Bionique  

L’Univers

Bionique : petit observatoire des inventions de la nature

La forme même de l’espace et du temps est sculptée par la matière...

La forme même de l’espace et du temps est sculptée par la matière.

Selon Albert Einstein, le champ de gravité de la Terre courbe l’espace autour d’elle et la Lune suit son orbite elliptique autour de la Terre parce que c’est le trajet le plus court dans cet espace courbe.
Comment visualiser la notion abstraite de la courbure de l’espace et du temps (l’espace-temps) ?

Par la lumière... les rayons lumineux.

La courbure de l’Univers se matérialise par les trajectoires incurvées des rayons lumineux. Observons un morceau de tissu (avec fil de trame et fil de chaîne) : si nous le tendons nous avons une surface plane. Imaginons que la trame du tissu soit tracée par les trajectoires de rayons lumineux. En l’absence de matière, donc de gravitation, les trajectoires lumineuses sont rectilignes et la géométrie du tissu est euclidienne(étude de l’espace usuel avec les notions de distance et d’angle) : les parallèles ne se recoupent jamais, la somme des angles d’un triangle est égale à 180°, etc...

Si maintenant vous déposez une bille massive sur le tissu élastique, les fils du tissu s’incurvent autour de la bille (The Blue Marble, la Bille Bleue).

Influence d'une masse (ici, la Terre) sur l'espace-temps.  JPEG - 42.6 ko
La courbure de l’espace-temps
Influence d’une masse (ici, la Terre) sur l’espace-temps.

En fait ce sont les trajectoires des rayons lumineux qui s’incurvent dans le champ gravitationnel crée par la matière. On voit bien que les trajectoires des rayons lumineux, incurvées par les champs gravitationnels des corps massifs, sont le reflet de la géométrie courbe sous-jacente de l’espace et du temps.

Nous voici dans la courbure de l’espace et du temps.

Aujourd’hui, lorsque l’on parle de l’Univers, on parle de la matière-espace-temps, en se référant à cette magnifique théorie de la relativité générale élaborée par Albert Einstein au début du XXe siècle.

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Albert Einstein en 1947

La relativité générale décrit les phénomènes gravitationnels non pas en termes de force d’attraction, mais en termes de géométrie de l’espace et du temps, cette géométrie étant sculptée par la répartition de la matière. A cause de cette interaction matière-espace-temps, la relativité générale utilise des géométries non-euclidiennes, autrement dit des espaces courbes. Voilà qui fait encore apparaître des formes, mais il ne s’agit plus des formes directement visibles des structures matérielles : on parle alors de la forme même de l’espace et du temps, sculptée par la matière. On se situe au niveau le plus fondamental de la forme.

[...] Depuis le début du XXe siècle, grâce en particulier à Henri Poincaré et à Albert Einstein, nous savons que l’espace est « courbe » et que le temps absolu n’existe pas. A l’échelle de l’Univers, l’espace plat à trois dimensions d’Euclide et d’Emmanuel Kant, dans lequel deux parallèles ne se coupent jamais, ne représente pas la réalité. Au voisinage de toute masse, du Soleil comme d’un trou noir, les rayons lumineux ne suivent pas une droite mais une courbe, et le temps s’écoule différemment. On ne pourra jamais construire une « horloge universelle ». On doit se contenter de mesurer le temps localement, et garder à l’esprit que l’espace et le temps sont intimement liés.[...] André BRAHIC, Enfants du soleil, histoire de nos origines, Editions Odile Jacob, 1999.

Notre conception de l’espace a donc évolué et elle est différente de celle de Newton. L’espace selon Isaac Newton était statique et immobile. Nous savons aujourd’hui que l’espace est dynamique, qu’il peut s’étirer, se rétrécir, se déformer, se contorsionner au gré de la gravitation. Il y a interraction entre la matière et l’espace. Dans un champ de gravité intense comme celui d’un trou noir, l’espace est si replié sur lui-même que la lumière ne peut plus sortir.

La loi de la gravitation ou loi de l’attraction universelle, découverte par Isaac Newton, est la loi décrivant la gravitation comme une force responsable de la chute des corps et du mouvement des corps célestes, et de façon générale, de l’attraction entre des corps ayant une masse, mais elle est incapable de s’appliquer aux trous noirs, ni à la déviation de la lumière par la gravitation, ni à d’autres phénomènes observés au XXe siècle.

Selon Albert Einstein, le champ de gravité de la Terre courbe l’espace autour d’elle et la Lune suit son orbite elliptique autour de la Terre parce que c’est le trajet le plus court dans cet espace courbe.

