Les explications de Tonton Don - La Relativité générale

Bonjour très chèr(e)s ami(e)s,
 
Reprenons notre progression, nous avons exploré un peu l’étrangeté de la lumière avec ce premier paradoxe : le photon est-il un grain de matière ? Une onde ? Les deux ? Ce qui est amusant, c’est que sa nature nous est révélée uniquement lorsque nous l’observons. Nos reviendrons sur un sujet similaire lorsque nous aborderons le sujet riche qu’est la mécanique quantique.
 
Maintenant que notre physicien à moustache a redéfinit la bizarrerie de la lumière que fait-il ? Il est chaud bouillant, et se lance donc un nouvel axe de réflexion : la gravité. Premier exercice de pensée, au fond selon vous, intuitivement qu’est-ce que la gravité ? Une force telle la force électrique ? Magnétique telle la limaille de fer attirée par un bout d’aimant ?
 
La première image est certainement celle que nous avons reçu durant notre éducation : tout corps attire chaque corps, selon Newton, le soleil exerce une force de gravité sur notre bonne vieille Terre, et donc sur nous-mêmes. Il n'est d'ailleurs pas rare d'entendre que si les hommes grandissent, c'est du fait de la force transmise par le soleil, un peu à l'image du monde végétal. Mais alors qu'est-ce que cette gravité, qui nous tient fermement ancré au sol, qui fait tomber les pommes des arbres, et qui orchestre le balai du couple Terre -  Lune ?
 
Toujours selon Newton, cette force est instantanée mais quant à sa nature... Et tout cela posait bien des soucis à Einstein. En effet dans sa conception de la relativité restreinte, il était prévu que la lumière ait une vitesse précise et que nul ne pouvait la dépasser, or si la gravité est instantanée cela signifie que l'information née de la gravitation se propage plus vite que la lumière véhiculée par le photon. Mince encore  un paradoxe !
 
Et pour le résoudre, une seule solution : l’accélération !
 
C’est vrai que présenté comme ça, la relation ne saute pas aux yeux ! Et pourtant… Nouvel exercice de pensée
 
Que pensez-vous de l'accélération ?
 
Quel rapport me direz-vous ! Et pourtant il se peut qu'il y ait un rapport bien qu'indirect, mais pertinent tout de même. Imaginons que nous soyons confortablement assis à bords d'un véhicule équipé d'un moteur surpuissant (la Super Twingo Fire 12),. Si à l'arrêt du véhicule je décide d'écraser la pédale d'accélérateur, nous allons être tout deux sentir une force qui nous pousse vers le fond de notre siège, et il sera plus difficile qu'à l'accoutumé de se projeter vers l'avant. A l'inverse si j'écrase la pédale de frein, nous allons tout deux sentir une force qui nous pousse vers l'avant du siège. Intuitif non ?
 
Poursuivons avec une petite visite dans une fête foraine qui vient d'ouvrir avec une nouvelle attraction, « Le terrifiant ascenseur de l'espace de la mort qui tue » (un nom qui en jette !). Il s'agit d'une toute petite cabine dans laquelle il n'y a pas de siège mais des rampes pour s'y accrocher solidement. Au signal un lanceur catapulte à la verticale notre cabine où nous sommes tous deux debout. Par la force de la vitesse, donc de l'accélération, nous nous sentons écraser, et nous avons tendance à nous accroupir sur le sol de la cabine. Puis arrivés à notre point culminant en hauteur, progressivement la vitesse devient nulle, et fatalement nous retombons en chute libre. Débarrassés de notre poids, nous flottons à l'intérieur de notre minuscule prison.
 
Pour finir imaginons maintenant que quelque ingénieur installe sous notre ascenseur, un moteur de fusée, et que je calibre celui-ci pour que la poussée des réacteurs compense juste le poids de notre cabine, qu'arrivera-t-il ?
 
Nous allons rester suspendus à quelques mètres de hauteur. L’accélération fournit par le moteur compense les effets de la gravité, et si maintenant je décide que nous allons accélérer et que je réussis à impulser une vitesse de 11 kilomètres par seconde, alors nous allons vaincre l’apesanteur et quitter la Terre.
 
