Aldébaran, la revue online de l'astronomie : Espace-temps

Pour l'enfant, entraîné par le wagon à la même vitesse que celui-ci, le déplacement du train ne compte pas. Tant qu'il n'observe que son jouet, il a l'impression de ne pas bouger. Ce qui, dans ses yeux, bouge, c'est uniquement la petite voiture qui, par rapport à l'enfant, se déplace toujours à 10 kilomètres par heure.

Mais changeons de position et mettons-nous à la place d'un observateur debout à côté de la voie ferrée qui voit passer le train. Au contraire de l'enfant, il est bien de l'avis que le train se déplace. Son point de vue - qui fait de lui un "corps de référence" comme l'appelle Einstein - n'est pas influencé par le fait d'être entraîné lui-même par la vitesse du wagon. Lié au sol à côté de la voie ferrée, il reste immobile. Le train bouge donc de 100 kilomètres par heure plus vite que l'observateur.

Déjà, nous sommes confrontés par deux points de vue différents qui, paradoxalement, sont corrects tous les deux. Il est vrai que, par rapport à l'enfant, le train ne bouge pas - ou que, par rapport au train, l'enfant ne bouge pas. Par rapport à l'observateur, par contre, les deux modifient constamment leur position. Deux vérités, chacune incontestable en ce qui concerne son auteur, mais fausse dès que le corps de référence aura changé, donc la personne ou l'objet concerné.

Dans notre exemple, temps et espace sont alors incontestablement liés. L'espace - la position d'un corps donné - se définit par rapport au temps, la mesure du temps est déterminée par l'espace, c'est-à-dire par la position du corps sur lequel il se rapporte. La liaison entre ces deux facteurs prend la forme de la vitesse. La vitesse n'est donc rien que la relation entre temps et espace, ce qui, par conséquent, fait du temps un résultat du rapport entre le déplacement d'un corps et la position d'un autre ou, autrement dit, entre vitesse et espace.

Lorsque nous retournons au jouet mis en mouvement par l'enfant à l'intérieur du wagon, nous découvrons deux autres vérités correctes quoique contradictoires. Pour l'enfant, immobile selon son point de vue, la vitesse de la petite voiture n'a pas changé. Il la déplace toujours à dix kilomètres par heure. - L'observateur à côté de la voie ferrée, pour lequel déjà le train voyage à 100 kilomètres par heure, voit, le moment venu, passer le jouet. Comme l'enfant, lui aussi comprend que la petite voiture se meut de 10 kilomètres par heure plus vite que son jeune "conducteur". Toutefois, comme son point de vue lui dicte que la vitesse du train et, avec lui, de l'enfant, se situe déjà à un certain niveau, la vitesse de la voiture s'ajoute à celle du wagon. Pour lui, la petite voiture file donc à 110 kilomètres par heure.

Modifions encore une fois la situation. Las de la faire rouler dans le sens du train, l'enfant change la position de la voiture et la mène dans la direction opposée à celle de son wagon. Il se pose maintenant la question, si ce changement de direction modifie aussi la vitesse de déplacement du jouet. - Pour l'enfant, de toute manière, elle reste pareille. Il se considère toujours comme immobile par rapport au train : la voiture, malgré la modification de sa direction, bouge donc à la même vitesse qu'auparavant.

Cependant, l'observateur à l'extérieur du wagon se trouve devant une autre situation que lors du premier passage du train. Pour lui, la petite voiture qui "oppose" maintenant ses 10 kilomètres par heure à la vitesse du train, n'a pas changé de sens. Comme la vitesse du train est toujours supérieure à celle du jouet, il le voit entraîné par le wagon. - Mais la somme de la différence entre les deux directions opposées et les vitesses distinctes lui suggère que la voiture passe plus lentement que le train. Autrement dit, tandis que - pour la personne immobile à côte de la voie ferrée - le train se déplace toujours à 100 kilomètres par heure, le jouet n'en fait que 90.

