L’espace-temps, courbé par la masse ou par l’énergie ?

mesure courbure espace-temps
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Comme nous le savons depuis qu’Einstein nous l’a décrit par le biais de la théorie de la relativité générale, l’espace, ou plus précisément l’espace-temps, se courbe en présence d’un corps de masse importante. En d’autres termes, celui-ci se courberait en présence d’une planète, d’une étoile ou tout autre corps, et ce proportionnellement à sa masse.

Cette théorie fut une véritable révolution puisqu’elle vint remplacer pour ce genre d’applications la théorie de la gravité universelle de Newton, qui postule que la gravitation n’est autre qu’une force générée par un corps possédant une masse X. Or, la théorie de la relativité vient nous dire qu’il ne s’agit pas d’une force, mais d’une déformation du tissu de l’espace-temps.

Pour le comprendre, il vous suffit soit de regarder l’image ci-dessous, soit de vous imaginer la chose suivante : admettons que vous possédiez une nappe au tissu légèrement élastique. Tout en maintenant la nappe tendue bout à bout, vous viendriez déposer une boule de billard en son centre. Le tissu s’adapterait alors au poids de la boule subissant l’effet de la gravité en adoptant une forme qui épouse sa géométrie.

Une invitation à rêver, prête à être portée.

Cette déformation est donc proportionnelle à la masse de notre boule de billard. Si vous imaginez maintenant une autre boule, cette fois entièrement composée de plomb (et donc bien plus lourde), la déformation résultante sera d’autant plus importante. Autrement dit, la déformation du tissu est proportionnelle à la masse du corps la provoquant.

courbure espace temps masse relativité
Illustration de la courbure de l’espace-temps en proportion à la masse et la densité des astres. © ESA

Bon, tout cela s’appliquait à un bout de tissu et une vulgaire nappe… Concernant le « tissu de l’espace-temps » et l’influence conséquente à la présence d’un corps céleste, les mécanismes en jeu sont en réalité bien plus complexes. Premièrement, la déformation d’un tel espace ne se produit pas de manière tridimensionnelle comme cela est le cas pour notre expérience. Ici, nous parlons de conséquences en 4 dimensions, soit : les axes d’un référentiel espace-temps [x,y,z,t], « t » étant l’axe représentant la dimension du temps.

Une façon de schématiser un espace relativiste est la représentation de Minkowski (espace de Minkowski). Deuxièmement, la « déformation » n’est pas directement due à la masse tirée vers le bas en raison de la gravité, puisque c’est cet objet même qui génère la force gravitationnelle. Autrement dit, selon Einstein, la déformation de l’espace-temps dépend de l’énergie contenue dans le corps concerné, plus précisément, à son énergie divisée par le carré de la vitesse de la lumière. Serions-nous en train de décrire E/c2 ? Tiens donc, cela ressemble étrangement à E=mc2 !

Mais, est-ce que cette déformation de l’espace-temps est due à l’influence d’une masse céleste, avec tous les phénomènes physiques qu’elle génère ? Ou alors, est-elle due à l’énergie concentrée en ce seul et même endroit ? Autrement dit, bien que nous connaissions l’équivalence relativiste mathématique entre énergie et matière, d’un point de vue fondamental, ce sont deux choses bien différentes.

Pour vous imager un tel questionnement : si nous parvenions à extraire toute l’énergie d’un trou noir par exemple, en l’isolant de sa masse (bien que cela paraisse absurde) afin de la placer quelque part d’autre au sein de l’espace, l’espace-temps en serait-il toujours courbé ? La théorie de la relativité nous dit d’office que cela est absurde puisque selon la formule, qui s’applique uniquement à des particules au repos, toute énergie de masse nulle ne peut par conséquent pas être au repos. Le photon par exemple, dit de masse nulle, possède une énergie, mais également une vitesse constante, celle de la lumière « c », soit environ 300’000 km/s.

Très bien, vu comme cela, admettons que l’énergie sans masse que nous venons de déposer dans l’espace soit en mouvement, mais dans un mouvement circulaire et sans dispersion d’énergie. Que se passerait-il alors ? L’espace-temps en serait-il déformé, ne serait-ce que l’espace d’un instant avant la dispersion de cette énergie ? Cette expérience de pensée peut paraître absurde étant donné qu’elle n’entre plus dans le cadre de la relativité générale et que c’est elle qui prédit justement la déformation de l’espace-temps par la présence d’un corps possédant une certaine masse. Mais il s’agit d’une réflexion intéressante qui chatouille peut-être les limites de cette théorie…

Une telle expérience, en appliquant une logique relativiste et mathématique, ne donnerait donc pas lieu à la déformation de l’espace-temps. De plus, une telle expérience nous est impossible à concevoir, car nous ne saurions comment y parvenir. Mais, si la nature nous confiait ses pouvoirs, juste le temps de tenter l’expérience, que se passerait-il ? À méditer…

Voici maintenant une petite question pour vous :

Étant donné que selon Einstein, une masse, au repos, peut être exprimée par E/c2 et que nous savons que la déformation de l’espace-temps dépend de la masse, laquelle/lesquelles de ces affirmations est/sont correcte(s) ?

  • La déformation de l’espace-temps dépend de la masse.
  • La déformation de l’espace-temps dépend de l’énergie.
  • Les deux affirmations ci-dessus sont justes puisqu’en raisonnement relativiste, masse = énergie / (vitesse de la lumière)2.
  • Les poneys roses sont gentils et je ne comprends plus rien moi avec tout ça.
  • Aucune des réponses ci-dessus n’est correcte.

