Toujours irréprochable, cent ans plus tard

Dans sa théorie de la relativité générale, qu’il présente en 1915, Einstein précise que l’espace-temps peut se déformer, voire courber en présence d’un corps massif.
Photo: iStock Dans sa théorie de la relativité générale, qu’il présente en 1915, Einstein précise que l’espace-temps peut se déformer, voire courber en présence d’un corps massif.

Le 25 novembre 1915, Albert Einstein présente à l’Académie des sciences de Prusse à Berlin, où il est devenu professeur, les équations décrivant sa théorie de la relativité générale. Âgé de 36 ans, il soumet à ses collègues scientifiques ce que plusieurs considèrent aujourd’hui comme « la plus belle théorie de l’histoire de la physique », une théorie qui bouleversait notre vision du monde, une théorie qui n’a toujours pas été contredite et qui ne présente toujours pas de faille 100 ans plus tard.

 

C’est d’abord en 1905 qu’Einstein a marqué la science, en publiant notamment sa théorie de la relativité restreinte, qui considère le temps comme une quatrième dimension qui est intimement liée à l’espace, avec lequel il forme le « tissu d’espace-temps ». Cette théorie révélait aussi que l’écoulement du temps est ralenti à une très grande vitesse approchant celle de la lumière. La théorie de la relativité restreinte montrait également que rien ne peut se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière dans le vide, ce qui entrait en conflit avec la théorie de la gravitation universelle de Newton, selon laquelle la force gravitationnelle exerce « instantanément » son action à travers l’espace. Titillé par cette contradiction, Einstein chercha alors comment reformuler la loi de la gravitation de Newton, datant du XVIIe siècle.

« La théorie de Newton fonctionne très bien quand les forces de gravité sont faibles, comme sur la Terre. Elle nous permet de faire voler des avions et d’envoyer des fusées sur la Lune », souligne Stéphane Durand, physicien théoricien au Centre de recherches mathématiques de l’Université de Montréal. Mais cette théorie devient imparfaite dans des champs de gravité intenses, en présence de corps très massifs, et elle nécessite alors de petites corrections.

Dans sa théorie de la relativité générale, qu’il présente en 1915, Einstein précise que l’espace-temps peut se déformer, voire courber en présence d’un corps massif. Ce qui implique notamment que l’écoulement du temps sera ralenti par la force de gravité, et que la lumière sera déviée par le champ gravitationnel d’un corps très massif.

La première confirmation de cette théorie fut qu’elle permettait d’expliquer les irrégularités de l’orbite de Mercure, la planète la plus proche du Soleil, plus précisément la précession de son orbite, soit le fait que l’ellipse allongée de l’orbite change légèrement d’orientation au cours du temps et que le point de l’orbite le plus proche du Soleil se déplace de 43 secondes d’arc par siècle autour du Soleil.

Déviation de la lumière

Dans sa théorie de la relativité générale, Einstein prédit que des corps très massifs, comme le Soleil, peuvent dévier les rayons lumineux. « Newton affirmait que la gravité dévie la trajectoire des objets qui ont une masse. Or, comme les photons n’ont pas de masse, ils ne devraient pas être déviés par un champ gravitationnel, selon Newton », rappelle David Sénéchal, directeur du Département de physique de la Faculté des sciences de l’Université de Sherbrooke. Mais Einstein corrige Newton sur ce point.

Cette prédiction fut confirmée le 29 mai 1919 à l’occasion d’une éclipse totale de Soleil. Le physicien anglais Arthur Eddington organisa une expédition à l’île Principe, au large des côtes du Gabon, pour photographier cette éclipse qui devait être visible de cette région du monde. « Pour vérifier cette prédiction, il fallait observer la position d’étoiles proches du Soleil, mais en plein jour, c’était impossible, parce que le Soleil est trop éblouissant. On a donc attendu une éclipse totale du Soleil, car à ce moment-là, le Soleil est obscurci, ce qui permet de voir les étoiles avoisinantes et de mesurer leur position, et donc le changement dans leur position dû au passage de leur lumière proche du Soleil », fait remarquer David Sénéchal.

