Pierre Spagnou

Livre à réserver aux scientifiques munis d’un outillage conceptuel en physique assez considérable. On ne peut pas parler de vulgarisation grand public, mais plutôt d’un cours de relativité restreinte et générale à l’intention d’un public en recherche d’approfondissement.

Démonstration : « Plus précisément, ce théorème stipule que toute solution à symétrie sphérique de l'équation d'Einstein, dans le vide et à l'extérieur du corps central, doit être statique et asymptotiquement plate. La métrique de Schwarzschild s'applique à tout corps respectant la symétrie sphérique même si celui-ci gonfle ou se rapetisse radialement. »

Si vous avez compris après trois lectures, c’est que vous êtes scientifiques (à ajouter dans votre présentation ?), sinon c’est que ce livre n’est pas vraiment fait pour vous. Pour qui alors ? Des étudiants en sciences (physique s’entend) à partir d’un master, des professeurs de cette matière.

Car ce livre est bien fait, très bien réalisé avec une volonté explicative assez marquée (schémas, équations mathématiques illustrant l’explication). Ce n’est certes pas parfait (les schémas par exemple) car le sujet est ardu mais c’est le mieux que j’ai pu voir dans ce style.

Pour ceux que cela intéresse (y aurait-il des scientifiques sur Babelio ?), je résume l’organisation de cet ouvrage :

On commence chronologiquement avec la physique classique, c’est le côté compréhensible par tous puisque les équations sont simples et modélisent ce que nos sens perçoivent (ou nous permettent d’imaginer par exemple lorsque les corps se meuvent sans frottement) : chute des corps, mesure du temps par Galilée, abandon des concepts faux d’Aristote, passage aux lois de Newton . . . effet Doppler classique.

On arrive aux premières difficultés : La dualité ondes corpuscule, les problèmes de conceptualisation commencent, la lumière entre dans le domaine des ondes électromagnétiques de Maxwell, c’est la grande unification du XIX siècle. On « invente » l’éther comme milieu de propagation pour justifier sa nature ondulatoire. L’impossibilité de mesurer la moindre variation de la célérité de la lumière sur terre est justifiée par l’entraînement par celle-ci de ce milieu imaginaire.

A chaque nouvel obstacle, une réponse mathématique que les physiciens doivent ensuite conceptualiser. L’échec de l’expérience de Michelson et Morlay par exemple : Lorentz explique que les corps en mouvement dans l’Ether se contractent en la traversant . . . Poincaré trouve ces explications peu convaincantes et pose sans le savoir des bases mathématiques qui vont servir à l’édification de la relativité.

Cette troisième partie est consacrée au bond conceptuel réalisé par Einstein. L’auteur passe ici beaucoup de temps à signifier la singularité de cet apport. C’est pour moi exagéré car en poussant le raisonnement à l’extrême, il signifie qu’aujourd’hui nous n’aurions toujours pas « accouché » d’une théorie satisfaisant aux observations sans ce grand physicien. On retrouve dans cette vision le travers de la personnalisation de la recherche au détriment d’une vision plus coopérative, faite d’échanges et de fertilisation des esprits. Mais ceci n’est qu’une parenthèse (importante quand même si on y réfléchit).

Le temps devient donc relatif : il ne s’écoule pas de la même manière dans un référentiel fixe que dans un second en mouvement uniforme par rapport à ce premier. C’est la relativité restreinte. La célérité de la lumière, 300 000 km par seconde devient une constante fondamentale de la physique et la limité absolue pouvant être atteinte dans l’univers. A cette vitesse, pour la particule sans masse en déplacement, le temps propre s’arrête . . . le fameux paradoxe des jumeaux . . .

L’auteur prend le temps d’expliquer toutes les expériences menées pour valider les concepts imaginés à partir de ce moment, et à déconstruire certaines idées fausses pour l’édification du scientifique. L’expérience de Hafele et Keating qui firent voler deux avions pour un tour autour de la Terre à peu près équatorial (la durée totale était d'une quarantaine d'heures) en embarquant un ensemble de quatre horloges atomiques à bord de chacun des avions. Résultat de la comparaison avec la mesure terrestre : première confirmation de la durée mesurée différente ! Quelques centaines de nanosecondes certes mais à 10% près des prédictions !

Ensuite vient le temps de la généralisation de cette relativité restreinte : c’est le changement de conception de ce que nous appelons « la force d’interaction gravitationnelle ».

Cette relativité générale est une théorie de l'espace, du temps et de la gravitation qui inclut la relativité restreinte comme cas limite. Cela veut dire que, en l'absence de gravitation (et donc d’une accélération) , toutes les prédictions de la relativité générale sont identiques à celles de la relativité restreinte. Cette fin de livre est très ardue bien sûr... Les quelques traits lumineux s’en échappant sont les descriptions d’expériences qui semblent confirmer les prédictions de la relativité générale.

Le tour d’horizon s’achève, ma montre indique que j’y ai passé trop de temps, je vais donc retourner dormir pour oublier toutes ces horloges désynchronisées !

