"Je suis épuisé. Mais le succès est glorieux."
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C'était il y a cent ans en novembre et Albert Einstein profitait d'un rare moment de contentement. Quelques jours auparavant, le 25 novembre 1915, il avait pris la parole à l'Académie des sciences de Prusse à Berlin et avait déclaré qu'il avait enfin achevé son douloureuse expédition de dix ans à une nouvelle compréhension plus approfondie de la gravité. Einstein a affirmé que la théorie générale de la relativité était maintenant complète.
Le mois qui a précédé l'annonce historique avait été la période la plus intense de son existence sur le plan intellectuel et anxieuse. Cela a culminé avec la vision radicalement nouvelle d'Einstein de l'interaction de l'espace, du temps, de la matière, de l'énergie et de la gravité, un exploit largement vénéré comme l'une des plus grandes réalisations intellectuelles de l'homme.
À l'époque, le bourdonnement de la relativité générale n'était entendu que par une bande de penseurs à la périphérie de la physique ésotérique. Mais au cours des cent dernières années, l'idée originale d'Einstein est devenue le lien entre un grand nombre de problèmes fondamentaux, notamment l'origine de l'univers, la structure des trous noirs et l'unification des forces de la nature. Cette théorie a également été mise à profit pour des tâches plus appliquées telles que la recherche de planètes extrasolaires, la détermination de la masse de galaxies lointaines et même l’orientation des trajectoires des automobilistes capricieux et des missiles balistiques. La relativité générale, autrefois une description exotique de la gravité, est maintenant un puissant outil de recherche.
La quête pour saisir la gravité a commencé bien avant Einstein. Pendant la peste qui ravagea l'Europe de 1665 à 1666, Isaac Newton se retira de son poste à l'Université de Cambridge, se réfugia chez sa famille, dans le Lincolnshire, et réalisa dans ses heures creuses que chaque objet, qu'il soit terrestre ou céleste, tire les uns sur les autres avec une force qui dépend uniquement de la taille des objets - de leur masse - et de leur distance dans l’espace - de leur distance. Les écoliers du monde entier ont appris la version mathématique de la loi de Newton, qui a fait des prédictions si précises sur le mouvement de tout, des roches projetées aux planètes en orbite, qu'il semblait que Newton avait écrit le dernier mot sur la gravité. Mais il n'avait pas. Et Einstein fut le premier à en être certain.
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En 1905, Einstein découvrit la théorie spéciale de la relativité, établissant le fameux dicton selon lequel rien - aucun objet ni signal - ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Et c'est là que réside le problème. Selon la loi de Newton, si vous secouez le Soleil comme un maraca cosmique, la gravité fera immédiatement trembler la Terre. C'est-à-dire que la formule de Newton implique que la gravité exerce son influence d'un endroit à un autre instantanément. Ce n'est pas seulement plus rapide que la lumière, c'est infini.
La relativité: la spéciale et la théorie générale
Publiée à l’occasion du centième anniversaire de la relativité générale, cette belle édition du célèbre livre d’Einstein situe l’œuvre dans son contexte historique et intellectuel, tout en offrant un éclairage inestimable sur l’un des plus grands esprits scientifiques de tous les temps.
AcheterEinstein n'en aurait rien. Une description plus fine de la gravité doit sûrement exister, dans laquelle les influences gravitationnelles ne dépassent pas la lumière. Einstein s'est consacré à le trouver. Et pour ce faire, il réalisa qu'il lui faudrait répondre à une question apparemment fondamentale: comment fonctionne la gravité? Comment le Soleil s'étend-il sur 93 millions de kilomètres et exerce une attraction gravitationnelle sur la Terre? Pour les tireurs plus familiers de l'expérience quotidienne - ouvrir une porte, déboucher une bouteille de vin - le mécanisme est manifeste: il existe un contact direct entre votre main et l'objet qui ressent le tirage. Mais lorsque le Soleil tire sur la Terre, cette traction s'exerce à travers l'espace, un espace vide. Il n'y a pas de contact direct. Alors, quelle main invisible est au travail pour exécuter les ordres de gravité?
