Les
vérifications de la relativité générale
Étant donné le
bouleversement total de la physique qu’impliquait la relativité
générale, il fallait bien évidemment prouver que la théorie était correcte,
qu’il ne s’agissait pas uniquement d’une magnifique construction
intellectuelle, mais bien d’une description du monde réel. Les premières
confirmations observationnelles arrivèrent très rapidement et jusqu’à nos jours
aucun test expérimental n’a réussi à prendre la théorie en défaut.
La précession du
périhélie de Mercure
La première
confirmation fut apportée par Einstein lui-même, lorsqu’il appliqua la
relativité générale au mouvement des corps du système solaire. Nous avons vu
que l’orbite de la Terre était une ellipse. Si notre planète était la seule à tourner
autour du Soleil cette ellipse serait fixe. Mais les autres planètes ont une
influence gravitationnelle et perturbent le mouvement de la Terre. Le résultat
est que l’ellipse n’est pas fixe, mais tourne très lentement sur elle-même. Cet
effet, appelé la précession du périhélie, concerne toutes les planètes et
s’explique très bien en utilisant les lois de Newton.
Les observations
astronomiques ont montré que l’ellipse de chaque planète du système solaire
tourne bien à la vitesse prédite par la mécanique classique, sauf Mercure.
L’ellipse de la planète la plus proche du Soleil tourne légèrement plus vite
qu’elle ne devrait. L’avance est très faible, environ 43 secondes d’arc par
siècle, mais néanmoins mesurable à long terme.
C’est à ce
problème qu’Einstein appliqua sa nouvelle théorie. En effet, la déformation de
l’espace-temps autour du Soleil étant maximale au niveau de Mercure, un
désaccord avec la physique de Newton y est fort possible. Einstein montra en
1915 qu’en appliquant la relativité générale au mouvement de cette planète, il
arrivait à calculer une valeur de la précession du périhélie égale à celle que
l’on mesurait. C’était une première confirmation éclatante du bien fondé de sa
théorie.
Plus récemment un
phénomène similaire a été observé dans une étoile binaire dont l’un des membres
est unpulsar. Cette situation est idéale car l’observation
radio du pulsar permet de déterminer les mouvements au sein du couple. La
précession du périhélie est beaucoup plus forte dans ce cas, de l’ordre de
quatre degrés par an, ce qui n’a pas empêché les prédictions de la relativité
générale d’être parfaitement vérifiées.
La trajectoire
des rayons lumineux
La deuxième
confirmation de la relativité générale arriva en 1919 lorsque des observations
confirmèrent que la trajectoire des rayons lumineux est
courbée en présence de masse. Le Soleil déforme l’espace-temps autour de
lui, ce qui entraîne une légère déviation des rayons lumineux qui passent à sa
proximité. Cela signifie qui si vous observez des étoiles à un moment où elles
apparaissent proches du disque solaire, leur position apparente doit être
légèrement modifiée. Par exemple, l’image des étoiles les plus proches du
disque solaire doit se déplacer de 1,75 secondes d’arc.
Pour vérifier
cette prédiction, il fallait organiser une observation en deux temps. La
première opération consistait à prendre une photographie des étoiles proches du
disque solaire lors d’une éclipse de Soleil, lorsque la lumière de notre étoile est
masquée par la Lune. Ensuite il fallait prendre un deuxième cliché de la même
région du ciel lorsque le Soleil s’était suffisamment éloigné et que les rayons
lumineux n’étaient plus perturbés. La comparaison des deux images devait
montrer directement si la position des étoiles avait changé.
L’Anglais Arthur
Eddington et d’autres astronomes firent cette expérience en 1919. Ils
constatèrent que la position des étoiles avait effectivement changé entre les
deux clichés et que le déplacement était celui que la relativité générale
prédisait. Ce deuxième succès confirma pour de bon la portée de la relativité
générale et fit rapidement d’Einstein une célébrité mondiale.
Le ralentissement
du temps
Le troisième type
de prédiction concerne le ralentissement du temps au voisinage
d’un corps massif. Une fois encore la théorie fut vérifiée par l’expérience.
Une horloge atomique fut placée à bord d’un avion volant à 10 kilomètres
d’altitude. Au retour, elle avait quelques milliardièmes de seconde d’avance
sur une horloge identique qui était restée au sol (attention à ne pas confondre
avec l’effet de dilatation du temps qui est dû à un
mouvement relatif, pas à la gravité). Le temps s’était bel et bien écoulé un
peu plus lentement à la surface de la Terre qu’à une altitude de 10 kilomètres.
L’effet Einstein
D’autres
expériences mirent en évidence un phénomène associé au précédent : l’effet
Einstein. Imaginons qu’un rayonnement de longueur d’onde donnée est émis à la
surface d’un corps massif. Pour un observateur au loin, qui voit le temps
s’écouler plus lentement à la surface de l’astre, la période de la lumière et
salongueur d’onde apparaissent légèrement
plus longues. Ainsi, par exemple, la lumière jaune serait légèrement décalée
vers le rouge.
Ceci a été
vérifié pour le rayonnement provenant de plusieurs naines blanches, le décalage relatif étant dans
ce cas de l’ordre de quelques cent-millièmes. L’effet Einstein a également été
mesuré sur Terre. Le décalage de longueur d’onde entre la base et le sommet
d’un immeuble de 20 mètres n’est que d’un millionième de milliardième, mais il
a été possible de le mettre en évidence et de vérifier l’accord avec la
relativité générale.
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