L’ESPACE TEMPS DE MINKOWSKI. LA RELATIVITÉ GÉNÉRALISÉE

Nous avons vu comment la Mécanique relativiste avait pris corps avec la

formule de Lorentz. H. Poincaré y fait plusieurs allusions dans ses

écrits; il y revient dans ses _Dernières pensées_[53] et nulle part il

n’y est question d’Einstein. Le _temps local_, la _simultanéité optique_

sont antérieurs à l’œuvre du physicien allemand qui n’apparaîtra que

beaucoup plus tard, pour codifier les principes et essayer d’en faire un

tout passable. Encore ne sera-ce qu’après l’intervention de son

professeur Minkowski. C’est ce dernier, en effet, qui a inventé pour le

besoin de la cause, une sorte d’être hybride qu’il a décoré du nom

pompeux d’Espace-Temps.

[53] V. Chap. II: _L’Espace et le Temps_.

Nul événement, en effet, dit Minkowski, ne se peut séparer du temps et

de l’espace; il apparaît en un lieu déterminé, mais aussi en un temps

donné. Pour représenter cet événement, ce _point_ d’_Univers_, suivant

son expression, nous aurons donc besoin non seulement des trois

coordonnées d’espace, mais aussi d’une quatrième variable se référant au

temps. Deux événements se passent-ils en un même lieu et au même

instant, leurs _lignes_ d’_univers_ doivent alors se couper, présenter

une intersection.

Le monde nous apparaît donc, toujours d’après Minkowski, comme un

continu à 4 dimensions, donc comme une sorte d’Hyperespace et, en fait,

les formules qui régissent la Géométrie à 4 dimensions vont pouvoir

s’appliquer à la détermination de deux événements. Ceux-ci se

passent-ils en des lieux et dans des instants différents, ils seront

séparés par un _intervalle_ d’_Univers_, analogue à une distance dans un

espace à 4 dimensions; le tout relève donc de cette sorte d’hyperespace.

Cependant, même présentée sous cette forme, la trouvaille de Minkowski

ne va pas sans difficultés: on n’agglomère pas si facilement des entités

aussi différentes que l’espace et le temps. L’étendue est multiplicité

actualisée; elle se présente à nous sans être nécessairement liée à la

condition du devenir ou du passé. Bien qu’elle soit impliquée dans des

causes antérieures, je puis la considérer en elle-même, comme un donné

instantané, donc simultané, comme un tout global non conditionné. Tout

ceci, à plus forte raison, doit s’appliquer à la notion d’espace qui

n’est que la généralisation de l’étendue phénoménale. En d’autres

termes, notre conception de l’espace n’est en aucune façon liée à l’idée

d’antériorité, ni de postériorité. Il n’en va plus de même pour le

temps; sa notion implique succession: un passé, un présent, un futur.

Alors qu’une ligne d’étendue peut toujours être donnée tout entière et

correspondre à un fait objectif indiquant une multiplicité réalisée, une

_ligne de temps_, si je puis m’exprimer ainsi, nous offre des parties ou

des points dont _un seul_ possède une existence réelle: _un seul à la

fois_, jamais une multiplicité présente, actualisée.

Dès lors, comment agglomérer des choses aussi disparates; autant

vaudrait associer des billets de banque à des degrés centigrades ou

Fahrenheit. L’objection n’a pas échappé à Minkowski qui a cru la

résoudre au moyen d’un artifice bien connu des mathématiciens.

Si l’on veut en effet comparer en toute rigueur analytique, le continu

espace-temps à un espace à quatre dimensions, les coordonnées de ce

continu hybride ne doivent pas être x, y, z, et t (temps); mais, aux

trois coordonnées de notre espace euclidien, il faudra ajouter le temps

(t) multiplié par la racine carrée de _moins un_ (soit t√(-1)),

c’est-à-dire multiplier t par i qui représente ce facteur imaginaire.

Ainsi, nos quatre coordonnées seront x, y, z et it.