Newton lui-même trouva cette question très déconcertante et affirma que son propre échec à identifier comment la gravité exerçait son influence signifiait que sa théorie, malgré le succès de ses prédictions, était certainement incomplète. Pourtant, pendant plus de 200 ans, l’aveu de Newton n’était rien de plus qu’une note de bas de page négligée d’une théorie qui s’accordait par ailleurs parfaitement avec les observations.
En 1907, Einstein commença à travailler sérieusement à répondre à cette question. en 1912, il était devenu son obsession à plein temps. Et au cours de ces quelques années, Einstein a découvert une percée conceptuelle clé, aussi simple à énoncer qu’à relever, qui rend difficile à saisir: s’il n’ya rien d’espace vide entre le Soleil et la Terre, leur attraction gravitationnelle doit être exercée par l’espace lui-même. Mais comment?
La réponse d'Einstein, à la fois belle et mystérieuse, est que la matière, telle que le Soleil et la Terre, provoque la courbure de l'espace qui l'entoure et que la forme d'espace déformée qui en résulte influence le mouvement des autres corps qui passent.
Voici une façon d'y penser. Imaginez la trajectoire droite suivie par une bille que vous avez roulée sur un plancher de bois plat. Maintenant, imaginez rouler le marbre sur un plancher en bois qui a été déformé et tordu par une inondation. La bille ne suivra pas la même trajectoire rectiligne car elle sera déplacée dans tous les sens par les contours courbes du sol. Un peu comme avec le sol, donc avec de l'espace. Einstein a imaginé que les contours incurvés de l'espace inciteraient une balle de baseball frappée à suivre son chemin parabolique familier et inciteraient la Terre à adhérer à son orbite elliptique habituelle.
C'était un saut à couper le souffle. Jusque-là, l’espace était un concept abstrait, une sorte de conteneur cosmique, et non une entité tangible susceptible de provoquer un changement. En fait, le saut était encore plus grand. Einstein comprit que le temps pouvait aussi se déformer. Intuitivement, nous imaginons tous que les horloges, quel que soit leur emplacement, fonctionnent au même taux. Mais Einstein a proposé que les horloges les plus proches rappellent un corps massif, comme la Terre, plus elles ralentissent, reflétant une influence surprenante de la gravité sur le passage du temps. Et, tout comme une trajectoire temporelle, une trajectoire spatiale peut décaler la trajectoire d'un objet: les calculs d'Einstein suggèrent que les objets sont attirés vers des endroits où le temps s'écoule plus lentement.
Néanmoins, la refonte radicale de la gravité d'Einstein en termes de forme d'espace et de temps ne lui suffisait pas pour prétendre à la victoire. Il avait besoin de développer les idées dans un cadre mathématique prédictif qui décrirait avec précision la chorégraphie dansée par l'espace, le temps et la matière. Même pour Albert Einstein, cela s’est avéré un défi monumental. En 1912, luttant pour façonner les équations, il écrivit à un collègue: «Jamais auparavant de ma vie je ne me suis tourmenté de la sorte.» Pourtant, à peine un an plus tard, alors qu'il travaillait à Zurich avec son collègue plus mathématique, Marcel Grossmann, Einstein s'est avéré très proche de la réponse. S'appuyant sur les résultats du milieu du XIXe siècle qui fournissaient le langage géométrique pour décrire les formes courbes, Einstein a créé une reformulation entièrement nouvelle mais rigoureuse de la gravité en termes de géométrie de l'espace et du temps.
Mais alors tout a semblé s'effondrer. En étudiant ses nouvelles équations, Einstein a commis une erreur technique fatale, l'amenant à penser que sa proposition ne permettait pas de décrire correctement toutes sortes de mouvements banals. Pendant deux longues années frustrantes, Einstein tenta désespérément de corriger le problème, mais rien ne fonctionna.
