Si tous les corps de l'Univers venaient à se dilater simultanément et

dans la même proportion, nous n'aurions aucun moyen de le savoir. Nos

instruments et nous-mêmes étant dilatés pareillement, nous ne nous

apercevrions pas de ce formidable événement historique et cosmique, qui

ne nous arracherait pas même un instant à nos petites contingences

ridicules.

Il y a plus: non seulement les mondes seront indiscernables s'il se

modifient de sorte que soit changée l'échelle des longueurs et des

temps; mais ils seront encore indiscernables si, à chaque point de l'un,

correspond un point et un seul de l'autre et si, à chaque objet, à

chaque événement du premier monde, en correspond un de même nature placé

précisément au point correspondant du second. Or, les déformations

successives et quelconques que l'on fait subir à la masse gélatineuse où

nous avons incorporé plus haut et métaphoriquement l'Univers tout

entier, nous fournissent précisément des mondes indiscernables à ce

point de vue. Poincaré a la gloire d'avoir attiré l'attention là-dessus

et montré que la relativité des choses doit être entendue dans ce sens

très large.

Le continuum amorphe et déformable, où nous plaçons l'Univers, possède

un certain nombre de propriétés exemptes de toute idée de mesure.

L'étude de ces propriétés fait l'objet d'une géométrie particulière,

d'une géométrie qualitative. Les théorèmes de cette géométrie ont ceci

de singulier, qu'ils resteraient vrais même si les figures étaient

copiées par un dessinateur malhabile qui altérerait grossièrement toutes

les proportions et qui remplacerait les droites par des lignes

irrégulières et sinueuses.

Telle est la géométrie que, suivant l'indication géniale de Poincaré, il

sied d'appliquer à ce continuum à quatre dimensions et plus ou moins

euclidien, selon ses points, qu'est l'Univers einsteinien. Cette

géométrie est précisément celle qui énonce ce qu'il y a de commun entre

les formes particulières des objets vues par notre ivrogne et notre

buveur d'eau de tout à l'heure.

C'est dans cette voie, ou plutôt dans une voie parallèle à celle-là,

qu'Einstein a finalement obtenu le succès. L'Univers étant un continuum

plus ou moins incurvé, il a eu l'idée de lui appliquer la géométrie que

Gauss a créée pour l'étude des surfaces à courbure variable et que

Riemann a généralisée. C'est au moyen de cette géométrie particulière

qu'on a exprimé le fait que l'«Intervalle» des événements est un

invariant.

Voici maintenant une image qui, je pense, va nous guider au cœur

même du problème de la gravitation et jusqu'à sa solution.

* * * * *

Considérons une surface à courbure variable, par exemple, la surface

d'un coin de la France avec ses collines, ses montagnes, ses

vallonnements. En parcourant ce pays en tous sens, nous pourrons aller

en ligne droite tant que nous sommes en plaine. La ligne droite en

plaine unie a ceci de remarquable qu'elle est le chemin le plus court

entre deux points. Elle a aussi ceci de particulier qu'elle est, entre

ces deux points, seule de son espèce et ayant sa longueur, tandis que

l'on peut tracer un très grand nombre de lignes non droites réunissant

aussi ces deux points, plus longue que la ligne droite mais toutes

d'égale longueur.

Mais nous voici arrivés dans la région des collines. Il nous est

maintenant impossible pour passer d'un point à un autre, séparés par une

colline, de marcher suivant une ligne droite. Comme que nous fassions,

notre trajet sera courbe. Mais parmi les divers chemins possibles qui

nous mènent d'un point à l'autre par dessus la colline, il en est un, et

un seul en général, qui est plus court que tous les autres, ainsi que

nous pouvons le constater avec un cordeau. Ce chemin le plus court, seul

de son espèce, est ce qu'on appelle la _géodésique_ de la surface

traversée.

