Merci Einstein, la théorie de la relativité générale a 100 ans !

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Il y aura un siècle cette année, Einstein formulait l’une des plus célèbres et des plus puissantes théories scientifiques de tous les temps : la théorie de la relativité générale. Ce nouveau cadre conceptuel, d’une élégance et d’une cohérence extraordinaires, a définitivement bouleversé notre conception de l’Univers, de sa structure et de ses lois, au point que le grand physicien Max Born y voyait « le plus grand triomphe de la pensée humaine sur la Nature ».

En fait, l’élaboration de cette théorie magistrale s’est faite en deux temps. En 1905, Einstein proposa d’abord sa théorie de la relativité restreinte qui repose sur deux principes fondamentaux : le premier veut que les lois de la physique restent les mêmes, quel que soit le référentiel galiléen considéré ; le second postule que la vitesse de la lumière dans le vide est absolue et universelle. La relativité restreinte a déjà des conséquences physiques considérables puisqu’elle implique qu’il n’existe pas de cadre spatio-temporel absolu par rapport auquel on pourrait mesurer des positions et des vitesses.

Selon la relativité restreinte, dans un système Galiléen (un système qui se déplace par rapport à un repère fixe à vitesse constante), la description d’un phénomène est indépendante du système de référence utilisé. Pour mieux comprendre cette théorie, on utilise souvent l’exemple d’un train qui se déplace à vitesse constante sur une ligne droite, par rapport à la station de gare (repère fixe) ou par rapport à un autre train (repère mobile). Dans les deux cas, les lois de la physique restent les mêmes et il est donc impossible de savoir lequel des deux repères est vraiment en mouvement et lequel est immobile.

La relativité restreinte postule également que la vitesse de la lumière est constante dans n’importe quel repère Galiléen. Elle n’est plus soumise à la loi d’addition des vitesses. Exemple : si vous vous déplacez dans le sens du déplacement du train à une vitesse de quatre km/heure dans un train qui roule à 200 km/h, votre vitesse par rapport au référentiel « Rail » sera de 204 km/h. Mais si vous actionnez une lampe-torche dans le sens de déplacement du même train, la vitesse de la lumière émise par cette lampe ne sera pas de 300200 km/s, par rapport au référentiel « rail » mais restera invariable à 300 000 km/seconde !

Einstein montre donc que les mesures de temps et de distance dépendent des mouvements relatifs de l’observateur et l’objet observé. Il montre également que la vitesse da la lumière « C » (célérité) reste, elle, invariante. Il montre enfin que la mesure d’un intervalle de temps est une mesure qui est toujours relative au système de référence dans lequel elle est effectuée.

Si la théorie de la relativité est vraie, l’une de ses conséquences expérimentales surprenantes est qu’en comparant deux horloges A et B synchrones au même endroit, si l’horloge B reste à cet endroit, alors que A se déplace avec une vitesse constante le long d’une courbe fermée qui la ramène finalement en B, l’horloge A retardera inéluctablement par rapport à l’horloge B.

Ce fascinant paradoxe sera vérifié 16 ans après la mort d’Einstein. En 1971, deux physiciens américains placèrent en effet une horloge atomique sur un avion qui fit deux fois le tour de la Terre d’abord vers l’Ouest, puis vers l’Est. Ces chercheurs, en tenant compte de la rotation de la Terre et du champ de gravitation terrestre, purent alors constater que les décalages observés entre les deux horloges à l’issue de ces vols étaient faibles mais mesurables et qu’ils correspondaient exactement à ceux prévus par Einstein dans la théorie…

En 1915, Einstein décida d’étendre les principes de sa théorie de la relativité restreinte à tous les référentiels, qu’ils soient galiléens (en mouvement uniforme) ou non et sa théorie devint alors la relativité générale qui incluait la gravitation et devenait, 230 ans après les lois de la gravitation universelles de Newton, le nouveau cadre de référence pour l’étude et la compréhension de notre Univers, tant dans sa structure que son évolution.

L’une des clefs de voute de la relativité générale est le principe d’équivalence qui postule  que l’accélération et la gravitation sont indiscernables. Cette équivalence a été démontrée par Einstein à l’aide d’une remarquable expérience de pensée, l’expérience de l’ascenseur : Einstein imagine qu’un observateur se trouve dans l’Espace, dans un ascenseur aux parois opaques tiré par une fusée à une vitesse de 10 mètres/seconde et donc en accélération. Il montre alors que les situations physiques que nous pourrions vivre dans cet ascenseur seraient identiques à celles que nous vivons tous les jours sur notre Terre, apparemment immobile.

