qu'écrivait il y a deux mille ans l'immortel et profond poète:
... Nulli, de nulla parte, neque ullo
Tempore, inane potest vacuum subsistere rei,
Quin sua quod natura petit concedere pergat.
Omnia quapropter debent per inane quietum
Aeque ponderibus non æquis concita ferri[7].
[7] _De Natura Rerum_, liv. II, vers 235-240.
Si la pesanteur était une _force_ analogue à l'attraction
électrique, à la traction d'une locomotive, ou bien à l'action
propulsive d'une charge de poudre, il ne devrait pas en être ainsi. Les
vitesses qu'elle imprime à des masses disparates devraient être
différentes. Les deux trains inégalement massifs de notre exemple
précédent reçoivent des accélérations inégales sous l'impulsion de la
même locomotive. Pourtant, si subitement une fosse profonde s'ouvrait
sous eux, ils y tomberaient avec la même vitesse.
De là à penser que la gravitation n'est pas une force comme le voulait
Newton, mais simplement une propriété de l'espace dans lequel se meuvent
librement les corps, il n'y a qu'un pas. Einstein le franchit sans
hésitation.
Imaginons dans un colossal gratte-ciel un ascenseur dont le câble de
retenue soudain se rompt. L'ascenseur va tomber d'un mouvement accéléré,
moins vite cependant qu'il ne ferait dans le vide, à cause de la
résistance de l'air et du frottement de la cage de l'appareil. Mais
imaginons par surcroît que la machine électrique qui actionne
l'ascenseur ait, du même coup, son commutateur inversé, et accélère la
chute de telle sorte que la vitesse descendante s'accroisse chaque
seconde de 981 centimètres. Réaliser cela ne serait qu'un jeu pour les
ingénieurs, bien que l'intérêt de cette expérience n'ait pas,
jusqu'aujourd'hui, paru assez évident pour la justifier. Mais pourquoi
n'aurions-nous pas le droit, de nous écrier parfois comme le poète,
lorsqu'il s'agit de clarifier un sujet,
Si tu veux faisons un rêve?
Voici donc notre rêve réalisé, et l'ascenseur tombe de très haut avec
précisément la vitesse accélérée d'un objet lâché librement dans le
vide.
Si les passagers ont gardé dans cette chute vertigineuse assez de
sang-froid pour observer ce qui arrive, ils remarqueront que leurs pieds
cessent de presser sur le plancher de l'appareil. Ils pourront soudain
se croire semblables à la charmante et poétique princesse de La Fontaine
une herbe n'aurait pas
Senti la trace de ses pas...
Les porte-monnaie de nos passagers, même s'ils sont pleins d'or,
cesseront de peser dans leurs poches,—ce qui pourra leur causer un
moment d'émotion. Leurs chapeaux, s'ils leur échappent des mains,
resteront suspendus dans l'air à côté d'eux. Se sont-ils précautionnés
d'une balance? Ils observeront que les plateaux restent en équilibre,
même si on y pose des poids très différents. Tout cela parce que ces
objets tombent vers le sol, par l'effet naturel de la pesanteur, avec la
même vitesse que l'ascenseur lui-même. La pesanteur en a disparu.
* * * * *
Jules Verne avait déjà décrit des effets semblables dans l'obus qui
porte ses héros de la Terre à la Lune et au moment où le romanesque
projectile arrive au «point neutre», à l'endroit où, échappant à
l'attraction terrestre, il ne subit pas encore celle de la Lune. Le bon
Jules Verne a d'ailleurs commis quelques petites hérésies scientifiques
au sujet de cet obus. Il a particulièrement oublié que—en vertu même
du principe d'inertie dans ce qu'il a de plus grossièrement évident—les
infortunés voyageurs devaient être aplatis comme galette, contre le
culot de l'obus, à l'instant du départ du coup. Il a cru aussi, bien à
tort, que les objets cessaient de peser dans l'obus seulement à
l'instant où il passe exactement entre les deux sphères d'attraction
terrestre et lunaire.
Passons sur ces vétilles du romancier et revenons à l'image excellente
qu'il nous a prophétiquement fournie pour la commodité de notre exposé
einsteinien.
