Lorsque nous pensons à la gravité, nous l’envisageons généralement comme une force entre des masses. Lorsque vous montez sur une balance, par exemple, le nombre sur la balance représente l’attraction de la gravité de la Terre sur votre masse, ce qui vous donne du poids. Il est facile d’imaginer la force gravitationnelle du Soleil qui maintient les planètes dans leur orbite, ou la force gravitationnelle d’un trou noir. Les forces sont faciles à comprendre comme des poussées et des tractions.

Mais nous comprenons maintenant que la gravité en tant que force n’est qu’une partie d’un phénomène plus complexe décrit la théorie de la relativité générale. Bien que la relativité générale soit une théorie élégante, elle s’éloigne radicalement de l’idée de la gravité en tant que force. Comme l’a dit Carl Sagan, « Les affirmations extraordinaires exigent des preuves extraordinaires », et la théorie d’Einstein est une affirmation très extraordinaire. Mais il s’avère qu’il existe plusieurs expériences extraordinaires qui confirment la courbure de l’espace et du temps.

La clé de la relativité générale réside dans le fait que tout ce qui se trouve dans un champ gravitationnel tombe à la même vitesse. Placez-vous sur la Lune et laissez tomber un marteau et une plume, et ils toucheront la surface en même temps. Il en va de même pour tout objet, quelle que soit sa masse ou sa constitution physique, et c’est ce que l’on appelle le principe d’équivalence.

Puisque tout tombe de la même manière quelle que soit sa masse, cela signifie que sans aucun point de référence externe, un observateur flottant librement loin des sources gravitationnelles et un observateur en chute libre dans le champ gravitationnel d’un corps massif ont chacun la même expérience. Par exemple, les astronautes dans la station spatiale ont l’impression de flotter sans gravité. En réalité, l’attraction gravitationnelle de la Terre sur la station spatiale est presque aussi forte qu’à la surface. La différence est que la station spatiale (et tout ce qu’elle contient) est en train de tomber. La station spatiale est en orbite, ce qui signifie qu’elle tombe littéralement autour de la Terre.

Cette équivalence entre flottement et chute est ce qu’Einstein a utilisé pour développer sa théorie. Dans la relativité générale, la gravité n’est pas une force entre les masses. La gravité est plutôt un effet de la déformation de l’espace et du temps en présence d’une masse. Sans force agissant sur lui, un objet se déplace en ligne droite. Si vous tracez une ligne sur une feuille de papier, puis que vous tordez ou pliez le papier, la ligne n’apparaîtra plus droite. De la même manière, la trajectoire rectiligne d’un objet est courbée lorsque l’espace et le temps sont courbés. Cela explique pourquoi tous les objets tombent à la même vitesse. La gravité déforme l’espace-temps d’une manière particulière, de sorte que les trajectoires droites de tous les objets sont courbées de la même manière près de la Terre.

Donc, quel type d’expérience pourrait éventuellement prouver que la gravité est un espace-temps déformé ? L’une d’elles découle du fait que la lumière peut être déviée par une masse proche. On affirme souvent que puisque la lumière n’a pas de masse, elle ne devrait pas être déviée par la force gravitationnelle d’un corps. Ce n’est pas tout à fait exact. Puisque la lumière possède de l’énergie et que, selon la relativité restreinte, la masse et l’énergie sont équivalentes, la théorie gravitationnelle de Newton prévoit que la lumière sera légèrement déviée par une masse proche. La différence est que la relativité générale prédit qu’elle sera déviée deux fois plus.

L’effet a été observé pour la première fois par Arthur Eddington en 1919. Eddington s’est rendu sur l’île de Principe, au large de l’Afrique de l’Ouest, pour photographier une éclipse totale. Il avait pris des photos de la même région du ciel quelque temps auparavant. En comparant les photos de l’éclipse et les photos précédentes du même ciel, Eddington a pu montrer que la position apparente des étoiles se déplaçait lorsque le Soleil était proche. L’ampleur de la déviation était en accord avec Einstein, et non avec Newton. Depuis lors, nous avons constaté un effet similaire lorsque la lumière de quasars et de galaxies éloignés est déviée par des masses plus proches. Ce phénomène est souvent appelé lentille gravitationnelle, et il a été utilisé pour mesurer les masses des galaxies, et même voir les effets de la matière noire.