Einstein, tenace au fur et à mesure qu'ils se présentent, resta intact et à l'automne de 1915, il finit par voir la voie à suivre. Il était alors professeur à Berlin et avait été intronisé à l'Académie des sciences de Prusse. Malgré tout, il avait du temps devant lui. Son ex-épouse, Mileva Maric, a finalement accepté que sa vie avec Einstein était terminée et était revenue à Zurich avec leurs deux fils. Bien que les relations familiales de plus en plus tendues pèsent sur Einstein, cet arrangement lui permet également de suivre librement ses intuitions mathématiques, jour et nuit, sans être dérangées, dans la solitude silencieuse de son appartement stérile de Berlin.
En novembre, cette liberté a porté ses fruits. Einstein corrigea son erreur précédente et entreprit la dernière ascension vers la théorie générale de la relativité. Mais comme il travaillait intensément sur les détails mathématiques, les conditions devinrent inattendues. Quelques mois auparavant, Einstein avait rencontré le célèbre mathématicien allemand David Hilbert et avait partagé toutes ses réflexions sur sa nouvelle théorie de la gravitation. Apparemment, Einstein a appris à sa consternation que la réunion avait tellement attisé l’intérêt de Hilbert qu’il courait maintenant Einstein jusqu’à la ligne d’arrivée.
Une série de cartes postales et de lettres échangées tout au long de novembre 1915 documente une rivalité cordiale mais intense alors que chacune se rapprochait des équations de la relativité générale. Hilbert considérait comme un jeu juste de poursuivre une ouverture dans une théorie de la gravité prometteuse mais encore inachevée; Einstein considérait qu'il était terriblement mauvais pour Hilbert de participer à son expédition en solitaire si près du sommet. En outre, Einstein réalisa avec inquiétude que les réserves mathématiques plus profondes de Hilbert constituaient une menace sérieuse. Malgré ses années de travail acharné, Einstein pourrait se faire avoir.
L'inquiétude était bien fondée. Le samedi 13 novembre, Hilbert a invité Einstein à le rejoindre mardi à Göttingen pour apprendre «de manière très détaillée» la «solution à votre grand problème». Einstein s'est opposé. «Je dois m'abstenir pour le moment de me rendre à Göttingen et je dois plutôt attendre patiemment jusqu'à ce que je puisse étudier votre système à partir de l'article imprimé; car je suis fatigué et souffrant de douleurs à l'estomac.
Mais ce jeudi-là, quand Einstein ouvrit son courrier, il fut confronté au manuscrit de Hilbert. Einstein a immédiatement répondu, dissimulant à peine son irritation: «Le système que vous fournissez est conforme, à ce que je sache, exactement ce que j'ai trouvé ces dernières semaines et que j'ai présenté à l'Académie.» À son ami Heinrich Zangger, Einstein a confié «Dans mon expérience personnelle, je n’ai pas mieux appris la misère de l’espèce humaine comme à l’occasion de cette théorie…»
Une semaine plus tard, le 25 novembre, Einstein, conférencier à l'auditoire de l'Académie prussienne, dévoila les dernières équations constituant la théorie générale de la relativité.
Personne ne sait ce qui s'est passé pendant cette dernière semaine. Einstein a-t-il inventé lui-même les dernières équations ou le document de Hilbert a-t-il fourni une aide non sollicitée? Le projet de Hilbert contenait-il la forme correcte des équations, ou Hilbert a-t-il ensuite inséré ces équations inspirées du travail d'Einstein dans la version du document publié par Hilbert quelques mois plus tard? L’intrigue ne s’intensifie que lorsque nous apprenons qu’une partie clé des épreuves de page du papier de Hilbert, qui aurait pu résoudre les questions, a été littéralement arrachée.
À la fin, Hilbert a fait le bon choix. Il a reconnu que quel que soit son rôle dans la catalyse des équations finales, la théorie générale de la relativité devrait à juste titre être attribuée à Einstein. Et c'est comme ça. Hilbert a lui aussi son dû, car une manière technique mais particulièrement utile d'exprimer les équations de la relativité générale porte les noms des deux hommes.
Bien sûr, le crédit ne serait utile que si la théorie de la relativité générale était confirmée par des observations. Remarquablement, Einstein pouvait voir comment cela pourrait être fait.