Considérons donc le projectile lorsqu'il commence à tomber librement
vers la Lune[8]. Il est évident qu'à partir de cet instant et
jusqu'à ce qu'il ait atterri ou plutôt _aluni_..., il se comportera
exactement comme notre ascenseur—je devrais dire notre _descenseur_—de
tout à l'heure.
[8] Il est évident que nous supposons l'obus sans rotation,
c'est-à-dire que le canon du Columbia ne doit pas, dans nos
hypothèses, avoir été un canon rayé. Cette précision est
indispensable, car si l'obus tournait il s'y produirait des effets
de force centrifuge qui rendraient les phénomènes et du même coup
notre démonstration plus compliqués. On jugera peut-être que
celle-ci l'est déjà à souhait.
Pendant cette chute vers la Lune, les passagers—miraculeusement
échappés à l'aplatissement fatal du départ—verront tous les objets
autour d'eux soudain démunis de leur poids rester suspendus en l'air,
et, sous l'influence de la moindre chiquenaude, aller se coller aux
parois ou à la voûte ogivale de l'obus. Eux-mêmes se sentiront d'une
extraordinaire légèreté et sans effort feront les bonds les plus
prodigieux, à rendre jaloux Nijinski.
C'est qu'eux-mêmes et tous les objets voisins tombent vers la Lune avec
la même vitesse que l'obus. D'où pour eux disparition de la pesanteur,
de la gravitation, soudain subtilisées comme par un magicien. Le
magicien, c'est le mouvement accéléré comme il convient, c'est la chute
libre des observateurs.
En résumé, pour supprimer en un lieu quelconque les effets apparents de
la gravitation, il suffit que l'observateur possède une vitesse
convenablement accélérée. C'est ce qu'Einstein appelle le «principe
d'équivalence»: équivalence des effets de la pesanteur et de ceux d'un
mouvement accéléré.
L'un et l'autre sont indiscernables.
Supposons notre obus de Jules Verne et ses infortunés passagers
transportés très loin de la Lune, de la Terre et du Soleil même, en un
de ces endroits déserts et glacés de la Voie Lactée où n'existe
aucune matière, et si éloigné de toutes les étoiles qu'il n'y a plus là
pesanteur ni attraction, et que notre obus abandonné y restera immobile.
Dans ces conjonctures, cela est clair, il n'y aura ni haut, ni bas, ni
pesanteur pour les passagers de l'obus. Ils se trouveront débarrassés et
allégés de toutes les contingences du poids. Ils pourront indifféremment
se mettre debout sur la paroi interne du sommet de l'obus ou sur son
culot, comme ce fut durant qu'ils tombaient vers la Lune.
Imaginons maintenant que l'Enchanteur Merlin survienne subrepticement
puis, ayant attaché une corde à l'anneau extérieur qui surmonte le
projectile, se mette à le tirer d'un mouvement uniformément accéléré.
Que se passe-t-il alors pour les passagers? Ils remarquent soudain
qu'ils ont retrouvé leur poids et qu'ils sont rivés au plancher de
l'obus, à peu près comme, avant leur voyage, ils étaient fixés au sol de
notre planète terraquée. Si même le mouvement de l'Enchanteur Merlin
s'accélère de 981 centimètres par seconde, ils éprouveront exactement
les mêmes sensations pesantes que sur la Terre.
Ils remarqueront que si, à un moment donné, ils lâchent en l'air une
assiette, elle tombera sur le plancher et s'y brisera. «C'est,
penseront-ils, parce que nous sommes de nouveau soumis à la pesanteur;
cette assiette tombe en vertu de son poids, de sa masse pesante.» Mais
l'Enchanteur Merlin dira lui: «Cette assiette tombe parce qu'elle a
gardé, en vertu de son inertie, de sa masse inerte, la vitesse
ascendante qu'elle possédait au moment qu'on l'a lâchée. Aussitôt après,
puisque je tire l'obus d'un mouvement accéléré, la vitesse ascendante de
celui-ci a dépassé celle de l'assiette lâchée. C'est pourquoi le fond de
l'obus, dans sa course ascendante accélérée est venu heurter l'assiette
et la briser.»
