Qu’est-ce que la relativité ?

Albert Einstein était célèbre pour de nombreuses choses, mais sa plus grande invention intellectuelle est la théorie de la relativité. Elle a changé à jamais notre compréhension de l’espace et du temps.

Qu’est-ce que la relativité ? Succinctement dit, c’est la notion que les lois de la physique sont les mêmes partout. Nous, ici sur Terre, obéissons aux mêmes lois de la lumière et de la gravité que quelqu’un dans un coin éloigné de l’univers.

L’universalité de la physique signifie que l’histoire est provinciale. Différents observateurs verront différemment la chronologie et l’espacement des événements. Ce qui pour nous représente un million d’années peut n’être qu’un clin d’œil pour quelqu’un qui vole dans une fusée à grande vitesse ou qui tombe dans un trou noir.

Tout est relatif.

Relativité spéciale

La théorie d’Einstein est divisée en relativité spéciale et relativité générale.

La relativité spéciale est venue en premier et est basée sur le fait que la vitesse de la lumière est constante pour tout le monde. Cela peut sembler assez simple, mais cela a des conséquences considérables.

Einstein est arrivé à cette conclusion en 1905 après que des preuves expérimentales aient montré que la vitesse de la lumière ne changeait pas lorsque la Terre se balançait autour du soleil.

Ce résultat a surpris les physiciens parce que la vitesse de la plupart des autres choses dépend de la direction dans laquelle l’observateur se déplace. Si vous conduisez votre voiture le long d’une voie ferrée, un train qui vient vers vous semblera se déplacer beaucoup plus rapidement que si vous vous retournez et le suivez dans la même direction.

Einstein a déclaré que tous les observateurs mesureront la vitesse de la lumière à 186 000 miles par seconde, quelle que soit la vitesse et la direction de leur déplacement.

Cette maxime a incité le comédien Stephen Wright à demander : « Si vous êtes dans un vaisseau spatial qui voyage à la vitesse de la lumière, et que vous allumez les phares, est-ce que quelque chose se passe ? »

La réponse est que les phares s’allument normalement, mais seulement du point de vue d’une personne à l’intérieur du vaisseau spatial. Pour quelqu’un qui se tient à l’extérieur et qui regarde le vaisseau passer, les phares ne semblent pas s’allumer : la lumière sort mais elle se déplace à la même vitesse que le vaisseau spatial.

Ces versions contradictoires surviennent parce que les règles et les horloges – les choses qui marquent le temps et l’espace – ne sont pas les mêmes pour différents observateurs. Si la vitesse de la lumière doit être maintenue constante comme l’a dit Einstein, alors le temps et l’espace ne peuvent pas être absolus ; ils doivent être subjectifs.

Par exemple, un vaisseau spatial de 100 pieds de long voyageant à 99,99% de la vitesse de la lumière paraîtra un pied de long à un observateur immobile, mais il gardera sa longueur normale pour ceux qui sont à bord.

Plus étrange encore, le temps passe plus lentement à mesure que l’on va plus vite. Si une jumelle voyage dans le vaisseau spatial à grande vitesse vers une étoile lointaine et revient ensuite, elle sera plus jeune que sa sœur restée sur Terre.

La masse, elle aussi, dépend de la vitesse. Plus un objet se déplace rapidement, plus il devient massif. En fait, aucun vaisseau spatial ne pourra jamais atteindre 100% de la vitesse de la lumière car sa masse croîtrait à l’infini.

Cette relation entre masse et vitesse est souvent exprimée comme une relation entre masse et énergie : E=mc^2, où E est l’énergie, m la masse et c la vitesse de la lumière.

Relativité générale

Einstein n’avait pas fini de bouleverser notre compréhension du temps et de l’espace. Il a ensuite généralisé sa théorie en incluant l’accélération et a constaté que cela déformait la forme du temps et de l’espace.

Pour rester dans l’exemple ci-dessus : imaginez que le vaisseau spatial accélère en allumant ses propulseurs. Ceux qui sont à bord vont se coller au sol comme s’ils étaient sur Terre. Einstein a affirmé que la force que nous appelons gravité est indiscernable du fait d’être dans un vaisseau qui accélère.

Cela en soi n’était pas si révolutionnaire, mais quand Einstein a mis au point les mathématiques complexes (cela lui a pris 10 ans), il a découvert que l’espace et le temps sont courbés près d’un objet massif, et cette courbure est ce que nous ressentons comme la force de gravité.

Il est difficile de se représenter la géométrie courbe de la relativité générale, mais si l’on pense à l’espace-temps comme une sorte de tissu, alors un objet massif étire le tissu environnant de telle sorte que tout ce qui passe à proximité ne suit plus une ligne droite.

Les équations de la relativité générale prédisent un certain nombre de phénomènes, dont beaucoup ont été confirmés :

• la courbure de la lumière autour des objets massifs (lentille gravitationnelle)
• une évolution lente de l’orbite de la planète Mercure (précession du périhélie)
• l’entraînement du cadre de l’espace-temps autour des corps en rotation
• l’affaiblissement de la lumière échappant à la gravité (décalage vers le rouge gravitationnel)
• les ondes gravitationnelles (ondulations du tissu espace-temps) causées par les fracas cosmiques
• l’existence de trous noirs qui emprisonnent tout, y compris la lumière

La déformation de l’espace-temps autour d’un trou noir est plus intense que partout ailleurs. Si la jumelle de l’espace tombait dans un trou noir, elle serait étirée comme des spaghettis.

Heureusement pour elle, tout serait terminé en quelques secondes. Mais sa sœur sur Terre ne verrait jamais la fin – elle regarderait sa pauvre sœur se rapprocher progressivement du trou noir au cours de l’âge de l’univers.

La jumelle de l’espace, elle, ne verrait jamais la fin.