C’est ce qu’a fait Minkowski, mais cela était encore insuffisant; le

temps doit être évalué par une longueur: ce sera le chemin décrit par la

lumière en une seconde, soit 300 000 kilomètres, valeur toujours

constante par définition.

C’est le premier postulat de la Relativité qui reparaît; passons.

Ce qui semble beaucoup plus grave, c’est que malgré toutes ces

précautions pour obtenir quelque homogénéité dans les formules, le temps

reste toujours le temps, c’est-à-dire une quatrième variable n’ayant

rien de commun avec nos trois dimensions spatiales, une quantité qui

n’est pas de même nature et, que, par suite, nous n’avons pas le droit

d’agglomérer avec des entités d’autres espèces.

Parler d’espace-temps à la manière d’un continu euclidien d’espace

géométrique, c’est donc accorder à un symbole une réalité; c’est ériger

en objectif, un pur _être de raison_ forgé par notre intellect.

Depuis longtemps déjà, les physiciens de notre génération se sont

accoutumés, par une sorte de convention tacite, à désigner sous le nom

commun de _dimensions_ certaines quantités entrant comme variables dans

leurs équations.

Ainsi, la pression barométrique, fonction de la capillarité du tube, de

l’altitude, de la température de la colonne mercurielle et de celle de

l’air, donc de quatre variables, si nous nous arrêtons là, sera censée

posséder _quatre_ dimensions. Un son dépend de sa hauteur, de son

intensité et de son timbre; nous lui accorderons _trois_ dimensions. Le

poids d’un bloc de métal, donné par un peson à ressort, est fonction de

la latitude du lieu, de la densité et de ses trois dimensions spatiales;

au total, on peut dire que ce corps possède _cinq_ dimensions. Mais,

évidemment, tout ceci n’est que façon de parler et personne n’oserait

sérieusement soutenir que la pression barométrique, comme le poids de

notre métal, sont des entités réelles qui en font des volumes découpés

dans un hyperespace correspondant.

Qu’en Physique, l’étude d’un phénomène quelconque vous conduise à celle

d’une fonction continue à quatre variables et que vous profitiez des

équations qu’a trouvées le géomètre en s’occupant de l’espace à quatre

dimensions, je n’y vois aucun inconvénient; mais qu’à ce propos et sous

prétexte d’Algèbre et d’Analyse, vous veniez me parler d’hypersphère, de

rayons de courbure, de géodésiques, tous termes appliqués à une sorte

d’espace, c’est un abus de langage intolérable. Comme méthode de calcul,

la considération d’un _continuum_ Espace-Temps peut avoir un gros

intérêt et il serait puéril de le nier; mais, de grâce, parce que nous

avons dressé, pour ainsi dire, un _abaque_ commode, n’allons pas crier

sur les toits que nous venons de découvrir une «nouvelle figure du

Monde». Admettons que nous ayons trouvé quelques formules utilisables,

soit, mais laissons aux romanciers l’idée saugrenue d’associer l’espace

et le temps pour en faire un conglomérat d’Hyperespace, pour imaginer,

comme Wells, un sujet de voyage fantastique où l’on chevauche sur une

machine à explorer le Temps; encore que notre esprit français tout pétri

de clarté, de logique, de vraisemblance, de mesure et de tact,

s’accommode assez mal de cette littérature enfantine et simpliste, chère

à nos amis d’outre-Manche.

Notons aussi en passant que chaque peuple a sa façon à lui, de

comprendre la science: Les physiciens anglais adorent généralement les

modèles mécaniques; Maxwell, au contraire, se souciait peu des

représentations auxquelles il préférait les formes analytiques. Les

Allemands paraissent plutôt pencher vers l’abstraction; ils dissertent à

perte de vue et font de la Physique à la manière de leurs anciens

philosophes. Mais, ainsi que le fait remarquer avec juste raison M. R.

d’Adhémar: «Lorsque nous obtenons une _Physique mathématique_, ne soyons

pas dupes; la démonstration _more geometrico_, n’est logique ou

mathématique que dans sa forme, puisque l’on n’a atteint un exposé

cohérent qu’en rejetant toutes les questions _épineuses_ dans les

notions primitives, _principes_, _postulats_ ou _définitions_[54].»

