Oskar Klein : Le physicien qui a enroulé une cinquième dimension

À quatorze ans, Oskar Klein passa une soirée avec les jumelles d'opéra de sa mère à essayer de distinguer l'étoile Sirius, et décrivit plus tard cette réussite comme l'une des satisfactions les plus profondes de son enfance. Cette même curiosité patiente et presque domestique pour la structure des choses — étoiles, atomes, la forme de l'espace lui-même — le conduirait, en un peu plus d'une décennie, à une proposition si étrange qu'elle est encore citée comme un ancêtre de la théorie des cordes : l'univers pourrait avoir une cinquième dimension, invisible uniquement parce qu'elle est enroulée de manière incroyablement petite.

Le fils d'un rabbin dans les laboratoires de Stockholm

Oskar Benjamin Klein est né le 15 septembre 1894 à Mörby, près de Stockholm, fils de Gottlieb Klein, grand rabbin de Stockholm, et d'Antonie Levy. Il manifesta très tôt une curiosité scientifique inhabituelle : alors qu'il était encore écolier, il commença à travailler dans le laboratoire de Svante Arrhenius, le chimiste suédois et futur prix Nobel, ce qui mena à sa première publication scientifique avant même d'avoir terminé ses études secondaires. Il sauta deux classes, un peu contre son gré, et obtint sa licence au Collège universitaire de Stockholm en 1914. La Première Guerre mondiale interrompit ses projets d'études auprès du physicien français Jean Perrin ; Klein effectua à la place son service militaire et obtint sa maîtrise en 1917.

Copenhague et le cercle de Bohr

Une rencontre avec le physicien Hans Kramers amena Klein à Copenhague en 1918, où il commença à travailler directement avec Niels Bohr — une association qui le plaça à l'épicentre de la révolution quantique pendant ses années les plus turbulentes et productives. Il obtint son doctorat du Collège universitaire de Stockholm en 1921 et, en 1923, accepta un poste de professeur à l'Université du Michigan à Ann Arbor avant de retourner à Copenhague en 1925 et de collaborer brièvement avec Paul Ehrenfest à Leyde. Il épousa Gerda Koch, une Danoise, en 1923.

Les années décisives, 1926–1931

La demi-décennie qui suivit produisit presque tout ce pour quoi Klein est resté dans les mémoires. En 1926, il déduisit indépendamment ce que l'on appelle aujourd'hui l'équation de Klein-Gordon, décrivant le comportement d'une particule scalaire relativiste en mécanique quantique ; Erwin Schrödinger avait en fait trouvé la même équation plus tôt mais s'était abstenu de la publier, tandis que Walter Gordon et Vladimir Fock étaient arrivés à des versions très proches à quelques mois d'intervalle de Klein. La même année, en s'appuyant sur le cadre mathématique que le physicien allemand Theodor Kaluza avait proposé pour unifier la gravité et l'électromagnétisme, Klein réinterpreta la dimension spatiale supplémentaire de Kaluza en termes quantiques, suggérant qu'elle existe mais qu'elle est compactifiée — enroulée si étroitement qu'elle échappe à la détection ordinaire. La théorie de Kaluza-Klein qui en découle est aujourd'hui considérée comme l'un des ancêtres conceptuels directs des dimensions supplémentaires de la théorie des cordes. En 1928, Klein déduisit, avec Yoshio Nishina, la formule de Klein-Nishina pour la section efficace de la diffusion des photons par les électrons, un calcul toujours utilisé aujourd'hui en physique des radiations et en dosimétrie. Il décrivit également ce que l'on a appelé le paradoxe de Klein, une prédiction contre-intuitive concernant des particules relativistes traversant des barrières de potentiel, et proposa en 1938 un modèle d'échange de bosons pour l'interaction faible basé sur la symétrie de jauge — un travail qui, rétrospectivement, anticipait des caractéristiques fondamentales des théories de Yang-Mills développées des décennies plus tard.

