Einstein et la théorie de la relativité

Einstein (1879-1955), un physicien allemand, est l'un des acteurs majeurs de l'histoire de la physique. Au début du XXème siècle, il a jeté les bases nouvelles de l'explication du monde physique, laquelle a succédé à l'explication newtonienne du monde

La physique avant Einstein

Après que les Grecs, dans l'Antiquité, se furent efforcés de mettre en oeuvre une explication globale du monde physique mais, d'une certaine façon, continuèrent de mêler science et philosophie dans la plupart des cas, l'aristotélisme, mêlé à la scholastique chrétienne, devint, pour ce qui est de l'Europe, la fondation de l'explication du monde pendant le Moyen Age. Les concepts étaient alors ceux de la nature innée ou essentielle des objets, de perfection ou d'une méfiance par rapport à l'expérimentation. Cette représentation du monde fut attaquée avec conviction à partir de la Renaissance. La figure la plus marquante de ce mouvement est Galilée (1564–1642). Galilée, un scientifique italien peut être considéré comme le père de la "mécanique classique" car il étudia le mouvement des objets de façon mathématique et expérimentale en faisant rouler des boules sur un plan incliné et s'aidant du nouveau concept de système solaire tel qu'il avait été conçu par l'astronome polonais Copernic ainsi que des données observationnelles rassemblées par le Danois Kepler. Cette révolution scientifique continua de se développer, au cours des Temps Modernes et mena à la physique selon Newton. Anglais, il théorisa, en tant qu'ensemble de forces, la vitesse et la gravité, la théorie permettant une prévision des positions. Ce mouvement permit déjà aux physiciens de mettre en place des concepts théoriques de base. Le concept de cadre de référence est l'un d'entre eux, à savoir un cadre, un ensemble de données, un observateur à travers lesquels la position, la vitesse, etc. d'un corps, objet de l'étude, sont définis. La réflexion alla encore plus loin, ainsi le concept de cadre de référence inertiel, un cadre de référence stable dans lequel un objet est soit au repos soit dans un mouvement uniforme, fonction de si des forces identifiables agissent sur lui ou non, et le concept de cadre de référence non-inertiel, en mouvement, un cadre de référence qui est en mouvement par rapport à un cadre inertiel dans lequel les forces qui agissent sur l'objet ne résultent que de ce mouvement. Dès ces temps, les physiciens commencèrent aussi à réfléchir sur la relativité des cadres de référence, toute relation entre deux cadres de référence, par exemple, ayant une vitesse relative entre eux, pouvant être définie par une série de formules mathématiques connues sous le nom de "transformation de Galilée"; certaines forces y sont constantes -ainsi l'accélération ou la force- et certaines non -ainsi la vitesse. Galilée avait également bien compris que toute position scientifique est mêlée d'implications philosophiques -ou, de façon plus claire, religieuses. Il avait vu, par exemple, que certains mouvements célestes observés étaient contradictoires avec les explications acceptées alors du monde physique par la scholastique. Ce point de vue allait donner à toute démarche scientifique une coloration philosophique et, dans le pire des cas, une coloration anti-chrétienne. Le mouvement alla encore plus avant: Descartes, le philosophe français puis Newton se donnèrent ouvertement pour but d'élaborer une explication globale du monde qui remplacerait la tradition aristotélo-scholastique, laquelle exigeait que toute approche quantitative soit fortement imprégnée de qualitatif. Malgré l'effort du philosophe allemand Leibnitz pour que de la métaphysique soit conservée en science (il souligna aussi l'importance de l'usage du calcul infinitésimal), les scientifiques, au XVIIIème siècle, en étaient arrivés à tous accepter la physique newtonienne et à écarter toute considération ontologique en matière d'étude du mouvement, donc de science. La "mécanique classique" était donc devenue la théorie via laquelle le monde physique était expliqué et utilisé; cette révolution scientifique, de plus, se trouva être en accord avec les changements politiques qui se produisirent à l'époque en Europe, à savoir le développement de différents libéralismes politiques et révolutions industrielles. Cette démarche scientifique nouvelle continua pendant le XIXème siècle, voyant aussi apparaître d'autre domaines de recherche et théories même si des concepts compliqués, fondés sur celui de fluides, maintinrent l'idée, parmi les chercheurs, d'une unité globale du fonctionnement du monde physique. Dans la seconde moitié du siècle, cependant, deux nouveaux domaines apparurent, qui posèrent des problèmes insolubles à la mécanique newtonienne. L'un était l'électromagnétisme qui avait été théorisé, avec la lumière, par Maxwell dans les années 1870: en effet, selon les équations de Maxwell, la vitesse de la lumière dans le vide était devenue une constante universelle qui ne dépendait que de la conductivité électrique et magnétique de l'espace et cela allait à l'encontre le principe de l'"invariance galiléenne". Il essaya de concilier les deux théories en supposant l'existence d'un "éther", une substance répandue dans l'espace et qui permettait le déplacement de la lumière. L'autre de ces théories, elle, était la thermodynamique: elle affirmait l'interchangeabilité des formes mécaniques, chimiques, thermique et électrique du travail (ou forces). Cependant l'"entropie", le sort évolutif de tout système thermodynamique, se dérobait à une définition quantitative précise car la physique newtonienne ne pouvait s'appliquer aux échelles particulaires, minuscules qui entraient en ligne de compte. Malgré ces impasses ou contradictions, l'électromagnétisme et la thermodynamique en étaient venues à s'ajouter à la théorie de Newton pour servir de base aux expériences dans le monde de la physique. La chimie, elle, à cette époque, en était arrivée à considérer les atomes, ces morceaux ultimes de la matière, comme un ensemble constitué d'un noyau et d'électrons. Les choses auraient alors pu rester comme elles étaient, certaines inexactitudes étant admises et manquant d'une théorie générale renouvelée du monde physique