L’équipe d’Eddington observa donc que les étoiles proches du Soleil n’étaient pas à leur position habituelle, mais étaient légèrement déplacées. « La lumière venant de ces étoiles situées derrière le Soleil était donc déviée par celui-ci. Sachant où les étoiles devaient se situer normalement, on a constaté qu’on les voyait plus éloignées du Soleil qu’elles ne l’étaient en réalité. Les rayons lumineux sont attirés par le Soleil, qui courbe leur trajectoire. Et si on prolonge cette trajectoire jusqu’à nos yeux, l’étoile — qui les a émis — nous apparaît alors plus éloignée du soleil qu’elle ne devrait l’être. Il s’agit en quelque sorte d’un mirage gravitationnel », précise M. Sénéchal.

« C’est cette confirmation expérimentale qui a rendu Einstein extrêmement célèbre. Du jour au lendemain, il est devenu une star que l’on accueillait partout par des applaudissements. Le contexte social a bien sûr contribué à cette célébrité. La Première Guerre mondiale venait de s’achever, avec quatre années de misère, et le fait qu’une expédition britannique confirme la théorie d’un Allemand apparaissait comme un symbole de la paix qui a contribué au spectaculaire », souligne-t-il.

L’écoulement du temps

La théorie de la relativité générale prédit également que le temps s’écoule plus lentement à proximité du champ gravitationnel d’un objet très massif. Plus on s’approche d’un astre dense, plus le temps ralentit. Et inversement, si on se trouve en orbite très loin de la surface de la Terre, le temps s’écoule plus rapidement que si l’on est au sol.

Cette prédiction a été confirmée pour la première fois en 1959 lors d’une expérience menée par Robert Pound et Glen Rebka, qui ont mis en évidence ce phénomène entre le sous-sol et le 7e étage, situé à 22,5 mètres de hauteur, du laboratoire Jefferson à l’Université Harvard. Tout récemment, « on l’a aussi observé avec des horloges séparées d’une hauteur de 33 cm, et dont la plus élevée gagnait environ un milliardième de seconde par année par rapport à la plus basse », relate Richard Mackenzie, professeur au Département de physique de l’Université de Montréal.

Même si comme humain nous ne percevons pas quotidiennement cette dilatation du temps par la gravité prévue par la théorie de la relativité générale, son influence est pourtant d’une grande importance dans le fonctionnement d’un appareil devenu omniprésent et quasi indispensable dans nos vies : le système mondial de positionnement ou GPS (global positioning system) qui guide les pilotes d’avion lorsqu’ils doivent atterrir dans le brouillard, et qui est intégré dans la plupart des téléphones cellulaires.

Pas de GPS sans relativité générale

Le GPS est composé d’un réseau de 24 satellites en orbite autour de la Terre, dont chacun est équipé d’une horloge atomique. Pour déterminer sa localisation, le récepteur présent dans notre téléphone cellulaire doit calculer la distance qui le sépare des satellites, qui émettent continuellement des ondes radio en direction de la Terre. Pour ce faire, le récepteur doit connaître avec exactitude l’heure à laquelle l’onde qu’il a captée a été émise par le satellite et la position de celui-ci à ce moment-là. Or, comme les horloges atomiques des satellites se trouvent à 20 000 km au-dessus de la Terre, où la gravité est quatre fois plus faible qu’au sol, elles mesurent un temps qui s’écoule plus rapidement que sur la Terre, et qui présente une avance d’environ 46 microsecondes (millionièmes de seconde) par jour par rapport au temps mesuré par le récepteur à la surface de la Terre.