Pareillement, pour aller de Lisbonne à New-York, aucun navire ne

peut marcher en ligne droite. Tous doivent faire un trajet incurvé, à

cause de la rotondité terrestre. Mais parmi les trajets incurvés

possibles, il en est un privilégié, plus court que tous les autres,

c'est celui qui suit la direction d'un grand cercle de la Terre. Pour

aller de Lisbonne à New-York, qui sont pourtant à peu près sur le même

parallèle, les vaisseaux se gardent bien de cingler droit vers l'Ouest

dans la direction des parallèles. Ils cinglent un peu vers le

Nord-Ouest, de façon à arriver à New-York en venant du Nord-Est, et à

suivre à peu près un grand cercle terrestre. Sur notre globe, comme sur

toutes les sphères, la _géodésique_, le plus court chemin entre deux

points, est l'arc de grand cercle passant par ces deux points.

Ainsi sur toutes les surfaces courbes, on peut, d'un point à un autre,

tracer une ligne privilégiée de longueur minima, une géodésique qui est,

sur ces surfaces, l'analogue de la ligne droite dans le plan.

Eh! bien l'«Intervalle» de deux points dans l'Univers à quatre

dimensions (à un signe algébrique près) représente exactement la

géodésique, la ligne de trajet minimum tracée dans l'Univers entre ces

deux points. Là où l'Univers est incurvé, cette géodésique est une ligne

courbe. Là où l'Univers est à peu près euclidien, elle est une ligne

droite.

On me dira à ce propos qu'il est bien difficile de se représenter comme

incurvé un espace à trois, et _a fortiori_ à quatre dimensions. J'en

conviens. Nous avons vu qu'il est déjà assez difficile de se

représenter l'espace à quatre dimensions même s'il n'est pas incurvé.

Qu'est-ce que cela prouve? Il y a dans la nature bien d'autres choses

que nous ne pouvons pas nous représenter, c'est-à-dire dont nous ne

pouvons pas nous former une image visuelle. Les ondes hertziennes, les

rayons X, les ondes ultra-violettes en existent-elles moins parce que

nous ne pouvons pas nous les figurer, ou que du moins nous ne le pouvons

qu'en leur attribuant une forme visible qui précisément leur manque.

Certes, c'est une des faiblesses de l'infirmité humaine que de ne rien

concevoir que ce qui est imagé. De là cette tendance qui nous porte à

tout _visualiser_ (si j'ose risquer ici ce mot inélégant, mais

expressif).

Revenons donc à nos géodésiques. Celles-ci nous pouvons très bien nous

les représenter, car elles sont dans l'Univers, en dépit de ses quatre

dimensions, des lignes à une seule dimension pareilles à toutes les

lignes que nous connaissons.

* * * * *

L'existence des géodésiques, des lignes de plus courte distance, va nous

dévoiler avec éclat la liaison qui, dans le monde euclidien de la

science classique, n'était pas apparue, entre l'inertie et la pesanteur.

De là était né le _distinguo_ newtonien entre le principe d'inertie et

la force gravitante.

Pour nous relativistes, ce _distinguo_ n'est maintenant plus

nécessaire. Les masses matérielles, comme la lumière, se propagent en

ligne droite loin de tout champ de gravitation, et en ligne courbe près

des masses gravitantes. Par raison de symétrie, un point matériel libre

ne peut suivre dans l'Univers qu'une géodésique.

Si alors on considère que la force gravitante invoquée par Newton

n'existe pas—et une telle action à distance est bien hypothétique,—si

on considère que dans l'espace vide il n'y a que des objets librement

abandonnés à eux-mêmes, on est irrésistiblement amené à l'énoncé suivant

qui réunit sous une forme simple ces sœurs autrefois séparées,

l'inertie et la pesanteur. _Tout mobile abandonné librement à lui-même

décrit dans l'Univers une géodésique._

Loin des astres massifs, cette géodésique est une ligne droite parce que

l'Univers y est à peu près euclidien. Près des astres elle est une ligne

courbe, parce que l'Univers n'y est plus euclidien.

Admirable conception et qui réunit sous une seule règle le principe

d'inertie et la loi de la pesanteur! Synthèse éclatante de la mécanique

et de la gravitation, par quoi disparaît la sécession qui naguère en

faisait des sciences séparées et incommunicantes!

