L'univers d'Einstein

La physique au 19ème

La physique a fait au 19ème siècle des progrès saisissants et la communauté des physiciens entre, en ce début du 20ème siècle, dans un débat passionné sur les lois fondamentales de l'Univers. D'un côté les partisans d'un monde mécanique obéissant aux lois de Newton et de l'autre les partisans d'un monde basé sur l'électricité et le magnétisme. A cette époque on parle d'éther présent dans tout l'espace, dans lequel se propage les phénomènes électromagnétiques et gravitationnels. Einstein et la théorie de la relativité restreinte va rentrer dans ce débat dès 1905.
En 1665 un homme était assis sous un arbre quand tout à coup "il vit une pomme tomber juste devant lui".
Avec la chute de cette pomme Isaac Newton révolutionna toute l'image de l'Univers. Dans une hypothèse audacieuse pour son temps, il affirme que la force qui attire la pomme vers le sol est la même que celle qui maintient la Lune autour de la Terre.

D'un seul coup il unifie les cieux et la Terre en une théorie unique qu'il appelle 'gravité'.
La gravité était la première force que l'on comprenait scientifiquement mais 3 autres forces allaient finalement suivre et quoi que Newton ait découvert la loi de la gravitation, il y a plus de 300 ans, ces équations décrivant cette force font de si exactes prédictions que nous continuons à les utiliser aujourd'hui. Ce sont elles qui ont permis aux scientifiques de calculer la trajectoire d'une fusée qui emmena l'homme sur la Lune.

nota: Chez les grecs l'éther n'est qu'un concept philosophique dont la fonction est de remplir l'espace qui ne peut être vide.

Image : C'est grâce à la gravité que le Soleil a capté 99,86% de la masse totale de la poussière et du gaz de la nébuleuse originelle. Jupiter, la plus grosse planète du système, a capté 71% de la masse restante. Les autres planètes se sont partagées le résidu de cette évolution gravitationnelle, c'est-à-dire 0,038% de la masse totale.

L'univers de Newton à Einstein

Avec Newton il y avait un problème, si ses lois décrivent la force de la gravité avec une grande précision, Newton dissimule pourtant un secret embarrassant, il n'a pas la moindre idée de la façon dont la gravité fonctionne. Ce n'est qu'au début du 20ème siècle qu'un petit employé du bureau suisse des inventions techniques va apporter une nouvelle vision de la gravité. Tout en étudiant les demandes de brevet, Albert Einstein médite sur le comportement de la lumière, il est loin de se douter que sa rêverie sur la lumière l'amènera à résoudre le mystère de la nature de la gravité. A l'âge de 26 ans Einstein fait une découverte stupéfiante. La vitesse de la lumière est une sorte de limite de vitesse cosmique, une vitesse que rien dans l'Univers ne peut dépasser.
Il y alors un problème, si rien ne peut se propager plus vite que la lumière, cela va à l'encontre de la vision Newtonienne de la gravité. Si dans une catastrophe cosmique le Soleil disparaissait tout à coup complètement, l'effet sur les planètes d'après Newton est immédiat. Sa théorie prédit qu'en cas de destruction du soleil, les planètes sortiraient immédiatement de leurs orbites pour dériver dans l'espace.
Newton envisageait la gravité comme une force agissant instantanément à n'importe quelle distance.

Immédiatement on ressentirait l'effet de la destruction du soleil, mais Einstein voyait un énorme problème dans la théorie de Newton. Il savait que la lumière se propage pas instantanément, il faut aux rayons du soleil 8 mn pour parcourir les 150 millions de km qui le sépare de la Terre. Or, il a démontré que rien, pas même la gravité ne peut voyager plus vite que la lumière.
Comment la Terre pourrait quitter son orbite avant que l'obscurité résultant de la disparition du soleil n'est atteint nos yeux ?
Pour le jeune scientifique du bureau suisse rien ne peut excéder la vitesse de la lumière et donc la vision Newtonienne de la gravité était fausse.
Si Newton se trompe pourquoi les planètes ne tombent-elles pas ?
Newton a voulu expliquer pourquoi les planètes sont en orbite. Or les équations de Newton permettent de calculer leur trajectoire. Einstein devait donc résoudre ce dilemme. Einstein doit imaginer une image de l'univers dans laquelle la gravité n'excède pas la limite de vitesse cosmique. Dans une quête solitaire pour résoudre ce mystère et après 10 années de réflexion, Einstein trouve enfin la réponse dans un nouveau genre d'unification.

Image : La théorie de Newton prédit qu'en cas de destruction du soleil, les planètes sortiraient immédiatement de leurs orbites pour dériver dans l'espace. Newton envisageait la gravité comme une force agissant instantanément à n'importe quelle distance.

Le tissu déformé de l'espace-temps

Einstein a fini par envisager les 3 dimensions de l'espace et la dimension unique du temps, comme liées dans un même "tissu" d'espace-temps.
Les planètes et les étoiles voluent tout simplement le long des surfaces déformées de cet espace-temps quadridimensionnel.
Le tissu de l'espace temps est comme le tissu d'un "trampoline" déformé par des objets lourds. Cette déformation est ce que l'on ressent comme étant la gravité.
L'image d'un trampoline déformé par des objets est souvent utilisée, cependant, ce n'est pas une représentation correcte car c'est une image en 2 dimensions.
Les objets célestes gravitent dans un espace-temps à 4 dimensions, dont 3 dimensions d'espace et 1 dimension de temps. Il faut donc imaginer cette déformation dans un espace à 4 dimensions, ce qui est très difficile car il s'agit d'un concept abstrait et multidimensionnel. Pourtant, la présence de masse et d'énergie courbe l'espace-temps, et cette courbure affecte la trajectoire des objets qui s'y déplacent. La direction et l'amplitude de la déformation dépendent de la distribution de la masse et de l'énergie dans la région. Plus la masse et l'énergie sont concentrées, plus la déformation est importante.
Les objets célestes suivent tout simplement les courbes du tissu spatial.

De plus Einstein calcule que ces ondulations de gravité voyagent exactement à la vitesse de la lumière. Ainsi avec cette nouvelle approche, Einstein résout le conflit avec Newton de savoir à quelle vitesse la gravité se propage.
Einstein va donner au monde une nouvelle image de ce qu'est réellement la force de gravitation. Ce sont des courbes et des distorsions dans le tissu même de l'espace et du temps. Il appelle cette nouvelle image de la gravité, théorie générale de la relativité.
Malgré son extraordinaire réussite, le physicien n'est pas encore satisfait et il se fixe aussitôt un autre objectif plus élevé encore, l'unification de la gravité avec la seule autre force connue à cette époque, l'électromagnétisme.
L'électromagnétisme n'avait était unifiée que quelques décennies auparavant par l'écossais James Clark Maxwell (1831-1879).
Albert Einstein est convaincu que s'il parvient à unifier sa nouvelle théorie de la gravité avec l'électromagnétisme de Maxwell, il sera en mesure de formuler la fameuse équation maitresse, celle qui peut décrire l'univers tout entier.
Il n'y parviendra pas, car un groupe de jeunes scientifiques, à partir des années 1920, commençaient à formuler une nouvelle théorie, la mécanique quantique où d'autres forces allaient apparaitre.

Image : Avec sa nouvelle approche, Einstein résout le conflit avec Newton. Il va donner au monde une autre image de ce qu'est réellement la force de gravitation.