De plus, le fait que les horloges sont situées dans des satellites qui se déplacent à 14 000 km/h en orbite autour de la Terre, une vitesse beaucoup plus grande que celle des horloges à la surface de la Terre, elles mesurent un temps qui est ralenti, en vertu d’un effet de la relativité restreinte, par rapport à celui qui s’écoule à la surface de la Terre. En raison de la vitesse des satellites, les horloges à leur bord accusent un retard de sept millionièmes de seconde par jour par rapport aux horloges au sol.

Au total, les horloges atomiques à bord des satellites affichent une avance de 39 millionièmes de secondes par jour, avance qui est corrigée grâce à l’intégration des équations de la relativité générale dans le GPS. « Si le système ne tenait pas compte des équations de la relativité générale, il dériverait de plus de 10 km par jour dans la position qu’il afficherait », souligne David Sénéchal.

Les trous noirs

Dans la foulée de la publication de la théorie de la relativité générale durant la Première Guerre mondiale, Karl Schwarzschild, professeur d’astronomie à l’Université de Göttingen, en Allemagne, s’est appliqué à résoudre les équations de la théorie dans ses temps libres alors qu’il était sur le front. En 1916, « il arrive à une solution bizarre où, lorsqu’on s’approche suffisamment du centre d’attraction d’un objet extrêmement massif, vient un moment en deçà duquel tout est happé par cet objet et ne peut plus en sortir. Même la lumière ne peut plus s’échapper de l’attraction de cet objet », relate M. Sénéchal avant de préciser que Schwarzschild, qui est mort quelques semaines après la publication de sa solution, venait de prédire l’existence des trous noirs.

À la frontière de non-retour, c’est-à-dire l’horizon des trous noirs, le temps s’arrête, ajoute Stéphane Durand, qui souligne que cette autre prédiction de la théorie a été confirmée par des observations astronomiques. « Beaucoup de matière et de gaz sont happés par un trou noir. Avant de franchir l’horizon du trou noir et d’être engloutie, cette matière est accélérée et émet du rayonnement X. Le coeur du trou noir nous est invisible, mais par contre, nous pouvons voir le halo de rayons X qui le couronne », décrit le physicien théorique de l’Université de Montréal.

L’observation d’une étoile qui tourne en rond autour de rien est aussi un indice de la présence d’un trou noir, indique M. Durand. « On sait qu’il doit y avoir quelque chose au centre qui produit une force d’attraction à l’origine de ce mouvement. »

Une prédiction assez ahurissante de la relativité générale est celle voulant que le trou noir ne se terminerait pas sur un cul-de-sac où la matière est des plus concentrées, mais qu’il se transformerait en un tunnel d'espace-temps, appelé trou de ver, qui déboucherait ailleurs dans l'espace, ou ailleurs dans un univers parallèle, ajoute Stéphane Durand. «C’est une idée spéculative, mais sérieuse et rigoureuse, que la théorie de la relativité générale prédit dans certains cas. Il y a beaucoup d’indices qui nous disent que notre Univers n'est pas unique et qu’il y aurait des milliards et des milliards d’univers», explique-t-il.

L’expansion de l’Univers

Peu de temps après la publication de sa théorie en 1915, Einstein a voulu l’appliquer à l’Univers dans son ensemble. Les solutions qu’il obtenait prédisaient que l’Univers n’était pas statique, et qu’il était soit en expansion, soit en contraction, ce qui lui paraissait tout à fait impossible. « Einstein avait un préjugé. Pour lui, l’Univers avait toujours existé, il existerait toujours, il était statique et immuable, rappelle David Sénéchal. Il a alors modifié ses équations en leur ajoutant une constante cosmologique pour obtenir une solution statique. Mais une solution qui est instable, parce que si la constante est mal choisie, l’Univers se contracte ou prend de l’expansion. »

« Einstein était révolutionnaire, mais avait aussi des préjugés. Il était relativement conservateur sous certains aspects. Il n’a pas cru toutes les conséquences de sa propre théorie. Cela a pris un certain temps avant qu’il accepte certaines choses », ajoute Stéphane Durand.

