LA RELATIVITÉ GÉNÉRALE
La relativité générale, énoncée par Einstein en 1915, est la généralisation de la relativité restreinte aux systèmes non-inertiels, c'est à dire en accélération. (On appelle accélération en physique toute modification de vitesse ou de trajectoire pour un objet). Ainsi, un virage et un freinage sont deux accélérations). Cette généralisation est fondamentale : en effet, la quasi totalité des objets ne sont pas des systèmes d'inertie. Cela a permis l'application des théories de la relativité à tous les objets de l'Univers.
C'est lorsqu'il cherchait ce qui serait plus tard la relativité générale qu'Einstein découvrit le "principe d'équivalence". Ce principe signifie qu'une accélération produit exactement les mêmes effets sur un corps que si ce dernier se situait dans un champ gravitationnel bien choisit. De là découle l'idée de l'espace-temps.
La gravité est une sorte d'accélération. C'est pour cela que l'on lit parfois dans les livres de physique : "L'accélération de la pesanteur terrestre est de 9,81 m./s²".
Notion d'espace-temps
Notre Univers est un espace-temps à quatre dimensions : longueur (x), largeur (y), profondeur (z) et temps (t). Pourquoi quatre dimensions ? Le nombre de dimensions d'un univers est donné par le nombre de coordonnées que vous devez donner pour situer précisément un point de cet univers. Si vous voulez donner rendez-vous à votre ami, vous devrez préciser le numéro de la rue (x), la rue (y), la ville (z)... et la date (t). quatre coordonnées : notre univers est donc bien à quatre dimensions. Le temps est considéré comme une dimension comme les autres.
Un espace-temps à quatre dimensions est impossible à se représenter pour l'esprit humain. Considérons un espace-temps à 3 dimensions : x, y et t. Il peut être matérialisé de la façon suivante : une nappe bien tendue. Si vous posez sur cette nappe une boule de pétanque, la boule va déformer votre espace-temps : il y aura un "creux" sous votre boule. Il se passe exactement la même chose dans notre Univers, les boules de pétanque étant les étoiles, les galaxies... Ces corps célestes creusent l'espace-temps autour d'eux.
Maintenant, accrochez-vous bien : cela a une conséquence importante : la gravité.
Prenez un bol ou une assiette assez creuse. Lancez le long du bord une bille d'acier : elle va tourner à l'intérieur du bol ou de l'assiette, puis va tomber au centre, à cause des frottements dus à l'air. Mais, alors que vous avez lancé votre bille sur une ligne droite imaginaire, elle s'est mise à tourner à l'intérieur de votre bol.
Deuxième expérience, plus parlante :
Prenez une feuille de papier quelconque et tracez un petit cercle au centre de celle-ci. A côté de ce dernier, tracez une droite assez longue (environ 15 cm).
Avec des ciseaux, enlevez un triangle de papier à cette feuille, triangle ayant pour sommet le centre de votre cercle et pour base le bord de la feuille. Ce triangle ne doit pas couper votre droite. L'angle au centre de la feuille devra être assez important (environ 90°).
Ramenez côte à côte les deux découpes. Vous obtenez un cône, ayant pour sommet votre petit cercle. Oh miracle : votre ligne droite de tout à l'heure semble à présent tourner autour de votre cercle central ! C'est pourtant une ligne droite : dépliez le cône, vous vous en rendrez facilement compte.
Explication du phénomène : votre feuille représente un espace-temps à trois dimensions (x, y, t) et le cercle central un corps céleste lourd, une grosse étoile par exemple. Cette étoile courbe, sous l'effet de sa masse, l'espace-temps : c'est le cône obtenu. Pourquoi les planètes tournent-elles autour du Soleil ? Parce que ce dernier les attire, répondez-vous en choeur. Faux ! du point de vue relativiste. Vos planètes suivent une droite, appelée géodésique. Ne possèdant pas de moteur, elles ne peuvent changer de direction, et vont toujours tout droit. Mais le Soleil courbe l'espace-temps autour de lui. Résultat : les droites des planètes sont également "courbées", comme votre droite l'était dans l'expérience du cône. La gravité est donc une simple illusion de l'esprit. Tous les corps de l'Univers vont toujours tout droit dans un espace-temps à 4 dimensions (x, y, z et t). Mais ce concept étant inimaginable pour l'esprit humain, on ne voit qu'une "projection" de cet Univers. Résultat : Pour nous, les planètes tournent autour des étoiles à cause de la force de gravité qui les "attire". En fait, elles vont tout droit, se déplaçant sur la droite tracée sur votre feuille de papier, mais tournant comme si une mystérieuse force les attirait.
Cette propriété est vérifiée tous les jours dans les grands observatoires. Pour en savoir plus, il faut voir le chapitre sur les lentilles gravitationnelles.