Einstein remarque que si l’observateur lâche un objet, il le verra tomber vers le bas avec une accélération de 10 mètres/seconde (en réalité c’est le plancher de l’ascenseur qui monte en nous entraînant vers le haut). Il souligne également que si l’observateur lance cet objet, il verra celui-ci suivre une trajectoire parabolique. En fait, dit Einstein, toutes les expériences que pourra faire cet observateur qui ne peut pas voir l’extérieur ne lui permettront jamais de savoir s’il se trouve effectivement dans un référentiel accéléré ou s’il est en fait immobile dans un champ de gravité local.

La théorie de la relativité générale décrit également comment la lumière est affectée par la masse. L’un des effets, la déviation de la trajectoire de la lumière par la gravitation, a été vérifié dès 1919 lors d’une éclipse de Soleil, par les célèbres expériences de l’astronome Sir Arthur Eddington. Ce dernier organisa deux expéditions pour observer et mesurer ce phénomène à l’occasion d’une éclipse totale du soleil, visible seulement à Sobral, au Brésil et sur l’île de Principe, au large de la Guinée. En observant les étoiles de l’amas des Hyades, les scientifiques constatèrent que la position de celles-ci était décalée d’environ 1,75 seconde d’arc, par rapport à leur position habituelle, un écart en tout point conforme à ce que prédisait la nouvelle théorie de la relativité générale d’Einstein…

En 2011, la théorie de la relativité générale d’Einstein a été vérifiée à grande échelle dans l’Univers par l’équipe de Radoslaw Wojtak, chercheur au centre de cosmologie de l’Institut Niels Bohr de Copenhague. Ces chercheurs ont réalisé un véritable travail de romain en répertoriant 7800 amas de galaxies, d’immenses structures regroupant des milliers de galaxies, à des distances de plusieurs millions d’années-lumière de notre propre galaxie, la Voie lactée.

Grâce à l’analyse de la lumière émise par 120 000 galaxies réunies dans ces 7 800 amas, les astrophysiciens ont réussi à obtenir un signal statistiquement représentatif qui a une fois de plus pleinement confirmé les prédictions d’Einstein (Voir WIRED).

En 2013, une autre équipe de recherche internationale, en utilisant l’Observatoire européen austral (ESO) et le Very Large Telescope, a apporté, grâce à l’activité d’un système binaire, une nouvelle confirmation de la théorie de la relativité générale d’Einstein (Voir WIRED).

Cette étoile à neutrons, également appelée pulsar, présente la particularité d’émettre des ondes radio de manière très stable. À la surface de cet objet cosmique singulier, la gravité est 300 milliards de fois plus puissante que celle observée sur notre planète. A l’intérieur de cette étoile, la matière est si condensée que si on pouvait en remplir l’équivalent d’un dé à coudre, celui-ci pèserait plus d’un milliard de tonnes !

Or, selon la relativité générale, un tel système binaire émet de puissantes ondes gravitationnelles qui déforment la courbure de l’espace-temps et entraînent une déperdition d’énergie. Et effectivement, ces astrophysiciens dirigés par Paulo Freire, ont observé une variation de 8 millionièmes de seconde par an dans la période orbitale de 2,46 heures de ce système, ce qui correspond exactement à la variation prévue par la théorie d’Einstein. En 2010, des physiciens de l’Institut national américain des normes et de la technologie (NIST) à Boulder (Colorado, ouest) ont pu également vérifier l’une des conséquences surprenantes de la théorie d’Einstein : le couplage de l’écoulement du temps et de l’intensité de la gravitation. Selon la relativité générale, le temps passe en effet plus vite à plus haute altitude, à mesure que l’effet de la gravitation terrestre diminue.

En utilisant un nouveau type d’horloge atomique cent fois plus précise, ces chercheurs ont pu mesurer pour la première fois cet effet à l’échelle humaine, sur une différence d’altitude de seulement 33 cm. Ils ont observé que l’horloge atomique la plus haute avançait un peu plus rapidement, l’équivalent d’environ 90 milliardièmes de seconde de plus au cours d’une vie de 79 ans !

Mais de manière plus étonnante encore, la théorie de la relativité générale permet également, d’intégrer de manière satisfaisante l’une des découvertes majeures du siècle dernier sur la structure de notre Univers : l’énergie sombre.

C’est en 1998 que cette mystérieuse énergie sombre a été mise en évidence grâce aux observations de deux équipes indépendantes, celle de Saul Perlmutter de l’Université de Californie, à Berkeley, et celle du Centre astrophysique d’Harvard (Cambridge Massachusetts), dirigée par Brian Schmidt. En observant une cinquantaine d’explosions d’étoiles lointaines (des supernovae), ces chercheurs ont constaté que leur luminosité était moindre que ce qu’elle aurait dû être. La seule explication satisfaisante de ce phénomène est que ces étoiles sont en fait plus éloignées qu’on ne le pensait, ce qui veut dire que le rythme de l’expansion cosmique se serait accéléré depuis environ 5 milliards d’années, alors qu’il était censé se ralentir sous l’effet de la gravitation. Seule explication à ce surprenant phénomène : il existe une énergie « sombre », de nature inconnue, qui s’oppose victorieusement à la gravitation et est en train d’accélérer l’expansion de l’Univers !

