J'ai comparé il y a un instant l'incurvation de la lumière par la

pesanteur à celle que produit la réfraction atmosphérique. Précisément

certains astronomes se sont demandé si la concordance de la théorie

d'Einstein et des résultats obtenus pendant l'éclipse était autre chose

qu'une coïncidence, et si les déviations observées ne provenaient pas

d'une réfraction causée dans l'atmosphère du Soleil.

Cette explication paraît insoutenable. On observe parfois des comètes

traversant l'espace tout près de la surface solaire. Elles subissent

dans leur mouvement une résistance qui le perturberait complètement si

le Soleil avait une atmosphère assez réfringente pour expliquer les

déviations observées à Sobral et à Principe. De telles perturbations des

orbites cométaires près du Soleil n'ont jamais été constatées. Cela

exclut toute autre interprétation qu'un effet de la pesanteur sur

la lumière.

Ainsi, les rayons des étoiles pesés par des procédés d'une exquise

délicatesse, ont fourni l'éclatante confirmation des prémisses

théoriques d'Einstein.

A ses fruits on juge l'arbre.

[Cul-de-lampe]

CHAPITRE SIXIÈME

CONCEPTION NOUVELLE DE LA GRAVITATION

_Géométrie et réalité || La géométrie d'Euclide et les autres ||

Contingence du criterium de Poincaré || L'univers réel n'est pas

euclidien mais riemannien || Les avatars du nombre π || Le point

de vue de l'ivrogne.... || Lignes droites et géodésiques || La

nouvelle loi d'attraction universelle || L'anomalie de la planète

Mercure expliquée || Théorie gravitationnelle d'Einstein._

L'univers est-il conforme à la géométrie? Voilà une question dont

philosophes et savants ont beaucoup disputé, et que la déviation de la

lumière par la pesanteur va nous permettre d'attaquer fort simplement.

On enseigne toute une magnifique série de théorèmes de géométrie

solidement emboîtés les uns dans les autres et dont les principaux

furent autrefois créés par un grand génie grec, Euclide. C'est pourquoi

cette géométrie classique s'appelle la géométrie euclidienne. Ces

théorèmes sont basés sur un certain nombre d'_axiomes_ et de postulats

qui ne sont, en somme, que des affirmations, des définitions.

La principale de ces définitions est la suivante: La ligne droite est le

plus court chemin d'un point à un autre. Cela paraît tout simple aux

écoliers parce qu'ils savent qu'au stade le coureur qui s'amuse à faire

des zigzags arrivera au but après les autres... et quand on va souvent

au terrain de sports on n'a ni l'envie, ni le loisir de se dessécher sur

la validité des axiomes de la géométrie. Que veut dire exactement cette

définition de la ligne droite? On en a longtemps discuté et Henri

Poincaré a écrit là-dessus des pages profondes et fines, mais dont la

conclusion n'est pas dénuée d'un peu d'incertitude.

Dans la pratique, chacun de nous sait bien ce qu'il appelle une ligne

droite: c'est la ligne que dessine l'arête d'une règle bien dressée.

Comment sait-on qu'une règle est bien dressée? En la plaçant devant

l'œil et en observant que ses deux extrémités, lorsqu'on les vise,

sont confondues par le regard qui voit en même temps tous les points

intermédiaires de l'arête. C'est comme cela que les menuisiers jugent

qu'une planche est rabotée droit. En un mot nous appelons ligne droite,

dans la pratique, la ligne que suit le regard du tireur entre le guidon

et le cran de mire.

Tout cela revient en somme à définir la ligne droite par la direction

d'un rayon lumineux.

Comme qu'on retourne la question on en arrive toujours à ceci: dire

que le bord d'un objet est droit, c'est dire que la ligne qui le

délimite coïncide sur toute sa longueur avec un rayon lumineux[9]. On

peut donc affirmer: pratiquement la ligne droite est le chemin parcouru

par la lumière dans un milieu homogène.

[9] Il va sans dire que dans tout ceci le rayon lumineux est

censé se propager dans un milieu homogène.

Mais alors une question se pose. Le monde où nous vivons, l'univers

est-il conforme à la géométrie d'Euclide, est-il _euclidien_, pour

employer l'adjectif à la mode qui n'est peut-être pas encore au

dictionnaire de l'Académie, mais qui y sera?

