Bonnes ondes
En 1915, Albert Einstein développe la théorie de la relativité générale. Elle propose une nouvelle définition de la gravitation… et donc de l'espace et du temps.
Vers 1602, Galilée énonce le principe d’universalité de la chute des corps au niveau du sol terrestre. À la même époque, Johannes Kepler établit les grandes propriétés du mouvement des astres. Grâce à ces travaux, en 1687, Isaac Newton comprend que c’est la même force qui fait tomber les objets au sol et permet aux planètes de tourner autour du soleil. Il en tire une loi de la gravitation universelle qui s’exerce instantanément dans l’espace. Cela implique que le temps s’écoule de la même façon partout dans l’univers. Cependant, les lois de Galilée, Kepler et Newton ne fonctionnent plus avec les lois de l’électromagnétisme énoncées par James Clerk Maxwell en 1873. Seule la vitesse de la lumière, mesurée entre 1881 et 1887, se révèle être un invariant des calculs qui découlent de ces quatre lois.
La relativité restreinte
Pour résoudre la contradiction entre les équations de Maxwell et la mécanique newtonienne, Albert Einstein propose en 1905 une nouvelle théorie : la relativité restreinte. L’espace et le temps dépendent en fait de l’observateur : ils deviennent relatifs. Selon la relativité restreinte, à basse vitesse, les objets qui se déplacent à vitesse constante obéissent encore aux lois de Newton. Mais pour de très grandes vitesses, comme celle de la lumière, les équations ne fonctionnent plus : elles mettent en évidence une dilatation du temps. L’identification de ce phénomène remet en cause la manière d’étudier l’univers et son histoire.
La relativité générale
La théorie de la relativité restreinte ne concerne que les référentiels sur lesquels aucune force n’agit. Einstein cherche à la généraliser en englobant les objets en accélération. Il sait également que le caractère instantané de la gravitation, telle que décrite par Newton, est en contradiction avec son propre postulat qui fait de la vitesse de la lumière la vitesse maximale dans le vide. En 1907, il déduit que subir les effets de la gravitation en tombant en chute libre équivalent à subir une accélération.
Il cherche donc à comprendre comment le champ gravitationnel agit sur la matière en lui imposant sa trajectoire, et comment la matière agit sur l’espace-temps. Pour Einstein, la gravitation n’est plus une force mais une manifestation de la déformation de l’espace-temps, liée à la présence d’objets plus ou moins massifs. Dans cette optique, il prédit que la trajectoire des rayons lumineux est déviée sous l’effet gravitationnel, devenant courbe. Cette prédiction est vérifiée par Arthur Eddington lors de l’éclipse solaire du 29 mai 1919.
Les ondes gravitationnelles
La géométrie euclidienne, qui repose sur les espaces plans, ne peut décrire les effets de la gravitation dans un espacetemps courbe. Einstein travaille alors avec Marcel Grossmann pour traduire en langage mathématique la déformation que produisent les corps massifs sur l’espace-temps, et la trajectoire des objets qui tombent le long de cette courbure en suivant le chemin le plus court. L’espace-temps peut donc se déformer, vibrer selon les phénomènes qu’il abrite. En 1916, Einstein prédit l’existence de ces vibrations : les ondes gravitationnelles. En se propageant, elles étirent ou contractent l’espace-temps, comme de petites vagues sur une surface liquide. Ces variations de distance ont été mesurées pour la première fois un siècle plus tard, en 2016.
Delphine Lancella-prost, Bpi
Article initialement paru sur balises.bpi.fr, le 3 octobre 2016