Or, bien qu’il existe aujourd’hui de nombreuses théories cosmologiques concurrentes (Quintessence, gravitation quantique en boucle…), il faut rappeler que, pour l’instant, c’est encore le modèle « ΛCDM » ( Lambda Cold Dark Matter), issu de la relativité générale et intégrant la constante cosmologique d’Einstein qui constitue le modèle cosmologique le plus cohérent et le plus simple permettant de décrire l’Univers observable tel qu’il apparait aujourd’hui, c’est-à-dire essentiellement composé d’énergie sombre et de matière noire.

Dans un récent et passionnant numéro de « Science&Avenir », consacré à la relativité, l’ensemble des scientifiques interrogés sont d’ailleurs unanimes, non seulement pour reconnaître leur immense dette à l’égard d’Einstein mais également pour souligner que la relativité générale reste, un siècle après sa formulation, le cadre scientifique et conceptuel de référence incontournable pour comprendre notre Univers et sa genèse.

Pour Alain Riazuelo, chercheur au CNRS, « C’est peu dire que la relativité générale reste la pierre angulaire de toute la cosmologie et il est frappant de constater que les théories concurrentes qui ont été envisagées lui ressemblent beaucoup, en tout cas au niveau conceptuel, car toutes reposent sur la même idée initialement développée par Einstein, à savoir que la gravitation est la manifestation d’une déformation de l’espace ».

Pour Aurélien Barrau, « Le Big Bang est impossible à comprendre sans la théorie einsteinienne et il ne s’agit pas de la remplacer par un meilleur modèle, mais de tirer parti des leçons de la relativité pour l’étendre en incluant les effets quantiques ».

Thibault Damour qui travaille notamment sur la détection des ondes gravitationnelles prédites par Einstein, souligne « Qu’un siècle plus tard, il est fascinant de constater que les résultats théoriques d’Einstein constituent encore le fondement de la physique actuelle, et génèrent encore des idées et des applications nouvelles ».

Reste qu’aujourd’hui, la physique et la cosmologie buttent toujours sur un obstacle scientifique redoutable : l’articulation théorique cohérente entre la relativité générale (élaborée entre 1905 et 1915) qui décrit l’univers macroscopique et la mécanique quantique (élaborée entre 1900 et 1927) qui décrit l’infiniment petit. Comme le souligne dans ses remarquables ouvrages de vulgarisation le physicien américain Brian Greene, « L’incompatibilité des deux théories est liée à la structure de l’espace-temps à petite échelle ». De fait, selon  la relativité d’Einstein, la gravité se manifeste par la courbure de l’espace-temps à quatre dimensions.

Mais, compte tenu des échelles et distances en jeu, ces courbures sont progressives et sans ruptures brusques. A contrario, au niveau microscopique décrit par la mécanique quantique, le principe d’indétermination ou d’incertitude défini par Heisenberg en 1927 entraîne des fluctuations quantiques continues et violentes. Mais si l’on remplace les particules ponctuelles par de minuscules cordes vibrantes, telles que les prévoit la théorie des cordes enrichie et unifiée par Witten en 1995, il devient alors envisageable, sous certaines conditions physiques et mathématiques qui restent débattues, d’articuler de manière satisfaisante relativité générale et physique quantique.

Il est frappant de constater que ces deux théories fondamentales de la physique, relativité générale et mécanique quantique, ont résisté avec une solidité extraordinaire depuis un siècle à toutes les épreuves de confirmation expérimentale et n’ont jamais été prises en défaut ou « falsifiées », selon le terme du grand philosophe des sciences, Karl Popper. Mais le fait que ces deux admirables théories soient « vraies » et décrivent correctement notre Univers ne signifient pas pour autant qu’elles soient complètes et qu’elles épuisent la complexité, peut-être infinie, du réel. Demain ou après-demain, n’en doutons pas, un nouvel édifice conceptuel plus large et plus riche viendra enrichir et intégrer ces deux théories scientifiques majeures.