Car il faut bien dire maintenant que la géométrie d'Euclide n'est pas la

seule qu'on ait créée. Au XIXe siècle des savants profonds et hardis,

Riemann, Bolyay, Lobatchewski, Poincaré lui-même, ont fondé des

géométries nouvelles très différentes, assez étranges. Elles sont tout

aussi logiques et cohérentes que la géométrie classique d'Euclide, mais

elles sont basées sur des axiomes, sur des postulats autres,

c'est-à-dire sur des définitions différentes.

Par exemple on appelle _parallèles_ deux lignes droites situées dans un

même plan et qui ne se rencontrent jamais. La géométrie chère à notre

enfance dit: par un point on ne peut faire passer qu'une seule parallèle

à une droite donnée. C'est ce qu'on appelle le postulat d'Euclide.

Survient Riemann qui n'admet pas ce postulat et le remplace par

celui-ci: par un point on ne peut faire passer aucune droite

parallèle à une droite donnée, c'est-à-dire aucune ligne qui ne la

rencontre jamais. Et là-dessus il fonde une géométrie parfaitement

cohérente.

Qui oserait affirmer que la géométrie d'Euclide est vraie, celle de

Riemann fausse? Comme constructions théoriques idéales, elles sont aussi

vraies l'une que l'autre.

* * * * *

On peut poser la question suivante: le monde réel correspond-il à la

géométrie classique d'Euclide ou à celle de Riemann?

On a cru longtemps qu'il correspondait à la géométrie d'Euclide.

Poincaré lui-même disait, parlant de celle-ci: «Elle est et restera la

plus commode: 1º parce qu'elle est la plus simple; 2º parce qu'elle

s'accorde assez bien avec les propriétés des solides naturels, ces corps

dont se rapprochent nos membres et notre œil et avec lesquels nous

faisons nos instruments de mesure.»

Lorsque les anciens affirmaient que la Terre est plate, ils assuraient

de même... ou à peu près: «Cette notion est la plus commode: 1º parce

qu'elle est la plus simple; 2º parce qu'elle s'accorde assez bien avec

les propriétés des objets naturels avec lesquels nous sommes en

contact.» Mais quand les hommes sont venus en contact avec des objets

plus éloignés, quand les navigateurs et les astronomes ont multiplié ces

objets nouveaux, la notion de la Terre plate a cessé d'être la plus

commode, la plus simple, la mieux adéquate aux données sensibles. Et

alors a surgi la notion de la rotondité de la Terre qui s'est trouvée

infiniment plus commode, plus simple, mieux adaptée au monde extérieur.

La _commodité_, qui est pour Poincaré le criterium de la vérité

scientifique, est une chose contingente et élastique. Tel point de vue

est commode à Paris, qui ne le sera plus à Pontoise. Telle théorie est

commode sur un espace de 100 mètres qui ne le sera plus sur un espace de

100 millions de kilomètres.

L'hypothèse d'une Terre plate a cédé le pas à celle d'une Terre ronde.

La Terre immobile a cédé le pas à la Terre tournante. De même il semble

qu'aujourd'hui, la géométrie euclidienne doive céder le pas à une autre,

comme représentation _commode_ du monde réel.

Dans l'Univers, dans notre espace réel peut-on mener une parallèle à une

droite? C'est-à-dire deux droites réelles situées dans le même plan

peuvent-elles ne jamais se rencontrer? Cette question signifie ceci:

deux rayons lumineux cheminant dans l'espace vide et dans ce que (pour

chaque fraction de ces rayons) nous appellerons un même plan,

peuvent-ils ne jamais se rencontrer? _La réponse à cette question est

non._

Puisque dans l'espace céleste ces deux rayons lumineux sont déviés par

la gravitation des astres, puisque d'ailleurs ils sont déviés

inégalement, leur distance à ces astres étant différente, il s'ensuit

nécessairement qu'ils cessent d'être parallèles (au sens euclidien

du mot) et qu'ils finissent par se rencontrer; ou bien qu'ils cessent de

remplir la première condition du parallélisme: la coexistence dans un

même plan local.

