Plus d’un siècle après la présentation de la théorie de la relativité générale, les prédictions les plus audacieuses d’Albert Einstein résistent encore et toujours à l’expérimentation scientifique. La dernière en date concerne les ondes gravitationnelles. Mais avant elles, bien d’autres découvertes avaient conforté les théories du grand savant du 20e siècle.
Le 29 mai 1919, île de Principe dans le golfe de Guinée. L’astrophysicien Arthur Eddington attend l’éclipse totale de Soleil indiquée par Albert Einstein qui, à l’approche de la quarantaine, joue sur ce coup médiatique l’avenir de sa carrière.
Si la théorie de la relativité générale qu’il a présentée quatre ans plus tôt est exacte, l’amas d’étoiles Hyades doit se trouver un emplacement précis, mais décalé sur la sphère céleste. Alors que si, en revanche, on s’en tient à la physique de Newton, il doit être à sa place habituelle. L’explication tient à ce qu’une lentille gravitationnelle causée par un objet très massif comme notre Soleil déforme le point de vue de l’observateur. Or, malgré des mesures relativement imprécises, Eddington valide la théorie. L’épisode marque un tournant pour les physiciens, dont beaucoup se retrouvent brutalement dépassés: il faut tout réapprendre.
L’astrophysicien indien Subrahmanyan Chandrasekhar (plus connu sous le nom de Chandar), prix Nobel de physique en 1983, rapporte un échange devenu célèbre. Peu après l’expérience de l’éclipse d’Einstein, l’astrophysicien Edward Milne s’adresse à son collègue: Professeur Eddington, vous devez être l’un des trois hommes au monde qui comprenne vraiment la théorie de la relativité générale d’Einstein. Devant le silence de son interlocuteur, Milne insiste: Ne soyez pas modeste Eddington. – Au contraire, je cherche qui peut bien être ce troisième homme, répond alors Eddington, connu pour ses réparties cinglantes.
Une nouvelle manière de concevoir la science
L’hypothèse d’Einstein, qui était à la fois très audacieuse mais aussi parfaitement falsifiable sur le plan scientifique, réussissait son premier test de réfutation. Fasciné par la démarche du savant, l’épistémologue Karl Popper y a vu la marque d’une science véritable. Selon lui, la science ne progresse pas en essayant de vérifier des hypothèses, mais en cherchant au contraire à les récuser.
Plus la conjecture est osée, plus elle résiste aux tests réalisés pour la mettre en défaut et plus le fait scientifique s’en trouve renforcé. Cela fait maintenant plus d’un siècle que les théories d’Albert Einstein résistent à l’épreuve de l’expérimentation scientifique et donc à la réalité du monde. Comme un puits de sciences sans fond. Certaines se vérifient d’ailleurs des millions de fois quotidiennement. Sans la relativité générale, le calcul précis de coordonnées GPS ne serait pas possible.
La compréhension des propriétés du continuum espace-temps nécessaire à la compréhension des règles qui régissent l’univers découle aussi des travaux du génie. La vitesse de la lumière indépassable qui donne une cohérence au réel, c’est lui. La dilatation du temps en fonction de la vitesse et de la gravitation, c’est encore lui. Les pulsars, les trous noirs… Voici d’autres exemples parmi les plus marquants.
Des horloges atomiques volantes pour vérifier un infime décalage
L’expérience dite du paradoxe des jumeaux montre que les mesures du temps et de distance dépendent des mouvements de l’observateur et de l’objet observé. Pour l’instrument de mesure du temps en mouvement, le temps s’écoule plus lentement que pour celui resté immobile. L’assertion a été vérifiée en 1971 par deux physiciens américains, Josephe Hafele et Richard Keating. L’expérimentation a consisté à embarquer deux horloges atomiques synchronisées avant leur départ dans deux avions commerciaux. L’un a fait deux fois le tour de la Terre vers l’est et l’autre a parcouru la même distance, mais en allant vers l’ouest. Comparés à l’arrivée, les deux dispositifs montraient un décalage conforme aux calculs de quelques milliardièmes de seconde.
A des vitesses beaucoup plus importantes se rapprochant de la vitesse de la lumière, le phénomène conduirait à un décalage beaucoup plus important. En considérant deux frères jumeaux, l’un tournant autour de la Terre à très grande vitesse et l’autre évoluant comme nous à sa surface, le voyageur de retour au sol après quelques années aurait vieilli beaucoup moins vite que son frère, devenu un vieillard. Même si pour chacun des deux le temps se serait écoulé normalement.
Le décalage vers le rouge ou redshift
Le phénomène de décalage vers le rouge des raies spectrales des objets astronomiques a lui aussi été prévu par le savant. Lorsqu’une étoile s’éloigne de nous à haute vitesse, les observateurs notent une augmentation de la longueur d’onde de la lumière engendrée par le mouvement de l’objet observé. Plus cette vitesse d’éloignement est grande plus le décalage est large. Au contraire quand le corps se rapproche de nous, la couleur vire au bleu, témoignant d’une longueur d’onde plus courte. Cette découverte a permis aux astronomes Richard Tolman et Edwin Powell Hubble, de déceler la première preuve scientifique validant de manière concrète la théorie du Big Bang et d’un univers en expansion.
D’autres expériences ont montré la solidité d’autres prédictions d’Einstein. En 2013, l’analyse de la lumière issue 7.800 amas galactiques a confirmé que les photons issus du centre, happés par une gravité plus forte, avaient moins d’énergie que ceux échappés en périphérie.
Avec la détection directe des ondes gravitationnelles, un nouveau pas est franchi. Il confirme que la relativité générale reste cent ans plus tard le cadre incontournable de décryptage de l’univers. Jusqu’à ce que d’autres théories viennent en affiner la signification et expliquent de manière plus satisfaisante le mystère de la matière et l’énergie noires. Indétectables dans nos modèles physiques, elles représenteraient pourtant la majeure partie du cosmos.