Un autre élément de preuve est connu sous le nom d’expérience du retardement. La masse du Soleil déforme l’espace à proximité de celui-ci, donc la lumière qui passe près du Soleil ne voyage pas en ligne parfaitement droite. Au lieu de cela, elle voyage le long d’un chemin légèrement incurvé qui est un peu plus long. Cela signifie que la lumière provenant d’une planète située de l’autre côté du système solaire que la Terre nous parvient un tout petit peu plus tard que ce à quoi nous pourrions nous attendre. La première mesure de ce décalage a été effectuée à la fin des années 1960 par Irwin Shapiro. Des signaux radio ont rebondi sur Vénus depuis la Terre alors que les deux planètes se trouvaient presque de part et d’autre du soleil. Le délai mesuré pour le voyage aller-retour des signaux était d’environ 200 microsecondes, comme le prédit la relativité générale. Cet effet est maintenant connu sous le nom de retard de Shapiro, et il signifie que la vitesse moyenne de la lumière (déterminée par le temps de parcours) est légèrement plus lente que la vitesse instantanée (toujours constante) de la lumière.

Un troisième effet est celui des ondes gravitationnelles. Si les étoiles déforment l’espace autour d’elles, alors le mouvement des étoiles dans un système binaire devrait créer des ondulations dans l’espace-temps, de la même manière que faire tournoyer son doigt dans l’eau peut créer des ondulations à la surface de l’eau. En s’éloignant des étoiles, les ondes de gravité retirent une partie de l’énergie du système binaire. Cela signifie que les deux étoiles se rapprochent progressivement l’une de l’autre, un effet connu sous le nom d’inspiration. Lorsque les deux étoiles s’inspirent, leur période orbitale se raccourcit car leurs orbites deviennent plus petites.

Pour les étoiles binaires régulières, cet effet est si faible que nous ne pouvons pas l’observer. Cependant, en 1974, deux astronomes (Hulse et Taylor) ont découvert un pulsar intéressant. Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide qui émettent des impulsions radio dans notre direction. La fréquence des impulsions des pulsars est généralement très, très régulière. Hulse et Taylor ont remarqué que le rythme de ce pulsar particulier s’accélérait légèrement puis ralentissait légèrement à un rythme régulier. Ils ont montré que cette variation était due au mouvement du pulsar en orbite autour d’une étoile. Ils ont pu déterminer très précisément le mouvement orbital du pulsar, calculant sa période orbitale à une fraction de seconde près. En observant leur pulsar au fil des ans, ils ont remarqué que sa période orbitale se raccourcissait progressivement. Le pulsar s’inspire du rayonnement des ondes gravitationnelles, comme prévu.

Enfin, il existe un effet connu sous le nom de frame dragging. Nous avons observé cet effet près de la Terre elle-même. Parce que la Terre est en rotation, elle ne courbe pas seulement l’espace-temps par sa masse, elle tord l’espace-temps autour d’elle à cause de sa rotation. Cette torsion de l’espace-temps est connue sous le nom d’entraînement du cadre. L’effet n’est pas très important près de la Terre, mais il peut être mesuré par l’effet Lense-Thirring. En gros, vous mettez un gyroscope sphérique en orbite et vous voyez si son axe de rotation change. S’il n’y a pas d’entraînement du cadre, l’orientation du gyroscope ne devrait pas changer. S’il y a un entraînement de cadre, alors la torsion en spirale de l’espace et du temps provoquera la précession du gyroscope, et son orientation changera lentement au fil du temps.

Nous avons effectivement fait cette expérience avec un satellite connu sous le nom de Gravity Probe B, et vous pouvez voir les résultats dans la figure ici. Comme vous pouvez le voir, ils concordent très bien.

Chacune de ces expériences montre que la gravité n’est pas simplement une force entre des masses. La gravité est plutôt un effet de l’espace et du temps. La gravité est intégrée dans la forme même de l’univers.

Réfléchissez à cela la prochaine fois que vous monterez sur une balance.