[54] Cf. _Rev. Gén. des sciences_, 15 mai 1922, p. 269.

Faire de la Physique avec de la Géométrie, emprunter, au besoin, les

schémas abstraits des hyperespaces, pour trouver des liaisons

soupçonnées déjà par les géomètres, tel est à mon avis, l’écueil que

n’ont pas su ou voulu éviter Einstein et ses disciples dont Weyl est le

plus illustre représentant.

Mais le jeu est tellement dangereux que déjà les relativistes ne

s’entendent plus. J’aurais voulu donner à mes lecteurs une idée de la

Relativité généralisée, j’y renonce embarrassé que je suis, par le choix

des auteurs ayant traité le sujet.

Einstein amalgame Géométrie et Mécanique; pour lui, les propriétés

mécaniques de la matière dérivent de l’Espace-Temps de Minkowski, conçu

comme un _continuum_ à quatre dimensions; elles seules suffisent à

expliquer les champs de gravitation, l’inertie, les moments et les

forces des systèmes; tout se ramène aux formules géométriques de

l’hyperespace de Riemann.

Cette dernière Géométrie, nous dit Weyl, est au contraire tout à fait

insuffisante, car elle contient «une limitation qui la fait apparaître

comme impropre à la description d’un continu physique dont est exclue

toute action physique à distance»[55]. Il faut donc agrandir et

généraliser notre concept et donner à l’Univers quatre degrés

additionnels de liberté qui s’identifient avec les quatre potentiels

électro-magnétiques.

[55] Cf. _Nature_, 20 May 1922, p. 635.

Bref, Weyl conclut que pour décrire complètement l’état de l’Univers en

un point et à un moment donné, il ne suffit pas de dix grandeurs, comme

le pensaient ceux qui s’étaient servis de la géométrie de Riemann, il en

faut quatorze![56]. Voilà une explication _simple_ de la _figure du

Monde_! Seulement, quand vous avez fermé le livre de Weyl, vous êtes

vis-à-vis des phénomènes de l’Univers, exactement dans la même position

que l’ingénieur calculant les potentiels, les volts et les ampères dans

une série de câbles électriques, sans savoir en quoi consiste exactement

ce que nous nommons _électricité_. «Échafaudage de symboles», comme

l’écrivait Eddington, voilà ce qu’est la doctrine de la Relativité

généralisée.

[56] Consulter, pour approfondir l’œuvre de WEYL, L. G. DU PASQUIER:

_Le principe de la relativité et les Théories d’Einstein_ (Doin,

Paris, 1922) et l’ouvrage de WEYL lui-même déjà cité: _Espace,

Temps, Matière_ (A. Blanchard, Paris, 1922).

Encore une fois, je suis le premier à admirer cette gigantesque

construction qui a demandé tant d’efforts, à laquelle ont travaillé de

si savants architectes et qui, somme toute, qu’on le veuille ou non, est

de nature à faire avancer la science; mais je proteste avec la dernière

énergie contre ceux qui prétendent, en nous l’exposant, nous mettre en

présence d’une nouvelle figure du Monde, et c’est bien là, ce semble, le

véritable et dernier point de vue d’Einstein. Du moins, sommes-nous

fondés à le croire d’après les conférences données par Einstein

lui-même, au Collège de France, en avril 1922: «Mais il est dans

l’exposé fait hier par Einstein, écrivait l’un des assistants, un point

important sur lequel il a sans cesse insisté au cours de la séance, et

dont je crois devoir dire un mot ici, car il touche à un des malentendus

les plus fréquents qui se sont élevés entre ceux qui considèrent la

théorie d’Einstein comme une théorie purement _physique_--et nous sommes

quelques-uns à avoir depuis longtemps soutenu ce point de vue--et

certains de ses adversaires mathématiciens.