Il est également réjouissant de voir que, si la relativité générale a permis d’effectuer un pas de géant dans la vision et la compréhension de notre Univers, elle pose finalement plus de questions qu’elle n’apporte de réponses : notre Univers est-il ouvert ou fermé, fini ou infini ? A-t-il eu un « commencement » ou est-il éternel ? Est-il « unique » ou n’est-il qu’une infime partie d’un « Multivers » comportant un nombre inimaginables d’autres « univers » à jamais inaccessibles à l’observation et à l’étude scientifique ? Enfin et cette question est sans doute la plus fascinante de toutes : pourquoi notre Univers est-il régi par des lois stables et non par le chaos intégral et pourquoi ces lois sont-elles si parfaitement réglées et déclinées en quelques « constantes fondamentales » d’une précision inouïe, qui permettent la croissance de la complexité, l’apparition de la vie et enfin l’émergence de la conscience ?

Einstein avait évidemment raison de s’émerveiller devant la beauté et la cohérence du monde et de dire que « Ce qui est incompréhensible, c’est que l’Univers nous soit compréhensible ». En ces temps où l’ignorance, l’obscurantisme, la haine du savoir et la négation de la raison sont malheureusement à l’œuvre et menacent notre civilisation, il est plus que jamais nécessaire de rappeler quelle dette immense l’Humanité toute entière doit à des hommes de l’envergure d’Albert Einstein qui nous ont rappelé, sans jamais renoncer à leur vision profondément humaniste de la nature, à quel point la raison et la science peuvent élever et émanciper l’esprit humain et ont su élargir à l’infini les horizons de la connaissance, nous révélant, pour notre plus grande joie, la splendide harmonie du réel.
Initialement publié sur RTflash, cet article est reproduit sur Gizmodo.fr avec l’aimable autorisation de René TRÉGOUËT, Sénateur Honoraire et fondateur du Groupe de Prospective du Sénat de la République Française.

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Dernières Questions sur UberGizmo Help
  1. Superbe article René, on apprend plein de choses.
    Néanmoins 2 petites erreurs:
    – Paragraphe 4: même si ça démontre quand même ce qu’il faut, célérité de la lumière (300000km/s) + vitesse du train (200km/h) ne font pas 300200km/s mais 300 000,0055..6 km/s

    – Paragraphe 9: « Einstein imagine qu’un observateur se trouve dans l’Espace, dans un ascenseur aux parois opaques tiré par une fusée à une vitesse de 10 mètres/seconde et donc en accélération ». Un peu flou, si la fusée tire l’ascenceur à 10 mètre/seconde (vitesse de la fusée), il n’y a pas d’accélération. Il faudrait dire que la fusée augmente sa vitesse de 10 mètre/seconde chaque seconde –> 10 mètre/s² qui ici correspond à une accélération.

    Mais encore une fois super boulot

  2. René : « le second postule que la vitesse de la lumière dans le vide est absolue et universelle »

    Elle ne l’est pas:

    http://www.gurumed.org/2015/01/24/ils-ont-ralenti-la-vitesse-de-la-lumire/
    « La vitesse de la lumière se déplaçant dans le vide a été ralentie pour la première fois, remettant en question ce qui était estimé être une mesure physique constante. Une équipe de physiciens de l’Université de Glasgow (Écosse) ont envoyé des photons à travers un filtre pour changer leur forme, puis ils ont testé la vitesse de ces photons altérée contre des photons inchangés. Sur une distance d’un mètre, l’équipe a observé que les photons modifiés ont été ralentis de 20 longueurs d’onde, démontrant pour la première fois que la lumière dans le vide peut être ralentie. »

    1. Il ne confirme pas, il parle de postulat, postulat qui s’est avéré faux par Einstein et ses contemporains déjà puisque la lumière elle aussi est soumises à l’effet de la « gravité ».

  3. « pourquoi notre Univers est-il régi par des lois stables et non par le chaos intégral et pourquoi ces lois sont-elles si parfaitement réglées et déclinées en quelques « constantes fondamentales » d’une précision inouïe, qui permettent la croissance de la complexité, l’apparition de la vie et enfin l’émergence de la conscience ?

    Einstein avait évidemment raison de s’émerveiller devant la beauté et la cohérence du monde et de dire que « Ce qui est incompréhensible, c’est que l’Univers nous soit compréhensible ». En ces temps où l’ignorance, l’obscurantisme, la haine du savoir et la négation de la raison sont malheureusement à l’œuvre et menacent notre civilisation »

    Drôle de fin, assez contradictoire s’il en est. La première question évoque le mystère de l’étonnante simplicité intelligible et presque esthétique des règles qui régissent l’Univers, pour ensuite…conclure par la négation de la recherche ou de la spiritualité, en tout cas un refrain qui sonne comme l’armée « scientiscistes » athées qui rationalisent plutôt raisonnent…

    Par ailleurs l’existence de la matière noire n’a pas été prouvée ni ne tient dans un théorie du tout élégante, il est plus probable que dans le grand vide interstellaire l’espace-temps ne soit ni plus ni moins que « compressé », compression tangible ou non dont la fabrique qu’une gravité inversée par l’absence de masse.

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