Petit j’entendais régulièrement parler de cette obscure chose comme un secret, la relativité générale.
Je ne savais pas de quoi il était question mais j’en comprenais qu’il était question de quelque chose d’extrêmement complexe. Un sujet qui ne peut être compris que par de brillant intellectuel. Plus tard je décidais de savoir si ma petite intelligence était capable d’une telle prouesse, je fus alors surpris de découvrir que bien expliqué…cela est à la portée de tous. Je ne me crus pas plus intelligent pour autant mais je compris encore une fois qu’il est utile de se donner les moyens de se faire un avis par soi même.
Mr Einstein lui-même avait déjà en son temps fait le travail de vulgarisation, parfois si complexe, si l’on désire garder la logique du savoir sans en perdre son essence. Un jour il répondit à la question de son fils qui voyant son père devenir une célébrité, avec sa photo en une de tous les journaux, pourquoi cette célébrité, Einstein lui répondit alors : « Quand un scarabée aveugle marche à la surface d’une branche courbée, il ne se rend pas compte que le chemin qu’il suit est incurvé. J’ai eu la chance de remarquer ce que le scarabée ne peut pas voir. »
Cette métaphore résume à merveille l’essence de sa découverte : l’espace-temps lui-même est courbé. Nous sommes tous des scarabées aveugles, marchant sur une surface que nous croyons plate, alors qu’elle se déforme sous nos pas. Mais avant de plonger dans cette révolution conceptuelle, démystifions ensemble ce mythe tenace qui veut que seuls quelques génies puissent comprendre la relativité.
Le Mythe de l’Inaccessibilité
En 1919, lorsque l’expédition d’Arthur Eddington confirma la théorie d’Einstein en observant la déviation de la lumière lors d’une éclipse solaire, un journaliste aurait demandé à Eddington s’il était vrai que seules trois personnes au monde comprenaient la relativité générale. Eddington aurait répondu après un silence : « Je me demande qui est la troisième. » Cette anecdote, probablement apocryphe, a contribué à forger le mythe d’une théorie réservée à une élite intellectuelle.
La réalité ? En 2024, des milliers d’étudiants en physique de niveau licence maîtrisent les concepts fondamentaux de la relativité générale. Les équations complètes demeurent complexes, certes, mais les principes de base sont étonnamment intuitifs une fois débarrassés du jargon intimidant. C’est un peu comme apprendre à conduire : piloter une Formule 1 nécessite des années d’entraînement, mais comprendre qu’on accélère avec la pédale de droite et freine avec celle de gauche, ça, tout le monde peut le saisir.
Retour vers le Futur : Einstein a Cassé Newton
L’Univers Selon Newton:
Pendant plus de deux siècles, la vision newtonienne du monde a régné en maître absolu. Isaac Newton, ce génie colérique et probablement autiste qui consacra autant de temps à l’alchimie qu’à la physique, nous avait légué un univers simple : un espace tridimensionnel fixe, un temps qui s’écoule uniformément pour tous, et la gravité comme une force mystérieuse agissant instantanément à distance.
Imaginez l’univers de Newton comme une immense scène de théâtre : les acteurs (planètes, étoiles) se déplacent sur la scène, mais la scène elle-même ne bouge jamais. Le temps, comme un chef d’orchestre invisible, bat la mesure de manière identique partout dans l’univers, comme le ferait le tictac d’une horloge. C’est rassurant, intuitif, et totalement… faux.
Le problème ? Plusieurs anomalies empiriques refusaient de rentrer dans ce cadre. La plus célèbre : l’avance du périhélie de Mercure. La planète la plus proche du Soleil ne tournait pas exactement comme Newton l’avait prédit. Chaque siècle, son orbite se décalait de 43 secondes d’arc de plus que ce que les calculs newtoniens permettaient d’expliquer. Quarante-trois petites secondes d’arc sur un siècle : une broutille pour le commun des mortels, un caillou dans la chaussure pour les astronomes du XIXe siècle.
1905-1915 : La Décennie Miraculeuse d’un « simple » Employé de Bureau
Einstein n’était pas professeur d’université en 1905 quand il publia sa théorie de la relativité restreinte. Il travaillait comme expert technique de troisième classe à l’Office des brevets de Berne, en Suisse. Entre deux évaluations de demandes de brevets pour des améliorations de machines à coudre, il réinventait la physique. Ça relativise nos excuses du type « je n’ai pas le temps » ou « je n’ai pas les bonnes conditions », non ?