En un mot, et pourvu qu'on le considère non plus dans le champ

ridiculement borné des expériences de laboratoire, mais dans le vaste

champ des étendues célestes, l'univers réel n'est pas euclidien parce

que la lumière ne s'y propage pas en ligne droite.

Kant considérait les vérités, ou, pour mieux dire, les affirmations

déductives de la géométrie euclidienne, comme des «jugements

synthétiques _a priori_», comme des évidences sans autre issue

qu'elles-mêmes. Nous venons de voir que là-dessus Kant s'est trompé, non

seulement du point de vue de la géométrie théorique, mais aussi du point

de vue de la géométrie réelle. L'étymologie seule du mot _géométrie_,

qui signifie mesure du terrain, suffit d'ailleurs à montrer qu'elle fut

à l'origine, et avant tout, une science pratique. Cela légitime assez la

question que nous avons posée ici, de savoir à quelle géométrie

s'apparente l'Univers réel.

Gauss, ce profond esprit, s'était déjà posé la question et il avait, au

siècle passé, tenté des expériences précises pour mesurer si la somme

des angles d'un triangle est égale à deux droits comme l'affirme la

géométrie euclidienne. Dans ce dessein, il forma un vaste triangle dont

les sommets étaient constitués par les points culminants de trois

montagnes éloignées. L'une était le célèbre Brocken. Il fit, avec ses

aides, simultanément des visées de chacun des sommets aux deux

autres. Il trouva que la somme des trois angles du triangle ne différait

de 180 degrés que d'une quantité égale aux erreurs d'expérience.

Beaucoup de béotiens et quelques philosophes se moquèrent fort de ces

expériences et de Gauss. Ils déclarèrent, avec le catégorisme apriorique

qu'on rencontre parfois chez les uns et les autres, que les mesures même

si elles avaient eu un autre résultat n'auraient rien prouvé contre les

théorèmes d'Euclide, mais établi seulement que quelque cause

perturbatrice incurvait les rayons lumineux entre les trois sommets du

triangle. C'est exact, mais cela ne signifie rien.

Si Gauss avait trouvé que la somme des angles du triangle étudié

dépassait deux droits, cela aurait prouvé que la géométrie réelle

n'était pas celle d'Euclide. La question que s'était posée Gauss était

pleine de profondeur et de sens. Les béotiens et quelques philosophes

qui le conspuèrent eussent pu être mis au défi de définir les lignes

droites réelles, les lignes droites naturelles autrement que par les

trajets de la lumière.

Si Gauss n'a pas trouvé que la somme des angles fût différente de deux

droits c'est parce que ses mesures étaient trop peu précises. Si elles

avaient été beaucoup plus exactes, ou s'il avait pu opérer sur un

triangle plus grand, dont les sommets eussent été la Terre, Jupiter en

opposition et une autre planète, il eût trouvé une différence notable.

L'Univers réel n'est donc pas euclidien. Il n'est à peu près

euclidien que dans les régions de l'espace où la lumière se propage

rectilignement, c'est-à-dire aux endroits très éloignés de toute masse

gravitante, tel celui où nous avions plus haut abandonné l'obus de Jules

Verne.

Bien d'autres raisons encore font que, par suite de la gravitation,

l'Univers n'est pas conforme à la géométrie d'Euclide.

Exemple: Dans cette géométrie la longueur de la circonférence est avec

son diamètre dans un certain rapport bien connu et qui est désigné par

la lettre grecque π. Ce rapport qui exprime combien de fois le diamètre

est compris dans la circonférence est égal à 3,14159265... etc... j'en

passe car π possède un nombre infini de décimales. Alors voici la

question: Dans la pratique, le rapport des circonférences à leurs

diamètres est-il réellement égal à la valeur classique de π? Par

exemple le rapport de la circonférence de la Terre[10] à son diamètre

a-t-il précisément cette valeur? Selon Einstein, la réponse est _non_,

et en voici la preuve: Imaginons que deux géodésiens, deux arpenteurs

très habiles, très rapides et un peu magiciens, se proposent de mesurer

la circonférence et le diamètre de la Terre à l'Équateur. Ils sont munis

de règles graduées identiques. Ils commencent leurs mesures en même

temps et en partant du même point de l'Équateur. Seulement l'un se

dirige vers l'Ouest, l'autre vers l'Est et leurs vitesses sont égales et

telles que celui qui va vers l'Ouest annule en quelque sorte la rotation

de la Terre et voit toute la journée le Soleil immobile à la même

hauteur au-dessus de l'horizon. Ainsi, dans les music-halls, on voit

parfois un jongleur qui, marchant sur une boule en mouvement, reste

cependant au sommet de la boule parce que la vitesse de ses pas est

exactement égale et contraire au déplacement de la surface sphérique.