L’accélération peut donc être assimilée à la force de gravité. Pour reprendre l’allégorie de la caverne de Pluton, si je plaçais quelqu’un qui ne connaît pas le monde moderne, qui n’a jamais entendu parlé de fusée ou même de moteurs, et si nous le mettions les yeux bandés dans cette cabine sans lui dire où nous allons, il ne pourra être à même de définir si oui ou non il a quitté la terre ferme puisqu’il sentira toujours sous ses pieds une force qui le maintien au sol. Or celle-ci n’est plus la gravitation mais l’accélération fournit par le moteur.
 
Que nous montrent ces différents exemples ? Intuitivement vous avez compris que dans certaines occasions il ne nous est pas possible de distinguer l'accélération de la force de gravité. En clair on peut assimiler une accélération à la force de gravité et réciproquement. Toutes deux produisent les mêmes effets, les mêmes sensations.
 
Voilà pour partie le raisonnement d'Einstein. Il est possible de contre carrer la force de gravitation par une accélération, toute deux seraient-elles les mêmes facettes d'un même événement ? Ou alors, la gravitation serait-elle une forme quelconque d'accélération ?
 
Mais palabrer de la nature même de la gravitation est une chose, mais encore faut-il y incorporer toutes les conséquences que cela implique, car qu'est-ce qui pourrait faire que la gravitation soit une forme particulière d'accélération (ou inversement) ?
 
Hé bien la réponse à cela est à trouver dans la réinterprétation du tissu espace-temps. Décryptons ces termes barbares.
 
Avant l'apparition de la théorie de la relativité générale nous avions soulevé le fait que pour l'humanité dans sa grande majorité, le temps et l'univers sont deux choses distinctes, mais à ceci près que lorsqu'on les mélange ils sont éternels. En ce sens que l'univers a toujours été ainsi, figé et immuable. Il baigne dans une substance nommé Ether, et subit l'action impénétrable de la loi de Gravité qui s'est vu si bien confortée par les lois de Kepler et de Newton que rien ne semble ébranler ces acquis.
 
Seulement voilà, Einstein ne l'entend plus de cet avis après tous ses travaux. Selon lui, finalement la gravité n'est pas une force instantanée puisqu'elle ne correspond pas une force physique au sens littéral du terme, mais correspond plutôt à une certaine particularité de la géométrie de l'espace. Hé oui, vous avez bien lu géométrie !
 

Pour nous familiariser avec cette approche, nous allons utiliser des images encore une fois plus simpliste, prenons un drap suffisamment tendu à chaque coin de manière à ce qu’il soit parallèle au sol et parfaitement lisse. Ce drap nous le mettons sous un pommier, d’après ce qu’avait compris Newton, viendra un moment où fatalement dans l’année une pomme tombera sur notre drap, et que se passera-t-il ? Si l’on imagine que la pomme tombe à pic, ne roule pas trop et reste sagement sur le drap, alors sous le poids de celle-ci le drap va légèrement s’incurver. Lui qui était lisse initialement l’est un peu moins aux alentours du fruit, si bien qu’avant qu’il ne soit là, si je lance une bille, elle va filer tout droit. Maintenant si je lance ma bille en direction de la pomme, pas complètement centrée vers celle-ci mais disons juste à côté, qu’adviendra-t-il ? La bille ne rencontrant aucun obstacle ni de déformation va au départ filer tout droit, mais en arrivant vers le fruit, le drap n’est plus plat et lisse mais présente un dénivelé crée par la présence de la pomme, et lorsque ma bille va le rencontrer sa trajectoire s’en verra affectée. Schématiquement il se passe la même chose dans l’univers, à ceci près que notre exemple est une image en deux dimensions, alors que nous vivons dans un espace à quatre dimensions (3 spatiales et une temporelle).






La figure 2 nous montre la courbure du tissu espace-temps provoqué par la Terre, tandis que la figure 3 nous dévoile la trajectoire d’un rayon lumineux aux abords d’une masse.
 
Ainsi dans le regard neuf apporté par Einstein, la gravitation en tant que telle n’est absolument pas une force au sens propre du terme, mais simplement l’expression de la courbure du tissu espace-temps provoquée par un objet massif. Le poids de ce dernier va courber l’espace à l’image de notre pomme sur le drap. D’autre part, notre physicien fétiche va apporter une précision de taille pour résoudre son paradoxe initial.
 
