Qu’est-​ce que la relativité ?

SI VOUS traversiez l’espace dans une fusée, comment pourriez-​vous déterminer la vitesse de déplacement de votre véhicule spatial et sa direction ?

Sur terre, cela ne pose aucun problème. Si une automobile parcourt en une heure les cent kilomètres séparant deux villes, c’est qu’elle voyage à cent kilomètres à l’heure. Pour le prouver, il nous suffirait de mesurer la distance entre le point de départ et le point d’arrivée. Nous possédons une base pour nos calculs : le sol sur lequel la voiture roule. De plus, en tournant, les roues actionnent un compteur qui indique la vitesse du véhicule à n’importe quel moment.

Les avions peuvent observer le terrain qu’ils survolent et ils possèdent également des indicateurs de vitesse. Ces appareils, qui fonctionnent d’après la pression atmosphérique, mesurent la vitesse à laquelle l’avion traverse l’air à un moment donné. Les astronautes voyageant vers la Lune peuvent également déterminer leur vitesse, car ils connaissent la distance qui sépare la Terre de la Lune et le temps qu’ils mettent pour atteindre celle-ci. Par conséquent, aussi longtemps que vous possédez des repères, vous pouvez déterminer la direction que vous suivez et votre vitesse de déplacement.

Dans l’espace

Cependant, comment feriez-​vous si vous vous trouviez dans l’espace, au-delà de la Terre, de la Lune, des planètes et du Soleil ? Même l’indicateur de vitesse d’un avion serait inutile, car l’air n’existe pas dans l’espace.

Si un météorite passait près du hublot de votre fusée, cela signifierait-​il que ce fragment de corps céleste voyage plus vite que vous ? Vous serez tenté sans doute de répondre affirmativement. Mais il se pourrait que vous soyez immobile et que le météorite vous dépasse simplement. Ou encore, le météorite pourrait être stationnaire et vous pourriez être en train de reculer. Autre supposition : votre fusée et le météorite pourraient être en train de reculer tous les deux, mais votre vitesse de déplacement serait plus grande que celle du météorite. En fait, dans l’espace, que signifie avancer ou reculer ?

Il est donc très difficile d’essayer de déterminer la vitesse et la direction d’un objet dans l’espace. Pour le faire, des repères sont indispensables. Tout mouvement dans l’espace est relatif, c’est-à-dire plus rapide, plus lent, en avant ou en arrière par rapport à un autre objet. C’est ce fait bien connu qui est à la base de la théorie de la relativité.

La théorie de la relativité restreinte

Albert Einstein fut le premier à formuler cette théorie — en 1905 — de telle façon qu’il était possible de l’étudier au moyen de calculs mathématiques et d’expériences. Sa théorie comprenait deux principes de base que voici : 1) tout mouvement est relatif, ce qui veut dire que la vitesse et la direction d’un objet qui se déplace ne peut se mesurer que par rapport à un autre objet ; 2) la vitesse de la lumière dans le vide est une valeur absolue, c’est-à-dire qu’elle se déplace à environ 300 000 kilomètres à la seconde indépendamment de tout mouvement de la source lumineuse.

Illustrons ces deux principes pour mieux les comprendre. Si, dans un train roulant à la vitesse de 80 kilomètres à l’heure, vous lanciez une balle dans le couloir à la vitesse de 30 kilomètres à l’heure, quelle serait la vitesse de déplacement de la balle ? Par rapport à vous-​même et aux autres passagers du train, elle serait de 30 kilomètres à l’heure.

Cependant, si, à côté de la voie ferrée se tenait un observateur qui pouvait vous voir lancer la balle, celle-ci se déplacerait à la vitesse de 110 kilomètres par rapport à cet homme (la somme de la vitesse de la balle et de celle du train). Par conséquent, la vitesse de la balle est relative ; elle dépend de l’observateur.