La relativité restreinte de 1905 avait déjà secoué le petit monde scientifique en affirmant que le temps et l’espace ne sont pas absolus, mais dépendent de la vitesse de l’observateur. Deux jumeaux, l’un voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière, l’autre restant sur Terre, ne vieilliront pas au même rythme. Ce paradoxe des jumeaux, depuis maintes fois vérifié expérimentalement avec des horloges atomiques embarquées dans des avions ou des satellites GPS, reste l’une des prédictions les plus contre-intuitives de la physique moderne.
Mais Einstein n’était pas satisfait. Sa théorie de 1905 fonctionnait à merveille pour les objets en mouvement rectiligne uniforme, mais butait sur un problème majeur : comment intégrer la gravitation ? Il lui fallut dix années de labeur, de fausses pistes, de collaborations avec le mathématicien Marcel Grossmann pour maîtriser la géométrie riemannienne nécessaire, avant de publier en novembre 1915 les équations de champ de la relativité générale.
La Gravité n’existe Pas!
Le Principe d’Équivalence
En 1907, Einstein vivait ce qu’il appellera plus tard « l’idée la plus heureuse de ma vie ». Il réalisa que quelqu’un en chute libre ne ressent aucune gravité. Si vous sautez d’un avion (avec un parachute, s’il vous plaît), pendant quelques secondes, vous flotterez comme un astronaute. Les objets autour de vous ne tomberont pas vers le sol : ils flotteront à vos côtés.
Inversement, dans un ascenseur accélérant vers le haut dans l’espace loin de toute planète, vous seriez plaqué au sol exactement comme sur Terre. Impossible de distinguer, sans regarder dehors, si vous êtes immobile sur une planète ou en accélération dans l’espace. Cette équivalence entre gravitation et accélération est le cœur battant de la relativité générale.
Conséquence vertigineuse : la gravité n’est pas une force qui tire les objets les uns vers les autres. C’est la manifestation de la courbure de l’espace-temps. La Terre ne tire pas sur vous ; vous suivez simplement le chemin le plus naturel dans un espace-temps déformé par la masse terrestre.
L’Espace-Temps : la Géométrie Devient Dynamique
Oubliez l’espace et le temps comme deux entités séparées. La relativité générale les fusionne en un continuum quadridimensionnel : l’espace-temps. Imaginez un drap élastique tendu représentant l’espace à deux dimensions. Posez-y une boule de bowling (le Soleil) : le drap se déforme, créant une cuvette. Maintenant, faites rouler une bille (la Terre) près de cette cuvette : elle va tourner autour de la boule de bowling, non pas parce qu’une force invisible la tire, mais parce qu’elle suit la courbure du drap.
Cette analogie a ses limites (elle suggère que la gravité tire « vers le bas » alors qu’il n’y a pas de bas dans l’espace), mais elle capture l’essentiel : la matière dicte à l’espace-temps comment se courber, et l’espace-temps dicte à la matière comment se mouvoir. C’est ce que résument les équations de champ d’Einstein, des équations différentielles non linéaires qui donnent des sueurs froides aux physiciens mais dont le principe peut s’énoncer simplement.
Les Prédictions Vérifiées
La relativité générale n’est pas qu’une belle théorie philosophique. Elle fait des prédictions précises, quantifiables, testables. En voici quelques-unes qui ont été confirmées avec une précision stupéfiante :
La déviation de la lumière: Einstein prédit que la lumière est également affectée par la courbure de l’espace-temps. Lors de l’éclipse solaire de 1919, Eddington mesura que la position apparente des étoiles proches du Soleil était décalée exactement de la quantité prédite par Einstein (1,75 secondes d’arc). Du jour au lendemain, Einstein devint la première rock star scientifique de l’ère médiatique.
Le décalage gravitationnel vers le rouge : une horloge placée dans un champ gravitationnel intense bat plus lentement qu’une horloge en apesanteur. En 1959, l’expérience de Pound et Rebka mesura ce ralentissement du temps sur une hauteur de seulement 22,5 mètres à l’Université Harvard. Écart mesuré : 2,5 × 10^-15 secondes. Ridicule ? Pas du tout : ce ralentissement gravitationnel du temps doit être corrigé en permanence dans les satellites GPS, sinon vos applications de navigation dériveraient de plusieurs kilomètres par jour.