De nouveau, Einstein nous présente alors deux vérités opposées l'une à l'autre, mais toutes les deux exactes - tant que le corps de référence correspond à la "bonne" vérité. Selon l'enfant, sa voiture se déplace à l'opposé de la direction du wagon, à 10 kilomètres par heure. L'observateur, par contre, insiste sur une vitesse de 90 kilomètres par heure, certain que le jouet se déplace dans le sens du train.

Einstein a donc su nous persuader de la relativité du temps : ainsi, nous ne sommes plus en mesure de le considérer comme une valeur fixe. Nous avons plutôt affaire à un facteur déterminé par le point de vue d'une personne concernée ou, plus exactement, par un "corps de référence". Contraire à Newton et la mécanique classique, le temps n'est plus absolu.

Nous avons vu que la position d'un point situé dans l'espace ne peut effectivement être définie que par rapport au temps. Tandis que la vitesse du train dans notre exemple change avec le corps de référence, la position du train se modifie dans le temps, avec la vitesse de son mouvement.

Dans l'oeuvre d'Einstein, nous trouvons un autre exemple qui illustre la relativité de l'espace par rapport au temps. Il est toujours question du même train qui file à 100 kilomètres par heure. De nouveau, deux personnes dans des situations différentes sont impliquées. Cette fois-ci avec l'objectif de mesurer la longueur du train.

La première personne se tient sur le toit du train en mouvement. Tout comme l'enfant du dernier exemple, elle se déplace donc à la même vitesse que le train. Sa propre vitesse et celle du train sont alors identiques et de son point de vue, elles s'annulent. Il est vrai que, après avoir commencé sa tâche en appliquant sa règle - évidemment beaucoup plus courte que le train - au fur et à mesure sur le toit d'un des wagons, elle avance dans le rythme de son travail. Pourtant, son propre déplacement par rapport à la vitesse du train étant négligeable, la vitesse du train déjà annulée par le mouvement "passif" de l'ouvrier, le résultat de son travail correspond à celui qu'obtiendrait une personne qui prend les mesures d'un train immobile.

Dans ce cas, la relation entre temps et espace est donc confrontée à un facteur temps qui égale plus ou moins à zéro.

La deuxième personne se trouve toujours à côté de la voie ferrée, également avec le but de mesurer la longueur du train en marche à 100 kilomètres par heure. Elle aussi applique sa règle - si courte que celle de son collègue - au fur et à mesure, se déplaçant dans le rythme de son travail.

Comme lors du premier cas de figure, la vitesse du déplacement exécuté par la personne est négligeable comparée à celle du train. La vitesse du train, toujours par rapport à la personne, par contre, ne correspond plus à zéro. Ainsi, pendant qu'elle pose sa règle, le facteur temps joue sur son travail en forme de la vitesse du train. La distance mesurée raccourcit par conséquent, parallèle à l'augmentation de la vitesse du train : plus vite il roule, plus court semble sa longueur.

Nous pouvons donc constater que la distance relative diminue au rythme de la croissance du facteur vitesse.

Quittons le fameux train "einsteinien" pour faire un saut vers l'immensité de l'Univers. Le mouvement de la Terre autour du Soleil est un exemple bien connu de la relativité de l'espace-temps. Les anciens n'ont-ils pas juré que c'était le Soleil qui orbitait autour de la Terre ?

La même situation se présente en relation avec les autres planètes de notre système solaire. La vitesse à laquelle elles se déplacent autour du Soleil change avec la position de l'observateur et se compose, identique à celle du train, des éléments espace et temps, c'est-à-dire premièrement du mouvement propre de la planète par rapport à l'Univers d'un côté, au Soleil et aux autres planètes de l'autre, et, deuxièmement, de la durée de ce mouvement, alors du temps.