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La relativité générale a prédit que les faisceaux de lumière émis par les étoiles lointaines voyageraient sur des trajectoires courbes lorsqu'ils traversaient la région déformée près du Soleil en route vers la Terre. Einstein a utilisé les nouvelles équations pour préciser cela: il a calculé la forme mathématique de ces trajectoires courbes. Mais pour tester les prévisions, les astronomes auraient besoin de voir des étoiles lointaines lorsque le Soleil est au premier plan. Cela n'est possible que lorsque la Lune bloque la lumière du Soleil, lors d'une éclipse solaire.
La prochaine éclipse solaire, le 29 mai 1919, serait donc le terrain d'essai de la relativité générale. Des équipes d'astronomes britanniques, dirigées par Sir Arthur Eddington, se sont installées dans deux endroits qui subiraient une éclipse totale du Soleil: à Sobral (Brésil) et à Príncipe, au large de la côte ouest de l'Afrique. Pour lutter contre les intempéries, chaque équipe a pris une série de clichés d'étoiles lointaines, momentanément visibles, alors que la Lune dérivait à travers le Soleil.
Au cours des mois suivants d'analyse attentive des images, Einstein attendit patiemment les résultats. Finalement, le 22 septembre 1919, Einstein reçut un télégramme annonçant que les observations de l'éclipse avaient confirmé sa prédiction.
Les journaux du monde entier ont repris l'histoire, avec des titres à couper le souffle proclamant le triomphe d'Einstein et le catapultant pratiquement du jour au lendemain en lui faisant sensation. Au milieu de toute cette excitation, une jeune étudiante, Ilse Rosenthal-Schneider, a demandé à Einstein ce qu’il aurait pensé si les observations n’étaient pas conformes à la prédiction de la relativité générale. Einstein a répondu avec une bravade charmante: "J'aurais été désolé pour le Seigneur, parce que la théorie est correcte."
En effet, au cours des décennies qui ont suivi les mesures d'éclipse, de nombreuses autres observations et expériences - certaines en cours - ont conduit à une confiance sans faille dans la relativité générale. L'un des plus impressionnants est un test d'observation couvrant près de 50 ans parmi les projets les plus anciens de la NASA. La relativité générale prétend qu’en tant que corps comme la Terre tourne sur son axe, il devrait glisser l’espace dans un tourbillon, un peu comme un caillou qui tourne dans un seau de mélasse. Au début des années 1960, les physiciens de Stanford ont mis au point un système pour tester la prédiction: Lancez quatre gyroscopes ultra-précis sur une orbite proche de la Terre et recherchez des changements minimes dans l'orientation des axes des gyroscopes qui, selon la théorie, devraient être causés par l'espace tourbillonnant.
Il a fallu une génération d’efforts scientifiques pour mettre au point la technologie gyroscopique nécessaire, puis des années d’analyse de données pour surmonter, entre autres, un malheureux vacillement des gyroscopes acquis dans l’espace. Mais en 2011, l'équipe à l'origine de Gravity Probe B, comme le nom l'indique, a annoncé que l'expérience d'un demi-siècle était parvenue à une conclusion positive: les axes des gyroscopes tournaient selon les prévisions du calcul d'Einstein.
Il reste une expérience, qui dure actuellement depuis plus de 20 ans, que beaucoup considèrent comme le test final de la théorie de la relativité générale. Selon la théorie, deux objets en collision, qu’ils soient des étoiles ou des trous noirs, vont créer des vagues dans la structure de l’espace, un peu comme deux bateaux en collision sur un lac par ailleurs calme créeront des vagues d’eau. Et comme de telles ondes gravitationnelles ondulent vers l’extérieur, l’espace se dilate et se contracte dans leur sillage, un peu comme une boule de pâte alternativement étirée et comprimée.
Au début des années 90, une équipe dirigée par des scientifiques du MIT et de Caltech a lancé un programme de recherche visant à détecter les ondes gravitationnelles. Le défi, et c’est un défi de taille, est que si une rencontre astrophysique tumultueuse se produit au loin, au moment où les ondulations spatiales résultantes se dissiperont sur Terre, elles se seront tellement étendues qu’elles se trouveront fantastiquement diluées, peut-être en étirant et en comprimant l’espace. seulement une fraction d'un noyau atomique.