Mais au même moment, le mathématicien russe Alexandre Friedmann et l’astronome et physicien belge George Lemaître étudiaient aussi ce problème chacun de leur côté et se sont rendu compte que s’ils appliquaient les équations d’Einstein à la lettre, ils obtenaient un univers en expansion. « L’abbé Lemaître a même réalisé que si l’Univers était en expansion, il avait dû être réduit à un point dans le passé. Et il a émis l’hypothèse que l’Univers provenait de l’explosion initiale d’un atome primitif. Les gens se sont moqués de cette hypothèse, qu’ils ont surnommée Big Bang. Et l’expression est restée », raconte M. Sénéchal.

Quand, une dizaine d’années plus tard, des télescopes ont permis de voir des milliers de galaxies qui s’éloignent de nous, comme prédit par la théorie de la relativité générale, et qui confirmaient que l’Univers était bien en expansion, Einstein s’est repenti et a avoué que c’était la plus grande erreur de sa vie !

La théorie du Big Bang que l’on connaît aujourd’hui est une version qui a été raffinée pour décrire le fait que l’expansion de l’Univers accélère. « On a réintroduit une des constantes cosmologiques d’Einstein, sauf qu’elle n’est pas ajustée pour que l’Univers soit statique, mais pour que le taux d’expansion de l’Univers soit celui qu’on observe réellement. Cette fameuse constante cosmologique d’Einstein est en fait l’énergie sombre », précise David Sénéchal.

Les ondes gravitationnelles

La relativité générale prédit également l’existence d’ondes gravitationnelles, qui sont en quelque sorte « des vibrations du tissu de l’espace-temps » générées lors d’événements catastrophiques, comme la collision entre deux étoiles ou l’effondrement d’une étoile sur un trou noir. « Jusqu’ici, on ne les a pas observées directement, parce que leur effet est trop petit pour être détecté par nos instruments de mesure », souligne M. Sénéchal.

Mais les physiciens s’appliquent à améliorer la sensibilité de deux équipements, le LIGO, aux États-Unis, et le VIRGO, en Italie, qui mesureront avec des lasers les ondes de gravité qui induisent une petite contraction de la Terre. Ces nouveaux appareils devraient pouvoir détecter des variations de longueur de l’ordre de 10 exposant -20 mètres (un cent millième de la taille d’un proton).

De toute façon, des ondes gravitationnelles ont déjà été détectées indirectement en observant des pulsars binaires, c’est-à-dire deux étoiles à neutrons (étoiles en fin de vie très compactes) qui tournent l’une autour de l’autre. En tournant l’une autour de l’autre, ces étoiles émettent d’intenses ondes gravitationnelles. Or, cette perte d’énergie sous forme d’émission d’ondes gravitationnelles se traduit (en vertu de la conservation d’énergie) par un changement de la fréquence de rotation des étoiles qui est mesurable, et qui a été calculé dans les années 1970. Or, la perte d’énergie mesurée correspondait exactement à celle prédite par la relativité générale d’Einstein. C’est pourquoi on considère cette observation comme une confirmation indirecte de la théorie.

En 2015, 100 ans après sa publication, la théorie de la relativité générale n’a jamais été contredite et a été confirmée par toutes les expériences et observations effectuées. Elle a aussi permis le développement de la cosmologie, une science bouillonnante dont les fondements sont encore ceux de la relativité générale.

Seule ombre au tableau : la relativité générale ne nous informe pas sur les phénomènes survenant à l’échelle des particules qui eux sont régis par la physique quantique. Les deux théories fonctionnent très bien dans leur domaine respectif, mais les physiciens cherchent toujours une théorie qui pourra les englober.
 

 

Stéphane Durand donnera une conférence intitulée « La révolution d’Einstein : de l’espace-temps aux trous noirs », le vendredi 11 décembre 2015 à 20 h 30 au Planétarium Rio Tinto Alcan.