Vu sous cet angle, nous admettons donc que le temps soit considéré comme facteur dont la valeur dépend du mouvement d'un corps dans l'espace. Pourtant, une question n'est pas encore éclaircie : de quel mouvement s'agit-il ?

Nous savons que, dans l'Univers, tout bouge. Tandis que la Terre tourne autour de son Soleil, celui-ci orbite autour du centre de la Galaxie qui, de sa part, suit son chemin autour du centre du Groupe local... Nous n'allons pas jusqu'à nous demander, si notre Univers ne tourne pas non plus autour d'un autre centre jusqu'alors inconnu. Comme, de toute manière, notre situation nous place face à l'Univers dans la position de l'enfant face au train, nous pouvons partir du principe que ce mouvement soit, par rapport à nous, mis à zéro. Au mouvement des corps s'ajoute encore un autre élément, l'expansion de l'Univers. Pour mesurer la vitesse d'un objet, par exemple celle de la Terre, il est alors nécessaire de trouver un angle de référence susceptible d'éliminer les plus de facteurs extérieurs possibles. La situation idéale nous placerait dans la position de l'enfant immobile par rapport à la vitesse du train.

La relation qui nous approche au maximum d'un tel état est, comme nous l'avons déjà constaté, celle avec l'Univers lui-même. Ou, plus concrètement, celle avec sa limite qui, pour nous, se définit par ce que nous connaissons sous le nom du big bang. Un seul élément nous relie à cette "limite" : le fameux rayonnement fossile ou rayonnement de fond cosmologique qui, conçu au moment du big bang, est censé se répandre uniformément dans l'Univers. Si nous définissons donc la vitesse d'un corps par rapport à ce rayonnement, nous sommes certains de nous baser sur une valeur absolue.

Théoriquement. Car par rapport à la Terre, la fréquence de ce rayonnement est effectivement plus élevée dans une direction que dans l'autre - le "choc" entre Terre et rayonnement la fait augmenter. Nous pouvons comparer ce phénomène à la réaction d'un coup de vent à l'instant où il se heurt contre un corps exposé à son influence. Le "choc" entre vent et corps augmente la fréquence du mouvement, nous nous rendons donc compte que le vent "frappe" l'obstacle à une vitesse inférieure à celle mesurée après la collision. - Justement la différence entre ces deux valeurs, la fréquence du rayonnement "frappant" la Terre et celle du rayonnement "derrière" notre planète, nous permet de calculer la vitesse du mouvement terrestre qui, de cette manière, est définie par rapport à l'Univers.

Par conséquent, ce calcul nous servirait à rien lors d'un essai de définir notre mouvement relatif à un autre corps, par exemple à notre voisine, la planète Mars. Dans ce cas, il faudrait de nouveau établir un corps de référence dont la relation espace-temps serait mise à une valeur zéro ou proche du zéro relatif

Jusqu'à maintenant, nous nous sommes contentés de considérer le facteur espace-temps par rapport à un corps de référence donné, lui aussi soumis à cette sorte de relation. Nous avons constaté que le temps prend le rôle d'une quatrième dimension nécessaire pour calculer la position d'un point dans l'espace, tandis que l'élément espace est indispensable à la définition du temps.

Dans ses travaux, Einstein est allé encore plus loin. Après avoir défini la fonction du principe lui-même, il s'est intéressé à la relation entre les deux éléments dont se compose l'espace-temps. Son résultat n'étonne qu'à première vue : chaque élément exerce une influence sur la valeur de l'autre. Autrement dit, l'espace parcourue dans un temps donné - la vitesse du mouvement - modifie le caractère du temps. Ou : plus vite on court, plus lentement les heures s'écoulent. Le temps est devenu "élastique".

Nous n'avons pas besoin de citer le fameux exemple des deux jumeaux dont l'un reste sur Terre, l'autre parcourt l'espace au bord d'une fusée à grande vitesse. En rentrant, le second retrouve son frère vieilli tandis que lui est resté jeune.