Néanmoins, les chercheurs ont mis au point une technologie qui permettrait peut-être de détecter les minuscules signes révélateurs d’une ondulation dans la structure de l’espace au fur et à mesure de son déplacement par la Terre. En 2001, deux dispositifs en forme de L de quatre kilomètres de long, connus sous le nom de LIGO (Observatoire d'interféromètre laser à ondes de gravitation), ont été déployés à Livingston, en Louisiane, et à Hanford, dans l'État de Washington. La stratégie consiste à faire passer par une onde gravitationnelle tour à tour l’étirement et la compression des deux bras de chaque L, en laissant une empreinte sur la lumière laser parcourant chaque bras.
En 2010, LIGO a été mis hors service, avant même que toute signature d'ondes gravitationnelles n'ait été détectée. L'appareil manquait presque certainement de la sensibilité nécessaire pour enregistrer les minuscules secousses causées par une onde gravitationnelle atteignant la Terre. Mais maintenant, une version avancée de LIGO, une mise à niveau censée être dix fois plus sensible, est en cours de mise en œuvre, et les chercheurs prévoient que dans quelques années, la détection de ondulations dans l'espace causées par des perturbations cosmiques lointaines sera monnaie courante.
Le succès serait excitant non pas parce que quiconque doute vraiment de la relativité générale, mais parce que des liens confirmés entre la théorie et l'observation peuvent donner lieu à de nouvelles applications puissantes. Les mesures d'éclipse de 1919, par exemple, qui établissaient que la trajectoire de la lumière pliait de façon gravitationnelle, ont inspiré une technique réussie maintenant utilisée pour rechercher des planètes distantes. Lorsque de telles planètes passent devant leurs étoiles hôtes, elles focalisent légèrement la lumière de l'étoile, ce qui crée un motif d'éclaircissement et d'atténuation que les astronomes peuvent détecter. Une technique similaire a également permis aux astronomes de mesurer la masse de galaxies particulières en observant à quel point elles déformaient la trajectoire de la lumière émise par des sources encore plus éloignées. Un autre exemple, plus familier, est le système de positionnement global, qui repose sur la découverte par Einstein que la gravité affecte le passage du temps. Un appareil GPS détermine son emplacement en mesurant le temps de parcours des signaux reçus de divers satellites en orbite. Sans tenir compte de l'impact de la gravité sur le temps écoulé sur les satellites, le système GPS ne déterminerait pas correctement l'emplacement d'un objet, y compris votre voiture ou un missile guidé.
Les physiciens pensent que la détection des ondes gravitationnelles a la capacité de générer sa propre application d'une importance capitale: une nouvelle approche de l'astronomie d'observation.
Depuis Galileo, nous avons tourné les télescopes vers le ciel pour recueillir les ondes lumineuses émises par des objets distants. La prochaine phase de l’astronomie pourrait très bien se concentrer sur la collecte d’ondes gravitationnelles produites par des bouleversements cosmiques lointains, nous permettant de sonder l’univers d’une toute nouvelle manière. Ceci est particulièrement excitant car les ondes lumineuses ne pouvaient pénétrer dans le plasma qui remplissait l’espace que quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang - mais les ondes gravitationnelles le pouvaient. Un jour, nous utiliserons donc peut-être la gravité, et non la lumière, comme sonde la plus pénétrante des premiers moments de l'univers.
Parce que les ondes de gravité ondulent dans l’espace un peu comme les ondes de son retentissent dans l’air, les scientifiques parlent d’écoute des signaux gravitationnels. Adoptant cette métaphore, quel bonheur d’imaginer que le deuxième centenaire de la relativité générale puisse amener les physiciens à se réjouir d’avoir enfin entendu les sons de la création.
Note de la rédaction, 29 septembre 2015: Une version antérieure de cet article décrivait de manière inexacte le fonctionnement des systèmes GPS. Le texte a été modifié en conséquence.
