 1955 Princeton États-Unis / (à 76 ans)


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Les débuts d'Einstein
* Né à Ulm, Albert Einstein passe sa jeunesse à Munich, où sa famille (juif non pratiquante) possède un petit atelier de fabrication de machines électriques.

  • Dès le plus jeune âge, il fait preuve d'une intense curiosité (à l'âge de cinq ans il est admiratif du fonctionnement de la boussole). Entre douze et quinze ans, il montre une aptitude remarquable à comprendre les concepts mathématiques les plus ardus. Son oncle Jakob, ingénieur associé dans l'entreprise de matériel électrique de son père, lui posait des problèmes mathématiques. Max Talmud, un étudiant en médecine qui dînait souvent chez les Einstein, lui offrira des livres de sciences et plus tard des œuvres de Kant, et ils avaient souvent de longues discussions. Durant cette période, il apprend seul (autodidacte) les fondements de la géométrie euclidienne, le calcul différentiel et intégral.
  • Quand une faillite commerciale oblige sa famille à quitter l'Allemagne pour s'installer à Milan, Einstein suit ses parents en Italie durant un an, avant de partir à Munich pour y terminer ses études secondaires.
  • Il commence sa scolarité au Luitpold Gymnasium de Munich et en est renvoyé à l’âge de 15 ans (son professeur de grec jugeant sa présence incompatible avec la stricte discipline y régnant à l’époque). Il a d’excellents résultats en mathématiques. Il rejoint ses parents à Pavie, en Italie, en 1895 et renonce à sa nationalité allemande (cet abandon étant officialisé en 1896).

À 16 ans, il décide d'intégrer l'École polytechnique fédérale de Zurich (à laquelle on peut accéder sans avoir de bac). Il rate cependant l'examen d'entrée. Les examinateurs, ayant découvert son potentiel, l'incitent à se présenter une deuxième fois. Il entre alors à l’École cantonale d'Aarau en Suisse, et y passe une année pour mieux se préparer au prochain examen. Il y trouve une atmosphère plus ouverte et favorable à son apprentissage, les étudiants étant davantage incités à penser par eux-mêmes qu'à réciter des leçons apprises[11]. En 1896, il réussit l'examen, et intègre donc l'école, où il se lie d’amitié avec le mathématicien Marcel Grossmann, qui l’aidera plus tard en géométrie non euclidienne. Il y rencontre aussi Mileva Maric, sa première épouse, une des toutes premières étudiantes de l'EPFZ, qui travaillera également avec lui sur la théorie de la relativité et mènera ses propres recherches. Il obtient de justesse son diplôme en 1900, s'avouant, dans son autobiographie, « incapable de suivre les cours, de prendre des notes et de les travailler de façon scolaire »[12].