[10] Nous supposons bien entendu la Terre parfaitement circulaire

et sans aspérités.

Un observateur immobile dans l'espace, par exemple sur le Soleil, verra

donc immobile, en face de lui, celui de nos deux arpenteurs qui se

dirige vers l'Ouest. Au contraire, celui qui va vers l'Est lui paraîtra

tourner autour de la Terre et deux fois plus vite que s'il était resté à

son point de départ.

Nos deux arpenteurs lorsqu'ils auront, à la même vitesse, achevé chacun

de son côté de mesurer le tour de la Terre, auront-ils trouvé la même

longueur? Évidemment _non_. Car, comme le constate le sur-observateur

placé dans le Soleil, le mètre de l'arpenteur qui va à l'Est est

raccourci par sa vitesse, en vertu, nous l'avons montré, de la

contraction Fitzgerald-Lorentz. Au contraire le mètre de l'arpenteur qui

va à l'Ouest ne subit pas cette contraction, ainsi que le constate le

sur-observateur solaire, par rapport à qui il est immobile.

Par conséquent les deux arpenteurs trouvent pour le diamètre terrestre

des nombres différents, et celui qui se dirige vers l'Ouest trouve un

nombre de mètres plus petit que l'autre. D'autre part il est

évident que lorsqu'ils mesurent ensuite le diamètre terrestre en le

parcourant à la même vitesse, nos deux observateurs trouveront pour ce

diamètre deux valeurs identiques.

Le nombre π qui exprime, d'après les mesures faites, le rapport

de la circonférence de la Terre à son diamètre, est donc différent,

selon qu'on marche dans le sens où la Terre tourne, ou dans le sens

inverse. Puisque les valeurs _réelles_ du nombre π sont

diverses, c'est donc qu'elles ne peuvent être le nombre unique et bien

déterminé de la géométrie classique. C'est donc que l'Univers réel n'est

pas conforme à cette géométrie.

Ces différences, dans l'exemple précédent, proviennent de ce que la

Terre tourne. Au point de vue de la gravitation, la rotation terrestre a

des effets centrifuges qui diminuent l'effet centripète de la pesanteur.

Nous venons de voir d'ailleurs que pour celui de nos deux arpenteurs

dont la vitesse annule la rotation terrestre, la valeur du nombre

π est plus petite que pour l'observateur dont la vitesse semble

doubler cette rotation. Les effets de la pesanteur étant inverses de

ceux de la rotation, de la force centrifuge, il s'ensuit donc (et la

démonstration en est aussi simple que la précédente) que l'effet de la

pesanteur est de donner au nombre π une valeur plus petite que

sa valeur classique.

En un mot, dans l'Univers les circonférences réelles tracées autour des

masses gravitantes, autour des astres, ont par rapport à leur diamètre,

une longueur plus petite que dans la géométrie euclidienne.

La différence est d'ailleurs en général assez faible. Mais elle

n'est pas nulle. Si on place une masse de 1 000 kilogs au centre d'un

cercle de 10 mètres de diamètre, le nombre π différera

réellement de sa valeur euclidienne de moins d'un septillionième,

c'est-à-dire de moins d'un millionième de milliardième de milliardième.

Au voisinage de masses formidables comme celles des astres, la

différence pourra être beaucoup plus grande, ainsi que nous verrons.

C'est de là surtout que proviennent les divergences entre la loi de

gravitation de Newton et celles d'Einstein, divergences que

l'observation a tranchées à l'avantage de celle-ci.... Mais n'anticipons

pas....

