Chapitre 05 · La science
Relativité générale
La relativité restreinte laissait la gravité intacte. Il fallut à Einstein une décennie de plus — et les mathématiques les plus ardues de sa vie — pour achever la tâche. Le résultat, achevé en 1915, est largement tenu pour la plus belle théorie de toute la physique : la gravité n'est pas une force qui tire à travers l'espace, mais la courbure de l'espace-temps lui-même.
« La pensée la plus heureuse de ma vie »
En 1907, rêvassant à l'office des brevets, Einstein comprit quelque chose de simple et de profond : une personne en chute libre ne sent pas son propre poids. Un homme qui tombe d'un toit, un astronaute en orbite, des pièces lâchées dans un ascenseur en chute — tous flottent comme si la gravité s'était éteinte.
Ce principe d'équivalence — la gravité et l'accélération sont localement indiscernables — fut sa clé. Si la gravité peut disparaître par la seule chute, alors peut-être n'est-elle pas une force du tout, mais quelque chose qui tient à la géométrie de l'espace et du temps.
Si une personne tombe librement, elle ne ressentira pas son propre poids.Albert Einsteinévoqué dans sa conférence de Kyoto, 14 décembre 1922 (l'idée date de 1907 ; traduit des notes japonaises, ici de l'anglais)
On peut en faire une expérience de pensée. Imaginez une cabine sans fenêtre posée sur la Terre : une balle qu'on lâche tombe vers le sol à 9,81 m/s². Placez maintenant la même cabine loin de toute étoile et laissez une fusée la pousser avec exactement cette accélération : le plancher monte à la rencontre de la balle et, de l'intérieur, tout paraît identique. Lâchez la balle, allumez la lumière, et n'ouvrez les fenêtres qu'ensuite.
La vraie surprise, c'est le rayon lumineux. Dans la fusée, on comprend pourquoi il se courbe : pendant que la lumière traverse la cabine, le plancher monte de plus en plus vite. Mais si aucune expérience ne permet de distinguer les deux cabines, le rayon doit aussi se courber sur la Terre. Einstein en conclut en 1911 que la gravité dévie la lumière ; la valeur exacte, le double de celle qu'il avait alors calculée, sortit en 1915 de la théorie achevée.
- Wikipédia : Relativité générale.
- Wikipédia : Principe d'équivalence.
- Wikipédia (en) : Tests of general relativity — la valeur d'Einstein de 1911, tirée du seul principe d'équivalence, et la valeur double de 1915.
- Calcul propre pour la cabine : descente = ½ · g · (L/c)² avec L = 2 m, g = 9,81 m/s², c = 299 792 458 m/s, soit environ 2 · 10−16 m.
La matière dit à l'espace-temps comment se courber
L'image que donne la relativité générale est celle-ci : la masse et l'énergie déforment l'espace-temps autour d'elles, comme une boule lourde creusant une toile en caoutchouc tendue. Les autres objets — planètes, lumière, vous — suivent simplement les trajectoires les plus droites possibles à travers cette géométrie courbe. Ce que nous ressentons comme la « force » de la gravité est en réalité la courbure de l'espace-temps qui guide notre mouvement.
Il n'y parvint pas seul. Son vieux camarade Marcel Grossmann l'initia à la géométrie non euclidienne de Riemann et au calcul tensoriel dont il avait besoin. Dans les dernières semaines de 1915, Einstein fit la course avec le grand mathématicien David Hilbert — et parvint, épuisé et triomphant, aux équations qui portent son nom.
Dans le modèle ci-dessous, l'espace-temps est une toile tendue. Plus la boule du centre est lourde, plus le creux est profond, et une petite bille d'essai lancée de côté décrit une trajectoire autour d'elle : très lente, elle tombe dedans ; trop rapide, elle s'échappe. Réglez la masse, déplacez la boule lourde d'un clic ou avec les flèches du clavier, et lancez la bille d'essai.
La toile élastique n'est toutefois qu'une analogie, aux faiblesses bien connues. Les billes n'y roulent vers le centre que parce que la gravité terrestre les tire vers le bas : l'image explique donc la gravité par la gravité. Et la courbure du temps, essentielle pour la gravité ici sur Terre, en est totalement absente.
- Wikipédia : Équations d'Einstein.
- Wikipédia : Marcel Grossmann.
- Kaur, Blair et al., « Teaching the Einsteinian gravity paradigm » (2017), arXiv:1703.00164 — limites du modèle de la toile.
L'éclipse qui le rendit célèbre
Une théorie ne vaut que par ses prédictions. La relativité générale en fit une audacieuse : la gravité devait courber la lumière. La lumière des étoiles frôlant le Soleil devait être déviée d'environ 1,75 seconde d'arc — le double de ce que permettait l'ancienne physique newtonienne.
On ne voit pas d'étoiles près du Soleil… sauf pendant une éclipse totale. Le 29 mai 1919, deux expéditions organisées par Frank Dyson et Arthur Eddington photographièrent une éclipse — Eddington lui-même depuis Príncipe (au large de l'Afrique de l'Ouest), Andrew Crommelin et Charles Davidson depuis Sobral (Brésil). Les étoiles avaient bougé. Einstein avait raison.
Quand les résultats furent annoncés en novembre 1919, la presse mondiale s'enflamma. Le Times de Londres proclama une « Révolution dans la science ». Du jour au lendemain, Albert Einstein devint le scientifique le plus célèbre de la Terre — une vedette mondiale comme aucun physicien ne l'avait jamais été.