Dans cette théorie hardie et simple, la gravitation n'est plus une

force. Si les planètes décrivent des courbes c'est parce que, près du

Soleil, comme près de toute concentration de matière, l'Univers est

incurvé. Le plus court chemin d'un point à un autre est une ligne qui ne

nous paraît droite, pauvres pygmées que nous sommes, que parce que

nous la mesurons avec des règles très petites et sur de faibles

longueurs. Si nous pouvions suivre cette ligne sur des millions de

kilomètres et pendant un temps suffisant, nous la trouverions infléchie.

En somme, et si on veut me permettre une image qui n'est qu'une

analogie, les planètes décrivent des courbes parce qu'elles avancent

suivant le chemin le plus facile dans un univers incurvé, de même qu'au

vélodrome les cyclistes arrivant au virage n'ont pas besoin de tourner

leur guidon, mais n'ont qu'à pédaler droit devant eux, la pente incurvée

les obligeant à tourner naturellement. Au vélodrome, comme dans le

système solaire, la courbure est d'autant plus marquée qu'on est plus

près du bord interne de la piste.

Maintenant il ne reste plus qu'à assigner à l'Univers, à l'espace-temps,

une courbure telle, en ses divers points, que les géodésiques

représentent exactement les trajectoires des planètes et des corps qui

tombent, en admettant que la courbure de l'Univers est causée en chaque

point par les masses matérielles présentes ou voisines.

Dans ce calcul, il faut tenir compte aussi de ce que l'«Intervalle»,

c'est-à-dire la portion de géodésique entre deux points très voisins,

doit être un invariant quelque soit l'observateur. Il arrivera donc que,

pour l'ivrogne titubant que nous avons déjà invoqué, une même géodésique

sera une ligne courbe ou même sinueuse alors qu'elle est une ligne

droite pour un observateur immobile. La longueur de cette ligne, qu'on

la voie droite ou courbe, reste la même.

Tenu compte de tout cela, et grâce à des prodiges d'habileté

mathématique dont nous avons suffisamment indiqué l'objet, Einstein

arrive à exprimer sous une forme complètement invariante, la loi de

gravitation.

En calculant par la loi de Newton l'«Intervalle» de deux événements

astronomiques, par exemple de deux chutes successives de bolides sur le

Soleil, on trouverait que cet «Intervalle» n'a pas exactement la même

valeur pour des observateurs animés de vitesse différentes et

quelconques.

Avec la forme nouvelle donnée par Einstein à la loi, cette différence

n'existe plus. Les deux lois sont d'ailleurs très peu différentes, et il

fallait s'y attendre étant donnée l'exactitude avec laquelle depuis deux

siècles la loi de Newton a été vérifiée par les astronomes. Le

perfectionnement apporté par Einstein à la loi de Newton revient en

somme (si nous voulons employer le vieux langage de l'Univers

euclidien), à considérer celle-ci comme exacte, sous la condition que

les distances des planètes au Soleil soient mesurées avec un mètre dont

la longueur diminue légèrement en se rapprochant du Soleil.

* * * * *

Il est étonnant que Newton et Einstein arrivent à exprimer sous une

forme _à peu près_ identique les mouvements des astres gravitants, car

leurs points de départs sont extrêmement différents.

Newton part de l'hypothèse de l'espace absolu, des lois

expérimentales du mouvement des planètes exprimées dans les lois de

Képler, et de l'assimilation de l'attraction gravitationnelle à une

force proportionnelle à la masse. Einstein au contraire fait ses calculs

en partant des conditions d'invariance que nous avons indiquées. Il

procède en quelque sorte du postulat philosophique, du principe, du

besoin d'affirmer que les lois de la nature sont invariantes,

indépendantes du point de vue, irrélatives, si j'ose dire. Einstein

abandonne même l'hypothèse qui attribuait la courbure des trajectoires

gravitationnelles à une force attractive distincte.

Pourtant, parti de ce point de vue totalement différent du point de vue

newtonien, et au premier abord moins surchargé d'hypothèses, Einstein

arrive à une loi de gravitation qui est _presque_ identique à la loi de

Newton.

Ce _presque_ a un prodigieux intérêt, car il va nous permettre de

vérifier quelle est la loi exacte: celle de Newton ou celle d'Einstein.

Si elles conduisent au même résultat tant qu'il s'agit de vitesses

faibles relativement à celle de la lumière, les deux lois donnent des

résultats un peu divergents lorsqu'il s'agit de vitesses très grandes.

