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Malgré son diplôme obtenu en 1900 et une première publication sur la capillarité en 1901, son esprit indépendant et son caractère frondeur lui interdisent un poste d'assistant à l'université. Ce n'est qu'en juin 1902, après une période de chômage, qu'il obtient le poste d'expert auprès du Bureau des brevets de Berne. Ce travail lui offre une réelle liberté car il peut réfléchir aux problèmes de physique le soir après sa journée de travail.

En ce début de XXe siècle, la physique traverse une grave crise. Les deux théories qui permettent d'expliquer les phénomènes physiques semblent incompatibles. La mécanique, science du mouvement, repose en effet sur le principe de relativité, énoncé par Galilée. Rien n'est absolument immobile ; tout dépend du référentiel dans lequel on se place. Or, la théorie de l'électromagnétisme élaborée par Maxwell dans les années 1850, avérée par les résultats expérimentaux, décrit la lumière comme une onde se propageant dans l'éther. Mais aucune description physique de l'éther n'a pu être trouvée. Seule certitude, il est d'une immobilité absolue. Ce qui se révèle en totale contradiction avec le principe de relativité. Une autre contradiction jette les physiciens dans le trouble. La matière est constituée d'atomes. Elle est donc discontinue. Or, lorsqu'on chauffe un filament, celui-ci émet de la lumière ; lumière qui est nécessairement continue d'après Maxwell. Comment quelques chose de discontinue peut-il produire un phénomène continue ? Aucun des physiciens de l'époque ne peut apporter de réponse et la physique se trouve dans une impasse.

C'est alors qu'Einstein fait publier deux articles dans Annalen der Physik qui se révèlent révolutionnaires. Le premier paraît en mars 1905. Il décrit comment l'énergie d'un corps chauffé peut se transformer en énergie lumineuse. Cette transformation n'est possible qu'en considérant la lumière constituée de "grains" qu'Einstein appelle "quanta de lumière" (les photons). La lumière n'est alors ni continue ni discontinue, mais les deux à la fois. Einstein ne sait toujours pas dans quelles circonstances la lumière se révèle continue ou discontinue mais son hypothèse n'en demeure pas moins exacte. Le deuxième article paraît deux mois plus tard, en juin. Il se propose de résoudre le problème posé par l'éther, en totale contradiction avec le principe de relativité. Pour Einstein, l'éther n'a pas lieu d'être. La seule donnée qui permet de décrire la lumière est sa vitesse c, constante quelle que soit la vitesse de l'observateur. Il énonce alors sa théorie de la relativité qui unifie les théories de la matière et de la lumière. La matière comme la lumière subissent le principe de relativité et la simultanéité de deux événements devient dépendante de l'observateur. Le temps n'est plus un concept invariant et est lui aussi relatif

En septembre 1905, Einstein ajoute un post-scriptum à son article et démontre la célèbre formule E=mc², induisant une équivalence entre la matière et l'énergie. Formule qui sera à l'origine du développement de l'utilisation de l'énergie nucléaire à des fins civiles ou militaires. Mais Einstein ne s'arrête pas là. Dès 1907, il commence à réfléchir à sa théorie de la relativité générale qui permettrait d'expliquer le phénomène de la chute des corps. Mais elle nécessite de plus grandes connaissances en mathématiques modernes. Il quitte alors le Bureau des brevets et obtient un poste universitaire d'abord à Berne puis à Prague en 1911. En 1912, il devient professeur à l'Ecole polytechnique de Zurich et y retrouve un ancien camarade, Marcel Grossmann. Il a enfin l'aide qu'il désirait en mathématiques et entreprend la mise au point de sa théorie. Une erreur le conduit à une impasse et il perd trois ans. Mais le tir est rapidement corrigé et la théorie de la relativité est achevée à la fin de l'année 1915. Elle offre une nouvelle interprétation de la chute des corps.

La force d'attraction de Newton est remplacée par une déformation de l'espace autour des corps. Comme une balle déforme une toile tendue en y formant un creux, un corps modifie l'espace autour de lui. Cela explique pourquoi tous les corps, quelle que soit leur masse, tombent avec la même accélération ; ils suivent en fait la ligne de plus grande pente du creux formé dans l'espace. De plus, Einstein énonce le fait que l'espace et le temps ne peuvent exister sans matière. Comment vérifier simplement cette théorie ? Si un corps déforme l'espace autour de lui, alors les rayons d'une étoile située derrière le soleil seront déviés et son image ne sera pas là où elle devrait être. Les observations effectuées lors d'une éclipse par sir Arthur Eddington, astronome britannique, confirment pleinement les calculs d'Einstein. La théorie de la relativité générale est avérée. Les médias s'emparent alors de l'histoire et offrent à Einstein la reconnaissance et la gloire. La science devient aux yeux du monde un symbole de paix et de réconciliation : un Anglais a confirmé la théorie d'un Allemand ! Une illusion qui sera bientôt balayée par les événements.

Mais la nouvelle popularité d'Einstein lui permet de reprendre ses activités politiques et l'aide à promouvoir son idéal de paix. Il défend la cause du peuple juif et milite en faveur de la construction d'une université de haut niveau en Palestine. Une tournée aux Etats-Unis en 1921 lui offre les fonds nécessaires.

Si Einstein est respecté et écouté, il n'en est pas moins, à la fin de sa vie, en bute avec la jeune génération de physiciens comme Heisenberg, Pauli et surtout Bohr. En effet, Einstein a posé les fondations d'une nouvelle théorie, la théorie quantique, qu'il n'accepte pas. Cette théorie interdit toute représentation réelle des objets physiques élémentaires comme les électrons, les protons, etc. Ils ne peuvent être décrits qu'en termes de probabilité : probabilité qu'ils suivent une certaine trajectoire, qu'ils aient une certaine position, une certaine vitesse. Or Einstein n'adhère pas à cette vision probabiliste de la réalité. Pour lui, " Dieu ne joue pas aux dés ". Il refuse que le résultat d'une expérience ne puisse être unique et prédit avec certitude. Pour lui, la mécanique quantique est sinon inexacte, du moins incomplète. Einstein se révèle en cela le dernier des physiciens classiques.