On a dit et écrit maintes fois--et des savants éminents ont exprimé

publiquement cette opinion--que la théorie de la relativité n’est qu’une

construction purement formelle, purement mathématique. Einstein s’élève

avec force contre cette manière de voir.

Sa théorie n’est pas une construction mathématique, c’est une théorie

physique, une théorie des phénomènes, des événements de l’Univers.

Einstein a dit hier, en propres termes, ceci:

--Beaucoup de mathématiciens ne comprennent pas la théorie de la

relativité, bien qu’ils en saisissent les développements mathématiques;

ils ont le tort de n’y voir que des relations formelles et de ne pas

méditer sur les réalités physiques auxquelles correspondent les symboles

mathématiques employés»[57].

[57] Cf. Art. de CH. NORDMANN, dans _Le Matin_ du 1e Avril 1922.

Ainsi, nous voilà avertis, nous sommes en présence d’une _théorie

physique du Monde_; le tout est évidemment de s’entendre sur les mots

qui n’ont sans doute pas la même valeur en Allemagne qu’en France.

Singulier langage qui décore du nom de théorie physique, une doctrine

excluant toute trace possible de représentation; à ce compte, pourquoi

ne pas appliquer ces termes à toutes nos théories mathématiques, y

compris celles des imaginaires?

Je n’exagère rien; que le lecteur médite attentivement les passages

suivants extraits d’un article de M. Robert d’Adhémar, il sera édifié

sur la façon dont Einstein comprend son _Système du Monde_[58].

[58] Art. j. cit. _Rev. Gén. des Sciences_, 15 mai 1922. J’ai omis

quelques passages inutiles pour la compréhension générale de la

théorie.

«Nous étions, par abstraction (dans le cas de la Relativité restreinte)

en dehors de tout champ de gravitation; entrons maintenant dans ce

nouveau domaine (cas de la Relativité généralisée).»

Ici, l’auteur va nous parler de l’Espace-Temps et le lecteur se

souviendra que ce conglomérat est assimilé (_sic!_) à un espace-temps à

quatre dimensions.

«On découpera le _continuum_ espace-temps (pour abréger, disons: le

continuum) en _cellules_ à 4 dimensions, une dimension étant complexe

(ou imaginaire) pour obtenir une image réaliste, pour distinguer

l’office propre du temps.

On ne parlera guère de l’éther, tout se rapportant à cet espace, plus

exactement à ce _continuum_. Si nous voulons une représentation,

uniquement pour donner un support au discours (nous ne sommes pas des

esprits purs), imaginons nos cellules élémentaires limitées par de fines

toiles d’araignée: la présence, en un point, de ce que nous nommons

«matière» correspondra, _par définition_, à une _déformation_ du

_continuum_, comme si l’arrivée de la matière secouait notre subtil

tissu de toiles d’araignée: Tout point matériel _est_ une _déformation

du continuum_, qui cesse d’être _euclidien_.

Qu’advient-il maintenant; comment jouent les cellules?

La masse du Soleil, par exemple, étant grande, _équivaut_, pour

Einstein, à une modification des cellules, bien supérieure à la

modification analogue au voisinage de la Terre. Quel rapport trouve-t-on

entre ces deux défigurations? D’après Einstein, un même corps, sur le

Soleil, émettant des radiations, émettra les mêmes radiations que s’il

était sur la Terre, dans les mêmes conditions, _mais_ avec une petite

augmentation de la durée des vibrations. Par suite, en comparant les

deux spectres, leurs raies, on constaterait ce qu’on nomme le

«déplacement vers le rouge».

Les physiciens font des _vérifications expérimentales_, difficiles, et

qui semblent pouvoir réussir.

Poursuivons notre examen sommaire; nous rencontrons le _Postulat

essentiel_ de la relativité généralisée:

«Les lois fondamentales de la Physique conservent la même forme, quel

que soit le système de coordonnées choisi dans le _continuum_.»