Le modèle ci-dessous montre à quel point l'effet est minuscule. Des étoiles entourent le Soleil obscurci ; selon Einstein, la lumière qui frôle tout juste le bord du Soleil est déviée de 1,75 seconde d'arc, et à distance double de moitié seulement, car la déviation diminue avec la distance. Le Soleil agit ainsi comme une faible lentille gravitationnelle : les étoiles paraissent un peu plus éloignées de lui qu'elles ne le sont réellement. Basculez entre « Sans gravité », « Newton » et « Einstein », et réglez l'agrandissement du décalage.
La précision réelle de la mesure de 1919 a longtemps été discutée. Les images floues du télescope principal de Sobral ne donnaient que 0,93 seconde d'arc et furent écartées ; en 1980, les philosophes Earman et Glymour y virent un possible parti pris en faveur d'Einstein. Pourtant, dès 1979, une nouvelle mesure des plaques de Sobral avec une machine moderne avait conforté le résultat d'Eddington, mais elle resta longtemps ignorée. C'est la radioastronomie qui a tranché : depuis la fin des années 1960, des radiotélescopes mesurent la déviation sur des radiosources lointaines comme les quasars, sans éclipse, et aujourd'hui les mesures VLBI confirment la valeur d'Einstein à environ 0,03 % près.
- Wikipédia : Éclipse solaire du 29 mai 1919.
- Dyson, Eddington et Davidson, Phil. Trans. R. Soc. (1920).
- Crispino et Kennefick, « A hundred years of the first experimental test of general relativity », Nature Physics 15, 416–419 (2019), arXiv:1907.10687 — valeurs de 1919 et nouvelle mesure de 1979.
- Kennefick, « Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition », arXiv:0709.0685 — les Hyades, la critique de 1980, la réanalyse de 1979 passée inaperçue.
- Wikipédia (en) : Gravitational lens — angle de déviation θ = 4GM/(c²r), donc proportionnel à 1/distance ; Angular diameter — diamètre apparent du Soleil de 31′27″ à 32′32″.
- Wikipédia (en) : Eddington experiment — mesures radio de la fin des années 1960 ; Tests of general relativity — VLBI à environ 0,03 %.
- Kennefick, “Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition”, arXiv:0709.0685: les plaques étaient serrées face contre face et l’écart de chaque étoile mesuré au micromètre.
- Crispino & Kennefick, Nature Physics 15, 416–419 (2019), arXiv:1907.10687: les valeurs 1,98 ± 0,18″ (Sobral, objectif de 4 pouces) et 1,61 ± 0,30″ (Príncipe) ; plaques de comparaison à Sobral en juillet 1919, pour Príncipe à Oxford.
- Wikipédia (en) : Eddington experiment: Hyades, plaques de comparaison prises de nuit à des mois d’écart, sept étoiles sur les plaques de l’objectif de 4 pouces à Sobral.
- Wikipédia (en) : Gravitational lens: déviation proportionnelle à 1/distance; Dyson, Eddington et Davidson, Phil. Trans. R. Soc. A 220, 291–333 (1920).
Des prédictions qui ne cessent de se vérifier
Un siècle plus tard, la relativité générale a passé tous les tests — souvent ceux qu'Einstein ne vécut jamais assez pour voir.
L'orbite de Mercure
Une minuscule anomalie centenaire de l'orbite de Mercure — 43 secondes d'arc par siècle — que Newton ne pouvait expliquer découla exactement des équations d'Einstein. Ce fut son premier triomphe.
Lentilles gravitationnelles
Les galaxies massives courbent la lumière des objets situés derrière elles en arcs et images multiples — la gravité comme lentille cosmique, aujourd'hui outil courant de l'astronomie.
Trous noirs
Des régions où l'espace-temps se courbe si fortement que même la lumière ne s'échappe pas. Imagés pour la première fois en 2019 — une prédiction qui troublait Einstein.
Ondes gravitationnelles
Des ondulations de l'espace-temps issues de trous noirs en collision. Prédites en 1916, détectées par LIGO en 2015 — environ un siècle plus tard.
L'orbite de Mercure est une ellipse dont le point le plus proche du Soleil, le périhélie, tourne lentement autour du Soleil : d'environ 575 secondes d'arc par siècle. Quelque 532 d'entre elles viennent de l'attraction de Vénus, de Jupiter, de la Terre et des autres planètes, et la physique de Newton les explique. Les 43 restantes étaient une énigme depuis qu'Urbain Le Verrier avait remarqué en 1859 que l'orbite de Mercure ne cadrait pas avec la théorie de Newton (son chiffre de 38 secondes d'arc fut affiné plus tard à 43), jusqu'à ce qu'Einstein les calcule avec sa nouvelle théorie le 18 novembre 1915. Faites défiler le temps et activez ou désactivez la correction d'Einstein.
- Wikipédia : Tests expérimentaux de la relativité générale.
- ondes gravitationnelles ; lentille gravitationnelle.
- Images : NASA/ESA/STScI, domaine public, via Wikimedia Commons.
- Park et al., « Precession of Mercury's Perihelion from Ranging to the MESSENGER Spacecraft », The Astronomical Journal 153, 121 (2017), doi:10.3847/1538-3881/aa5be2 — 532″ dus aux planètes, 42,98″ à la relativité générale, 575,3″ par siècle au total.
- Einstein, « Erklärung der Perihelbewegung des Merkur aus der allgemeinen Relativitätstheorie », Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften, 18 novembre 1915, p. 831–839 (CERN Document Server) ; Le Verrier, 1859 : Wikipédia (en).