29 mai 1919

Eddington valide la relativité générale d'Einstein

Le 29 mai 1919, sur une île africaine, à la faveur d'une éclipse totale, l'Anglais Arthur Eddington photographie la déviation des rayons lumineux des étoiles à proximité du Soleil. Après quelques mois consacrés à l'analyse de ses clichés, il annonce la conformité des résultats avec la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein !

Le savant allemand en est informé le 22 septembre par un télégramme de son ami, le physicien hollandais Hendrik Lorentz. C'est pour lui le début de la célébrité. Sa notoriété dépasse désormais les cercles scientifiques... Mais comment et pourquoi a-t-il bouleversé les sciences avec la « relativité restreinte » puis la « relativité générale » ?

Albert Einstein.

C’est quoi la relativité restreinte ?

En matière scientifique, 1905 clôt une « décennie prodigieuse ». Cette année est aussi souvent surnommée « l’année miraculeuse d’Einstein ». Entre mars et septembre 1905, le jeune savant (26 ans) publie cinq articles qui contribuent de façon significative à établir les fondements de la physique moderne. C’est une bombe au sein de la communauté scientifique de l’époque. À cette époque, Einstein est un total inconnu qui n’a même pas de poste à l’université et travaille à l’office des brevets de Zurich, en Suisse. Ses articles introduisent la théorie de la relativité restreinte. Qu'en est-il de cette « relativité » ? Pourquoi « restreinte » ?

La « relativité » s’oppose à « l’absolu ». Avant Einstein, la physique classique et le bon sens commun considéraient l’espace et le temps comme distincts, sans relation l'un avec l'autre. Une seconde était égale à une seconde, un mètre était égal à un mètre, et ceci où que l’on se trouve dans l’Univers et quels que soient les paramètres de l’expérience.

Einstein va démontrer que la seule valeur absolue est la vitesse de la lumière. Elle est la même partout, tout le temps, et rien ne peut aller plus vite qu’elle. L’espace est relié au temps et  forme avec lui une entité appelée tout simplement « espace-temps ». Cet espace-temps se déforme selon la position et la vitesse de deux personnes l’une par rapport à l’autre. Après Einstein, une seconde n’est plus forcément égale à une seconde selon la position où l’on se trouve, et un mètre n’est plus forcément égal à un mètre.

Lorsque la vitesse augmente, le temps se dilate, et les longueurs se contractent. Pour un passager qui serait propulsé à bord d’un vaisseau à la vitesse de la lumière (environ 300 000 km par seconde), le temps s’écoulerait plus lentement et les distances apparaîtraient plus courtes que pour un observateur resté sur la Terre.

Cette relativité mise en évidence par Einstein en 1905 est dite « restreinte » car elle ne tient pas compte de la gravitation. Elle ne fonctionne que dans un cadre « théorique » sans force d’attraction, sans accélération ou décélération. Ce n’est qu’à partir de 1907 qu’Einstein va essayer d’intégrer la gravitation à ses calculs. Il lui faudra 8 ans pour y parvenir et faire de sa théorie de la relativité « restreinte », une théorie de la relativité « générale », c’est-à-dire applicable à l’Univers entier.

C’est quoi la relativité générale ?

En publiant enfin sa théorie de la relativité « générale » en 1915, Albert Einstein va remettre en cause la brillantissime théorie de la gravitation d'Isaac Newton qui avait elle aussi, en son temps, révolutionné la physique.

Pour comprendre la gravitation, revenons en 1665. Selon la légende, c'est assis sous un arbre et voyant tomber une pomme que Newton en aurait déduit que la force qui attire cette pomme vers le sol est la même que celle qui maintien la Lune en orbite autour de la Terre : la force gravitationnelle !  En 1687, il publie sa théorie sous forme d’équations mathématiques et montre que deux corps s’attirent l’un vers l’autre, plus ou moins fortement selon leur masse et la distance qui les sépare. Sa théorie universelle de la gravitation va alors devenir la référence pendant environ 250 ans.

Si la théorie de Newton a fait loi pendant plus de deux siècles et continue d'être appliquée dans notre vie quotidienne, c’est parce que ses calculs fonctionnent avec une précision amplement suffisante à notre échelle et suffisent à prédire les trajectoires de deux objets célestes à quelques centimètres près. Ce qui n’est quasiment rien... Mais ce quasiment rien n’est pas rien pour Einstein.

Pour Newton, espace, temps et simultanéité étaient absolus. Or Einstein a montré que ce n’était pas le cas. Selon la théorie newtonienne, la Terre va tout droit dans l’espace mais sa trajectoire est modifiée par la présence du Soleil. Donc selon Newton, si le Soleil disparaissait, la Terre modifierait sa trajectoire instantanément et partirait en ligne droite. La théorie de la relativité restreinte nous explique que ce n’est pas possible, car rien ne peut se propager plus vite que la lumière. La simultanéité n’est donc pas absolue.

Einstein va compléter l'idée avec une nouvelle théorie de la gravitation. Il va montrer que la masse d’un objet déforme l’espace-temps. C'est comme si l'on tend un film plastique dans le vide. Le film est plat mais si l'on pose une pomme dessus, il se déforme et si l'on pose ensuite une bille, elle roulera sur le film vers la pomme.