  • A 16 ans, il entre ensuite, en 1896, à l'École polytechnique fédérale de Zurich (à laquelle on peut accéder sans avoir de bac), où il ne brille ni par ses résultats, ni par son assiduité aux cours. Il rate cependant l'examen d'entrée. Les examinateurs, ayant découvert son potentiel, l'incitent à se présenter une deuxième fois. Il entre alors à l’École cantonale d'Aarau en Suisse, et y passe une année pour mieux se préparer au prochain examen. Il y trouve une atmosphère plus ouverte et favorable à son apprentissage, les étudiants étant davantage incités à penser par eux-mêmes qu'à réciter des leçons apprises. En 1896, il réussit l'examen, et intègre donc l'école, où il se lie d’amitié avec le mathématicien Marcel Grossmann, qui l’aidera plus tard en géométrie non euclidienne. Il y rencontre aussi Mileva Maric, sa première épouse, une des toutes premières étudiantes de l'EPFZ, qui travaillera également avec lui sur la théorie de la relativité et mènera ses propres recherches. Il obtient de justesse son diplôme en 1900, s'avouant, dans son autobiographie, « incapable de suivre les cours, de prendre des notes et de les travailler de façon scolaire ».
  • Plutôt mal considéré par ses professeurs, Einstein n'est pas recommandé pour une place d'enseignant à l'université. Au cours de cette période, de recherche d'emplois, il approfondit ses connaissances en autodidacte par la lecture de livres de référence comme ceux de Kirchhoff, de Hertz, de Helmholtz et de Maxwell. Son ami Michele Besso l’initie aux idées de la Mécanique d'Ernst Mach. Il obtient la nationalité suisse en 1901, qu'il gardera jusqu'à la fin de sa vie. En 1901, il publie son premier article scientifique dans les Annalen der Physik, et cet article est dédié à ses recherches sur la capillarité. Selon plusieurs biographies, cette période de 1900 à 1902 est marquée par la précarité de sa situation : il postule à de nombreux emplois sans être accepté. Sa misère préoccupe son père, qui tente en vain de lui trouver un poste. Albert se résigne alors à s’éloigner du milieu universitaire pour trouver un emploi dans l’administration. Il décroche en 1902 un poste à l'Office fédéral des brevets suisses de Berne. Il se marie l'année suivante avec sa camarade Mileva Mariç.
  • Il emménage entre 1903 et 1905 dans l'actuelle maison d'Einstein, 49 Kramgasse. Durant cette période, il fonde l’Académie Olympia avec Conrad Habicht (en) et Maurice Solovine, qui traduira plus tard ses œuvres en français. Ce cercle de discussion se réunit à la maison d'Einstein, et organise des balades en montagne. Einstein partage le résultat de ses travaux avec Conrad Habicht et lui envoie les articles qu’il publie pendant l’année 1905 (souvent appelée son annus mirabilis) concernant les fondements de la relativité restreinte, l’hypothèse des quanta de lumière et la théorie du mouvement brownien, qui ouvrent de nouvelles voies dans la recherche en physique nucléaire, mécanique céleste, etc. L’article portant sur le mouvement brownien prend appui sur des travaux qu’Einstein développe plus tard, et qui aboutissent à sa thèse, intitulée Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen (« Une nouvelle détermination des dimensions moléculaires », en allemand), et à son diplôme de doctorat le 15 janvier 1905 à l'université de Zurich (thèse théorique sur les dimensions des molécules). Les publications de ces quatre articles théoriques se révéleront d'une importance capitale pour le développement de la physique du XXème 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 ?


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Publication de quatre articles de références dans la revue Annalen der Physik
* Mars 1905: le premier article, Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière, expose un point de vue révolutionnaire sur la nature corpusculaire de la lumière, par l’étude de l’effet photoélectrique. Einstein l’intitule : Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière. 

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.

Dans ce second article, il y relate ses recherches sur l’origine des émissions de particules, en se basant sur les travaux de Planck qui avait, en 1900, établi une formule d’un rayonnement quantifié, c’est-à-dire discontinu. Planck avait été contraint d’aborder le rayonnement lumineux émis par un corps chaud d’une manière qui le déconcertait : pour mettre en adéquation sa formule et les résultats expérimentaux, il lui avait fallu supposer que le courant de particules se divisait en blocs d’énergie, qu’il appela quanta. Bien qu’il pensât que ces quanta n’avaient pas de véritable existence, sa théorie semblait prometteuse et plusieurs physiciens y travaillèrent. Einstein réinvestit les résultats de Planck pour étudier l’effet photoélectrique, et il conclut en énonçant que la lumière se comportait à la fois comme une onde et un flux de particules. L’effet photoélectrique a donc fourni une confirmation simple de l’hypothèse des quanta de Max Planck. En 1920, les quanta furent appelés les photons ;

  • Mai 1905 le deuxième article Sur le mouvement brownien.

Ce 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.

