Comme nous le savons depuis qu’Einstein nous l’a dit 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 de façon proportionnelle 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 disait que la gravitation n’était autre qu’une force génèrée par un corps possédant une masse X. La théorie de la relativité est venue 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 y déposer une boule de billard en son centre. Le tissu se sera alors adapté au poids de la boule subissant l’effet de la gravité en adoptant une forme qui épouse sa géometrie. 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, donc bien plus lourde, la déformation causée sera d’autant plus impotante. 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. Crédits : ESA.

Bon, tout cela s’appliquait à un bout de tissu et une vulgaire nappe… Concernant le « tissu de l’espace-temps » et l’influance conséquente à la présence d’un corps céleste, ce qui se passe est en réalité bien plus complexe. 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] avec « t » l’axe représentant la dimension du temps. Une manière 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 Energie divisée par le carré de la vitesse de la lumière. Hein ? Mais nous parlons bien de 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 se 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, admetons 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. 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. Et si la nature nous confiais 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/c<sup>2</sup> 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.
  • Les poneys roses sont gentils et je comprends plus rien moi avec tout ça.
  • Aucune des réponses ci-dessus n’est  correcte.

4 Réponses

  1. Michel Boettcher

    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 !

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    • guigui

      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 …

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    • Antoine

      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

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    • durand davy

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

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