* * * * *

Nous avons montré dans un chapitre précédent que l'Univers réel des

relativistes est un continuum à quatre dimensions et non pas à trois

comme le croyait la science classique, et qu'au sein de ce continuum les

distances dans l'espace et les distances dans le temps sont relatives.

Seul a une valeur indépendante des conditions d'observation, seul a une

réalité absolue... ou du moins objective, ce que nous avons appelé

l'«Intervalle» des événements, synthèse des données spatiales et

chronologiques.

Mais, pour avoir quatre dimensions, l'Univers, tel que nous l'avons

discuté à propos de l'expérience de Michelson et de la relativité

spéciale qui s'y rattache, n'en était pas moins un continuum euclidien,

où la géométrie classique était vérifiée, où la lumière se propageait en

ligne droite.

Il faut déchanter, nous venons de le voir. Non seulement il est à quatre

dimensions, mais il n'est pas euclidien.

A quelle géométrie s'apparente le mieux, le plus commodément—pour

parler comme Poincaré—cet Univers? Probablement à celle de Riemann.

Lorsqu'on trace, sur une feuille de papier étalée sur la table, un petit

cercle au moyen d'un compas, le rayon de ce cercle est donné par

l'écartement des pointes du compas et ce cercle est euclidien. Mais si

on trace ce cercle sur un œuf, la pointe fixe du compas étant piquée

au sommet de l'œuf, et si le rayon est de nouveau donné par

l'écartement des pointes, le cercle tracé n'est plus euclidien. Le

rapport de la circonférence décrite au rayon ainsi défini est plus petit

que π, exactement comme il est plus petit que π lorsque

le cercle est tracé autour d'un astre massif.

Eh bien! il y a la même différence entre l'Univers réel non euclidien et

un continuum euclidien, qu'entre notre feuille de papier plane et la

surface de notre œuf, à cela près que ces surfaces ont deux

dimensions tandis que l'Univers en a quatre.

L'espace à deux dimensions peut être plat comme la feuille de papier ou

courbe comme la surface de l'œuf. On peut même, suivant qu'on laisse

à plat ou qu'on roule une feuille de papier, faire que la géométrie qui

s'applique aux figures tracées sur elle soit ou ne soit pas la

géométrie euclidienne. D'une manière tout à fait analogue, l'espace à

plus de deux dimensions peut être euclidien ou non.

En fait l'Univers, nous venons de le voir, n'est à peu près euclidien

que dans les régions du monde très éloignées de toutes masses pesantes.

Il n'est pas euclidien mais courbe au voisinage des astres et d'autant

plus qu'on en est plus près.

La géométrie de l'espace courbe, telle que l'a fondée Riemann, est donc

celle qui paraît le mieux s'appliquer à l'Univers réel. C'est elle

qu'Einstein a employée dans ses calculs.

* * * * *

Pour démontrer tout à l'heure que les rayons lumineux tombent comme

feraient des projectiles d'égale vitesse, nous sommes partis du

raisonnement que voici:

Puisque l'«Intervalle» de deux événements est le même pour deux

observateurs animés de vitesses uniformes et différentes, il est

_naturel_ de penser qu'il restera le même pour un troisième observateur

dont la vitesse passe progressivement de celle du premier à celle du

second, c'est-à-dire dont la vitesse est uniformément accélérée.

Il n'y a en effet aucune raison pour que les voyageurs d'un train animé

d'une vitesse constante de 100 kilomètres à l'heure, par exemple,

observent comme ceux d'un autre train faisant 50 kilomètres à

l'heure, quelque chose d'«invariant» dans les phénomènes, tandis que cet

«invariant» cesserait d'être tel pour les voyageurs d'un troisième train

qui passe graduellement de la vitesse du premier train à celle du

second. Admettre le contraire serait donner une situation privilégiée,

dans l'Univers, aux deux premiers ou à leurs pareils. Or s'il est un

domaine qui a eu réellement sa nuit du 4 août, un domaine où les

privilèges injustifiés ont été supprimés par la physique nouvelle, c'est

bien la contemplation du monde extérieur.

Ce privilège des observateurs en mouvement uniforme serait d'autant

moins justifié que, si on va au fond des choses, il est bien difficile

de définir exactement un mouvement uniforme.