Un professorat discret

Malgré cette concentration de résultats fondamentaux, Klein a consacré relativement peu de temps de sa carrière à la recherche du prestige institutionnel. Il occupa un poste de docent à l'Université de Lund à partir de 1926, puis prit la chaire de physique au Collège universitaire de Stockholm en 1930, où il resta jusqu'à sa retraite en tant que professeur émérite en 1962. Des collègues et biographes ont noté que ses années au Michigan au milieu des années 1920 l'avaient laissé se sentir professionnellement isolé, alors même qu'il produisait certains de ses travaux théoriques les plus importants, un décalage entre reconnaissance et production qui a assombri une grande partie de sa carrière. Il n'a jamais reçu de prix Nobel, malgré des contributions qui ont touché la théorie quantique des champs, la cosmologie et la théorie des champs unifiés, et les historiens de la physique ont régulièrement souligné cela comme l'une des omissions les plus débattues de l'histoire du prix.

Prix et reconnaissance tardive

Klein reçut le prix Björkénska en 1937 et la Médaille Max Planck en 1959, l'une des plus hautes distinctions offertes par la physique allemande. L'Université de Stockholm a ensuite créé la conférence commémorative annuelle Oskar Klein et le Centre Oskar Klein de physique des astroparticules en son honneur, consolidant sa réputation dans la physique suédoise même sans citation du Nobel pour l'ancrer au niveau international. Il a poursuivi ses recherches astrophysiques originales à partir de 1945, notamment avec la méthode de Rydberg-Klein-Rees pour déterminer les courbes d'énergie potentielle moléculaire, prolongeant sa pertinence bien au-delà de la période d'intense activité de la fin des années 1920.

Pourquoi Oskar est qualifié de génie

Le statut de génie d'Oskar Klein repose autant sur sa polyvalence que sur sa profondeur : en l'espace d'environ cinq ans, il a produit une équation fondamentale de la mécanique quantique relativiste, une formule de diffusion toujours utilisée en physique des radiations médicale et industrielle, un paradoxe qui demeure un classique des cours de cycles supérieurs en mécanique quantique, et une proposition de dimensions supplémentaires cachées que les théoriciens des cordes modernes citent encore comme un ancêtre intellectuel. Cette dernière idée en particulier a nécessité un effort cognitif inhabituel : prendre une astuce purement mathématique pour unifier deux forces et se demander ce que cela signifierait physiquement qu'une dimension spatiale soit réelle mais trop petite pour être vue, un saut de l'imagination géométrique plutôt qu'un calcul incrémental. Le contre-argument honnête est cependant substantiel : sur au moins deux de ses résultats les plus cités, Klein n'était ni seul ni le premier. Schrödinger a anticipé l'équation de Klein-Gordon sans la publier, et Gordon et Fock sont parvenus à des formulations similaires de manière indépendante en quelques mois, tandis que la théorie de Kaluza-Klein s'appuyait directement sur le cadre à cinq dimensions de Kaluza plutôt que de l'inventer à partir de zéro. Aucun comité Nobel ne l'a jamais récompensé, un fait que certains physiciens attribuent à la nature très théorique et difficilement isolable expérimentalement de ses contributions plutôt qu'à leur qualité. Ce qui n'est pas contesté, c'est la densité d'idées durables concentrées dans une courte période de travail, dont plusieurs ont survécu à leur auteur pendant des décennies avant que leur pleine signification — en particulier la proposition de la dimension supplémentaire — ne devienne évidente.

Héritage

Le mécanisme de Kaluza-Klein demeure un outil standard en physique théorique pour intégrer des dimensions supplémentaires dans les théories unifiées, constamment cité dans la littérature sur la théorie des cordes qui a émergé un demi-siècle après que Klein l'a proposé pour la première fois. La formule de Klein-Nishina est toujours enseignée à tout étudiant en physique qui étudie la diffusion Compton, et le Centre Oskar Klein à Stockholm poursuit la recherche en cosmologie et en physique des particules que Klein a contribué à pionnier.