En effet, il a calculé que l’effet de la gravitation ne pouvait être instantané mais que la propagation de cette information pouvait également être déterminée, et selon vous, à quelle vitesse se propage-t-elle ? A la vitesse de la lumière bien sûr. Ce qu’il nomma onde gravitationnelle. Comment la représenter ? Simple, rappelez-vous enfant jetant un caillou dans une mare. Lorsqu’il touche l’eau, il génère une succession d’ondes, vaguelettes dont le centre est le point d’impact et qui s’étendent sous forme sphérique.
 
Au final cela nous donne deux images bien différentes de la gravitation quant à sa nature et sa propagation, même si in fine les deux méthodes nous montrent la même chose. En effet, les lois de la gravitation ainsi que les lois de Kepler sont tout à fait à même de prédire et d’anticiper les trajectoires dynamiques. Et pourtant nous avons deux façons de penser bien distinctes.
 
Alors comment tirer cela au clair, et comment déterminer qui a raison ?
 
Voici un exemple bien qu’effrayant qui va nous permettre de schématiser et distinguer ces deux idées. Prenons notre étoile, le soleil. Situé à ce que nous nommons 1 unité astronomique (150 millions de kilomètres), il nous inonde de lumière et de chaleur. La lumière ! Que nous a dit Einstein, sa vitesse est immuable et sera toujours quoi qu’il advienne de 300 000 km/s. Ainsi si le soleil disparaissait d’un coup d’un seul comme par enchantement que nous diraient nos deux sommités de la physique ?
Newton, sûr de lui, nous regarderait bien droit dans les yeux, puis solennellement (par ce qu’il était du genre professoral dans sa façon d’être !) nous expliquerait que si le soleil venait à disparaître, l’attraction que s’exerce mutuellement notre astre et notre planète s’évanouirait instantanément, si bien qu’aussitôt après avoir disparu, la Terre changerait de trajectoire pour filer dans les confins de l’espace.
 
Pour Einstein, cela n’est pas tout à fait vrai, en effet il faudrait 8 minutes pour que les ondes gravitationnelles générées par la disparition de l’astre se propagent jusqu’à nous. (Rappelez-vous, 150 millions de Kms sachant que si l’onde gravitationnelle voyage à 300 000 km/s, alors il lui faudrait 8 minutes pour nous  atteindre). La finalité sera la même nous finirons nos jeunes jours dans la froideur de l’espace, mais nous aurions 8 minutes pour dire au revoir à celui qui a en partie apporté la vie.
 
Alors qui a raison qui a tort ? La solution de ce problème fut amenée par Sir Arthur Eddington. Comment ? Par l’intermédiaire d’une éclipse !
 
Pour tester l’exactitude de sa théorie Einstein concocte un petit exercice de précision angulaire. Le jour, nous ne voyons pas les étoiles car elles sont masquées par la présence du soleil et en particulier par sa luminosité. Nous ne pouvons les contempler qu’à la tombée de la nuit. Notre étoile nous envoie continuellement tout un flot de photons qui viennent illuminer notre belle planète. Pour l’instant imaginez ces photons comme la bille de notre exemple, nous reviendrons un peu plus tard sur le photon. Ces photons, le soleil en émet tout comme les autres étoiles que nous voyons scintiller durant la nuit.
 
Si l’on suit le raisonnement d’Einstein, alors quand les photons émis par une étoile au loin passent à proximité du soleil, alors ils devraient être déviés. Ce qui fait que si nous choisissons une étoile dont nous savons que le jour de l’éclipse, elle se situera en arrière-plan de notre soleil (et sera visible du fait de l’éclipse), alors nous devrions la voir à un autre emplacement que celui attendu.
 
Et c’est ce que Sir Arthur Eddington, secrétaire de la Royal Astronomical Society Of England, s’est donné pour objectif durant cette fameuse éclipse du 29 mai 1919. Et il l’a fait avec son équipe sur l’Ile de Principe au large de l’Afrique occidentale. Et le verdict fut sans appel.
 
Einstein avait raison.
 
To be continued…
Tonton Don