Pierre Spagnou maîtrise son sujet. Avec la verve d’un scientifique enthousiaste et vulgarisateur, non dénué d’un solide sens de l’humour, il tente de diffuser la bonne parole relativiste, pourfendant l’obscurantisme et l’ignorance du glaive victorieux de la vérité scientifique révélée. L’auteur part donc en croisade, et avec succès, contre certaines idées reçues (une vingtaine, comme l’effet bof, l’effet boomerang, le relativisme cognitif…), mais là n’est pas l’essentiel.

Son propos s’attache avant tout à présenter un volet pratique de la théorie, assez peu exploité, pour ne pas dire superbement ignoré, dans la littérature scientifique plus encline à s’intéresser aux concepts théoriques qu’aux retombées technologiques. Le GPS, puisque c’est de lui qu’il s’agit, illustre pourtant la parfaire réussite des deux théories de la relativité, la restreinte et la générale, et constitue la preuve définitive de leur bien-fondé dans un domaine où la physique newtonienne n’apporte aucune réponse.

Il existe deux théories, nées il y a plus d’un siècle, qui sont totalement incompréhensibles pour 99% du commun des mortels (voire plus, mais on ne dispose d’aucune statistique crédible sur le sujet). L’une est la mécanique quantique, qui a permis – entre autres – la fabrication des lasers qui vous permettent de lire vos CD et DVD ; l’autre est la théorie de la relativité d’Albert Einstein, révolutionnant notre compréhension du temps, de l’espace, du cosmos, de la lumière, dépassant les limites « classiques » de la mécanique newtonienne, proposant des concepts et des méthodes de calcul étranges sans lesquels le GPS n’existerait même pas.

L’utilisation des principes relativistes (abolition du temps absolu, courbure de l’espace-temps, effet Sagnac, effet Shapiro…) pour garantir le bon fonctionnement du GPS, outil désormais quotidien et à la portée de tous, est le message principal de ce livre. Rares sont les retombées technologiques aussi manifestes dans le quotidien de Monsieur Tout-le-monde, qui sont directement issues de l’une des théories les plus contre-intuitives qui soient.

Un GPS peut-il se passer de la relativité ? Serait-il aussi précis sinon ? Cet ouvrage répond à ces quelques questions toutes simples, argumentaire et chiffrage à l’appui.

Le GPS, nous dit Pierre Spagnou, utilise au moins cinq effets relativistes dans ses calculs : l’effet Doppler sur la fréquence des horloges à la surface de la Terre comme conséquence de la rotation de la Terre ; l’effet Doppler sur la fréquence des horloges des satellites GPS comme conséquence de leur mouvement autour de la Terre ; l’effet gravitationnel de la masse sphérique de la Terre sur la fréquence des horloges à la surface de la Terre ; la correction relativiste de la fréquence des horloges à la surface de la Terre due à l’aplatissement du globe terrestre aux pôles ; l’effet gravitationnel de la masse sphérique de la Terre sur la fréquence des horloges des satellites GPS.

Si ces effets relativistes étaient purement ignorés (si on revenait à la physique « classique ») le GPS se tromperait de plusieurs kilomètres au bout d’une seule journée d’utilisation.

Mais ce n’est pas tout. La synchronisation des signaux n’est possible que si les satellites utilisés (il en faut au moins quatre, selon l’auteur) calculent leurs coordonnées à l’aide de ces horloges cosmiques que sont les quasars, trous noirs géants en rotation, situés à quelques milliards d’années lumière de la Terre, éléments constitutifs de la carte ICRF recensant 600 quasars et utilisée depuis 1995.

Autre point soulevé par l’auteur, qui n’est pas le moins intéressant, le GPS illustre de façon magistrale la nécessité de maintenir à un niveau élevé la recherche fondamentale, incontournable pour bénéficier un jour, même s’il faut attendre pour cela plusieurs années, des retombées d’applications aussi utiles que le GPS aujourd’hui. A méditer lorsque notre société privilégie toujours plus le courtermisme et le rendement immédiat.

Dans deux annexes formant presque un tiers du livre, Pierre Spagnou revient sur l’effet Sagnac et sur la controverse Einstein-Poincaré. La paternité contestée de la relativité génère de façon périodique une petite polémique franco-française : Einstein aurait-il copié sur Poincaré ? Cette seconde annexe semble un peu hors sujet ici car le livre ne traite pas de l’émergence de la théorie mais de l’une de ses applications pratiques. Le sujet de la paternité est plus clairement évoqué dans les ouvrages de Jules Leveugle, Jean Hladik et Jean-Paul Auffray, plutôt favorables à Poincaré. Pierre Spagnou, à la suite d’Abraham Pais, se positionne farouchement en faveur d’Einstein.

Ce livre de très haut niveau reste toujours didactique et amusant malgré son sujet difficile, et on devine les bonnes intentions pédagogiques de l’auteur derrière les formules. Mais je me permets toutefois de signaler deux petits bémols, après tout, les critiques sont aussi faites pour ça.