Ainsi interagissent deux corps dans l’Univers. Pour Einstein, ils ne s’attirent pas mais c’est la courbure qu’ils créent dans l’espace-temps qui influe sur leurs trajectoires. Si la force gravitationnelle déforme l’espace-temps, cela signifie que le temps s’écoule différemment d’une planète à une autre selon sa masse.

Schéma de la déformation de l'espace-temps par la Terre.

1919 : Einstein devient une star mondiale grâce à Eddington

Si Einstein publie sa théorie en 1915, il ne rallie pas immédiatement tout le monde scientifique à sa cause. Il est vrai que nous sommes alors en pleine guerre, et les savants britanniques ne s'intéressent pas aux travaux d'un scientifique allemand. À une exception près, l’astrophysicien anglais Arthur Stanley Eddington qui tentera de démontrer la théorie d'Einstein quatre ans plus tard, à l'aide d'une éclipse solaire comme l'imaginait Einstein.

Arthur EddingtonEddington était un scientifique brillant, titulaire de la chaire d’astronomie de Cambridge et officier de la Royal Astronomical Society. Lorsqu’il reçut la thèse en 1916, Eddington la trouva si élégante et impressionnante qu’il y adhéra tout de suite. La légende raconte que lors d’un dîner, un collègue lui aurait lancé : « Tu dois être l’une des trois seules personnes au monde qui comprend la théorie de la relativité générale ». Devant le silence d’Eddington, il ajouta : « Ne sois pas modeste ! ». Eddington lui répondit alors :«  Au contraire, j’essaye de trouver qui est la troisième personne. »

Astrophysicien talentueux, Eddington était également un pacifiste qui refusa de s’engager dans la Grande Guerre, un détail qui est loin d’en être un dans l’histoire de la relativité générale.

En ces temps sombres, il était bien difficile pour un scientifique allemand d’être considéré par ses pairs anglais, français ou américains. Mais Eddington, comme Einstein, pensait que les sciences devaient transcender les frontières du conflit. En tant que quaker, membre de la société religieuse des Amis, il était contre la guerre, ce qui lui valut bien des ennuis quand la Grande-Bretagne, fortement engagée dans le conflit, rendit la conscription obligatoire en 1916.

Son statut de scientifique le sauva de la prison. Sur le point d’être arrêté, Eddington reçut in extremis une dérogation grâce au poids de son confrère et ami Franck W. Dyson, astronome royal. Ce dernier avança que Eddington devait mener une expédition scientifique fondamentale dont il obtint le financement, afin de prouver la théorie d’Einstein.

Schéma de la position réelle et apparente d'une étoile. Crédits : tbs-education.frLe 29 mai 1919, une éclipse solaire était prévue dans l’hémisphère Sud. Eddington se rendit donc sur l'archipel de Sao-Tomé-et-Principe, dans le golfe de Guinée, tandis qu’une deuxième expédition partait à Sobral, au Brésil. Leur objectif commun était de photographier un amas d’étoiles (l’amas des Hyades) proches du Soleil et de comparer leurs positions lorsque le Soleil ne se trouve pas entre elles et la Terre.

Pourquoi cette expérience ? La théorie d’Einstein nous dit que les astres provoquent la courbure de l’espace-temps. Cela signifie que la lumière, elle aussi soumise à cette courbure, peut être déviée. La lumière des étoiles nous parvenant ne devrait donc pas suivre la même trajectoire si le Soleil est sur cette trajectoire ou non.

Mais pour observer cela, encore faut-il discerner les étoiles proches du Soleil. Voilà l’intérêt de l’éclipse, qui permet de voir et mesurer la position des étoiles par rapport au Soleil, tant qu’il est caché par la Lune.

Mais ce 29 mai 1919, le ciel était voilé et la visibilité réduite. Eddington parvint tout de même à prendre quelques clichés qu’il analysa à son retour à Cambridge. Après plusieurs mois de travail, il annonça en novembre 1919 le résultat de son expérience devant la Royal Society et la Royal Astronomical Society à Londres : « Une plaque que j’ai mesurée donnait des résultats en accord avec Einstein ». Était-ce vrai ? En réalité, les analyses des clichés de Sobral au Brésil ne donnèrent pas les résultats escomptés. Eddington et Dyson décidèrent de ne pas les garder, et de ne retenir que la photographie de Sao-Tomé-et-Principe, dont les conclusions concordaient avec les prédictions d’Einstein. Depuis, de nombreuses expériences ont permis de vérifier la validité de la relativité générale.

Au lendemain de l’annonce d’Eddington, la nouvelle fit la Une du Times. Elle fut d'emblée perçue comme une révolution scientifique avant de se répandre dans le monde.

« Lumières toutes de travers dans le ciel, Les hommes de science plus ou moins agités par les résultats des observations de l'éclipse, La théorie d'Einstein triomphe » (Une du New York Times le 10 novembre 1919) / « Einstein expose sa nouvelle théorie » (titre du New York Times le 3 décembre 1919)

Un an après l'Armistice, l’impact symbolique et politique de cette découverte fut énorme. Il marquait le triomphe de la théorie d’un Allemand, Albert Einstein, sur la théorie du plus grand scientifique britannique de tous les temps, Isaac Newton. Cet Allemand avait changé notre perception de l’Univers, et un autre Britannique, Eddington, venait de le prouver.

Publié ou mis à jour le : 2019-06-06 17:34:24

 
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