Comment la théorie générale de la relativité d’Einstein a tué la physique du bon sens
par David Lyth, Professor Emeritus Physics, Lancaster University, Royaume-Uni
La gravité lie nos corps à la planète Terre, mais elle ne définit pas les limites de l’esprit humain en pleine expansion. En novembre 1915 – il y a un siècle – la preuve en a été faite lorsqu’Albert Einstein, dans une série de conférences données 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 souvent le cas en physique, la simplicité n’est plus de mise.
Le point de départ d’Einstein pour la relativité générale était sa théorie de la relativité restreinte, publiée en 1905. Cette théorie explique comment formuler les lois de la physique en l’absence de gravité. Au centre de ces 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, car le bon sens suggère que si vous êtes assis dans votre voiture le long d’une voie ferrée, un train qui passe vous semblera se déplacer beaucoup plus vite que si vous le suiviez dans la même direction. En revanche, si vous êtes assis et que vous regardez passer un faisceau lumineux, celui-ci se déplacera à la même vitesse, que vous le suiviez ou non, ce qui indique clairement que le bon sens ne fonctionne pas.
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 dépende de sa trajectoire lors de son déplacement dans l’univers. Cela signifie également que le temps passe plus lentement lorsque l’on va vite, ce qui veut dire qu’un jumeau qui part dans l’espace vieillira plus lentement que son frère ou sa sœur restés sur Terre. Ce « paradoxe des jumeaux » peut sembler être une bizarrerie mathématique, mais il a en fait été vérifié expérimentalement en 1971, lors d’une expérience utilisant des horloges atomiques sur des vols commerciaux.
La relativité restreinte ne fonctionne que pour les cadres inertiels qui se déplacent l’un par rapport à l’autre 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 une accélération et qui est, après tout, partout.
Il s’est rendu compte que l’effet de la gravité disparaît si l’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 flottaient soit immobiles, soit à vitesse constante, les personnes ne ressentaient 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, aucune force ne s’oppose à l’effet de la gravité et les personnes ne ressentent aucune gravité.
Einstein s’est également rendu compte que l’effet de la gravité est le même que l’effet de l’accélération ; rouler à grande vitesse nous pousse vers l’arrière, comme si la gravité nous tirait. Ces deux indices ont conduit Einstein à la relativité générale. Alors que Newton considérait la gravité comme une force se propageant entre les corps, Einstein l’a décrite comme une pseudo-force ressentie parce que l’ensemble du tissu entrelacé de l’espace et du temps se plie autour d’un objet massif.
Einstein lui-même avait déclaré que son chemin était loin d’être facile. Il écrivit : « De toute ma vie, je n’ai jamais travaillé aussi dur, et je me suis imprégné d’un grand respect pour les mathématiques, dont la partie la plus subtile était jusqu’à présent considérée comme un pur luxe par mon esprit simple ».
Les preuves
Dès qu’Einstein a découvert la relativité générale, il a réalisé qu’elle expliquait l’incapacité de la théorie de Newton à rendre compte de l’orbite de Mercure. L’orbite n’est pas tout à fait circulaire, ce qui signifie qu’il existe un point où la planète 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 découvert que la relativité générale décrit correctement cette rotation.
« J’étais fou de joie et d’enthousiasme », écrivait-il quelques mois plus tard. Depuis lors, la relativité générale a passé avec brio de nombreux tests d’observation.
Vous utilisez la relativité générale chaque fois que vous faites appel au système GPS pour connaître votre position sur la surface de la Terre. Ce système émet des signaux radio en provenance 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 particules minuscules telles que 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 du bon sens dans la physique.
Pour aller plus loin
Texte paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction étant protégée par les droits d’auteur, ce article traduit n’est pas libre de droits. Nous autorisons la reproduction avec les crédits appropriés : « Citizen4Science/Science infuse » pour la version française avec un lien vers la présente page.
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