Il explique ce mouvement par une entorse complète au principe d’entropie tel qu’énoncé à la suite des travaux de Newton sur les forces mécaniques : selon lui, les molécules tireraient leur énergie cinétique de la chaleur. Cet article fournit une preuve théorique (vérifiée expérimentalement par Jean Perrin en 1912) de l’existence des atomes et des molécules. Le mouvement brownien a été expliqué au même moment par Einstein et par Marian Smoluchowski et quelques années avant par Louis Bachelier en 1900, avec des motivations liées aux mathématiques financières ;

  • Juin 1905 le troisième article est encore plus important Sur l'électrodynamique des corps en mouvement, car il représente la rupture intuitive d’Einstein avec la physique newtonienne. Dans celui Sur l’électrodynamique des corps en mouvement, le physicien s’attaque au postulat d’un espace et d’un temps absolus, tels que définis par la mécanique de Newton, et à l’existence de l’éther, milieu interstellaire inerte qui devait soutenir la lumière comme l’eau ou l’air soutiennent les ondes sonores dans leurs déplacements. Cet article, publié en juin, amène à deux conclusions : l’éther n’existe pas, et le temps et l’espace sont relatifs. Le nouvel absolu qu’Einstein édifie est détaché de la valeur quantitative de ces deux notions que sont l’espace et le temps, qui restent cependant liées par la conservation à travers différents référentiels d’études de l’intervalle d’espace-temps entre événements, notion similaire à la distance entre points de l’espace. Les conséquences de cette vision révolutionnaire de la physique, qui découle de l’idée qu’Einstein avait de la manière dont les lois physiques devaient contraindre l’univers, ont bousculé tant la physique théorique que ses applications pratiques. L’apport exact d’Einstein par rapport à Henri Poincaré et quelques autres physiciens est aujourd’hui assez disputé.
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.
  • Septembre 1905 le quatrième article L'inertie d'un corps dépend-elle de son contenu en énergie ?, 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. C’est un résultat de la toute nouvelle relativité restreinte, dont découle un vaste champ d’études et d’applications : physique nucléaire, mécanique céleste et énergie nucléaire, par exemple.


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Naissance scientifique d'Einstein
* Les articles d'Einstein retiennent bien vite l'attention des grands scientifiques de l'époque, même si la plupart d'entre eux restèrent fort sceptiques. Le rejet global de ses théories n'est dû ni à leur complexité mathématique, ni à quelque obscurité technique, mais plutôt à l'approche même du sujet par Einstein. Adoptant, en effet, un point de vue très personnel sur la manière d'appréhender l'expérience et la théorie, celui-ci considère ainsi que l'expérience constitue la seule source de connaissance réelle, les théories scientifiques n'étant que des créations libres, produites par une intuition physique profonde. Il croit en outre que les prémisses sur lesquelles sont fondées les théories ne peuvent être reliées à l'expérimentation par la logique. Par conséquent, une théorie se montre valable à ses yeux si elle contient le strict minimum de postulats nécessaires à la justification d'une preuve physique. Cette rareté des postulats, caractéristique de toute l'œuvre d'Einstein, peut expliquer pourquoi ses collègues sont si réticents à admettre ses théories.

  • Toutefois, Einstein est quand même soutenu par d'éminents physiciens, à commencer par l'Allemand Max Planck. Acquérant rapidement une certaine reconnaissance au sein de la communauté scientifique, il participe à de nombreux congrès où il essaie de faire accepter la théorie de la relativité restreinte. Il se fait ainsi une place dans le monde universitaire germanophone, et obtient sa première affectation universitaire, en 1909, à l'université de Zurich. En 1911, il occupe un poste à l'université de Prague, avant de retourner l'année suivante à Zurich. En 1913, il accepte un poste de professeur de l'institut Kaiser-Wilhelm de physique à Berlin.