Nous avons vu déjà que la lumière elle-même subit, près du Soleil, une

déviation exactement conforme à la loi d'Einstein, et que la loi de

Newton au contraire ne prévoyait pas telle.

Mais il y a une autre divergence entre les deux lois. D'après celle de

Newton, les planètes décrivent autour du Soleil des ellipses

qui—si on néglige les petites perturbations dues aux autres

planètes—ont une position rigoureusement fixe.

Posons sur une table une tranche de citron coupée dans la longueur du

fruit et imaginons que sur la voûte de la vaste salle hémisphérique au

milieu de laquelle nous supposons cette table, soient peintes les

principales étoiles, les constellations boréales. Notre tranche de

citron possède à peu près la forme d'une ellipse, et si nous assimilons

le Soleil à un des pépins, elle peut figurer ainsi l'orbite d'une

planète dans l'Univers stellaire. La loi de Newton dit que—toutes

corrections faites—l'orbite planétaire garde une orientation fixe parmi

les étoiles, durant que la planète en parcourt indéfiniment le tour.

Cela veut dire que notre tranche de citron reste immobile.

Au contraire, la loi d'Einstein affirme que l'ellipse orbitale tourne

avec beaucoup de lenteur parmi les étoiles tandis que la planète la

parcourt. Cela veut dire que notre tranche de citron doit tourner

légèrement sur la table de manière que les deux sommets du citron ne

restent pas en face des mêmes étoiles peintes sur le mur.

Si on calcule, par la loi d'Einstein, la quantité dont doivent tourner

ainsi les orbites elliptiques des planètes on trouve que cette quantité

est inobservable à cause de sa petitesse, sauf pourtant pour une

planète, la plus rapide de toutes, Mercure.

Mercure accomplit une révolution complète autour du Soleil en 88

jours environ, et la loi d'Einstein montre que son orbite doit tourner

en même temps d'un petit angle qui au bout d'un siècle monte à 43

secondes d'arc (43"). Si petite qu'elle soit, cette quantité est de

celles que les astronomes avec leurs méthodes raffinées mesurent

facilement.

Précisément, dès le siècle passé on avait remarqué que, seule de toutes

les planètes, Mercure présentait dans son mouvement une petite anomalie

inexplicable par la loi de Newton. Le Verrier fit à ce sujet des calculs

prodigieux, pensant que cette anomalie pouvait être due à l'attraction

d'un astre ignoré, situé entre Mercure et le Soleil. Il espérait ainsi

découvrir par le calcul une planète intra-mercurielle de même qu'il

avait découvert la planète transuranienne: Neptune.

Mais jamais l'observation ne révéla la planète annoncée et l'anomalie du

mouvement de Mercure continua à faire le désespoir des astronomes. Or en

quoi consistait cette anomalie? Précisément en une rotation anormale de

l'orbite planétaire, rotation qui, d'après les calculs de Le Verrier,

est de 43 secondes d'arc par siècle. Exactement le chiffre qu'on déduit,

sans aucune hypothèse, de la loi de gravitation d'Einstein!

Il est vrai que d'après les calculs récents de Grossmann, il résulte des

observations astronomiques réunies par Newcomb que la valeur

effectivement constatée du déplacement séculaire du périhélie de Mercure

est, non pas de 43" comme le croyait Le Verrier, mais de 38" tout au

plus. L'accord avec le chiffre théorique d'Einstein pour n'être

plus parfait (ce qui était bien extraordinaire) n'en est pas moins

excellent, et en deçà des incertitudes de l'observation.

La loi d'Einstein a la même exactitude que celle de Newton tant qu'il

s'agit de planètes lentes. Mais pour les astres plus rapides dont

l'observation permet de connaître le mouvement avec une précision

supérieure, la loi de Newton est en défaut, celle d'Einstein triomphe

encore.

* * * * *

Ce perfectionnement de ce qu'on croyait parfait—l'œuvre de

Newton—est une belle victoire de l'esprit humain.

L'astronomie, la mécanique céleste y gagnent une précision et une

puissance prophétique accrues. Sur les ailes triomphales du calcul, nous

savons maintenant mieux que naguère suivre et précéder les orbes d'or

des astres, par delà les siècles et dans l'espace démesuré.

