Relativité restreinte, générale, et espace-temps.

Le physicien Albert Einstein, père de la théorie de la Relativité.

La théorie de la Relativité Générale, énoncé par Albert Einstein dans son article de 1915, est une théorie qui a révolutionné la science autant que notre conception de l'espace et du temps. Ses implications sont énormes et beaucoup de mystères sur l’Univers ont pu s'éclaircir grâce à celles-ci. Nous allons voir dans cet article qu'est-ce qui a conduit le génie Einstein à établir une telle théorie et ainsi voir les grands principes de celles-ci.

Au début du XVIIème siècle, l'astronome italien Galilée établi les lois de la chute des corps : si on lâche deux objets différents, alors ces deux objets atterriront exactement au même moment sur le sol, et ce quelque soit leur masse. Ces lois sont une remise en cause du modèle d’Aristote, selon lequel les objets les plus lourds devaient tomber plus vite que les plus légers.

Pendant la même période, l'astronome allemand Johanne Kepler établi lui ses lois de la mécanique céleste et rend ainsi compte du mouvement des planètes dans un système géocentrique.

Un peu plus tard, le très célèbre savant anglais Isaac Newton allait en quelque sorte unifier ces deux dernières lois : il n'y a pas de différence entre une pomme qui tombe de son pommier et la Lune qui tourne autour de la Terre : toutes deux sont soumises à la même force, appelée force de gravitation (voir les 4 forces fondamentales). Ses lois de la gravitation universelle sont exposés dans son œuvre majeure : les « Principes mathématiques de la philosophie naturelle » paru en 1687.

Quelques temps plus tard, vers la fin du XIXème siècle, le jeune physicien Faraday et Maxwell rende compte de la similarité entre la force électrique et la force magnétique : un champ électrique peut engendrer un champ magnétique, et vice-versa. Ils en déduisent les lois de l’électromagnétisme, mise en forme mathématiquement par Maxwell (voir les 4 forces fondamentales). Plus tard, la vitesse d’un champ électromagnétique est mesurée : elle est de 300 000 km/s, exactement la vitesse de la lumière ! Ils en déduisent donc que la lumière est une onde électromagnétique. Une question se pose alors : si la lumière est une onde, alors il lui faut un milieu de propagation. C’est alors que les physiciens émettent l’hypothèse d’un fluide emplissant tout le cosmos : l’éther. Mais cette hypothèse sera remise en question par une expérience menée par les physiciens Michelson et Morley : les deux physiciens mesurèrent la vitesse de la lumière provenant d'astres situés dans la direction du mouvement de la Terre, puis sur d'autres astres dans la direction opposée. Logiquement, la vitesse de la lumière mesurée dans le premier cas aurait du être supérieure à celle mesurée dans le deuxième cas. Or, il n'en est rien : la vitesse de la lumière est constante, quelque soit la direction où on l'observe. La notions d’éther est donc remise en questions.

C'est alors qu'intervient le jeune Albert Einstein : dans son article majeure de 1905 énonçant la théorie de la relativité restreinte, Einstein remet en cause tous les principes de bases et fait voler en éclat des idées vieilles de plusieurs siècles. Pour résoudre le problème de la vitesse de la lumière, Einstein va alors partir du principe de base selon lequel les lois physiques sont les mêmes partout, quelques soient la vitesse ou l'orientation de l’observateur. Si la vitesse de la lumière est la même partout, quelque soit la vitesse où l'orientation de l’observateur, c'est parce-que la vitesse de la Terre « dilate » le temps : plus on va vite, plus le temps s'écoule lentement. La vitesse de la lumière est alors devenu une limite infranchissable car, l'inertie étant la résistance d'un corps à l'accélération, celle-ci sera d'autant plus forte que la vitesse sera grande. Ainsi, il faudrait une énergie infinie à un corps pour se déplacer à la vitesse de la lumière. Après la publication de son article, les notions d'espace et de temps sont complètement bouleversée : l'espace et le temps ne sont plus absolu (c'est à dire, étant les mêmes partout quelque soit le référentiel) comme le pensait Newton, mais ils dépendent de la vitesse de l’observateur et forme une entité unique appelé « espace-temps ».

Le problème de la relativité restreinte est qu'elle n’est valable uniquement dans un Univers sans gravitation. C'est pourquoi Einstein décida de « généraliser » sa théorie pour un Univers comprenant la gravitation : la Relativité Générale pris naissance en 1915. Einstein, en se basant sur des modèles de géométries courbes développées au siècle précédent par le mathématicien Riemann entre autre, bouleversa une fois de plus les notions d’espace et de temps : non seulement l'espace et le temps sont liés dans une entité appelé espace-temps, mais en plus cet espace-temps est courbé. Cette courbure de l'espace-temps, se produisant au voisinage d’un corps massif, donne naissance à la gravitation. Dans l'Univers, les objets s’attirent entre eux car ils courbent l'espace-temps environnant, telle une balle de pétanque courberait un drap tendu et attirerait ainsi vers elle de petites billes placées aux alentours. Il faut aussi préciser que ce corps massif courbe aussi le temps : plus le corps est massif, plus le champ de gravitation est important, donc plus le temps s’écoulera lentement.



Un objet massif courbe l'espace-temps environnant, engendrant la gravitation

La Relativité Générale a passé avec succès tous les tests expérimentaux. L'expérience la plus connu est celle réalisé par le physicien anglais Eddington. En 1919, lors d'une éclipse totale de Soleil, une équipe d’astronome sont allés mesuré le décalage de la lumière de deux étoiles lointaine produit par la courbure du Soleil. Les résultats sont en parfait accord avec la théorie. Une autre preuve de la théorie a été l'expérience des deux avions. Deux physiciens embarquent dans deux avions différents avec à leur bord deux horloges atomiques. L’un des physiciens part dans le sens inverse de rotation de la Terre, l'autre dans le sens de rotation. Il font ainsi un tour du monde complet. A leur retour, on constate que les deux horloges indiquent un temps différent. Certes le décalage est minime, de l'ordre du milliardième de seconde, mais il est réel. La vitesse a dilaté le temps.
Il existe aussi une expérience de pensée, imaginée pour faire comprendre la Relativité : prenez deux jumeaux, âgés de trente ans. L’un des deux jumeaux part dans un vaisseaux spatial à 99% vitesse de la lumière jusqu’à l’étoile Sirius, puis revient. A son retour, il constatera que son frère jumeaux resté sur Terre est beaucoup plus vieux que lui. Alors que celui parti dans le vaisseaux aura l'impression de n'avoir vieillit que de quelques mois, son frère lui aura vieilli de plusieurs décénies.

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