Stéphane d’Ascoli

Arthur Touati

Voyage
au cœur de

l’espace
-
temps

De la théorie de la relativité
aux mystères du cosmos

© Éditions First, un département d’Édi8, Paris, 2021.

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ISBN : 978-2-412-06625-6
ISBN numérique : 978-2-412-07095-6

Correction : Anne-Sophie Bord
Index : Muriel Mekies

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À la mémoire de nos grands-parents,
Claude-Rose Touati et Raymond Harris

Avant-propos

« J’espère donc que vous accepterez la nature telle qu’Elle est : absurde. »

RICHARD FEYNMAN (1918-1988)

Une invitation au voyage

Compter les étoiles et se demander pourquoi elles scintillent, s’émerveiller des couleurs irisées d’une bulle de savon, écouter le déchaînement de la foudre et le rugissement d’une cascade… Ces moments de fascination et d’incompréhension vous rappellent sûrement votre enfance. Durant nos jeunes années, nous apprenons à observer et à comprendre la nature pour mieux interagir avec elle. L’activité du physicien n’est pas différente : explorateur né et enfant pour la vie, il se laisse guider par sa curiosité du monde.

La prudence est cependant de mise dans sa quête. Les fausses routes sont multiples, car ce que nous apprenons par la méthode scientifique diffère souvent profondément de ce que nous percevons de la réalité. Comment imaginer que la Terre est ronde avant de la parcourir ? Comment imaginer que l’air est rempli d’une myriade de particules, avant de les voir ? Avant de trouver le chemin des origines, comment imaginer que l’Univers observable eût pu tenir dans une main ? Pour reprendre les mots du philosophe des sciences Gaston Bachelard, la physique est l’art de penser « contre notre cerveau », de faire coexister dans notre esprit une idée et les preuves de son contraire.

Un exemple frappant est celui de la chute libre. Notre expérience quotidienne nous porte à croire que les choses lourdes tombent plus vite que les choses légères. Cette impression trompeuse, aussi inoffensive qu’elle puisse paraître, marque le commencement d’une des plus belles aventures de l’histoire des sciences : celle de la relativité. Dans ce livre, nous vous proposons de la découvrir à travers un grand voyage, qui vous fera naviguer entre les époques et sillonner les contrées les plus exotiques du cosmos. Comme seuls bagages, emportez votre imagination et votre émerveillement ; ils vous seront indispensables pour apprécier les principes étranges qui régissent l’Univers.

À propos de ce livre

L’objectif principal de cet ouvrage est d’expliquer la relativité dans un langage aussi simple que possible, de présenter les grandes questions auxquelles elle répond, sans oublier celles qu’elle laisse en suspens.

Le livre se divise en quatre grandes parties. Les deux premières introduisent les deux grands pans de la théorie : la relativité restreinte et la relativité générale. Les deux suivantes abordent les grands succès auxquels cette théorie a permis d’aboutir : la compréhension de l’Univers et de son histoire, et la découverte d’impensables phénomènes tels que les trous noirs et les ondes gravitationnelles.

De la notion d’espace-temps à celle de courbure, de la physique des particules à celle des ondes, nous aurons besoin de nombreux outils pour décortiquer les tenants et aboutissants de la relativité. Tous ces outils seront prudemment introduits, et de nombreuses illustrations et schémas viendront éclairer les explications.

Nous avons aussi pour objectif de présenter la relativité comme une théorie vivante, dans le sens où elle ne s’est pas faite en un jour, et est l’œuvre de nombreux hommes et femmes de science. Au-delà de rendre la lecture plus agréable, nous pensons sincèrement qu’il s’agit de l’enjeu principal de tout récit de science : replacer les découvertes scientifiques dans un contexte historique et humain, et montrer que l’hésitation et la controverse sont au moins aussi présentes que la certitude et l’harmonie.

Les nombreux personnages qui composent ce récit ne doivent cependant pas éclipser son réel protagoniste : vous, le lecteur. En vous confrontant à la réalité – parfois dérangeante, mais toujours renversante – de la relativité, vous faites réellement l’expérience de la science. Nous vous invitons donc à vous approprier ce texte, à le questionner, à accepter le doute et parfois l’incompréhension. À vaincre sans péril, on triomphe sans gloire : si la réalité était limpide, elle serait bien plus fade.