3 commentaires
  • Pierre Lefebvre - Inscrit 21 novembre 2015 08 h 12

    Relativité générale contredite

    Continuer à nommer la Relativité «générale» est faux quand on y pense bien. Et tous les exemples le démontrent car ils s'appliquent toujours dans des conditions «spécifiques», là où il a des «masses». Regardez là où il n'y a «rien» et vous verrez le mouvement originel du Big bang. Nommez-le «énergie sombre» tant que vous voulez, mais n'oubliez pas ce premier mouvement «explosif» qui «s'éloigne» de tout et qui éloigne tout. Sauf là où il y a mouvement contraire vers un centre (comme à l'intérieur des Galaxies). Je peux peut-être accepter de le nommer «sombre» car il est apparu 380 mille ans «avant la lumière». Mais «Énergie» ? Pas si sûr.

    Le Big bang continue de «bangner» car Rien ne l'arrête parce qu'il n'y a Rien pour l'arrêter. La «Relativité générale» devient donc «locale» car elle ne s'applique que là où il y a eu «renversement» du mouvement original. Et ce «renversement» n'est encore qu'un «mouvement» et non pas une Énergie. Le mouvement crée l'énergie et non pas l’inverse. Le premier est «dans tous les sens» et le second en est sa conséquence «vers des centres». Il n'y a alors qu'une seule «Énergie», celle du Big bang, car elle seule n'est la «conséquence de Rien». Une conséquence peut être «énergique», mais elle n'est pas «Énergie». N’oublions pas que tout ceci se passe avant toute «matière». La «matière» est aussi une «conséquence». Il y a toujours un «avant», sauf pour le Big bang. Là... «Avant» le Big bang, il n'y a rien, ni temps, ni espace, ni énergie, ni mouvement, soit-il clair ou sombre. Il n'y a même pas «d'Avant» le Big bang.

    La Relativité est trop «spécifique» et «locale» pour qu'elle soit «générale». Elle doit être «relative à autre chose» et ne s'applique que lorsqu'il y a «autre chose». Il y a tellement de «choses et de circonstances différentes» qu'elle ne peut donc pas s'appliquer «généralement».

    E=MC2. Tu fais quoi quand il n'y a pas d'autre M alentour ? Tu continus à bangner sans «conséquence relative».

    PL

  • Richard Boivin - Inscrit 21 novembre 2015 09 h 17

    Magnifique

    Merci mme Grravel pour ce merveilleux tour d'horizon sur la théorie de la relativité. J'ai rarement lu un article aussi bien résumer cette théorie. Un moment de rève dans notre petit univers troublé.

    Richard Boivin, Ile d'Orléans

  • Pierre Lefebvre - Inscrit 22 novembre 2015 05 h 29

    L'autre jour

    L'autre jour sur un sujet semblable, quelqu'un a soulevé l'influence des courants cosmiques sur la Terre. Je n’ai pas eu la chance de poser cette question : Si les courants cosmiques ont une influence sur la Terre, pourquoi la distance entre le soleil et la Terre demeure constante ?

    La réponse est : Les courants cosmiques n’ont pas d’influence sur la Terre parce qu’ils n’ont pas d’influence à l’intérieur des Galaxies où le «mouvement» est inversé (vers son centre) du mouvement universel vers partout.

    Ce qui signifie encore que : La relativité «générale» est «locale» puisqu’elle ne s’applique pas «partout» et en toutes circonstances. Les Galaxies ne «s’attirent» pas, elles s’éloignent. E=MC2 ne s’applique donc pas. Elles ne sont pas «poussées» non plus, elles ne font que poursuivre le mouvement originel non bloqué car il n’y a rien pour les bloquer ni les retenir. Il a même été constaté qu’elles semblent accélérer.
    La relativité «générale» ne l’est finalement pas tant que ça.

    Bonne journée.

    PL