Dire qu'un train a une vitesse uniforme de 100 kilomètres à l'heure,

qu'est-ce que cela veut dire? Cela veut dire que ce train possède cette

vitesse par rapport à la voie, par rapport au sol. Mais par rapport à un

observateur en ballon, ou qui passe dans un autre train, cette vitesse

n'a plus la même valeur et elle peut cesser d'être une vitesse uniforme.

Nous ne connaissons que des mouvements relatifs, et pour mieux dire des

mouvements relatifs à tel ou tel objet matériel. Selon le choix de cet

objet, de ce repère, une même vitesse pourra être uniforme ou accélérée.

Finalement on voit qu'il faudrait revenir à l'hypothèse de l'espace

absolu de Newton, pour pouvoir dire si une vitesse donnée est réellement

uniforme ou accélérée.

Là est la raison profonde pour laquelle l'«Intervalle» einsteinien

des choses, quantité invariable, «Invariant», doit rester le même par

rapport à tous les observateurs quelles que soient leurs vitesses, et en

particulier pour les observateurs animés de vitesses équivalentes, en un

lieu donné, aux effets de la gravitation.

Mais alors les déductions que nous avons tirées de l'expérience de

Michelson, relativement à l'aspect des phénomènes pour des observateurs

en translations uniformes différentes, ne suffisent plus à nous rendre

compte de toute la réalité. Elles ont besoin d'être complétées de sorte

que l'invariant universel, l'«Intervalle» des choses, reste tel pour un

observateur en mouvement quelconque.

Si je traverse une rue à une vitesse inouïe, mais d'un mouvement

uniforme, son aspect général, par suite de la contraction due à ma

vitesse, pourra être pour moi un peu différent de ce qu'il

m'apparaîtrait si j'étais immobile[11]. Les maisons par exemple me

paraîtront plus étroites en proportion de leur hauteur. Cependant

l'aspect et les proportions générales des objets, seront à peu près les

mêmes dans les deux cas, et auront quelque chose de commun. C'est ainsi

que les becs de gaz m'apparaîtront plus minces, mais ils seront toujours

droits.

[11] Il va sans dire qu'on suppose ici l'observateur muni d'une

rétine à impressions instantanées.

Il en sera tout autrement si l'observateur est animé de mouvements

variés quelconques, s'il est par exemple un ivrogne, un ivrogne

merveilleux capable de tituber à des vitesses prodigieuses. Pour cet

ivrogne, la rue qu'il parcourt aura un aspect tout nouveau. Les becs de

gaz ne lui paraîtront plus droits, mais gondolés en zigzags qui

reproduiront, en sens inverse, les zigzags qu'il décrit en titubant.

Cela est si vrai que les caricaturistes ont l'habitude de représenter en

lignes follement sinueuses les arbres, lampadaires et maisons vues par

un ivrogne.

Notre homme sera d'ailleurs persuadé que les objets ont bien réellement

la forme zigzagante qu'il leur voit, et que cette forme change à chacun

de ses pas. Essayez de le persuader que c'est lui qui danse et non pas

les réverbères; essayez de lui montrer que c'est lui qui ne marche pas

droit et non le chien qu'il tient... ou plutôt qui le tient en laisse.

Il n'en croira rien, et ma foi, du point de vue de la relativité

généralisée, il aura raison ni plus ni moins que vous.

Pourtant il y a quelque chose qui, dans l'aspect du monde doit rester

commun à l'ivrogne et au buveur d'eau.

Si l'Univers tout entier était soudain noyé dans une masse de gélatine

qui se prenne en gelée, et que l'on torde, comprime, déforme d'une

manière quelconque cette masse gélatineuse, il y aurait quelque chose

qui resterait pourtant inaltéré dans ce coagulum. Quel est ce quelque

chose, quel est le calcul qu'il faut lui appliquer? La réponse à ces

questions constituait la dernière étape à franchir par Einstein

pour pouvoir établir les équations de la gravitation et de la relativité

généralisée.

* * * * *

Ici c'est le génie pénétrant d'Henri Poincaré qui a réellement tracé la

voie. Il est d'autant plus nécessaire d'y insister que justice n'a pas

été rendue sur ce point à l'illustre savant français.

Einstein et l'univers: Une lueur dans le mystère des choses · 第 8 / 12 段