NEWTON-EINSTEIN de la gravité universelle à la relativité générale.

Extraits de journal 2010- 2019 : « Un regard singulier ».

J’ai enfin compris les vraies contributions apportées par Copernic, Keller, Newton, Einstein, à la connaissance du fonctionnement de l’univers, et je me suis mise en colère contre la vulgarisation idiote qui sévit généralement dans la culture française. Je précise. J’ai lu le livre de Jean-Pierre Luminet « La perruque de Newton », un nouveau genre littéraire qui me semble récent où scientifiques et historiens racontent la vie de personnes célèbres en écrivant un roman faisant revivre ces personnalités à leur époque tout en décrivant leur contribution scientifique. Une sorte de fiction littéraire comme les films, les téléfilms ou séries peuvent le faire aujourd’hui, surtout en histoire, et en particulier la BBC pour les scientifiques (ex : Einstein et Eddington).

Comme tout un chacun, j’avais la vague idée que Newton avait eu « la révélation de la gravité universelle dans son verger avec une pomme qui lui serait tombée sur la tête ». Idée stupide de vulgarisation. La vérité est autrement plus intéressante et éducative. Je précise. Newton (bâtard d’un soldat écossais, encore un zébré bâtard et célèbre… ça rassure), laissé par sa mère à sa grand-mère dans son enfance, détecté par un oncle intelligent qui l’enverra à l’école et ensuite à Cambridge (Trinity College), revient chez lui en raison de l’épidémie de peste. Un soir il se met en colère contre sa mère et l’insulte violemment (elle-même revenue chez sa propre mère suite au décès de son mari).

Furieux contre sa mère et lui-même (culpabilité), il sort dans le jardin et comme tout jeune en colère, lance des cailloux contre un pommier, puis contre les pommes, ce qui ne donne aucun résultat, lesdites pommes le narguant sur l’arbre. De plus en plus énervé, il prend une grosse pierre qu’il lance contre une pomme qui, cette fois-ci, tombe avec la pierre. Le nez en l’air, Newton voit également la lune qui, elle, le regarde en souriant, et là, pas de révélation mais une question s’impose à l’esprit du jeune homme « mais pourquoi elle, la lune, elle ne tombe pas ? ». Il rentre immédiatement dans sa chambre et se met à effectuer les calculs qui lui permettront d’établir la théorie de la « gravité universelle », extension de la gravité terrestre.

Voilà ce qui me met en colère. N’est-il pas plus intéressant d’expliquer aux enfants que c’est en se posant une question qu’on peut arriver à de nouvelles compréhensions du monde au lieu de donner des explications simplistes sans aucune valeur formatrice ?

En racontant ceci à Baptiste qui a un petit-fils super zébré (qualifié aujourd’hui d’enfant précoce pour ne pas disqualifier les autres au lieu de dire la vérité, enfant surdoué… car les autres enfants n’atteindront jamais le niveau du surdoué ni d’un Newton), il me dit que le petit Paul lui avait posé la question (pourquoi la lune ne tombe pas). En bon ingénieur, il lui a apporté une explication intéressante en lui disant ceci : « Quand tu prends une balle fixée au bout d’une ficelle et que tu la fais tourner, elle ne tombe pas parce qu’elle est retenue par la ficelle, par la force centrifuge qui équilibre la force centripète créée par la vitesse de rotation de la balle qui l’éjecterait vers l’extérieur, ce qui neutralise la force d’attraction (de gravité) qui la ferait tomber ».

C’est la même chose pour la lune, sa vitesse de rotation crée une force centripète qui la maintient à distance de la terre et de la force d’attraction terrestre (gravité). Baptiste me précise que c’est pour cela que les satellites géostationnaires sont tous à la même distance de la terre, car ils font le tour de la terre en 24 heures. J’ai trouvé cette explication tout à fait accessible et intéressante. Conclusion : on peut très bien expliquer ce qui se passe de façon simple sans aller inventer des pommes qui tombent sur la tête et qui n’apprennent pas à réfléchir aux enfants.