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  1. Bonjour, je n’ai pas de connaissances dans ce sujet, mais je m’y intéresse. Cela dit, ne peut on pas faire une expérience de l’esprit avec l’appuis de corps célestes qui existent vraiment ? Par exemple, une étoile a une masse et une énergie. Lorsqu’elle se trouve entouré de gaz, de poussières : ne peut on pas observer visualiser la déformation de l’espace temps sur ces corps célestes et autour de ceux ci ? Et si l’on observe rien, que peut on en conclure ? Et avec les horloges atomiques, peut on croire que l’atome lui même n’est pas dépendant de la force gravitationnelle de la Terre, et par conséquent, plus on éloignerait l’horloge de la Terre et plus l’atome de l’horloge atomique s’accélèrerait. Mais dans l’espace : le temps serait partout le même, ce ne serait que les atomes qui constituent l’élément de mesure e l’horloge qui seraient soumis à la force gravitationnelle. Les gens vieilliraient plus vite, non pas parce que le temps s’accélèrerait, mais parce que les atomes qui les constituent n’auraient plus la contrainte de la gravité terrestre. Bon, c’est une idée… Merci, et bonne journée à vous !

    1. la gravité est partout, il n’y a pas un point de l’univers sans gravité, d’ailleurs ce que vous dites est tout a fait juste, si on met une horloge atomique en orbite, elle avancera plus vite que la meme restée au sol, c’est d’ailleurs pour cela que les gps doivent etre recalés souvent …
      l’explication c’est que la gravité ralentit le temps lui même … tout ceci parce que la vitesse de la lumière est fixe …

    2. Dans l’espace le temps y est plus lent, (j’ai vus dans un documentaire) pour moi l’explication logique de ce phénomène est du à l’attractivité d’une planète sur les électron qui composent un atome. Ces électrons gravitent autre du noyau, mais l’attraction de l’attraction de la planète doit influer sur la vitesse de déplacement des électrons (puisque les électrons ont des masses non nul). Donc les électrons se retrouve accélérer lorsqu’ils sont proches d’une planete, ce qui explique que l’horloge atomique indique un temps plus rapide sur Terre que dans l’espace . Antoine.P

    3. j’adore le concept c’est une idée plutôt révolutionnaire que je trouve très cohérente ! Grand amateur de physique et d’astronomie durand davy.

    4. Bonjour,
      Je vous remercie pour vos articles. Voici ma question :
      L’univers en expansion
      Pourquoi est-il tjrs en expansion, alors que les masses dans l’espace-temps sont tjrs les mêmes depuis le début de l’univers ?
      Merci ☺️

  2. Le temps passe de la même manière partout. Peut importe sa position ou sa vitesse. SI je vais dans un vaisseau qui va a une vitesse proche de la vitesse de la lumière et que je lit un livre, si il me faut une heure sur terre pour le lire, il me faudra également une heure pour le lire dans mon vaisseau spatial. En revanche a mon retour ma montre se sera désynchronisée de celle d’une personne restée sur terre et cela car j’aurais voyagé dans un espace temps déformé par ma vitesse. Cette subtilité est importante car a vous lire on a l’impression que le temps ralentit c’est faux ! Je vous invite a écouter les conférences d’Etienne Klein sur le sujet qui explique très bien toutes ces subtilités assez complexe a comprendre.

    1. @ Edouard,

       » Le temps passe de la même manière partout. Peut importe sa position ou sa vitesse.  »
      C’est vrai et c’est faux. C’est vrai pour une personne peut-importe où elle se trouve dans l’univers peut-importe à quelle vitesse il se déplace. 1 seconde serra pour lui toujours une seconde. Et de l’autre vous avez faux. Pour un observateur le temps ne s’écoule pas à la même vitesse en observant une personne se déplacer peut-importe sa vitesse ou en l’observant par exemple à proximité d’un trou noir. Et l’inverse est pareil pour l’autre personne qui verra le temps de l’observateur s’accélérer. Bref nous avons toutes notre propre horloge du temps puisque nous nous déplaçons tous à de différentes vitesses par rapport à tout observateur.

  3. ►Et si la masse ne modifiait pas l’espace mais uniquement le temps?

    Le temps passant de plus en plus rapidement au fur et à mesure qu’on s’éloigne d’une planète, un satellite pourrait être plus ralenti près de la planète que loin de la planète et par conséquent provoquer sa rotation?

    Si c’est le cas un satellite parfaitement sphérique
    et ayant une « rotation autour de son axe » nulle
    devrait il se mettre à tourner dans le sens de sa « rotation autour de la planète »?

    Le temps pourrait émerger de la masse?

  4. J’aime vos débats mais j’ai davantage envie de répondre à la question de l’auteur de l’article que je trouve d’une grande qualité. Si on considère que l’énergie est un forme potentielle de la masse mais qu’à l’instant T où on se pose la question on considère que la « matière » en question est « exprimée » sous la forme de masse, alors oui, elle déforme l’espace-temps. Ce qu’elle ne ferait pas sois sa forme énergétique. Donc, de ce que je comprends, la bonne réponse est la première.

  5. Et si nous imaginions l’inverse, à savoir que l’espace temps, soumis par une cause que nous ignorons pour le moment, devient matière , en se plissant fortement ?

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