Ceci prouve que le poids d'un corps, sa gravitation, est indiscernable
de son inertie. Masse inerte, masse pesante sont deux choses, non pas
égales par une extraordinaire coïncidence comme le croyait Newton, mais
identiques et inséparables. Ces deux choses n'en sont qu'une.
Et alors nous sommes amenés à penser que les lois de la pesanteur et
celles de l'inertie, les lois de la gravitation et celles de la
mécanique doivent être identiques, ou du moins doivent être des
modalités d'une chose unique. Pareillement la face et le profil d'un
même visage ne sont que ce même visage vu sous deux angles différents.
Si même les voyageurs de notre obus—qui sont vraiment des sortes de
cobayes!—mettent l'œil au hublot et voient la corde qui les
remorque, leur illusion persistera. Ils se croiront suspendus et
immobiles en un point de l'espace où la pesanteur est ressuscitée,
c'est-à-dire, comme disent les spécialistes, en un point de l'espace où
règne un «champ de gravitation».
Cette locution est analogue à l'expression courante de «champ
magnétique» qui désigne une région de l'espace où s'exercent des
actions magnétiques, où la boussole se voit imposer une orientation.
En résumé, on peut en tout lieu remplacer un champ de gravitation,
remplacer l'effet de la pesanteur par un mouvement convenablement
accéléré de l'observateur et réciproquement. Il y a équivalence complète
entre les effets de la pesanteur et ceux d'un mouvement approprié.
* * * * *
Ceci va nous permettre d'établir maintenant, avec beaucoup de
simplicité, ce fait fondamental qu'on ne soupçonnait pas il y a quelques
années et qui a été brillamment démontré par l'expérience: _la lumière
ne se propage pas en ligne droite dans les parties de l'Univers où il y
a de la gravitation, mais sa trajectoire est incurvée comme celle des
objets pesants._
Nous avons établi au cours d'un précédent chapitre que dans le continuum
à quatre dimensions où nous vivons, que l'on pourrait appeler
l'espace-temps, et que nous appellerons plus simplement l'Univers, il y
a quelque chose qui reste constant, et identique pour des observateurs
se déplaçant à des vitesses données et différentes. C'est l'«Intervalle»
des événements.
Il est naturel de penser que cet «Intervalle» restera identique même si
la vitesse de l'observateur varie, même si elle est accélérée comme
celle de notre ascenseur ou de l'obus de Jules Verne pendant leur chute.
En effet si, pour deux observateurs se déplaçant à des vitesses
différentes, quelque chose dans l'Univers est un _invariant_ comme
disent les physiciens, c'est-à-dire est invariable, ce quelque chose
doit _naturellement_ rester tel pour un troisième observateur dont la
vitesse passe graduellement de celle du premier à celle du second, et
qui, par conséquent, est animé d'un mouvement uniformément accéléré.
Des conséquences fondamentales en découlent.
Une chose d'abord est évidente, admise d'un consentement unanime par
tous les physiciens: c'est que dans le vide, et en un point de l'espace
où ne s'exerce aucune force et où il n'y a pas de pesanteur, la lumière
se propage en ligne droite. Cela est certain pour beaucoup de motifs et
d'abord par pure raison de symétrie, parce qu'en une région du vide
isotrope, un rayon que rien ne sollicite ne doit point dévier de sa
marche rectiligne, dans un sens ou dans l'autre. Cela est évident
quelque hypothèse qu'on fasse sur la nature de la lumière, et même si,
comme Newton, on suppose qu'elle est formée de particules pesantes.
Ceci admis, supposons maintenant qu'en un point de l'Univers où il y a
de la pesanteur, à la surface de la Lune, par exemple, un merveilleux
fusil puisse tirer une balle qui possède et garde (tout le long de la
trajectoire) la vitesse de la lumière.
Cette balle décrira une trajectoire très tendue, à cause de sa grande
vitesse, et néanmoins incurvée vers le sol lunaire, à cause de la
pesanteur. Puisque nous pouvons cueillir à loisir dans le champ des
hypothèses, rien ne nous empêche de supposer que cette balle est une
balle traçante qui marque sa trajectoire par une légère traînée
lumineuse. La grande guerre a connu des balles de ce genre.
