Einstein et la relativité générale : Les chemins de l'espace-temps

CNRS Éditions a eu l'excellente idée de publier en 2003 Einstein et la relativité générale : Les chemins de l'espace-temps, qui constitue pour moi le meilleur ouvrage de référence sur la théorie de la relativité générale expliquée aux amateurs éclairés que nous sommes (ou que nous tentons parfois d'être, foi d'honnête homme), en tout cas, c'est mon avis après l'avoir relu. de nombreux autres ouvrages existent bien, mais nous dirons qu'il s'agit là d'ouvrages techniques d'initiation qui s'adressent à des universitaires et à des spécialistes, on quitte alors le domaine de la vulgarisation.
Jean Eisenstaedt retrace dans les grandes largeurs la genèse et l'histoire de la théorie de la relativité générale, car il évoque les interrogations des savants (on ne disait pas encore les scientifiques) concernant la lumière, la gravitation, la structure de l'espace et du temps, en commençant par expliquer comment un dénommé Römer effectua une première mesure de la vitesse de la lumière en… 1676 ! Il montre comment la compréhension des phénomènes gravitationnels et électromagnétiques avance doucement au cours des siècles passés, avec les apports décisifs de Newton, Bradley, Arago, Fresnel, Maxwell, Lorentz…
Lorsqu'arrive la fameuse expérience de Michelson et son résultat imprévu (mais où est donc passé l'éther ? Sur quel support se propage la lumière dans le vide ? Celle-ci est-elle de nature ondulatoire ou corpusculaire ?), les certitudes bien ancrées des savants en cette fin du XIXème siècle commencent à se fissurer, et cette fissure en s'élargissant va provoquer l'effondrement de tout l'édifice conceptuel sur lequel reposait la physique de l'époque.
Un inconnu, on le sait, va sauver la mise en imaginant une théorie extrêmement loufoque à laquelle personne ne peut vraiment croire, remettant en cause la loi d'addition des vitesses de Galilée, la notion de simultanéité, la géométrie euclidienne, l'espace et le temps absolus de Newton, et j'en passe.
Jean Eisenstaedt nous expose avec brio les concepts fondamentaux et révolutionnaires apportés par la théorie encore balbutiante du jeune Albert Einstein. Il explique comment et pourquoi celui-ci est passé de la relativité restreinte à la relativité générale, en s'interrogeant par exemple sur un principe d'équivalence entre la masse « grave » et la masse « inerte ».
Pour décrire les avancées de la théorie (qui n'a pas été créée en un jour) Jean Eisenstaedt alterne avec bonheur le débroussaillage scientifique (citons pour mémoire le principe de Mach, le principe de covariance, le calcul tensoriel…) et le contexte historique (par exemple le récit des expéditions organisées pour vérifier la déviation des rayons lumineux). Puis il évoque la « traversée du désert » de la théorie entre 1920 et 1960, résultant de l'absence de retombées concrètes, d'enjeux autres qu'intellectuels, qui fit retomber l'engouement initial, et même douter de sa validité (des alternatives seront même proposées). Mais en 1960, tout change avec la découverte des… trous noirs.
La dernière partie de l'ouvrage s'intéresse au retour en force de la théorie, qui triomphe désormais dans le domaine de la cosmologie et parvient à expliquer les objets exotiques que l'on découvre au fin fond de l'univers : quasars, trous noirs, mirages gravitationnels…
Pour les amateurs du genre, je ne peux que recommander la lecture de cet ouvrage (340 pages, nombreux schémas, illustrations, encadrés techniques, préface de Thibault Damour), qui s'est avéré passionnante d'un bout à l'autre.

Un gros pavé de 550 pages pour traiter des péripéties de la théorie de la relativité générale, de sa naissance controversée, des recherches de preuves expérimentales dans les années 1915-1920, de l'indifférence de la communauté scientifique, et enfin de son renouveau à partir des années 60. Jean Eisenstaedt, dans un style alerte et passionné, raconte cette aventure comme un feuilleton, alternant entre histoire des sciences, anecdotes autour du milieu scientifique, et développements plus pointus.

Jusqu'au deux-tiers du livre, on marche, on est à fond dans cette histoire. Comme point de départ : les difficultés rencontrées au dix-neuvième siècle (et même avant) lors de la mesure de la vitesse de la lumière, et de l'application de la loi de composition des vitesses. Pour faire court : un observateur sur le quai d'une gare regarde un individu qui marche dans un train en mouvement devant lui. Pour cet observateur, la vitesse de l'individu est la somme de sa vitesse de déplacement dans le train et de celle du train par rapport au quai. Cette fameuse loi de composition des vitesses, que l'on doit à Galilée, est un pilier de la physique newtonienne. Et ça marche, même si à la place de l'individu on étudie par exemple un son, une onde sonore : c'est l'effet Doppler. Mais, si au lieu d'une onde sonore on met une onde lumineuse, ça coince. Malgré les expériences fines de la fin du dix-neuvième siècle menées par Michelson-Morley, rien n'y fait. Il fallut le coup de génie d'Einstein pour postuler l'invariance de la vitesse de la lumière et par là-même reconstruire toute la théorie newtonienne du mouvement à vitesse constante. La relativité restreinte était née.

Les choses se corsent lorsque l'on considère des objets accélérés à très hautes vitesse. Ces accélérations conduisent à des modifications profondes de la gravitation et par là-même à l'émergence de nouveaux concepts topologiques sur la structure même de l'espace-temps de notre univers. C'est la naissance de la relativité générale, conceptualisée par Einstein, mais qui fût longtemps une théorie hors-sol, manquant de preuves expérimentales tangibles. L'auteur décrit avec passion les quelques expériences primordiales ayant permis de conforter cette théorie : anomalie du mouvement de Mercure, déviation des rayons lumineux et éclipse de 1919, déplacement des raies d'émission des éléments venant du Soleil.

La dernière partie du livre est moins réussie. L'auteur fait inutilement durer le suspense sur la vraie signification de la relativité générale. Il annonce que les analogies avec ce qu'on connait déjà ne permettent pas de décrire la vraie nature de la relativité : les trous noirs, la singularité de Schwarzschild, les diagrammes peu compréhensibles de Penrose et de Kruskal,… Mais faute de mieux, l'auteur en use et en abuse, de ces analogies. D'où une certaine frustration à la fin de ce livre : qu'est-ce donc vraiment que la relativité générale ? Je doute que le lecteur lambda trouve une réponse précise à cette question. Si on ajoute à cela des figures souvent peu claires et des encadrés mathématiques également peu lisibles, on se dit finalement : dommage !