Quand l’espace se déforme, le temps lui aussi s’allonge ou se raccourcit, en harmonie avec les déformations de l’espace. Le temps et l’espace ont des mouvements complémentaires : quand l’espace se rétrécit, le temps s’étire, il passe plus lentement. La conversion entre l’espace et le temps se fait par la vitesse de la lumière, une seconde de temps étant équivalente à 300 000 km d’espace. Nous avons appris que nous vivons dans un univers à quatre dimensions : trois dimensions spatiales et une dimension temporelle. La nature du temps et de l’espace, décrite par la relativité, est universelle. L’espace de l’univers, des étoiles et galaxies lointaines est le même qu’ici sur Terre. Nous sommes loin de l’univers selon Aristote*, avec un espace terrestre et lunaire (où toute chose allait en ligne droite, de haut en bas, ou de bas en haut) et un espace des autres planètes, du Soleil et des étoiles, totalement différent, où tout mouvement était circulaire. Et si nous ne sentons pas l’élasticité du temps dans notre vie quotidienne, elle nous est imperceptible, c’est parce qu’il n’y a pas de grands champs de gravité sur terre (la gravité de la terre est 28 fois moindre que celle du Soleil) et que nous nous déplaçons à des vitesses bien plus faibles que celle de la lumière.

Voir aussi :

Des livres à commander chez votre libraire :

  • Les trois premières minutes de l’univers,( The Firth Three Minutes), de Steven Weinberg, collection « Sciences ouvertes », Seuil, 1978. L’ouvrage existe en poche, collection Points sciences, Seuil, 1988.
  • Couverture du livre de Steven Wienberg, Les trois premières minutes de l'univers,1988, aux Editions du Seuil, en poche.  JPEG - 31.8 ko
    Les trois premières minutes de l’univers
    Couverture du livre de Steven Wienberg, Les trois premières minutes de l’univers,1988, aux Editions du Seuil, en poche.
  • Une brève histoire du temps, du big-bang aux trous noirs, de Stephen Hawking, 1989, Editions Flammarion. L’ouvrage existe en poche, collection « Champs sciences ».
Couverture du livre de Stephen Hawking, Une brève histoire du temps, du big-bang aux trous noirs,1989, Editions Flammarion, collection « Champs sciences ».  JPEG - 35.1 ko
Une brève histoire du temps...
Couverture du livre de Stephen Hawking, Une brève histoire du temps, du big-bang aux trous noirs,1989, Editions Flammarion, collection « Champs sciences ».
  • Enfants du Soleil, histoire de nos origines, de André Brahic, 1999, Editions Odile Jacob. L’ouvrage existe en poche.
    Couverture du livre de André Brahic, Enfants du Soleil, histoire de nos origines,1999, Editions Odile Jacob.  JPEG - 19.8 ko
    Enfants du Soleil...
    Couverture du livre de André Brahic, Enfants du Soleil, histoire de nos origines,1999, Editions Odile Jacob.
  • Voyage au coeur de la Lumière, de Thuan TRINH XUAN, 2008, Découvertes Gallimard.
  • « Voyage au coeur de la lumière », de Thuan TRINH XUAN, Découvertes Gallimard.  JPEG - 19.3 ko
    Voyage au coeur de la lumière
    « Voyage au coeur de la lumière », de Thuan TRINH XUAN, Découvertes Gallimard.
Couverture du livre d'Albert Einstein, La relativité : théorie de la relativité restreinte et générale ; la relativité et le problème de l'espace, traduit de l'allemand par Maurice Solovine, 2001, Editeur : Payot & Rivages.  JPEG - 33 ko
La relativité
Couverture du livre d’Albert Einstein, La relativité : théorie de la relativité restreinte et générale ; la relativité et le problème de l’espace, traduit de l’allemand par Maurice Solovine, 2001, Editeur : Payot & Rivages.

En 1916, Albert Einstein publie sa théorie dite de la relativité générale. Les « équations du champ » sont la clé de voûte de cette théorie. Elles décrivent le comportement du champ de gravitation (la métrique de l’espace-temps) en fonction du contenu énergétique et matériel. La théorie de la relativité d’Albert Einstein ainsi que ses ouvrages de 1905 et 1916 forment la base de la physique moderne.

Vérification par l’eclipse solaire de 1919

Pour vérifier la relativité générale, une mesure de la déviation des rayons lumineux aux alentours d’une masse lors d’une éclipse solaire est envisagée.

La première expédition est prévue en 1915, mais est rendue impossible par la Première Guerre mondiale. En 1919, Arthur Eddington, astrophysicien britannique, réalise cette mesure et annonce que les résultats sont conformes à la théorie d’Einstein. Il apparaît bien plus tard qu’en raison du temps nuageux, la marge d’erreur était bien supérieure au phénomène à mesurer. Le physicien Stephen Hawking commente en 1988 dans son ouvrage « Une brève histoire du temps » que ce genre de faux bon résultat est courant quand on sait à quoi s’attendre. Comme d’autres mesures avaient entre-temps confirmé la déviation de la lumière, la validité de la relativité générale n’en fut pas ébranlée.

Notes de bas de page :

  • * Aristote admettait que la Terre était ronde, mais il affirmait qu’elle était immobile au centre d’un Univers sphérique.

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