Dans la série suivante, j’ai enfin compris la relativité universelle d’Einstein grâce à un téléfilm de la BBC, « Einstein et Eddington », du nom du scientifique anglais qui a vérifié la théorie de la relativité générale. Ce téléfilm est une vraie vulgarisation de la théorie, comment la masse du soleil déforme l’espace et la trajectoire des masses qui passent à proximité. Je cite : « the space is shaped, the space is full of curbs, the sun makes a shape around it in space ». C’est ainsi que la gravité opère. L’espace dicte le déplacement des objets, les objets dictent la forme de l’espace. Quand la lumière d’une étoile approche du soleil, la lumière s’incurve en fonction des courbes de l’espace dues à la présence du soleil qui l’a déformée. J’adore ce genre de films. J’aime toujours apprendre. Je disais à Christiane, que parfois, je m’interroge sur cette envie qui n’a aucun but d’utilité et que ces connaissances sont, comme pour tout un chacun, destinées à s’évanouir avec moi. Elle me raconta alors cette anecdote d’un grec célèbre qui, à plus de 70 ans, voulait apprendre la flûte. Quand on lui demandait « mais pourquoi à 70 ans voulez-vous apprendre la flûte ? », il répondait « pour apprendre à jouer de la flûte ».

Voilà une réponse qui me réconcilie avec mon appétit de connaissances : en réalité, j’ai découvert que Christiane m’avait encore raconté ce qui lui convenait, car c’est Socrate qui avant de mourir (avant de prendre de la ciguë) jouait de la flûte, et quand on lui a demandé pourquoi, il a répondu « pour jouer de la flûte » (le contexte était quand même très différent…).

Je suis allée chercher sur internet une explication accessible de la théorie de la relativité générale d’Einstein, je la joins à ce passage de mon journal. Elle décrit la démonstration faite dans le téléfilm.

La relativité générale et la courbure de l’espace-temps

En développant ses idées sur les conséquences du principe d’équivalence, Einstein aboutit à une nouvelle vision de la gravitation qui devait remplacer celle d’Isaac Newton : la relativité générale. L’aspect le plus important de cette théorie est la disparition du concept de force de gravitation.

Pour Einstein, le mouvement d’un corps n’est pas déterminé par des forces, mais par la configuration de l’espace-temps. Par exemple, d’après Newton la Terre tourne autour du Soleil car celui-ci exerce une force gravitationnelle sur notre planète. Pour Einstein, c’est une perturbation de l’espace-temps introduite par la masse du Soleil qui est à l’origine du mouvement de la Terre.

Pour mieux comprendre cette idée, faisons appel à une analogie à deux dimensions. L’espace, en relativité générale, peut être comparé à une sorte de tissu élastique. La présence d’une étoile peut être simulée en posant une bille sur ce tissu. Celle-ci s’enfonce dans le tissu, le déforme et y crée une dépression.

Que se passe-t-il lorsqu’un corps plus petit passe à proximité de l’étoile ? Faisons rouler une bille plus petite sur le tissu : la trajectoire est d’abord une simple ligne droite, mais lorsque la deuxième bille passe à proximité de la première, elle pénètre légèrement dans la dépression. Elle est alors déviée de sa ligne droite et sa trajectoire se courbe. Sur ce tissu élastique, le mouvement de la bille n’est pas dicté par une force mais par la forme de l’espace ou plus précisément, par la courbure de celui-ci.

L’espace comme tissu élastique. La première bille crée une dépression dans le tissu. La deuxième bille pénètre légèrement dans la dépression et sa trajectoire se courbe.

Crédit : O. Esslinger

La courbure de l’espace-temps

La relativité générale abandonne la notion de force et la remplace par le concept de courbure de l’espace-temps. Les corps célestes adoptent des trajectoires aussi droites que possible, mais ils doivent se soumettre à la configuration de l’espace-temps. Loin de toute distribution de matière, la courbure de l’espace-temps est nulle et toutes les trajectoires sont des lignes droites. Près d’un corps massif comme le Soleil, l’espace-temps est déformé et les corps se déplacent sur des lignes courbes.

Pour être complète, la théorie de la relativité générale doit également donner un moyen de calculer la courbure de l’espace-temps créée par une distribution de masse. Elle le fait par l’intermédiaire d’un système très complexe de formules mathématiques, les équations d’Einstein, qui relient courbure de l’espace-temps et distribution de masse. Ce système est si complexe qu’il n’a été résolu que dans quelques cas de figure très simples, par exemple autour d’une étoile isolée.

La vision du monde d’Albert Einstein est donc très différente de celle proposée par Isaac Newton. Néanmoins, la plupart du temps les deux théories donnent des résultats pratiquement