Relativité générale : quand l’espace-temps se courbe

Intervenant 10:00

En 1916, sous le feu de l'artillerie de la première guerre mondiale, il y a un astrophysicien allemand cloué dans une tranchée qui trouvait la première solution exacte à des équations que leur créateur lui-même pensait analytiquement

Intervenant 20:15

insolubles.

Intervenant 10:16

Une prouesse mathématique qui allait presque par accident révéler l'existence des trous noirs. Bienvenue dans cette nouvelle exploration, le podcast du magazine Tangente et merci à toutes et à tous de nous rejoindre aujourd'hui.

Intervenant 20:27

Bonjour à tous.

Intervenant 10:28

Notre mission aujourd'hui, à travers l'étude de l'article « Les énigmes de la relativité générale », c'est de retracer un peu cette redoutable mécanique géométrique qui a forcé l'humanité à réinventer nos concepts fondamentaux d'espace et de temps.

Intervenant 20:41

Oui, tout à fait.

Intervenant 10:42

Et surtout de comprendre précisément comment la physique a basculé.

Intervenant 20:47

Et ce qui est fascinant, c'est que le point de bascule, il réside paradoxalement dans l'une des Plus grande victoire de la science classique. Pendant plus de deux siècles, la loi de la gravitation universelle de Newton s'était imposée comme un modèle prédictif inégalé.

Intervenant 11:04

Ça marchait pour tout.

Intervenant 21:05

Exactement. Le formalisme newtonien permettait de calculer par exemple le retour exact de la comète de Halley, ou encore plus fort, de postuler l'existence de la planète Neptune.

Intervenant 11:14

Juste avec des maths en fait.

Intervenant 21:15

Juste par le poids du calcul mathématique. On l'a trouvé avant même de la voir au télescope. Donc le cadre théorique semblait infaillible et il reposait sur cette idée d'un temps universel qui s'écoule de manière identique pour absolument chaque observateur.

Intervenant 11:28

D'accord. Donc la mécanique céleste paraissait totalement déterministe.

Intervenant 21:33

Voilà.

Intervenant 11:34

Jusqu'à ce que les astronomes se penchent sur l'orbite de Mercure.

Intervenant 21:39

Ah, Mercure, le fameux problème.

Intervenant 11:42

C'est ça. Parce que la trajectoire de la planète la plus proche de notre étoile, ce n'est pas une ellipse parfaitement fermée.

Intervenant 21:49

Non, en fait, à chaque orbite, son point le plus proche du Soleil, ce qu'on appelle le Périhélie, il se décale légèrement. C'est un phénomène qu'on appelle la précession. Et ça avance d'une infime fraction de degré par siècle. C'est tout petit, mais c'est là.

Intervenant 12:05

Et du coup, les astronomes du 19e siècle, avec Urbain Le Verrier en tête, ils ont tenté d'appliquer la même méthode qui avait si bien fonctionné pour Neptune.

Intervenant 22:13

Oui, ils se sont dit, on va calculer les perturbations induites par l'attraction gravitationnelle de toutes les autres planètes. Vénus, Jupiter, la Terre.

Intervenant 12:22

Sauf que le bilan mathématique, il était formel,

Intervenant 22:24

non ? Il était implacable. Même en additionnant toutes les masses du système solaire, il manquait un résidu. Il y avait une avance de 43 secondes d'arc par siècle qui restait, mais alors obstinément inexpliquée par les équations de Newton.

Intervenant 12:39

C'est fou qu'un si petit détail bloque tout. Et je crois que Le Verrier est allé jusqu'à postuler l'existence d'une autre planète, non ?

Intervenant 22:45

Ouais, exactement. Il s'est dit, bon, il y a une planète invisible orbitant très près du Soleil, qu'il a même nommée Vulcain.

Intervenant 12:53

Ah oui, Vulcain.

Intervenant 22:53

Voilà, pour justifier cette perturbation. Mais cette planète hypothétique, on ne l'a jamais détectée.

Intervenant 12:59

Parce qu'elle n'existe pas ?

Intervenant 23:00

Bah non. Pour cause, en fait, l'anomalie, elle venait pas d'une masse manquante, mais d'une erreur fondamentale dans la structure même de la théorie de la gravitation.

Intervenant 13:11

D'accord. Donc cette anomalie orbitale, elle vient un peu percuter une autre crise majeure de la physique de la fin du 19e siècle ?

Intervenant 23:18

Ouais, tout s'accumule à ce moment-là.

Intervenant 13:19

C'est ça. Avec les équations de

Intervenant 23:21

Maxwell

Intervenant 13:22

sur l'électromagnétisme, qui avaient unifié la lumière, l'électricité et le magnétisme.

Intervenant 23:29

Et qui démontrait que les ondes électromagnétiques se propagent à une vitesse finie.

Intervenant 13:33

Et ça, ça pose un énorme problème.

Intervenant 23:35

D'accord. Décomposons un peu ça. Pourquoi ça pose un problème ?

Intervenant 13:38

Eh bien, ça crée une contradiction insoluble avec la gravitation newtonienne. Parce que Newton, lui, il décrivait la gravité comme une action instantanée à distance.

Intervenant 23:47

Ah, instantanée. Ouais. Imagine si le soleil venait à disparaître brusquement, d'un coup.

Intervenant 13:54

Ok, plus de soleil.

Intervenant 23:56

Selon Newton, la Terre quitterait son orbite au moment exact de sa disparition, instantanément.

Intervenant 14:02

Ah oui, d'accord. Mais selon Maxwell, la lumière, elle, elle met huit minutes à nous parvenir.

Intervenant 24:08

Exactement. L'information de cette absence de lumière, on la verrait que huit minutes plus tard, donc cette incompatibilité conceptuelle, ça pouvait pas perdurer.

Intervenant 14:17

Les physiciens se retrouvaient un peu face à une dichotomie insoutenable.

Intervenant 24:21

Ouais, entre une mécanique classique qui repose sur une transmission instantanée des forces et un électromagnétisme qui lui impose une vitesse limite de propagation qu'on note C.

Intervenant 14:31

Surtout que les expériences, notamment je pense à celles de Michelson et Morlaix en 1887. Oui,

Intervenant 24:36

très célèbres.

Intervenant 14:38

Elles avaient échoué à détecter un milieu de propagation pour la lumière, le fameux éther luminifère.

Intervenant 24:43

Ben oui, parce qu'ils espéraient trouver dans quoi la lumière voguait, comme le son dans

Intervenant 14:47

l'air.

Intervenant 24:48

Mais l'expérience a confirmé que la lumière se déplaçait à la même vitesse, quelle que soit la direction ou le mouvement de la Terre.