Il existe encore un autre criterium de la loi gravitationnelle

d'Einstein. Si celle-ci est exacte, la durée d'un phénomène donné

augmente, selon Einstein, quand le champ de gravitation devient plus

intense. Par conséquent, la durée de vibration d'un atome donné doit

être plus grande sur le Soleil que sur la Terre. Les longueurs d'onde

des raies spectrales d'un même élément chimique doivent être un peu plus

grandes dans la lumière solaire, que dans une lumière d'origine

terrestre. C'est ce que des expériences récentes tendent à établir.

Mais ici la vérification est moins nette que dans le cas de Mercure, car

d'autres causes peuvent intervenir pour modifier les longueurs d'onde de

la lumière.

Au total, la puissante synthèse qu'Einstein a appelée la théorie de la

Relativité généralisée, et dont nous venons d'embrasser très vite les

grandes lignes, est vraiment une haute et belle construction mentale en

même temps qu'un splendide outil à explorer le mystère des choses.

Savoir, c'est prévoir. Elle prévoit cette théorie, et mieux que ses

aînées. Elle joint pour la première fois en un faisceau unique la

gravitation et la mécanique. Elle montre comment la matière impose au

monde extérieur une courbure dont la gravitation n'est que l'indice, de

même que les algues qu'on voit flotter sur la mer ne sont que les signes

du courant qui les entraîne.

Quelques modifications qu'elle puisse subir dans l'avenir—car tout dans

la science reste à jamais perfectible—elle a manifesté, parmi les lois

de la nature, un peu plus de cette harmonie qui naît de l'Unité.

Mais j'en ai dit assez là-dessus, si j'ai pu faire comprendre, ou plutôt

faire sentir ces choses, sans m'aider de cette pure lumière que la

Géométrie projette sur l'invisible.

[Cul-de-lampe]

CHAPITRE SEPTIÈME

L'UNIVERS EST-IL INFINI?

_Kant et le nombre des astres || Étoiles éteintes et nébuleuses

obscures || Extension et aspect de l'Univers astronomique ||

Diverses sortes d'Univers || Le calcul de Poincaré || Définition

physique de l'Infini || L'Infini et l'Illimité || Stabilité et

courbure de l'espace-temps cosmique || Étoiles réelles et étoiles

virtuelles || Diamètre de l'Univers einsteinien || L'hypothèse des

bulles d'éther._

L'univers est-il infini? C'est une question que les hommes se sont

toujours posée... sans peut-être en préciser le sens avec exactitude. La

théorie de la Relativité généralisée permet de l'aborder sous un angle

nouveau et fort subtil.

Kant—ce grognon génial qui trouvait horriblement monotone de voir tous

les ans briller le même soleil et fleurir le même printemps—se fondait

sur des considérations métaphysiques pour soutenir que l'espace est

infini et partout semé d'astres semblables.

Il est peut-être plus prudent de n'examiner ce problème qu'à l'aide des

données récentes de l'observation, en fermant soigneusement l'huis de

notre discussion sur cette brouilleuse de cartes qu'est la

métaphysique. Aussi bien celle-ci nous obligerait à définir l'espace

pur, à convenir que nous n'en savons rien et à douter même s'il existe.

La preuve que nous n'en connaissons pas grand'chose est que les

newtoniens y croient tandis que les einsteiniens ne le conçoivent que

comme un attribut inséparable des objets. Ils définissent l'espace par

la matière; il leur faut alors définir celle-ci. Descartes au contraire

définissait la matière par l'étendue, c'est-à-dire par l'espace. Cercle

vicieux. Le mieux est donc de laisser nettement en dehors de notre

exposé les raisonnements métaphysiques de Kant et de nous river

éperdûment à l'expérience, à ce qui est mesurable.

Pour simplifier, nous admettrons la réalité de ce continuum où baignent

les astres, que parcourent les radiations et que le sens commun appelle

l'espace. S'il y avait partout et indéfiniment des étoiles et si le

nombre de celles-ci était infini, il y aurait à la fois de l'espace et

de la matière partout. Les newtoniens en pourraient triompher comme les

einsteiniens, ceux qui croient à l'espace absolu comme ceux qui le

nient, les «absolutistes» comme les «relativistes.»