Cet exemple purement théorique, lancé pour la première fois en 1911 par Paul Langevin, a entre-temps été vérifié au moyen d'horloges atomiques installées à bord de fusées qui, effectivement, "gagnaient" du temps au cours du voyage. - Bien que ce résultat ne prouve pas que l'organisme humain soumis à la vitesse puisse réellement rester jeune. Un autre test a montré que, sur un vol de 10 heures à 800 kilomètres par heure - donc à la vitesse d'un avion de ligne - le temps passe d'un centième de microseconde plus lentement que pour un objet immobile pendant 10 heures.

Toutefois, pas de phénomène temporel sans que le facteur espace s'en mêle. Le "gain" de temps est restreint par une vitesse bien concrète - celle de la lumière. Non seulement qu'aucun corps, aucun message ou signal ne puisse dépasser la vitesse de la lumière - au contraire, par exemple, de la fréquence du rayonnement du fond, la vitesse de la lumière est aussi immuable, indépendante de sa source et de sa direction.

L'exemple pratique le plus connu de ce phénomène est sans doute la vision de nos grands télescopes. De nos jours, les progrès de la technique nous permettent de scruter l'Univers jusqu'à... environ un milliard d'années après le big bang. Résultat étrange. Mais, après Einstein, nous ne devrions plus nous étonner d'un "mélange" réussi entre espace et temps. Il est bien vrai que, à l'échelle terrestre, la description de la vue porte sur une distance définissable par tant de mètres ou de kilomètres. A l'heure après-einsteinienne, par contre, personne ne s'étonne plus si, aux dimensions astronomiques, la notion de l'espace croise celle du temps.

L'explication de ce prodige nous est livrée par la vitesse de la lumière. Voir un objet ne signifie rien d'autre que recevoir ses signaux lumineux. Mais nous savons qu'aucun signal ne peut se déplacer plus rapidement que la lumière. Nous n'apercevons, par conséquent, que des signaux envoyés dans notre direction à un instant passé, dans un passé proche pour les objets dans notre voisinage, un passé de plus en plus lointain pour les corps qui se trouvent quelque part dans l'Univers.

Ainsi, il est tout à fait compréhensible que, lorsque nous observons Proxima, l'étoile la plus proche du Soleil, nous n'obtenons que des signaux envoyés 4,2 années auparavant - le temps dont la lumière a besoin pour parcourir la distance entre Proxima et la Terre. Nous apercevons notre voisine alors dans son état d'il y a 4,2 années. Si, entre-temps, elle avait changé, nous n'en serions informés que plus tard... Les galaxies, par contre, visualisées par le télescope spatial Hubble, sont si éloignées que leurs signaux lumineux ne peuvent nous parvenir que quelque 14 milliards d'années après leur départ.

Il est donc vrai qu'un coup d'oeil lancé à travers d'un de nos grands télescopes ressemble à un voyage dans le passé de l'Univers. Dans quelques années, avec l'apparition d'une nouvelle génération d'instruments optiques, les astronomes seront peut-être en mesure d'observer la naissance des premiers corps de l'Univers et de prolonger leur vue jusqu'au big bang. Mais, tant que la vitesse de la lumière reste constante, l'état actuel des secteurs lointains leur restera caché.

La limite de la relativité serait-elle donc atteinte ? - De nouveau, une contradiction semble se présenter : la gravitation. La loi universelle de l'attraction des corps a déjà été formulée par Newton. A son époque, pourtant, on n'avait pas encore besoin de se soucier des effets de sa trouvaille sur l'écoulement du temps. Einstein, par contre, était bien obligé à se rendre compte que l'action de la gravitation est immédiate, donc plus rapide que la vitesse de la lumière.