Les ondes gravitationnelles : Einstein prédit dès 1916 que des masses en accélération violente (comme deux trous noirs fusionnant) créent des ondulations dans l’espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière. Le 14 septembre 2015, exactement cent ans après la publication de la théorie, les détecteurs LIGO captèrent pour la première fois ces rides cosmiques. Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne reçurent le prix Nobel de physique 2017 pour cette découverte monumentale.
Les trous noirs : longtemps considérés comme des curiosités mathématiques, ces objets où la courbure de l’espace-temps devient infinie sont aujourd’hui observés par centaines. En avril 2019, l’Event Horizon Telescope publia la première image directe de l’ombre d’un trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, confirmant les prédictions d’Einstein avec une précision sidérante.
La Relativité au Quotidien : Plus Proche Qu’On Ne Pense
GPS et Navigation : Sans Einstein, Vous Seriez Perdus
Voici un fait amusant : chaque fois que vous utilisez Google Maps, vous bénéficiez directement de la relativité générale. Les satellites GPS orbitent à environ 20 000 km d’altitude et voyagent à 14 000 km/h. À cette vitesse, la relativité restreinte prédit que leurs horloges retardent de 7 microsecondes par jour. Mais ils sont aussi dans un champ gravitationnel plus faible qu’à la surface terrestre, donc selon la relativité générale, leurs horloges avancent de 45 microsecondes par jour.
Effet net : +38 microsecondes par jour. Ça semble minuscule ? Le GPS fonctionne en mesurant le temps que met un signal radio (voyageant à la vitesse de la lumière) pour aller du satellite à votre téléphone. Trente-huit microsecondes d’erreur se traduiraient par un décalage de position de 11 kilomètres par jour. Sans correction relativiste, votre navigation vous indiquerait systématiquement le mauvais emplacement.
Imagerie Médicale et Accélérateurs de Particules
Les scanners PET (tomographie par émission de positons) utilisés en médecine reposent sur l’antimatière, dont le comportement ne peut être compris qu’en combinant relativité et mécanique quantique. Les accélérateurs de particules comme le LHC du CERN propulsent des protons à 99,99% de la vitesse de la lumière. À cette vitesse, les effets relativistes sont colossaux : les protons deviennent environ 7 000 fois plus massifs qu’au repos. Impossible de concevoir ces machines sans maîtriser la relativité.
L’Or Brille Grâce à la relativité
Pourquoi l’or est-il jaune alors que la plupart des métaux sont argentés ? La réponse se trouve dans la relativité. Les électrons de l’or tournent si vite autour du noyau (environ 60% de la vitesse de la lumière pour les électrons internes) que les effets relativistes modifient les niveaux d’énergie électroniques. Ces modifications changent les longueurs d’onde de lumière absorbées et réfléchies, donnant à l’or sa couleur caractéristique. Sans relativité, l’or serait blanc comme l’argent.
Les Limites et Paradoxes
Le Problème de la Matière Noire
Depuis les années 1970, les astronomes observent que les galaxies tournent trop vite. Selon la relativité générale appliquée à la matière visible, elles devraient se disloquer. Deux solutions possibles : soit il existe de la matière invisible (la fameuse « matière noire ») représentant 85% de la masse de l’univers, soit la relativité générale doit être modifiée à grande échelle.
Des théories alternatives comme MOND (Modified Newtonian Dynamics) ou MOG (Modified Gravity) tentent d’expliquer ces observations sans matière noire, mais elles peinent à reproduire l’ensemble des données cosmologiques. Le consensus actuel penche pour l’existence de matière noire (probablement des particules exotiques non encore découvertes), mais le débat reste ouvert. La science, contrairement aux dogmes, accepte de ne pas tout savoir.
L’Énergie Noire : Le Plus Grand Mystère de l’Univers
En 1998, deux équipes d’astronomes découvrirent avec stupeur que l’expansion de l’univers s’accélère. Quelque chose pousse les galaxies à s’éloigner de plus en plus vite les unes des autres. Ce « quelque chose », baptisé énergie noire, représenterait 68% de l’énergie totale de l’univers. Sa nature reste totalement inconnue.
Einstein lui-même avait introduit puis retiré de ses équations une « constante cosmologique » pour des raisons philosophiques. Ironiquement, cette constante semble aujourd’hui nécessaire pour expliquer l’énergie noire. Brian Schmidt, Saul Perlmutter et Adam Riess reçurent le Nobel de physique 2011 pour cette découverte troublante : nous ne comprenons que 5% du contenu de l’univers (la matière ordinaire).
