Cet article a été écrit par David Lyth de l’Université de Lancaster et a été initialement publié par The Conversation.

La gravité lie nos corps à la planète Terre mais elle ne définit pas les limites de l’esprit humain en pleine ascension. En novembre 1915 – il y a exactement un siècle – cela s’est avéré vrai lorsque Albert Einstein, dans une série de conférences à l’Académie des sciences de Prusse, a présenté une théorie qui allait révolutionner notre façon de voir la gravité – et la physique elle-même. Pendant deux siècles, la théorie de la gravitation universelle de Newton, remarquablement simple et élégante, avait semblé bien expliquer la question. Mais, comme c’est de plus en plus vrai pour la physique, la simplicité ne suffit plus.

Le point de départ d’Einstein pour la relativité générale était sa théorie de la relativité restreinte, publiée en 1905. Celle-ci expliquait comment formuler les lois de la physique en l’absence de gravité. Au centre des deux théories se trouve une description de l’espace et du temps différente de celle que le bon sens suggère.

Les théories expliquent comment interpréter le mouvement entre différents endroits qui se déplacent à des vitesses constantes les uns par rapport aux autres – plutôt que par rapport à une sorte d’éther absolu (comme Newton l’avait supposé). Bien que les lois de la physique soient universelles, différents spectateurs verront le timing des événements différemment en fonction de la vitesse à laquelle ils voyagent. Un événement qui semblerait prendre 1 000 ans vu de la Terre peut sembler ne prendre qu’une seconde pour quelqu’un dans un vaisseau spatial voyageant à grande vitesse.

Au centre des théories d’Einstein se trouve le fait que la vitesse de la lumière est indépendante du mouvement de l’observateur qui mesure cette vitesse. C’est étrange, parce que le bon sens suggère que si vous êtes assis dans votre voiture le long d’une voie ferrée, un train qui passe semblera se déplacer beaucoup plus rapidement que si vous le suivez dans la même direction.

Par contre, si vous êtes plutôt assis et que vous regardez un faisceau lumineux passer, il se déplacerait aussi vite que vous le suiviez ou non – une indication claire que quelque chose ne va pas avec le bon sens.

L’implication de cette théorie est que nous devons abandonner l’idée qu’il existe un temps universel, et accepter que le temps enregistré par une horloge dépend de sa trajectoire lorsqu’elle se déplace dans l’univers. Cela signifie également que le temps passe plus lentement lorsque vous allez vite, ce qui signifie qu’un jumeau qui part dans l’espace vieillira plus lentement que son frère ou sa sœur de retour sur Terre.

Ce “paradoxe des jumeaux” peut sembler être une bizarrerie mathématique, mais il a en fait été vérifié expérimentalement en 1971 dans une expérience prenant des horloges atomiques sur des vols commerciaux.

La relativité restreinte ne fonctionne que pour les cadres inertiels se déplaçant l’un par rapport à l’autre s’ils se déplacent à vitesse constante – elle ne peut pas décrire ce qui se passe s’ils accélèrent. Einstein s’est demandé comment l’étendre pour inclure une telle accélération et tenir compte de la gravité, qui provoque l’accélération et qui est, après tout, partout.

Il s’est rendu compte que l’effet de la gravité disparaît si on n’essaie pas de la surmonter. Il a imaginé des personnes dans un ascenseur dont le câble s’était rompu en chute libre et a calculé que, puisque les objets flotteraient soit immobiles, soit à vitesse constante, les personnes ne ressentiraient pas la gravité. Aujourd’hui, nous savons que c’est vrai, car nous l’avons constaté nous-mêmes chez des personnes dans la station spatiale internationale. Dans les deux cas, il n’y a pas de forces contrecarrant l’effet de la gravité et les personnes ne ressentent aucune gravité.

Espace-temps courbe. Mopic

Einstein s’est également rendu compte que l’effet de la gravité est le même que celui de l’accélération ; rouler à grande vitesse nous pousse vers l’arrière, exactement comme si la gravité nous tirait. Ces deux indices ont conduit Einstein à la relativité générale. Alors que Newton avait vu la gravité comme une force propagée entre les corps, Einstein l’a décrite comme une pseudo force ressentie parce que tout le tissu entrelacé de l’espace et du temps se plie autour d’un objet massif.

Einstein lui-même a dit que son chemin était loin d’être facile. Il a écrit que “dans toute ma vie, je n’ai pas travaillé aussi dur, et je me suis imprégné d’un grand respect pour les mathématiques, dont la partie la plus subtile avait été considérée jusqu’à présent comme un pur luxe dans mon esprit simple”.

Les preuves

Dès qu’Einstein a découvert la relativité générale, il a réalisé qu’elle explique l’échec de la théorie de Newton à rendre compte de l’orbite de Mercure. Cette orbite n’est pas tout à fait circulaire, ce qui signifie qu’il existe un point où elle est la plus proche du soleil. La théorie de Newton prédit que ce point est fixe, mais l’observation montre qu’il tourne lentement autour du soleil et Einstein a trouvé que la relativité générale décrit correctement cette rotation.

“J’étais hors de moi avec une excitation joyeuse”, écrit-il quelques mois plus tard. Depuis, la relativité générale a passé avec brio de nombreux tests d’observation.

Vous utilisez la relativité générale chaque fois que vous invoquez le système GPS pour connaître votre position à la surface de la Terre. Ce système émet des signaux radio de 24 satellites et le récepteur GPS de votre téléphone ou de votre voiture analyse trois de ces signaux ou plus pour déterminer votre position en utilisant la relativité générale. Si vous aviez utilisé la théorie de Newton, le système GPS aurait donné une position erronée.

Mais si la relativité générale fonctionne bien pour décrire le monde physique à grande échelle, la mécanique quantique s’est imposée comme la théorie la plus aboutie pour les minuscules particules comme celles qui composent un atome. Tout comme les théories de la relativité, la mécanique quantique est contre intuitive. Il reste à voir s’il est possible d’unir les deux, mais il est peu probable que cela réintroduise le bon sens dans la physique.

David Lyth, professeur émérite de physique, Université de Lancaster.

Cet article a été initialement publié par The Conversation. Lire l’article original.