Une astronaute se réveille dans un vaisseau spatial, sans aucun souvenir de la façon dont elle y est arrivée. Assise seule sur une chaise, elle se demande : » Où suis-je dans l’univers ?”
Le navire n’a pas de fenêtres. Ses instruments sont morts. Le seul indice est la poussée de la chaise contre son corps. Ouf, il y a de la gravité, pense-t-elle. Son vaisseau doit toujours être sur Terre.
Mais alors une deuxième possibilité se présente à elle. Le vaisseau pourrait accélérer dans l’espace, la pressant dans le siège comme une voiture de course prenant de la vitesse. De l’intérieur du vaisseau, il n’y a — terriblement — aucun moyen de le dire.
Le dilemme de ce voyageur spatial aurait été familier à Albert Einstein. Sa théorie générale de la relativité de 1915 reposait sur l’idée que la gravité et l’accélération ne sont pas simplement facilement confondues, mais sont une seule et même chose. Cette équivalence, « la pensée la plus heureuse » de la vie d’Einstein, a été son point de départ pour redéfinir la gravité.
La relativité générale est née de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, qui décrit comment la vitesse de la lumière (dans le vide) peut toujours être constante.
Selon la relativité, tout ce qui peut se produire à l’intérieur d’une boîte prenant de la vitesse — c’est—à-dire accélérant – se produit également en présence de gravité. Imaginez, par exemple, un laser horizontal à l’intérieur d’un ascenseur qui accélère vers le haut. Lorsque la lumière se déplace latéralement, l’ascenseur se lève, ce qui fait que le faisceau frappe un endroit sur le mur légèrement plus bas que là où il a commencé. Si l’ascenseur accélère assez rapidement, la poutre se plie visiblement vers le sol.
Einstein a montré la même chose qui arrive à un faisceau à l’intérieur d’un ascenseur stationnaire dans un puissant champ gravitationnel; la gravité plie la lumière. De même, il s’attendait à ce qu’un faisceau de lumière stellaire se courbe lorsqu’il traverse la gravité du soleil. Cette prédiction s’est avérée correcte lorsque les étoiles se sont déplacées lors de l’éclipse solaire de 1919.
La relativité décrit pourquoi une horloge sur un satellite tourne quelques dizaines de microsecondes plus vite qu’une horloge sur Terre; sans tenir compte de cet écart, les technologies GPS ne fonctionneraient pas.
Pour lier ainsi accélération et gravité, Einstein a renversé l’un de ses propres héros: Isaac Newton. Vous avez peut-être appris que Newton a décrit la gravité comme une force, un élastique invisible qui rassemble des objets avec de la masse. Les mathématiques de Newton ont fait du bon travail pour prédire comment tout, des projectiles aux planètes, se déplaçait — mais elles maintenaient la gravité séparée de l’accélération.
Einstein a soutenu que la gravité n’est pas du tout une force. Il l’a décrit comme une courbure du temps et de l’espace causée par la masse et l’énergie. Confus? Le physicien allemand l’était aussi, et il a lutté avec la théorie pendant près d’une décennie. Il a reçu l’aide du mathématicien Marcel Grossmann, un vieil ami qui a partagé ses notes lorsqu’un jeune Einstein a sauté des cours.
Leurs calculs, établis en 10 équations, expliquaient comment la gravité pouvait se déplacer autour des objets via une réalité déformée, accélérant sans jamais ressentir de mystérieuses forces newtoniennes.
Les bases relatives
Les principaux points à retenir de la théorie générale de la relativité d’Einstein:
1. Le temps et l’espace ne sont ni plats ni fixes; ils sont courbés et déformés par la masse et l’énergie.
2. La gravité n’est pas une force, mais plutôt une distorsion du temps et de l’espace.
3. Les effets de la gravité sont indiscernables des effets de l’accélération, sur un petit espace.
Les prédictions particulières d’Einstein
La relativité fait de nombreuses prédictions bizarres, dont beaucoup sont vérifiées expérimentalement. Ils ne semblent bizarres que parce que nous ne les remarquons pas dans notre vie quotidienne — nous vivons, pour la plupart, dans la réalité de Newton. Mais au-delà se trouve l’univers d’Einstein, où la gravité plie l’espace et le temps à sa volonté. Voici quelques-uns des effets secondaires les plus étranges de la théorie:
-
La gravité ralentit littéralement le temps. Les ondes de lumière émises par les étoiles s’étendent à cause de cette flexion temporelle, et les objets plus proches d’un objet massif vieillissent plus lentement. Des horloges ultra-précises, qui tiquent en fonction des vibrations des atomes, ont vérifié que la gravité modifie le flux du temps.
-
Les satellites ont montré que les corps célestes en rotation font tourner le tissu du cosmos autour d’eux, comme du miel tordu par une cuillère, affectant le mouvement des gyroscopes.
-
Une prédiction a résolu un dilemme de longue date, une oscillation étrange dans l’orbite de Mercure que les mathématiques de Newton ne pouvaient pas expliquer. (Les astronomes avaient initialement blâmé une planète cachée appelée Vulcain.) La relativité a expliqué l’orbite bancale en termes de déformation de l’espace par la puissante gravité du soleil.
-
De minuscules ondulations en réalité, causées par la collision de trous noirs, ont déclenché des capteurs dans des instruments hautement sensibles enfouis sous Terre.
Cette histoire est initialement parue sous la forme « Tout est relatif. »