L’Incompatibilité avec la Mécanique Quantique
Le grand drame de la physique moderne : la relativité générale et la mécanique quantique, nos deux théories les plus fondamentales, sont mathématiquement incompatibles. La relativité décrit admirablement le très grand (galaxies, trous noirs, cosmologie). La mécanique quantique règne sur le très petit (atomes, particules). Mais aux échelles de Planck (10^-35 mètres, 10^-43 secondes), où les deux devraient se rencontrer, nos équations explosent en infinités.
Depuis des décennies, les physiciens cherchent une théorie de « gravitation quantique » unifiant ces deux piliers. La théorie des cordes, la gravitation quantique à boucles, et d’autres approches exotiques sont explorées, mais aucune ne fait consensus. Stephen Hawking consacra une partie de sa vie à comprendre le comportement quantique des trous noirs, révélant qu’ils émettent un rayonnement (le rayonnement de Hawking) et finissent par s’évaporer, une prédiction encore non vérifiée expérimentalement mais largement acceptée théoriquement.
Au-delà de la Science : Implications Philosophiques
Le Temps Existe-t-il Vraiment ?
La relativité bouleverse notre conception du temps. Einstein lui-même écrivit après la mort de son ami Michele Besso : « Pour nous, physiciens convaincus, la distinction entre passé, présent et futur n’est qu’une illusion, bien qu’obstinée. » Dans l’espace-temps d’Einstein, tous les événements (passés, présents, futurs) coexistent dans un « bloc-univers » éternel. C’est notre conscience qui se déplace le long de notre ligne d’univers, créant l’illusion du flux temporel.
Cette vision, appelée « éternalisme », entre en conflit avec notre expérience subjective du temps qui passe. Le philosophe Henri Bergson s’opposa violemment à Einstein sur ce point lors d’un débat fameux en 1922, défendant la réalité de la « durée vécue » contre le temps mathématique de la physique. Qui avait raison ? La question demeure ouverte et passionne philosophes et physiciens.
Le Déterminisme Cosmique et le Libre Arbitre
Si tout est inscrit dans la géométrie de l’espace-temps, notre libre arbitre est-il une illusion ? Les équations d’Einstein sont déterministes : connaissant l’état de l’univers à un instant donné, on peut (en théorie) calculer son évolution passée et future. Mais la mécanique quantique introduit une indétermination fondamentale. Et même sans quantum, le chaos déterministe (petites variations initiales engendrant des évolutions radicalement différentes) rend impossible toute prédiction précise à long terme. (pour découvrir un peu plus si « dieu joue aux dés » c’est ICI)
Le libre arbitre reste un mystère philosophique que la physique ne peut ni confirmer ni infirmer. Comme le notait le physicien Freeman Dyson : « Le problème du libre arbitre, c’est que nous ne pouvons ni le prouver ni nous en passer. »
Humilité Cosmique : Notre Place dans l’Univers
La relativité générale nous enseigne une leçon d’humilité. Non seulement la Terre n’est pas le centre de l’univers (merci Copernic), non seulement notre galaxie n’est qu’une parmi des centaines de milliards (merci Hubble), mais l’espace et le temps eux-mêmes sont des entités dynamiques, malléables, relatives à l’observateur.
Nous sommes littéralement des processus émergents dans une géométrie quadridimensionnelle en constante évolution. Nos corps sont constitués d’atomes forgés dans les entrailles d’étoiles mortes depuis des milliards d’années. L’oxygène que nous respirons, le calcium de nos os, le fer de notre sang : tout vient des supernovae. Nous sommes, comme le disait Carl Sagan, « une façon pour le cosmos de se connaître lui-même. »
Apprendre la Relativité
Pour les Curieux Sans Formation Scientifique
« La Relativité » d’Albert Einstein (1916) : le livre de vulgarisation écrit par Einstein lui-même. Court, accessible, remarquablement clair pour un texte centenaire.
Documentaires : « Einstein and Eddington » (2008), film de la BBC sur la confirmation de 1915. « The Fabric of the Cosmos » (2011), série PBS présentée par Brian Greene.
Chaînes YouTube francophones : ScienceÉtonnante, e-penser (vidéo « Relativité Générale pour les Nuls »), Science4All.