Il n’en va pas de même de la lumière. Si vous pouviez accélérer la vitesse du train jusqu’à 160 000 kilomètres à la seconde et en même temps projeter un faisceau lumineux dans le couloir, quelle serait la vitesse de déplacement de cette lumière ? Vous répondrez peut-être que pour vous elle se déplacerait à 300 000 kilomètres à la seconde, puisque telle est la vitesse de la lumière. Mais pour l’observateur à côté de la voie ? En pensant à l’exemple de la balle, vous serez peut-être tenté de dire 460 000 kilomètres à la seconde (la vitesse de la lumière ajoutée à celle du train).

Cependant, le phénomène de la lumière est étonnant. Quelle que soit la vitesse du train, elle n’accélère pas celle du faisceau lumineux. Celui-ci passerait devant l’observateur situé près de la voie à 300 000 kilomètres à la seconde, car sa vitesse est constante, elle n’est pas influencée par celle de la source lumineuse. La vitesse de la lumière représente la vitesse limite connue de l’homme. Il se peut évidemment qu’il existe dans l’univers des vitesses plus élevées que les physiciens n’ont pas encore découvertes.

Ces deux principes selon lesquels tout mouvement est relatif et la vitesse de la lumière n’est pas fonction de la vitesse de déplacement de sa source, forment la base de la théorie de la relativité restreinte.

Évidemment, cette théorie ne se limite pas à ces principes, elle est beaucoup plus complexe, car elle définit les rapports entre la lumière, l’énergie et la masse. Elle a rendu possible l’élaboration de la célèbre équation E = mc⁠², formule de base de la bombe atomique. L’explosion de cette bombe ne laissait guère de doute sur l’exactitude de la théorie de la relativité restreinte.

La théorie de la relativité générale

Toutefois, que se passe-​t-​il lors d’un changement de vitesse ou de direction ? Comment le mouvement des corps célestes est-​il influencé par le champ de gravitation d’autres corps célestes ? Quel effet une étoile ayant un champ de gravitation intense exerce-​t-​elle sur la lumière ?

En 1916, Einstein formula sa théorie de la relativité générale. Cette théorie tient compte des changements de vitesse et de direction, particulièrement ceux qui sont dus aux influences subtiles de la pesanteur.

Lorsqu’on essaie d’exprimer cette théorie en termes mathématiques, on se rend compte de sa complexité stupéfiante. Le livre Les nouvelles frontières de la physique (angl.), dit que cela exige “une série de dix équations différentielles simultanées, chacune d’une structure si prodigieuse qu’elle nécessite une notation très compacte et peu familière”. Par conséquent, ne vous étonnez pas si vous trouvez la relativité difficile à comprendre. Les physiciens eux-​mêmes la trouvent ardue.

Grâce à cette théorie, Einstein a pu tirer d’autres conclusions intéressantes. L’une d’elles concerne l’effet de la pesanteur sur les processus naturels du temps.

La pesanteur et le temps

Quand nous parlons des processus naturels du temps, nous pensons surtout aux “horloges” atomiques, c’est-à-dire aux atomes qui émettent des radiations rythmiques à une cadence constante et mesurables. Ces “horloges” atomiques sont bien plus précises que nos horloges mécaniques.

La théorie de la relativité générale permet de conclure que tout processus naturel du temps, comme les radiations rythmiques des atomes, serait plus lent sur un corps plus volumineux et plus “lourd”. Par exemple, la durée de vibration d’un atome donné doit être plus grande sur le Soleil que sur la Terre en raison de la masse ou “poids” plus importante du Soleil.

Il est difficile de prouver cette conclusion, mais certaines mesures faites des fréquences des radiations atomiques provenant de corps d’une très grande densité semblent indiquer que la conclusion d’Einstein est exacte. Si, sur une planète ou une étoile d’une très grande masse, de tels processus paraissent plus lents que sur la Terre, c’est parce que le champ de gravitation de ces corps célestes est plus intense.

Une autre conclusion intéressante qu’Einstein a tirée en se fondant sur sa théorie de la relativité générale, concerne la déviation de la lumière par la pesanteur.

