C'est un fait que Lucrèce connaissait déjà. Voici en effet ce

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!

Einstein et l'univers: Une lueur dans le mystère des choses · 第 7 / 12 段