Pour Ceux Qui Veulent Aller Plus Loin
« Une brève histoire du temps » de Stephen Hawking (1988) : best-seller mondial mêlant relativité, cosmologie et trous noirs. (et l’un des premiers ouvrages que j’ai lu adolescent sur ce sujet)
« L’Univers élégant » de Brian Greene (1999) : introduction accessible à la théorie des cordes et aux tentatives d’unification. (un super travail de vulgarisation)
Cours en ligne gratuits : MIT OpenCourseWare propose le cours d’Edmund Bertschinger « General Relativity » (niveau master, mais les premières leçons sont accessibles). Coursera et edX offrent plusieurs MOOCs sur la relativité.
L’Apprentissage Progressif : Patience et Persévérance
Contrairement au mythe, comprendre la relativité générale n’exige pas un QI de 160. Elle nécessite :
– Curiosité et motivation
– Acceptation que certains concepts heurtent l’intuition
– Patience pour construire progressivement les fondations mathématiques
– Plaisir de la découverte plutôt qu’obsession du diplôme
J’ai rencontré un retraité de 68 ans qui, après une carrière de plombier, s’est mis à étudier la relativité par plaisir intellectuel. Trois ans plus tard, il pouvait discuter des tenseurs métriques et des géodésiques. Preuve que l’âge, la formation initiale, rien ne constitue une barrière insurmontable face à la détermination.
Devenez le Scarabée Qui Voit
Revenons à la métaphore du scarabée d’Einstein. Nous marchons tous sur cette branche courbée qu’est l’espace-temps. La plupart d’entre nous ne remarqueront jamais la courbure, et ce n’est pas grave : on peut vivre une vie pleine et heureuse sans jamais maîtriser les équations de champ.
Mais savoir que la courbure existe, comprendre que notre intuition nous trompe, réaliser que l’univers est infiniment plus étrange et magnifique que notre expérience quotidienne ne le suggère cela enrichit notre regard sur le monde. Cela nous rend humbles face à l’immensité du cosmos et fiers de faire partie d’une espèce capable de déchiffrer ses secrets.
Einstein n’était pas un génie inaccessible tombé d’une autre planète. C’était un homme qui posait des questions d’enfant avec une rigueur d’adulte. Pourquoi la lumière va-t-elle toujours à la même vitesse ? Que ressentirait quelqu’un tombant d’un toit ? Et si l’espace et le temps n’étaient pas ce que nous croyons ? Et si l’on montait à cheval sur un rayon de lumière?
Vous aussi, vous pouvez poser ces questions. Vous aussi, vous pouvez lever les yeux vers les étoiles et comprendre un peu mieux les lois qui gouvernent leur danse. La relativité générale n’est pas réservée à une élite : elle appartient à tous ceux qui osent regarder au-delà de la branche courbée.
Alors, prêt à ouvrir les yeux du scarabée ?
Sources et Références (beaucoup en anglais, merci les outils de traductions)
Publications scientifiques originales :
– Einstein, A. (1915). « Die Feldgleichungen der Gravitation », Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften
– Dyson, F.W., Eddington, A.S., Davidson, C. (1920). « A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field », Philosophical Transactions of the Royal Society A
– Abbott, B.P. et al. (LIGO Scientific Collaboration) (2016). « Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger », Physical Review Letters
Organismes de référence :
– NASA Gravitational Physics : [https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-gravity](https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-gravity)
– LIGO Scientific Collaboration : [https://www.ligo.caltech.edu](https://www.ligo.caltech.edu/)
– Event Horizon Telescope : [https://eventhorizontelescope.org](https://eventhorizontelescope.org/)
Données et statistiques :
– GPS et relativité : Ashby, N. (2003). « Relativity in the Global Positioning System », Living Reviews in Relativity
– Expérience de Pound-Rebka (1959) : Physical Review Letters, première mesure du décalage gravitationnel vers le rouge
– Planck Collaboration (2020) : données sur la composition de l’univers (68% énergie noire, 27% matière noire, 5% matière ordinaire)
Ouvrages de vulgarisation :
– Einstein, A. (1916). « Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie » (traduit en français : « La relativité »)
– Hawking, S. (1988). « A Brief History of Time », Bantam Books
– Greene, B. (1999). « The Elegant Universe », W.W. Norton & Company
Note contextuelle : Les chiffres sur la composition de l’univers proviennent des mesures du satellite Planck (ESA) publiées entre 2013 et 2020, représentant le consensus scientifique actuel.