Cette balle, en même temps qu'elle avance, tombe chaque seconde vers le
sol lunaire, d'une quantité égale à celle dont tomberait tout autre
projectile lancé à n'importe quelle vitesse, ou même sans vitesse. Tous
les objets près de la surface du sol tombent (dans le vide) avec la même
vitesse verticale, et qui est indépendante de leur déplacement dans le
sens horizontal. C'est même pour cela que les trajectoires des
projectiles sont d'autant plus incurvées qu'ils ont une plus faible
vitesse initiale.
Observée à travers les hublots de l'obus de Jules Verne (qui, au même
moment, tombe librement vers la Lune), la trajectoire de cette balle
paraîtra aux passagers une ligne droite parce qu'elle tombe avec la même
vitesse qu'eux.
Supposons qu'un rayon lumineux provenant de la lueur du fusil sorte de
celui-ci en même temps que la balle, en la rasant, et dans la même
direction. Ce rayon lumineux sera évidemment rectiligne pour les
passagers de l'obus, puisque la lumière se propage en ligne droite quand
il n'y a pas de pesanteur. Par conséquent, puisqu'il a la même forme, la
même direction et la même vitesse que la balle fusante, les passagers
verront ce rayon lumineux coïncider pendant tout son trajet avec la
trajectoire de cette balle.
Par conséquent encore, l'«Intervalle» (à la fois dans le temps et
dans l'espace) du rayon lumineux et de la balle est et reste zéro. Or
cet «Intervalle» doit demeurer tel, quelle que soit la vitesse de
l'observateur. Si donc l'obus de Jules Verne ne tombe plus mais est
arrêté à la surface de la Lune, ses passagers continueront de voir le
rayon lumineux coïncider en chacun de ses points, avec la trajectoire de
la balle. Cette trajectoire (ils le remarquent maintenant) est incurvée
par la pesanteur; donc _le rayon lumineux est pareillement incurvé par
elle_.
Ceci démontre que la lumière ne se propage pas en ligne droite mais
tombe exactement comme tous les objets, sous l'influence de la
gravitation.
Si on ne l'a jamais constaté naguère, si on a toujours cru que la
lumière se propage en ligne droite, c'est que par suite de son énorme
vitesse, sa trajectoire n'est que très peu courbée par la pesanteur.
Cela est compréhensible. A la surface de la Terre par exemple, la
lumière doit tomber (comme tous les objets) avec une vitesse qui au bout
d'une seconde est de 981 centimètres. Or, au bout d'une seconde, un
rayon lumineux a déjà parcouru 300 000 kilomètres. Supposons (ce qui est
bien exagéré) qu'on puisse observer près de la surface de la Terre un
rayon lumineux horizontal de 300 kilomètres de long. Pendant le millième
de seconde que ce rayon emploiera à aller d'un observateur à l'autre il
_tombera_ seulement d'une quantité égale à 5 millièmes de millimètre.
On conçoit qu'un rayon lumineux qui, sur une distance de 300
kilomètres, ne s'éloigne de sa direction initiale que de cette quantité
absolument inobservable, ait toujours été considéré comme rectiligne.
N'est-il donc nul moyen de vérifier si, oui ou non, la lumière est
incurvée par la gravitation?
Ce moyen existe et c'est l'astronomie qui va nous l'apporter.
* * * * *
S'il est impossible d'apprécier la courbure d'un rayon lumineux allant
d'un point à l'autre de la surface terrestre, c'est d'abord parce que la
pesanteur sur la Terre est trop petite pour infléchir beaucoup ce rayon;
c'est ensuite parce que nous ne pouvons pas le suivre sur une suffisante
distance, notre planète étant ridiculement petite.
Mais ce qu'on ne peut faire sur ce petit globule terraqué, dont la
lumière rapide franchit le diamètre tout entier en un vingt-cinquième de
seconde, on arrivera peut-être à le réaliser dans le laboratoire
gigantesque de l'espace céleste. Justement nous avons, presque à portée
de la main,—à 150 millions de kilomètres, seulement, d'ici—un astre
sur lequel la pesanteur est vingt-sept fois plus intense qu'ici-bas.
C'est le Soleil. Un corps abandonné à lui-même y tombe dans la première
seconde de 132 mètres. Sa chute est vingt-sept fois plus rapide que sur
la Terre.
