Un trou noir supermassif au centre d'un amas de galaxies.
Un trou noir supermassif au centre d'un amas de galaxies. - Nasa/ESA

On connaît tous Albert Einstein et sa théorie de la relativité générale. Mais sait-on de quoi elle parle et ce qu’elle a apporté au monde ? Alors que l’on fête en cette fin 2015 les 100 ans de la théorie, il est temps de comprendre, en 5 points accessibles à tous, de quoi il retourne.

Avant Einstein

Avant qu’Einstein ne présente au monde la relativité restreinte, en 1905, et la relativité générale dix ans plus tard, l’univers était simple : dans une boîte, l’espace, s’écoule le temps -le même pour tous. A l’intérieur on trouve de la matière, sur laquelle agissent des forces - la gravité, par exemple. Ces quatre concepts sont vus comme indépendants. « L’apport d’Einstein, c’est de dire qu’ils doivent être unifiés », résume Thibault Damour, spécialiste de la relativité générale et auteur de Si Einstein m’était conté (Cherche Midi).

L’apparition d’E = MC2

Ironiquement, la théorie reine d’Einstein ne correspond pas à son équation la plus connue : la fameuse formule E = mc2 apparaît dix ans plus tôt, avec la relativité restreinte. Avec elle, matière et force sont vues comme identiques : E = mc2, ça veut dire que l’énergie peut se transformer en matière et vice-versa. Comme dans les centrales nucléaires où de la matière disparaît pour créer de l’énergie, ou dans les accélérateurs de particules où l’énergie crée de la matière nouvelle.

De la même manière, l’espace et le temps deviennent l’espace-temps à 4 dimensions et Einstein établit qu’il n’y a pas un temps unique. « Il comprend que si vous avez deux horloges identiques, que l’une part en voyage puis revient près de sa sœur, les deux ne marqueront plus le même temps », explique Thibault Damour. « Dès 1905, Einstein change beaucoup de choses d’un point de vue physique et philosophique, souligne Nathalie Deruelle, autre spécialiste de la relativité générale et auteure de De Pythagore à Einstein, tout est nombre (Belin). Mais il ne s’intéressait pas encore à la gravitation. Ce qui l’y a amené, c’est le fait que la gravité de Newton était basée sur un temps universel. Donc elle était incompatible avec la relativité restreinte, il fallait changer ça."

Le principe d’équivalence

Le chemin d’Einstein vers la relativité générale est encore long. Pour y arriver il s’appuie sur une idée fondatrice : le principe d’équivalence. Pour l’expliquer, prenons deux hommes : A est dans une grande boîte placée sur Terre, B dans une boîte identique placée dans l’espace. B est en apesanteur, il flotte. Mais si sa boîte subit une intense accélération, il aura les deux pieds posés au sol, de la même façon qu’on est collé à notre siège dans une voiture qui accélère soudainement. Impossible pour A et B de savoir qui est immobile sur Terre et qui accélère dans l’espace. De cette observation, Einstein édicte cette loi : la gravitation est équivalente à l’accélération.

Maintenant, imaginons que B, dans sa boîte qui accélère, braque une lampe-torche contre le mur. L’intense accélération crée un décalage entre la lampe et l’endroit où les particules de lumière rencontreront le mur. Comme si, plutôt que de filer tout droit, la lumière se courbait. Selon le nouveau principe d’Einstein, si l’accélération courbe la lumière, la gravitation doit le faire aussi. Or la gravitation -une masse qui en attire une autre- n’est pas censée agir sur la lumière, qui est justement dépourvue de masse. Comment un objet massif peut-il donc courber la lumière ? Einstein mettra des années à le comprendre et l’expliquera en 1915 : en fait ce n’est pas le trajet de la lumière dans l’espace qui est courbé, mais l’espace lui-même !

La relativité générale et ce qu’elle permet

Avec la relativité générale, dire que la Terre tourne autour du Soleil devient incorrect. En fait, la Terre va tout droit dans l’espace-temps, mais c’est l’espace-temps lui-même qui, déformé par cette masse importante qu’est le Soleil, est courbé. « Avant 1915, l’espace et le temps étaient rigides, indépendants du contenu, rappelle Thibault Damour. La théorie d’Einstein peut être résumée ainsi : le contenu change le contenant. »

Dans la vie de tous les jours, la relativité générale a une application très utile : le système GPS. « Les satellites GPS, ce sont des horloges situées à des milliers de kilomètres de haut et en mouvement, décrit Thibault Damour. Ils ne marquent donc pas le même temps qu’une horloge restée sur Terre. La différence est toute petite, mais plus grande que la stabilité du GPS. Si on ne met pas dans son logiciel la théorie de la relativité générale, en une minute et demie vous rentrez dans le mur », car un décalage apparaîtrait entre vous et le satellite, qui n’arriverait plus à bien vous localiser. Mais c’est dans l’astronomie et la cosmologie qu’elle a connu le plus de succès, en permettant de décrire l’expansion de l’univers ou les trous noirs.

Au-delà d’Einstein

La relativité générale est-elle infaillible ? Jusqu’ici, oui. « Aujourd’hui, on peut faire des expériences un million de fois plus précises qu’il y a cent ans, illustre Nathalie Deruelle. Et même avec cette finesse, l’équation s’est toujours vérifiée. Pour l’instant, la théorie d’Einstein est un triomphe. » A quelques petites fausses notes près. Deux observations, liées aux supernovæ et au rayonnement de fond cosmique, ne sont compatibles avec la relativité générale qu’à une condition : « On est obligé d’introduire deux composantes : la matière noire et l’énergie noire, inventions théoriques visant à expliquer ce qu’on a observé », poursuit la physicienne. En gros, plutôt que de revoir la théorie pour qu’elle colle à la réalité, on ajoute un twist à la réalité pour qu’elle colle à la théorie.

Autre souci : la théorie de la gravitation et la mécanique quantique, incompatibles, restent à réconcilier en une théorie unique. Comme Newton avant lui, Einstein paraît aujourd’hui indépassable, mais sera sans nul doute un jour surpassé.

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