Sacrilège, la Terre ne tournerait pas autour du Soleil ? C'est ce que nous allons voir dans ce dossier qui revient sur la théorie qui a révolutionné notre façon de concevoir l'espace et le temps : la relativité générale. Et pour que ce soit plus fun, appuyons-nous sur des exemples du film Interstellar !

Dans le film Interstellar, on peut voir des vaisseaux dans lesquels il semble y avoir de la gravité en plein milieu de nulle part. Mais alors, est-il possible de recréer la gravité dans l'espace ?

La gravité est recréée à l'intérieur du vaisseau "L'endurance" - Interstellar

Ceci est effectivement possible. Mais attention, il ne s'agit pas de gravité "classique", comme celle que l’on ressent sur Terre. Pour illustrer, prenons l'exemple de l'ascenseur, qu'Einstein aimait bien utiliser. Donc, aller hop, on monte tous dans notre ascenseur. Il est à l'arrêt et on est sur terre. Imaginez que vous avez une balle dans les mains. Vous la lancez. Elle tombe par terre.

Crédits Julien Ridouard

Ok, c'est évident, la balle est attirée comme nous par gravité.

Maintenant, on déplace notre ascenseur quelque-part dans l'espace, loin de toute attraction de la Terre ou d'autres corps massifs. Donc, dans notre ascenseur, on va se mettre à flotter, comme les cosmonautes dans la station spatiale. Vous recommencez l'expérience, vous lancez la balle. Comme on est en impesanteur, la balle va tout droit, sans s'arrêter et sans ralentir jusqu'à se cogner contre la paroi.

Crédits Julien Ridouard

Bon, nous ce que l'on veut, c'est reproduire de la gravité, que l'on puisse tenir debout dans notre ascenseur, comme sur Terre. On imagine donc qu'on va accélérer notre ascenseur, comme une fusée, toujours dans le vide. Là, on va être projetés contre le sol. Exactement le même phénomène que dans une voiture quand elle se met à accélérer, on est plaqués sur notre siège.

Donc il accélère en continue. Nous, on va pouvoir se relever et se mettre debout, comme sur la Terre. Encore une fois, vous allez relancer la balle. Cette fois-ci, elle va tomber sur le sol, comme si on était sur la Terre.

Crédits Julien Ridouard

On constate que c'est exactement la même chose, l'accélération de notre ascenseur produit les mêmes effets que la gravité. Et ça c'est un principe de base de la relativité générale : le principe d'équivalence. La gravité est comparable à l'accélération dans ses effets. Dans notre ascenseur, sans fenêtre, on ne pourra pas faire la différence entre la gravité ou l'accélération. Et la relativité générale montre même qu'il n'existe pas d’expérience physique qui permette de déterminer si on est sur Terre subissant les effets de la gravitation ou si on est dans l'espace et que l'on ressent une accélération.

Crédits Julien Ridouard

Alors, avec une accélération, on peut annuler les effets de la gravitation, mais aussi simuler les effets de la gravitation. Donc oui, on peut bien reproduire les effets de la gravitation dans l'espace, comme dans Interstellar.

Mais dans Interstellar, le vaisseau n'est pas en constante accélération ?!

Non effectivement, il tourne sur lui-même, il reproduit l'accélération centrifuge. C'est le même principe quand on prend un virage un peu serré en voiture, on est plaqué contre la paroi de la voiture. Le vaisseau tourne sur lui-même. On peut imaginer une voiture qui tourne autour d'un rond-point. Dans le vaisseau, on va créer l'équivalent de la gravité sur les parois externes.

"L'endurance", vaisseau spatial dans Interstellar

La lumière est-elle déviée par la gravitation ? Peut-on imaginer un rayon lumineux, comme une planète qui tourne autour d'une étoile ?

On voit que les objets massifs sont déviés par gravitation (les planètes, les satellites autour de la terre, les comètes...). Ils sont modifiés car ils ont une masse. Mais la lumière, c'est une énergie, pas une masse. Alors, déviée ou pas ? Vous connaissez tous la formule E=mc², la plus célèbre d'Einstein. Elle dit que l'énergie E est équivalent à la masse m multiplié par un coefficient c². Et inversement, la masse peut être équivalente à une énergie. Donc, en principe, le rayon lumineux, c'est une énergie, équivalent à une masse. Elle devrait être déviée par la gravité.

Il y a aussi un autre principe, posé par Fermat, le Principe de Fermat, qui dit que la lumière emprunte toujours le chemin le plus court. Il ne peut donc pas être dévié s'il doit aller toujours tout droit ! En fait, Einstein montre qu'elle l'est dans un certain référentiel. La Gravité n'est en fait pas une force qui attire, mais un phénomène qui modifie l'espace autour de lui. En quelque sorte, un rayon lumineux va donc toujours tout droit mais dans un espace courbé par la gravitation.

C'est exactement la même chose pour la Terre. Elle ne tourne pas autour du Soleil ! Elle va toujours tout droit. La gravité engendrée par la masse du soleil modifie l'espace autour, elle la courbe. L'espace est courbé autour du soleil. Ce qui fait que la terre va toujours tout droit mais dans un espace courbe ! Voilà le génie d'Einstein ! Il a montré que la terre se déplace en ligne droite à vitesse constante. C'est juste la ligne droite qui n'est plus droite ! L'espace qui est courbé.

Crédits Julien Ridouard

La Terre ne peut pas s'effondrer sur le Soleil alors ?

Effectivement, elle ne peut pas non-plus être expulsée du Soleil si elle tourne trop vite car elle va tout droit. Cela montre aussi que si on remplace la Terre par un grain de sable, le grain de sable tournera exactement comme la terre autour du Soleil. Ça ne dépend pas de la masse des objets pris dans le champ de gravité.

Dans Interstellar, une heure sur une planète correspond à 6 ans sur une autre, c'est possible ça ?

La relativité restreinte a montré que le temps est indissociable de l'espace (on parle d'espace-temps). Et nous, nous venons de dire que la gravitation modifie l'espace. Donc elle modifie également le temps. Dans Interstellar, une planète est placée à côté d'un trou noir, objet supermassif. La gravité y est très élevée. Elle modifie l'espace et le temps. La montre tourne plus lentement que sur terre. Et la différence est énorme, une heure sur la planète correspond à 6 ans sur notre terre. Théoriquement, la Relativité Générale montre que c'est possible.

Une horloge tourne moins vite dans un champ de pesanteur élevé que dans un champ moins intense. Ça veut dire que près du soleil, la montre avance moins vite que sur terre. L'écoulement du temps dépend de l'intensité de la gravitation. Un exemple, la gravitation est plus élevée au niveau de nos pieds que de notre tête (plus on monte en altitude, moins la gravité est intense). Nos pieds sont alors légèrement plus jeunes que notre tête (très négligeable !).

Pour le fonctionnement des satellites, il y a besoin de prendre en compte cette variation: il y a une différence de 46µs entre le sol de la terre et les satellites GPS. Voilà, vous savez maintenant les grandes lignes d'une des théories les plus puissantes qui a révolutionné notre façon de concevoir l'espace et le temps.

>> Crédit photo : Schémas produit par Julien Ridouard pour cet article, La gravité est recréée à l'intérieur du vaisseau "L'endurance" - Interstellar, "L'endurance", vaisseau spatial dans Interstellar,