La lumière sera donc, près du Soleil, infléchie beaucoup plus par
la pesanteur. Cette inflexion sera encore accrue par le fait que le
Soleil a un million et demi de kilomètres de diamètre, et qu'un rayon
lumineux a besoin de beaucoup plus de temps pour franchir cette distance
que pour franchir le diamètre terrestre. L'action de la pesanteur sur ce
rayon s'exerce donc pendant bien plus longtemps que sur un rayon rasant
la Terre, et, pour cela aussi, elle l'incurvera davantage.
Soit un rayon lumineux provenant, par exemple, d'une étoile située très
loin derrière le Soleil. S'il nous arrive après avoir rasé celui-ci, il
se comportera comme un projectile. Sa trajectoire cesse d'être
rectiligne, elle est légèrement courbée vers le Soleil. Autrement dit,
ce rayon est dévié de la ligne droite, et la direction qu'il a lorsque
nos yeux le reçoivent sur la Terre est un peu différente de la direction
qu'il possédait en partant de l'étoile. Il a subi une déviation.
Le calcul montre que cette déviation, bien que faible encore, est
mesurable. Elle est égale à un angle d'une seconde et trois quarts,
angle que les méthodes précises des astronomes permettent de mesurer.
Ah! ça n'est point qu'il soit bien grand cet angle, qu'on en juge: il
faut juxtaposer 324 000 angles d'une seconde pour faire un angle droit.
Autrement dit, un angle d'une seconde est celui sous lequel on verrait,
à 206 kilomètres de distance, les deux extrémités d'un piquet d'un
mètre fiché dans le sol. Si nos yeux étaient assez aigus pour voir un
homme de taille normale debout à 200 kilomètres de l'endroit où nous
nous tenons, notre regard, en fixant successivement sa tête, puis
ses pieds, dévierait d'un angle fort petit. Eh bien, cet angle
représente exactement la déviation subie par la lumière qui nous vient
d'une étoile après qu'elle a rasé le globe d'or du Soleil.
Si minuscule que soit cet angle, les astronomes savent le déterminer
grâce à la délicate exactitude de leurs méthodes. Il ne faut point le
mépriser, cet angle infime. Il ne faut point dédaigner ceux qui
raffinent jusqu'à observer de pareilles bagatelles, puisque aujourd'hui
la science en est bouleversée. Einstein a raison contre Newton parce
qu'on a pu mesurer cet angle si petit, parce que cette déviation a été
constatée en fait.
Pour vérifier si elle existe, une grosse difficulté se présentait.
Comment apercevoir le rayon qui nous vient d'une étoile en rasant le
bord du Soleil, c'est-à-dire en plein jour? C'est impossible. Même avec
les lunettes les plus puissantes, l'image des étoiles situées à
l'arrière-plan du Soleil sont complètement noyées dans l'éclat de
celui-ci, ou—pour s'exprimer plus exactement—dans la lumière diffusée
par notre atmosphère.
On peut même remarquer à ce propos (si l'on ose ouvrir ici une
parenthèse... et pourquoi n'oserait-on pas?) que la nuit nous a appris
beaucoup plus de choses que le jour sur les mystères de l'Univers. Dans
le symbolisme littéraire, et dans le politique, la lumière du jour est
l'image du progrès et du savoir, la nuit l'emblème de l'ignorance.
Quelle sottise! C'est blasphémer la nuit dont nous devons vénérer
la brune douceur. Et je n'entends point parler ici de son charme
romanesque, mais seulement des admirables progrès que nous lui devons
dans le savoir.
Minuit n'est pas seulement l'heure des crimes. C'est celle aussi des
vastes envolées vers les mondes lointains. Le jour on ne voit qu'un
Soleil, la nuit nous en montre des millions. Et si le rideau éblouissant
que la lumière solaire étend devant le ciel est tissé de rayons
éclatants, c'est un rideau quand même, car il nous rend pareils aux
phalènes qu'une lumière trop vive empêche de voir plus loin que le
bout... de leurs ailes.
Il faut donc, pour résoudre notre problème, voir en pleine nuit des
étoiles dont l'image serait près du bord solaire. Cela est-il donc
impossible? Non. La nature y a pourvu en créant des éclipses totales de
soleil, visibles parfois en certains lieux de la Terre.