Bonne lecture, ou plutôt bon voyage !

« Le temps nous est compté, dit la sagesse populaire. Oui, mais en quelle monnaie ? »

ALBERT EINSTEIN

Lorsque l’on cherche à comprendre la nature, mieux vaut éviter les conclusions hâtives : Lord Kelvin le sait mieux que quiconque. Le physicien anglais, dont le nom s’est immortalisé en une unité de température, mit en garde sa communauté lors d’un discours prononcé devant l’Institution royale de Londres :

« Dans le ciel azuré de la physique subsistent deux nuages d’incompréhension pour obscurcir la clarté. »

Drapés dans leurs certitudes, les contemporains de Kelvin étaient loin de se douter que la physique classique, celle qu’ils avaient échafaudée, était au bord du gouffre. Il suffit de cinq petites années et du génie d’un jeune Albert Einstein pour que ces deux « nuages » deviennent, quasi simultanément, deux orages foudroyants… et les points de départ des deux grandes théories de la physique moderne ! La première, c’est la théorie quantique, celle qui décrit le monde de l’infiniment petit. La seconde, c’est la théorie de la relativité, celle qui décrit la nature de l’espace, du temps et de la gravité – celle que vous allez découvrir.

Dans cette première partie, nous vous proposons d’effectuer un pas en arrière pour comprendre ce qui a pu mener au coup de théâtre scientifique marquant ce début de XXe siècle. De la naissance de la physique classique avec Galilée au XVIIe siècle jusqu’à son âge d’or au XVIIIe siècle avec Newton ; des premiers « nuages » qui la firent vaciller au XIXe siècle jusqu’au grand chamboulement provoqué par Einstein à l’aube du XXe siècle… Nous retracerons le cheminement qui a mené de la physique classique, celle qui flatte l’intuition, à la physique moderne, dans laquelle on peine à trouver le reflet de notre réalité.

Grandes dates de la relativité. Les couleurs jaune et rouge marquent la transition de la physique classique vers la physique moderne initiée par Einstein en 1905.

Galilée, précurseur visionnaire

Notre voyage démarre à Pise, à la fin de la Renaissance. C’est ici que naît, sous les éclairs de génie de Galilée, la physique classique. Gardez bien ce nom en tête, car le savant toscan n’est pas seulement le fondateur de la première science exacte moderne : il préfigure, trois siècles avant Einstein, la théorie de la relativité.

La plume et la pierre

Commençons par une célèbre question-piège : on lâche une plume et une pierre depuis une fenêtre. Qui touche le sol en premier ?

Facile, c’est la pierre ! Elle tombe en accélérant jusqu’à s’écraser brutalement contre le sol, alors que la plume flotte, virevolte poétiquement, mais ne semble presque pas accélérer. Qu’en déduisez-vous ? Visiblement, les objets lourds tombent plus vite que les objets légers. Dès l’Antiquité, le grand Aristote (384-322 av. J.-C.) affirme cela : la vitesse de chute d’un corps est proportionnelle à sa masse.

Cette idée est simple et correspond très largement à notre expérience quotidienne du monde. C’est pour cette raison qu’elle séduisit les philosophes et physiciens des deux millénaires qui suivirent, et peut-être même le lecteur de ce livre. Elle satisfait un principe de raisonnement connu sous le nom de « rasoir d’Ockham », introduit au XIVe siècle par le théologien britannique William d’Ockham : les explications simples d’un phénomène doivent toujours être préférées aux explications complexes, qui doivent être « rasées ». La lecture de ce livre vous persuadera sûrement que la nature suit rarement ce précepte, au grand dam de celles et ceux qui cherchent à la comprendre…

L’intuition de Galilée

Dans le cas de la chute libre, il est assez facile de se convaincre que l’idée d’Aristote est absurde par ce que l’on appelle une expérience de pensée. Imaginez sauter d’un avion avec un ami : l’agripper par la main fera de vous un seul et même objet, doublant votre masse. D’après Aristote, vous devriez donc soudainement tomber deux fois plus vite, ce qui est bien entendu faux !