Einstein en déduit ce résultat qu’un rayon lumineux sera réfracté par un

champ de gravitation.

Pour suivre son idée, imaginons un observateur sur une planète de faible

masse, voisine du Soleil, soumise à un champ de gravitation intense, de

telle sorte que la courbure de sa trajectoire soit forte. Ce physicien

étudie un rayon lumineux, venant d’une étoile. Si ce rayon était

réellement _rectiligne_, pour un observateur éloigné, un observateur

terrestre, il paraîtrait _curviligne_ au _physicien_ (entraîné dans un

mouvement très courbé), qui ne pourrait aligner le signal lumineux sur

une droite liée à sa planète. Si, au contraire, le physicien de la

planète peut aligner le signal sur ses repères géodésiques, puisque les

dits repères décrivent des orbites courbes, alors il faut conclure que

le rayon lumineux est impressionné, aussi bien que la petite planète,

par le champ solaire. On dira que la lumière est pesante, ou encore que

le champ de gravitation du Soleil équivaut à un milieu réfringent

spécial.

Dans ces conditions, le physicien de la petite planète ne pourra jamais,

par ce procédé optique, déceler le mouvement propre de sa planète. Au

contraire, nos astronomes attendent de nouvelles _vérifications_, au

sujet de la déviation des rayons venant d’une étoile et passant près du

Soleil. Les premières vérifications paraissent satisfaisantes, mais il

s’agit de nombres très petits, qu’on n’accroche pas aisément. Cela

impose une grande prudence, qui n’est pas nécessairement scepticisme.

On ne parlerait plus de la gravité comme force attirante, on regarderait

maintenant un corps, dans un champ de gravitation, comme libre, mais se

mouvant dans un _continuum_ déformé par rapport à sa situation

antérieure, en l’absence de tout champ de gravitation. L’existence d’une

grosse masse solaire est synonyme de déformation du réseau des cellules

et le champ solaire _crée_, _ipso facto_, la trajectoire de la planète,

l’orbite curviligne du rayon lumineux, les déformations des instruments,

de notre rétine. En un mot, tout, globalement, est déformé comme une

masse gélatineuse et nous, habitants de la planète, restons

_inconscients_ de cette défiguration intégrale. Un étranger éloigné, au

contraire, verra ou mesurera ces déformations. On voit ce que signifie

_l’indifférence du système de référence_: le système de référence

d’Einstein est un _mollusque_; telle est sa propre expression.

Pour que ce point de vue parfaitement nouveau, ne demeure pas un élan

d’imagination stérile, sans valeur scientifique, il a fallu le

transformer en un schème mathématique et Einstein y est arrivé, grâce à

une imagination puissante, qui a su trouver, dans la géométrie de Gauss

et de Riemann, un outil fondamental.

Tout champ de force sera analogue à un champ de gravitation; ce sera une

_déformation des cellules_, que nous imaginons tissées par des

araignées, pour marquer la mobilité, la fluidité essentielle du

_continuum_ espace-temps.

Einstein met toute la Physique sur ce tissu léger, support de 4

variables x, y, z, it, ou de 4 autres variables, dans un autre repérage.

Ces 4 paramètres sont soumis à des opérations mathématiques savantes et

il est indispensable, pour être exactement renseigné, d’être géomètre,

et de l’être complètement.

Effort gigantesque, aujourd’hui espérance, plus que pleine réalisation:

Notre admiration ne demande qu’à se muer en adhésion complète, mais il

est peut-être prudent de repousser la grande tentation de faire, dès

maintenant, un nouveau «Système du Monde».

Nous sommes des raccourcis d’atome, pour parler comme Pascal! Nos moyens

sont limités, pour parler la langue précise de la science! Ayons

conscience des bornes que l’on ne dépasse que par un dévergondage

d’imagination.

Pour comprendre Einstein · 第 19 / 26 题