Des expériences exécutées à l'aide d'horloges atomiques ont effectivement montré que l'effet de la gravitation sur l'écoulement du temps ressemble à celui de la vitesse. Une seconde passée près d'un objet de masse importante, donc sous l'influence de sa force de gravitation, s'écoule plus lentement qu'une seconde vécue loin de l'empire de cette force. Un homme qui passe sa vie près du sol vieillit théoriquement plus tard que l'habitant du dernier étage d'un gratte-ciel. - Il est clair que ces valeurs sont purement hypothétiques, compte tenu du fait qu'elles sont si minimes qu'elles ne peuvent être prouvées qu'au moyen d'horloges atomiques et se jouent à l'échelle de centièmes voire de millièmes de microsecondes. Mais elles sont incontestables. Et si l'on avait l'occasion d'installer une de ces horloges aux bords d'un trou noir, d'un de ces lieux sublimes de la gravitation, les résultats obtenus seraient tout à fait tangibles.

Comment Einstein a-t-il donc réussi à réconcilier théorie et expérience ? - D'abord, en constatant qu'aussi la gravitation est soumise aux lois de la relativité. Une personne à bord d'un avion qui décolle a l'impression de percevoir une force de gravitation terrestre différente de l'attraction ressentie par une deuxième à bord d'un avion en train d'atterrir ou par une troisième restée au sol. Ce qui est vrai pour le facteur espace-temps compte par conséquent aussi pour la gravitation : en fonction du choix du corps de référence, sa valeur peut s'adapter jusqu'à prendre la valeur zéro.

Mais partant du principe que la force de gravitation n'est qu'un élément soumis à la relativité, comment exerce-t-elle son influence ? - Par la courbure de l'espace-temps, nous répond Einstein. Tandis que la vitesse du mouvement détermine l'espace-temps, la gravitation lui donne sa forme.

Selon sa théorie, la force développée par la présence d'un corps à grande masse, la gravitation, "attire" l'espace de la manière qu'il s'incurve autour de la matière. De cette façon, la distance à parcourir pour traverser un certain bout d'espace diminue - chacun sait qu'un espace courbe est traversé plus rapidement que le même espace "étalé" en position rectiligne -, la vitesse augmente, la durée du temps est dilatée...

Plus l'Univers est peuplé par des corps de masse importante, plus il est déformé. Le chemin d'un objet qui le traverse se raccourcit alors, sa vitesse augmente, et les secondes se prolongent. - Et si l'on utilisait ce phénomène pour un voyage à travers les galaxies ?

Pour que le ralentissement du temps soit perceptible, il faut atteindre au moins un dixième de la vitesse de la lumière, alors quelque 30.000 kilomètres par seconde. Mais allons plus loin dans nos spéculations et imaginons une fusée capable de développer une vitesse supérieure à celle de la lumière.

Depuis Langevin, nous connaissons les conséquences théoriques d'un voyage à la vitesse de la lumière. Pour la personne à bord de la fusée, les facteurs temps et espace seraient annulés par la vitesse, le temps ne bougerait pas. Par rapport à lui-même, le passager rentrerait donc au moment juste de son départ, tandis que ceux qui l'ont vu partir auraient vieilli.

Dans un tel cas, notre voyageur aurait finalement entamé un saut vers l'avenir. Bien que, relatif à sa propre existence, il ait gagné un certain bout de temps, il l'aurait perdu par rapport à l'écoulement de la vie terrestre.

Mais que se passerait-t-il si la fusée surmontait la vitesse de la lumière ? - Par rapport à lui-même, son passager ferait un voyage dans son propre passé. Partant du principe que la vitesse de la lumière équilibre la relation espace-temps, une vitesse supérieure la renverserait. Tandis que, mesuré au cours d'un mouvement à une vitesse inférieure à celle de la lumière le temps progresserait et s'arrêterait près d'un corps avançant à une vitesse égale à celle de la lumière, il reculerait alors au cours d'un voyage à vitesse supérieure. Le voyageur rentrerait avant d'être parti. Il aurait ainsi l'occasion d'observer son propre départ...