Premier bémol, les développements mathématiques exposés ici sont ardus et sans doute pas toujours à la portée du premier néophyte venu. Le lecteur lambda accepte volontiers les raisonnements et les formules, mais en dehors de toute appartenance au contexte professionnel ad hoc (étudiants, chercheurs, professeurs…), je doute qu’il cherche à approfondir les démonstrations ou à se convaincre de la justesse des calculs proposés par l’auteur (il lui accordera plutôt sa confiance sans rechigner, en sautant les passages jugés trop « mathématiques »). Pour faire la causette avec Einstein, le lecteur aura intérêt à s’embarquer avec un minimum de « bagages », sous peine de rester au bord du chemin.

Deuxième bémol, certains sujets à peine abordés ici auraient pu être creusés davantage (le rôle de l’armée américaine, le modèle économique, la solution alternative européenne Galileo). Cet essai se focalise principalement sur les effets relativistes qu’il faut prendre en compte dans les calculs, sans d’ailleurs s’appesantir sur l’endroit où s’effectuent ces derniers, au détriment d’une description un peu plus « technologique » du fonctionnement du GPS.

Après cette lecture malgré tout des plus stimulantes, vous ne résisterez plus à la tentation d’acheter un GPS, pour avoir à la fois un peu d’Einstein dans votre voiture et un peu de cette voix chaude, envoutante et désincarnée, qui n’est pas celle d’Einstein, mais qui donne des conseils de trajectoire sur des itinéraires de l’espace-temps qui sont parfois plus faciles à suivre.

Pierre Spagnou est un ingénieur et enseignant (sa spécialité est l'histoire de la physique). le titre de son livre est explicite. Son objectif est d'épingler des formulations un peu expéditives - et en tout cas fautives - que l'on trouve couramment dans certains ouvrages de vulgarisation. Parfois, l'erreur parait assez grossière. D'autres fois, elle est beaucoup moins évidente. Entre autres exemples: à votre avis, qu'est-ce qui peut porter à confusion, dans l'assertion suivante « Une horloge en mouvement bat moins vite qu'une horloge fixe » ? La réponse à cette question se trouve dans le livre...

Il faut peser soigneusement tous les mots utilisés: c'est exactement ce que fait l'auteur. Celui-ci consacre plus de la moitié de son livre à critiquer (intelligemment) des assertions concernant la théorie de la relativité (restreinte et générale). Puis il aborde rapidement la physique quantique, la cosmologie et d'autres questions plus générales.

Je trouve ce petit ouvrage très pertinent, utile aux physiciens débutants ou confirmés. Grâce à lui, les lecteurs peuvent vraiment approfondir leur compréhension des concepts (subtils) de la physique contemporaine.

Cette fois-ci ce n'est pas un roman.



Ce livre a été écrit par un collègue.



Attention le titre peut-être trompeur. Ce n'est pas à proprement parler un ouvrage de vulgarisation. Sans connaissances préalables en physique un peu solides, la lecture peut être difficile.



Cependant c'est une façon assez bien vue de montrer que des concepts qui paraissent souvent éthérés au sens commun (par exemple l'élasticité et la non unicité du temps dans la relativité générale) sont appliqués dans les objets du quotidien pour que ceux-ci fonctionnent correctement.



D'Aristote à Einstein, c'est un voyage au long des compréhensions successives du monde qui est proposé.

17 août 2017, un évènement majeur a eu lieu dans le domaine de la physique : la détection des premières ondes gravitationnelles. C’est notamment grâce aux interféromètres LIGO et VIRGO que cet exploit a été rendu possible. Ces instruments, d’une très grande précision, ont permis de saisir l’infime fluctuation de l’espace-temps engendrée par la fusion de deux étoiles à neutrons.



Albert Einstein avait d’ailleurs prédit l’existence de ces ondes dans sa théorie de la relativité, même si moult débats avaient pu avoir lieu à ce sujet ! Il a d’ailleurs changé plusieurs fois d’avis sur ces ondes, ce qui montre bien toute la complexité, pour l’époque, de théoriser ce genre de notions. Eh bien leur découverte vient clore ce débat et donne raison au célèbre physicien.



D’autres détections ont eu lieu depuis, mais cela ouvre véritablement la voie à une nouvelle physique, complémentaire des sources électromagnétiques uniquement disponible pour décrypter l’Univers.



Pour résumer ce livre de manière très simple, on peut le décomposer en trois très grandes parties : comment ces sondes sont détectées et comment fonctionnent les interféromètres, comment et pourquoi ont-ils été mis en place et enfin, que permettront ces détections et quelles seront les possibilités futures de cette nouvelle physique ?



Toute la question reste maintenant de savoir si notre capacité à détecter les ondes gravitationnelles, nous permettra d’aller plus loin encore dans l’histoire de notre Univers. C’est à coup sur, une nouvelle branche de la physique qui a vu le jour.



Le discours est pointu, mais s’il y a effort évident de vouloir rendre tout ces processus simples, il n’en reste pas moins que le néophyte se retrouvera assez vite perdu. Malgré tout, il faut souligner, à mon sens, la justesse du discours scientifique de l’auteur.
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