Cette expérience de pensée, c’est Galilée (1564-1642) qui l’imagina vers la fin du XVIe siècle, non pas avec des parachutistes se tenant par la main, mais avec des pierres attachées par des ficelles et lâchées depuis la tour de sa ville natale, Pise. Fervent défenseur de la théorie copernicienne de l’héliocentrisme, le savant combatif était loin d’être aussi crédule que ses aînés scientifiques. Il n’hésitait pas à défier les théories approuvées par les Saintes Écritures au péril de sa liberté. Sur la question de la chute libre, son intuition révolutionnaire était que la vitesse d’un objet expérimentant une véritable chute libre est indépendante de sa masse.

Mais alors, pourquoi la plume tombe-t-elle plus lentement que la pierre ? Simplement parce qu’elle n’est pas en véritable chute libre. En raison de sa surface importante, elle est freinée par une autre force que la gravité : celle des frottements de l’air, qui est négligeable pour les objets denses et compacts comme les pierres. Lâchez cette même plume dans le vide, par exemple dans une enceinte hermétique dont on aurait retiré l’air à l’aide d’un puissant aspirateur, et elle tombera à la même vitesse que la pierre.

L’expérience de pensée, ou comment penser l’expérience

De nos jours, il est facile de tester l’intuition de Galilée. C’est ce que fit, en 2014, le physicien anglais Brian Cox pour un documentaire de la BBC : dans un immense hangar de la NASA vidé de tout son air, il lâcha une boule de bowling et une plume d’une hauteur de 10 mètres. Spectaculairement, les deux objets atteignirent le sol exactement au même moment. Galilée, lui, n’avait pas besoin d’un tel dispositif pour démanteler les théories aristotéliciennes, et là réside toute la beauté d’une expérience de pensée : comme son nom l’indique, elle ne demande pas de validation expérimentale !

Ce qui fait le génie de Galilée, c’est d’avoir pu se représenter les frottements de l’air sans les voir. Si le rejet des dogmes était déjà en vogue à la fin de la Renaissance, notamment chez les Anglo-Saxons avec le courant empiriste de Francis Bacon, la découverte scientifique était jusqu’alors guidée par les sens. Galilée démontre non seulement que certains phénomènes échappent aux sens, mais également que les sens peuvent nous induire gravement en erreur.

Les expériences de pensée comme celle que nous venons de décrire seront le véritable leitmotiv de ce livre : c’est cet art de penser contre son cerveau qui a forgé la relativité, dont les manifestations sont plus imperceptibles encore que les frottements de l’air.

Le bateau de Galilée

La chute libre n’est qu’une entrée dans la longue liste des contributions scientifiques de Galilée. S’il est surtout célèbre pour ses découvertes en astronomie, son importance en ce qui concerne ce livre est ailleurs. Il est aussi, sans le savoir, le précurseur de l’une des théories les plus importantes de la physique : la relativité.

En 1632, il émet l’idée que le passager d’un bateau n’aurait aucun moyen de savoir, à vitesse constante, que le bateau se déplace, sauf à regarder la mer à travers un hublot. Toutes les expériences qui pourraient lui venir à l’esprit, comme lancer ou peser des objets, donneraient les mêmes résultats dans un port ou en mer. En revanche, si le bateau accélérait brusquement, le passager le saurait à coup sûr : il serait violemment propulsé en arrière, comme si les lois de la physique changeaient soudainement !

Galilée en déduit le principe suivant :

« Les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs qui se déplacent à vitesse constante. »

Il énonce en ces termes son principe de relativité, qui est une sorte de méta-loi, c’est-à-dire une loi sur les lois de la physique.

LE PENDULE DE FOUCAULT

Même lorsque nous sommes avachis dans un fauteuil, nous sommes en permanente accélération puisque nous sommes à bord d’un gigantesque manège : la Terre. Bien que l’accélération qu’elle nous fait subir par sa rotation soit plus difficile à percevoir que celle d’un manège, elle est bel et bien là.

C’est le physicien français Léon Foucault qui la mit en évidence le premier, en 1851. Sous la voûte du Panthéon, à Paris, il installa un gigantesque pendule de 67 mètres, capable d’osciller plusieurs heures avant de s’arrêter. En temps normal, on s’attendrait à ce qu’un pendule oscille selon une direction fixe. Mais du fait de la rotation de la Terre, les lois de la physique sont légèrement différentes : le pendule de Foucault se décale de 6 degrés par heure !