Quel bonheur si les observations astronomiques montraient que le nombre

des étoiles est en effet infini, et que par conséquent les tenants des

deux opinions contraires peuvent également chanter victoire dans leurs

communiqués! Mais que montrent les observations astronomiques?

Certains ont nié _a priori_ que le nombre des étoiles pût être

infini. Le nombre des étoiles, disaient-ils, pourrait être augmenté; il

n'est donc pas infini puisqu'on ne peut rien ajouter à l'infini. Ce

raisonnement est spécieux, mais faux, bien que Voltaire s'y soit laissé

prendre. Point n'est besoin d'être grand clerc ès mathématiques pour

savoir qu'on peut toujours ajouter à un nombre infini et qu'il existe

des quantités infinies qui sont elles-mêmes infiniment petites par

rapport à d'autres.

Venons-en donc aux faits.

Si l'Univers des étoiles est sans fin, il n'y a pas une seule ligne

visuelle menée de la Terre vers le ciel qui ne doive rencontrer un de

ces astres. L'astronome Olbers a remarqué que le ciel nocturne serait

alors tout entier d'un éclat comparable à celui du Soleil. Or l'éclat

total de toutes les étoiles réunies n'est guère que 3 000 fois celui

d'une étoile de première grandeur, c'est-à-dire trente millions de fois

plus petit que celui du Soleil.

Mais cela ne prouve rien, car le raisonnement d'Olbers est faux pour

deux raisons. D'une part, il y a nécessairement dans le ciel beaucoup

d'étoiles éteintes ou obscures. Nous en connaissons qui sont fort bien

étudiées et même pesées, et qui manifestent leur existence en venant

périodiquement éclipser les étoiles voisines autour desquelles elles

tournent. D'autre part, on a découvert depuis peu que l'espace céleste

est occupé sur de larges étendues par des masses gazeuses obscures et

des nuages de poussière cosmique qui absorbent la lumière des astres

situés au delà. On voit bien que l'existence d'un nombre infini

d'étoiles est parfaitement compatible avec la faible clarté du ciel

nocturne.

* * * * *

Et maintenant, si nous ajustons nos besicles... nos télescopes, veux-je

dire, et si nous passons du domaine du possible à celui du réel, les

observations astronomiques récentes nous fournissent un certain nombre

de faits fort remarquables, et qui conduisent irrésistiblement aux

conclusions suivantes.

Le nombre des étoiles n'est pas, comme on l'a cru longtemps, limité par

la seule puissance des lunettes. Lorsqu'on s'éloigne du Soleil le nombre

des étoiles contenues dans l'unité de volume, la fréquence des étoiles,

la densité de la population stellaire, si j'ose dire, ne restent pas

uniformes, mais diminuent à mesure qu'on approche des confins de la Voie

Lactée.

Celle-ci est un gigantesque archipel d'astres et notre Soleil paraît

situé dans sa région centrale. Cet amas, cette fourmilière d'étoiles

dont nous faisons partie a grossièrement la forme d'un boîtier de montre

dont l'épaisseur serait à peu près la moitié de sa largeur. La lumière

qui va en une seconde de la Terre à la Lune, en huit minutes de la Terre

au Soleil, en trois ans de la Terre à l'étoile la plus proche, la

lumière a besoin d'au moins 30 000 ans, 300 siècles, pour parcourir la

Voie Lactée.

Celle-ci contient un nombre d'étoiles compris entre 500 et 1 500

millions. C'est un très petit nombre, au plus égal à celui des êtres

humains sur la Terre, et beaucoup plus petit que celui des molécules de

fer que renferme une tête d'épingle.

En outre on a découvert des amas très serrés d'étoiles, comme la Nuée de

Magellan, l'Amas d'Hercule et divers autres qui ne paraissent guère

dépasser les confins de notre Voie Lactée, et sont comme ses faubourgs.

Ces faubourgs semblent d'ailleurs s'étendre très loin et surtout d'un

côté de la Voie Lactée, et le plus éloigné n'est peut-être pas à moins

de 200 000 années de lumière de nous.

Einstein et l'univers: Une lueur dans le mystère des choses · 第 9 / 12 段