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Années de reconnaissance
* Entre 1915 et 1930, la physique est dominée par une nouvelle conception du caractère fondamental de la matière, la théorie quantique. Cette théorie utilise la notion de dualité onde-particule, déjà avancée par Einstein dans un article de 1917, exposant que la lumière présente les propriétés d'une particule mais aussi celles d'une onde. Elle se fonde en outre sur le principe d'incertitude, élaboré par le physicien allemand Heisenberg, stipulant qu'il est impossible de connaître en même temps certaines quantités physiques, par exemple la position et la vitesse d'une particule. La théorie quantique, qui remet en cause la notion de causalité en physique, ne sera jamais totalement acceptée par Einstein, qui refuse d'abandonner tout déterminisme: "Dieu ne joue pas aux dés avec le monde", affirme-t-il. Toutefois, il apporte sa contribution à cette théorie en étudiant le comportement des photons, faisant publier en 1924 un article du physicien indien Bose sur ce sujet. Collaborant avec ce dernier, il élabore la théorie statistique de Bose-Einstein, qui s'applique aux particules appelées bosons.

  • Après 1919, Einstein jouit d'une renommée internationale. Il accumule les honneurs et les récompenses, recevant en particulier en 1921 le prix Nobel de physique pour son étude de l'effet photoélectrique, et non pour la théorie de la relativité qui demeure encore très controversée. Sa visite dans n'importe quelle partie du monde devient alors un événement, photographes et journalistes le suivant partout dans ses déplacements. Il tire profit de sa renommée pour défendre ses conceptions sociales et politiques, s'illustrant notamment par l'appui qu'il apporta au pacifisme et au sionisme. Pendant la Première Guerre mondiale, il a déjà fait partie du petit nombre d'universitaires allemands qui se sont opposés publiquement au bellicisme de l'Allemagne. Après la guerre, son engagement en faveur des thèses pacifistes et sionistes en fait la cible privilégiée d'éléments antisémites et de l'extrême droite allemande. Même ses théories scientifiques font l'objet d'attaques publiques, et notamment la théorie de la relativité. Lorsque Hitler arrive au pouvoir en 1933, Einstein doit quitter l'Allemagne, émigrant tout d'abord à Paris, puis en Belgique, avant de s'installer à Princeton (États-Unis), où il occupe un poste à l'Institute for Advanced Study. Poursuivant ses efforts en faveur du sionisme, Einstein rompt avec le pacifisme devant la menace terrifiante que représente pour l'humanité le régime nazi. En 1939, à la demande d'autres physiciens, Einstein accepte d'écrire une lettre au président américain Franklin Roosevelt, le prévenant du danger auquel le monde serait exposé si le gouvernement allemand s'engageait dans la voie de l'énergie nucléaire. Cette fameuse lettre est à l'origine du projet Manhattan, programme américain de recherches visant à la construction d'une bombe atomique. Einstein ne joue cependant aucun rôle dans ce projet, à la différence de certains de ses confrères comme Enrico Fermi ou Niels Bohr. En 1945, lorsqu'il comprend que ce programme va aboutir, il prend même l'initiative d'écrire une nouvelle fois à Roosevelt pour le prier de renoncer à l'arme atomique. Après la guerre, Einstein plaide en faveur du désarmement international mondial, tout en continuant à soutenir activement la cause d'Israël. Son engagement en faveur de causes sociales et politiques est parfois qualifié d'irréaliste. En fait, ses propositions sont toujours soigneusement élaborées. À l'instar de ses théories scientifiques, elles sont motivées par une puissante intuition, fondée sur une évaluation perspicace et profonde de la preuve et de l'observation. Même si Einstein consacre une grande partie de son temps à la défense de causes politiques et sociales, la science occupe toujours la première place dans ses travaux. En effet, il affirme constamment que seule la découverte de la nature de l'Univers aurait une signification durable.
  • Parmi ses ouvrages de vulgarisation, il faut citer Fondements de la théorie de la relativité restreinte et généralisée (1916) ; À propos du sionisme (1931) ; Constructeurs d'univers (1932) ; Pourquoi la guerre ? (1933), en collaboration avec Sigmund Freud ; Comment je vois le monde (1934) ; l'Évolution des idées en physique (1938), coécrit avec le physicien polonais Leopold Infeld ; Conceptions scientifiques, morales et sociales (1950).


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Article sur les tenseurs de Ricci et de Riemann-Christoffel
* Son ancien condisciple Marcel Grossmann l’aide dans ses travaux en lui apportant ses connaissances en géométrie différentielle : ils publient un article sur les tenseurs de Ricci et de Riemann-Christoffel en 1913.


