Comment expliquer simplement la théorie de la relativité ?

On me pose très souvent des questions dont la cause est une mauvaise compréhension de la théorie de la relativité. Par exemple:

Si les photons n'ont pas de masse, alors pourquoi la gravité des trous noirs agit-elle sur les rayons lumineux ?

Dans cet article, je parlerai de la théorie de la relativité dans un langage aussi simple que possible, sans formules compliquées ni absurdités excessives. Alors commençons.

L'ascenseur d'Einstein

Tout a commencé avec Einstein. Il était assis là-bas en Suisse, travaillant comme commis à l'office des brevets. Il avait beaucoup de temps libre (combien il y a de brevets en Suisse) et il a utilisé ce temps pour réfléchir à la nature de la lumière et a proposé l'expérience mentale suivante :

Supposons qu'un homme se trouve à l'intérieur d'un ascenseur verrouillé, debout sur le sol. S'il lance, par exemple, une pomme, elle tombera avec une accélération égale à g. Et si quelque part dans l'espace il y avait une autre exactement la même cabine d'ascenseur, mais qu'elle se déplaçait avec une accélération égale à g ? Existe-t-il un moyen de déterminer expérimentalement dans laquelle des deux cabines d'ascenseur nous nous trouvons ? Il s'est avéré qu'il n'y a aucun moyen de distinguer la première situation de la seconde. Tous les processus physiques se dérouleront exactement de la même manière dans les deux cabines. De là, Einstein a conclu qu'il n'y a pas de différence entre la gravité et l'accélération.

Il semblerait que et alors? Mais Einstein ne serait pas Einstein s'il n'allait pas plus loin. Supposons que nous soyons dans un ascenseur se déplaçant avec accélération et braquons une lampe de poche d'un mur à l'autre. La lumière se propage en ligne droite, mais puisque l'ascenseur se déplace, tandis que la lumière va d'un mur à l'autre de l'ascenseur, l'ascenseur parcourt également une certaine distance. Sur le mur opposé, la lumière frappera juste en dessous du point d'où elle est venue. Du point de vue de l'observateur dans l'ascenseur, la lumière se déplacera en parabole ! Mais cela s'explique par le fait que l'ascenseur bouge.

Jusqu'ici, tout est évident. Mais que se passe-t-il si nous braquons une lampe de poche dans un ascenseur debout sur la Terre ? Et puis Einstein a suggéré une idée ingénieuse : puisqu'il n'y a pas de différence entre la gravité et l'accélération, alors dans un ascenseur posé au sol, la lumière se déplacera également le long d'une parabole ! La gravité dévie la trajectoire de la lumière !

Comment la gravité peut-elle affecter la lumière ? Après tout, tout le monde sait que les photons n'ont pas de masse, alors comment la gravité peut-elle agir sur eux ? N'importe quel autre chercheur aurait dit : « Quel non-sens » et aurait recommencé. Mais ces petites choses n'ont jamais arrêté Einstein. Il a pensé, d'accord, laissez la lumière voyager en ligne droite, mais cet espace lui-même est courbe.

Pour les physiciens de l'époque, cela n'avait peut-être pas l'air d'un non-sens complet, mais c'en était proche. En fin de compte, Einstein a passé une douzaine d'années à développer une base mathématique pour sa théorie. Et il l'a fait.

Lorsqu'ils ont commencé à calculer différentes choses avec la nouvelle théorie, il s'est avéré que les résultats des calculs étaient en bien meilleur accord avec les observations. La théorie de la relativité a donné une explication au déplacement du périhélie de l'orbite de Mercure, qui n'avait aucune explication dans la théorie de la gravitation de Newton. Puis, lors d'une éclipse solaire en 1919, il a également été possible de détecter la courbure de la lumière des étoiles prédite par la théorie de la relativité lors du passage près du Soleil, qui n'est généralement pas visible lorsque le Soleil n'est pas obscurci.

Nous avons donc dû accepter la théorie de la relativité. Depuis lors, de nombreuses expériences ont été réalisées et elles ont toutes montré un excellent accord avec la théorie de la relativité.

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