La déviation de la lumière

Einstein conclut en effet que la lumière peut être déviée par un champ de gravitation très intense, à peu près de la même manière que les particules de matière subissent l’influence de la pesanteur.

Une expérience de grande envergure était nécessaire pour vérifier cette conclusion. Deux équipes d’astronomes britanniques situées dans des endroits différents, ont photographié une certaine étoile pour enregistrer sa position. Ultérieurement, ils ont photographié la même étoile au moment où le Soleil s’interposait entre elle et la terre. Si la lumière émise par l’étoile était déviée par le champ de gravitation du Soleil, les photographies devaient révéler ce fait. En se fondant sur sa théorie, Einstein avait calculé que le degré de déviation serait de 1,75 seconde d’arc de cercle. Lorsque les deux équipes d’astronomes ont mesuré la déviation révélée effectivement par leurs photographies, la première obtint comme résultat 1,98 seconde d’arc de cercle, et la deuxième 1,6 seconde, chiffres très proches de l’estimation d’Einstein, assez proches en tout cas pour vérifier sa théorie.

Puisque la pesanteur est capable de dévier la lumière, une possibilité intéressante se présente à l’esprit. Dans son ouvrage La relativité pour le profane (angl.), J. Coleman écrit : “Il est intéressant de faire des conjectures quant à l’importance de la masse d’une étoile dont le champ de gravitation serait assez intense pour empêcher toute lumière de quitter ce corps céleste. Il est possible de démontrer qu’une telle étoile ayant un rayon identique à celui du Soleil devrait avoir une masse 400 000 fois plus grande que celle de l’astre du jour. Si de telles étoiles existaient, nous ne les verrions jamais, aussi brillantes et aussi près de nous qu’elles soient !”

D’autres possibilités intéressantes découlent de la théorie de la relativité générale. Elle a éclairé de nombreux phénomènes ayant un effet sur le monde où nous vivons. Bien que les physiciens continuent de se servir des formules mathématiques de cette théorie, certains la critiquent. Ses adversaires s’y opposent principalement parce que, disent-​ils, Einstein élaborait ses formules de manière à les adapter aux faits connus au lieu de se fonder sur des principes fondamentaux. Les physiciens trouveront peut-être par la suite d’autres façons subtiles d’exprimer les lois de l’univers. L’avenir nous le montrera.

Au cours des années, les théories sont éprouvées, vérifiées, modifiées ou rejetées, mais un fait fondamental et incontestable demeure : la merveilleuse harmonie de l’univers. Einstein lui-​même déclara à ce sujet. “La physique moderne est plus simple que la physique ancienne. (...) Plus notre image du monde extérieur est simple et plus nombreux sont les faits qu’il embrasse, plus notre esprit est pénétré de l’harmonie de l’univers.”

Vers la fin de sa vie, Einstein élabora la théorie du champ unitaire. Cette théorie s’exprime par une seule série de lois physiques qui embrasse à la fois les phénomènes atomiques et les phénomènes intersidéraux. Elle démontre que les forces fondamentales de l’univers sont interdépendantes. Elle envisage l’univers et toutes ses parties comme une seule unité. Dans son ouvrage Einstein et l’univers, Lincoln Barnett dit à propos de cette théorie : “Ainsi une profonde simplicité domine l’apparente et superficielle complexité de la nature. (...) Toutes les perceptions que l’homme a de l’univers et toutes ses intuitions abstraites se ramènent finalement à l’unité, et la profonde unité cachée de l’univers est enfin dénudée.”

L’homme qui est vraiment intelligent et humble reconnaît que l’harmonie et la majesté de l’univers ont dû avoir un Auteur, puisque rien d’organisé ne vient à l’existence par le simple hasard. Concernant l’origine de ces choses, le psalmiste de l’Antiquité s’exclama : “Les cieux racontent la gloire de Dieu.” L’apôtre Paul déclara aussi : “Évidemment, toute maison est construite par quelqu’un, mais celui qui construit toutes choses est Dieu.” — Ps. 19:2 19:1, NW; Héb. 3:4.