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Article sur la géométrie différentielle
* En octobre 1914, Einstein publie un article sur la géométrie différentielle, et en juin 1915, il donne des conférences à l’université Göttingen devant Hilbert et Klein.


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Manuscrit de la théorie de la relativité générale
* Le 25 novembre 1915, il soumet son manuscrit de la théorie de la relativité générale à la section de mathématique et de physique de l'Académie royale des sciences de Prusse, qui la publie le 2 décembre. Les « équations du champ » sont la clé de voûte de cette théorie. Elles décrivent le comportement du champ de gravitation (la métrique de l’espace-temps) en fonction du contenu énergétique et matériel. La théorie de la relativité ainsi que ses ouvrages de 1905 et 1916 forment la base de la physique moderne.


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Physique quantique
* Relativement à la physique des quanta Einstein introduit en 1916 la notion d'émission stimulée qui lui permet de retrouver la loi de Planck à partir d'hypothèses purement quantiques sur la façon dont les quanta de lumière (photons) sont absorbés et émis par les atomes[23]. Idée fructueuse qui est à la base du développement du maser et du laser. La même année, Einstein montre qu'il convient d'associer une quantité de mouvement au quantum de lumière ; hypothèse qui sera validée par l'expérience en 1923 grâce aux travaux d'Arthur Compton sur la diffusion des rayons X.

  • La relation d'Einstein avec la physique quantique alors naissante est remarquable : d’un côté, nombre de ses travaux sont à la base du développement de cette nouvelle physique, comme son explication de l’effet photoélectrique ; d’un autre côté, il critiquera beaucoup d’idées et d’interprétations de la mécanique quantique, son non-déterminisme en particulier. Le débat entre le groupe formé par Einstein et Erwin Schrödinger et celui de Niels Bohr et Werner Heisenberg se situait à la frontière de la physique et de la philosophie.


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Relativité générale - Vérification par l’éclipse
* Pour vérifier la relativité générale, une mesure de la déviation des rayons lumineux aux alentours d’une masse lors d’une éclipse solaire est envisagée. La première expédition est prévue en 1915, mais est rendue impossible par la Première Guerre mondiale. En 1919, Arthur Eddington réalise cette mesure et annonce que les résultats sont conformes à la théorie d’Einstein. Grâce à cette expérience, Einstein devient célèbre du jour au lendemain. Le fait qu'une théorie allemande ait été vérifiée par un Anglais un an après la Première Guerre mondiale, fait office de symbole en faveur de la paix.

  • Il apparaît bien plus tard qu’en raison du temps nuageux, la marge d’erreur était bien supérieure au phénomène à mesurer. En 1980, les philosophes des sciences John Earman et Clark Glymour affirment qu'Eddington a biaisé la sélection des données qu'il a recueillies ; leur propos est repris en 1993 par Harry Collins et Trevor Pinch. En revanche, l'expérience est validée par le physicien Daniel Kennefick. Celui-ci souligne que l'analyse nuancée d'Earman et Glymour a été instrumentalisée pour répandre l'idée selon laquelle la théorie de la relativité n'a obtenu de succès que par la grâce de la diplomatie (Eddington souhaitant mettre fin à la mise au ban des scientifiques allemands), voire pour répandre la défiance à l'égard des scientifiques[26]. Le physicien Stephen Hawking commente en 1988 dans son ouvrage Une brève histoire du temps que ce genre de faux bon résultat est courant quand on sait à quoi s’attendre. Comme d’autres mesures avaient entre-temps confirmé la déviation de la lumière, la validité de la relativité générale n’en fut pas ébranlée.


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Physique quantique et paradoxe EPR
Le paradoxe EPR qu’Einstein précise en 1935 avec Boris Podolsky et Nathan Rosen à Princeton reste aujourd’hui un exemple important d'une tentative pour questionner les fondements de la mécanique quantique.




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