Alors, et pendant quelques minutes, le disque radieux est très
exactement caché derrière celui de la Lune, si bien qu'en plein jour
tout se passe comme s'il était nuit, et qu'on voit les étoiles briller
près du Soleil masqué de noir.
* * * * *
Tout justement, une éclipse totale devait être visible en Afrique et
dans l'Amérique du Sud le 29 mai 1919, peu après qu'Einstein eut, par un
raisonnement semblable à celui qui précède, annoncé la déviation
des rayons stellaires près du soleil.
Deux expéditions furent organisées par les astronomes de Greenwich et
d'Oxford. L'une s'installa à Sobral au Brésil, l'autre dans une petite
île portugaise, Principe, dans le golfe de Guinée.
Certains des astronomes anglais étaient bien un peu sceptiques sur le
résultat. Comment admettre, jusqu'à preuve du contraire, que Newton
s'est trompé, ou du moins n'a pas donné une loi parfaite? Cette preuve
du contraire résulta pourtant, et d'éclatante façon, des observations
faites.
Celles-ci consistèrent à photographier sur un certain nombre de plaques,
et pendant les quelques minutes de l'éclipse totale, les étoiles
voisines du Soleil occulté. Elles avaient été, avec les mêmes lunettes,
photographiées quelques semaines auparavant, alors que la région du ciel
où elles brillent était encore dans la nuit et loin du Soleil. Celui-ci
comme on sait, traverse successivement, dans sa course annuelle, les
diverses constellations du Zodiaque.
Si la lumière des étoiles photographiées n'était pas déviée en passant
près du Soleil, il est évident que leurs écartements devaient être
identiques sur les plaques prises pendant l'éclipse et sur les plaques
prises la nuit, quelque temps auparavant.
Mais si leur lumière était déviée pendant l'éclipse, par l'attraction du
Soleil, il en devait être tout autrement. Voici pourquoi: Quand la Lune
se lève sur une de nos plaines, elle n'est pas ronde, tout le monde
l'a remarqué, mais aplatie dans le sens vertical et semblable un peu à
une gigantesque mandarine posée sur l'horizon, pour je ne sais quel
souper fantasmagorique. Pourtant la Lune n'a pas cessé d'être ronde. Si
elle semble aplatie, c'est parce que les rayons provenant de son bord
inférieur, et qui nous arrivent après avoir traversé une couche d'air
très épaisse, sont courbés vers le sol par la réfraction de cette couche
d'air, et bien plus que les rayons du bord supérieur qui traversent une
moindre épaisseur d'atmosphère. Notre œil voit le bord lunaire dans
la direction suivant laquelle nous arrivent ses rayons et non pas dans
celle où ils sont partis. C'est pourquoi le bord inférieur de la Lune
nous paraît surélevé sur l'horizon plus qu'il n'est réellement. Cette
déviation est due à la réfraction.
Semblablement, une étoile située un peu à l'Est du Soleil (et dont la
lumière est courbée, non point par la réfraction, mais par la pesanteur)
nous paraîtra plus écartée de lui. Elle nous paraîtra plus à l'Est
qu'elle n'est en réalité. De même une étoile située à l'Ouest du Soleil
nous paraîtra décalée vers l'Ouest du bord solaire occidental.
Donc les étoiles situées de part et d'autre du Soleil paraîtront plus
écartées, plus séparées les unes des autres sur les clichés pris pendant
l'éclipse. Dans leur position normale, sur les clichés pris pendant la
nuit, elles sembleront au contraire plus resserrées, plus rapprochées.
C'est précisément ce qu'on a constaté, par l'étude micrométrique des
photographies obtenues à Sobral et à Principe. Non seulement la
déviation de la lumière des étoiles par le Soleil a été ainsi démontrée,
mais on a constaté que cette déviation a exactement la grandeur
numérique annoncée par Einstein. Elle correspond à un angle d'une
seconde et trois quarts (1"75) pour une étoile tangente au bord solaire,
angle qui décroît proportionnellement très vite pour des étoiles plus
éloignées de ce bord. Glorieux triomphe de la théorie et qui établissait
pour la première fois un lien entre la lumière et la gravitation!