En ce qui concerne un voyageur humain, nous n'avons pourtant pas à nous faire du souci. Aucune fusée n'atteindrait ou dépasserait la vitesse de la lumière. Aucun objet ni rayon ni signal n'arriverait à voyager plus rapidement. C'est cela que la théorie einsteinienne nous a appris.

Et pourtant, il est possible qu'il se soit trompé. Finalement, quel est le facteur qui empêche la matière de se déplacer à une vitesse infinie ? - Le manque d'énergie. Or, déjà en 1929, le physicien Paul Dirac a lancé l'idée de l'antimatière : à chaque proton, de charge positive, correspondrait un antiproton de charge négative, et chaque électron, de charge négative, serait "doublé" d'un positon, évidemment de charge positive. Atome et anti-atome seraient donc de la même matière, mais de charges opposées.

Au cours des années, des chercheurs ont effectivement réussi à produire des antiparticules en laboratoire. Mais il fallait attendre 1995 jusqu'à ce que l'accélérateur puissant du Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) à Genève engendre le premier anti-atome, un anti-atome d'hydrogène. L'existence de l'antimatière a donc pu être prouvée.

Les questions, toutefois, continuent à se poser. On se demande, par exemple, ce qui pourrait se passer lors d'une rencontre entre un atome et son anti-atome. Selon les hypothèses en cours, ils s'annihileraient mutuellement. Mais la matière est-elle susceptible de disparaître ? - Probablement, elle se transformerait en énergie.

Cette énergie libérée lors d'un choc entre matière et antimatière, atome et anti-atome, serait d'une puissance inimaginable - suffisante, de toute manière, pour que l'anti-atome soit projeté dans l'espace à une vitesse supérieure à celle de la lumière : envoyé, par conséquent, à un voyage vers le passé.

Plusieurs physiciens, dont Richard Feynman, prix Nobel de 1965, ont évoqué l'hypothèse de l'antimatière qui, opposée à la matière, remonterait le temps. Il n'est évidemment pas question de construire une fusée en antimatière pour l'envoyer dans le passé. Mais une fois trouvée la possibilité de "fabriquer" des anti-atomes, ne serait-on pas aussi en mesure de les expédier, par exemple en forme de signaux lumineux, vers une époque passée ? - Encore faut-il que nos ancêtres soient équipés pour les recevoir...

L'idée de l'antimatière nous ramène à une autre théorie, celle du big bang. Selon l'exigence de la symétrie - un facteur important de la théorie - un nombre égal de particules et antiparticules auraient dû se former à l'heure de la naissance de l'Univers. Or, ce qui bouleverse les cosmologues est l'impossibilité de dénicher les anti-atomes qui, pourtant, devraient se trouver quelque part. Le principe de la transmission de l'antimatière vers le passé au moment de sa première rencontre avec la matière pourrait résoudre cette énigme. Cependant - vers quel passé ?

Jusqu'à ces jours, on avait tendance à identifier le big bang avec la naissance de l'Univers, en quelque sorte alors avec le point zéro. Si, maintenant, on admet que, à l'heure H, un passé aurait déjà pu exister, il faut en conclure que la naissance de l'Univers n'aurait pas été le premier événement à se produire. Mais quelle épisode aurait eu lieu avant la création de l'Univers ? - Peut-être la création d'un autre univers, commencent à douter quelques scientifiques, de plusieurs univers ou même, d'un nombre infini d'autres univers...

Il y avait une époque, où l'homme se croyait encore le centre du cosmos. Jusqu'à ce que le Soleil ait remis la Terre à sa place pour, plus tard, se transformer lui-même en un composant sans importance de la Galaxie qui, pour sa part, a été convertie en élément infime d'un amas de galaxies... Le moment serait-il venu où même la notion d'un Univers unique est mise en question?

© Anaconda-//, 1999
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