Einstein

Mais, trois intervenants majeurs du monde la physique, au début du XXème siècle, Planck, Bohr et Einstein, révolutionnèrent la physique en proposant des vues totalement renouvelées de pourquoi la physique newtonienne échouait à donner une explication claire pour l'entropie, la lumière et même l'atome. Le physicien allemand Max Planck, en 1900, trouva la solution au problème de l'entropie: il démontra que l'énergie, en thermodynamique, ne rayonne -et n'est absorbée- que sous la forme de "quanta" aléatoires, ou -autre énoncé- que l'énergie des ondes peut se décrire comme consistant en de petits "paquets", ou qu'un objet chaud émet sa radiation électromagnétique sous la forme de ces quantas aléatoires. En 1913, le Danois Niels Bohr énonça une théorie encore améliorée de l'atome. Einstein, lui, trouva la solution à la question posée par l'éther et la lumière dans l'électromagnétisme. Sa "théorie de la relativité restreinte" fut exposée dans l'article célèbre "Sur l'électrodynamique des corps en mouvement", en 1905, alors qu'il était employé au Bureau des brevets de Berne, en Suisse (en 1887, un interféromètre optique avait permis d'écarter l'existence d'un éther porteur de lumière; le physicien A. Michelson et le chimiste E. Morley, tous deux américains, en 1887, menèrent une expérience visant à détecter une subtance, l'"éther", qu'on pensait être le milieu qui permettait aux ondes lumineuses de se déplacer dans l'espace). Einstein, de plus, avait avancé encore plus avant, par ailleurs, car, dans l'article, il avait également inséré des développements concernant les cadres de référence en physique. Aussi, la théorie de la relativité restreinte est-elle à la fois une solution à la question du déplacement de la lumière mais aussi une théorie générale de la physique, celle de la mesure dans des cadres inertiels de référence. En effet, selon Galilée, un "principe de relativité" fait que tout mouvement uniforme est relatif et que, donc, il n'y a pas un état de repos absolu et clairement défini, ou, en d'autres termes, pas de cadre de référence privilégié. La notion que la lumière se déplaçant dans le vide définit une limite universelle de vitesse, qui ne peut être dépassée par toute matière ou toute information, fait partie de ce qu'on appelle l'"invariance de Lorentz" (en anglais, la "Lorentz invariance"). Pour ce qui est de l'électrodynamique et de la question de comment la lumière se déplace, Einstein démontra que la vitesse de la lumière est une constante pour tous les cadres inertiels de référence et que les lois de l'électromagnétisme doivent être valables indépendamment de toute considération en termes de cadre de référence; cela, ainsi, rendait superflu le concept d'éther et cela revenait à remplacer la cinétique classique avec une nouvelle théorie de celle-ci compatible avec l'électromagnétisme classique. Dans un autre article publié la même année, Einstein affirmait aussi que la radiation électromagnétique -l'autre nom de la lumière- est transmise sous la forme de ces quantités, ou quantas aléatoires qui venaient d'être définis par Planck. Selon Einstein, la lumière, ainsi, pouvait aussi exister en ces quantités, de type particule, aléatoires. Il démontrait, dans l'article, que l'"effet photoélectrique" consiste en ce que, lorsqu'un rayon lumineux frappe une plaque de métal et en libère des électrons, cela ne se fait que sur la base que la lumière agit par le biais de ces petits paquets d'énergie, ou photons. Il avait ainsi aussi découvert qu'une onde telle la lumière pouvait aussi se décrire en tant que particule. Plus tard, cependant, Einstein, dans une lettre, admit que, même après avoir réfléchi sur la nature quantique de la lumière pendant 50 ans, il ne pouvait toujours pas la comprendre, écrivant que "quiconque, de nos jours, pense avoir la réponse se trompe"

Ainsi, ce qui avait commencé comme des efforts faits en termes de thermodynamique et d'électromagnétisme s'avéra être une révolution scientifique qui transformait les vues newtoniennes bien établies du monde physique. L'acceptation progressive, par la communauté scientifique, de ces vues nouvelles de Planck, Bohr et Einstein les transforma en effort global pour refonder la physique sur de nouveaux principes fondamentaux. La théorie de la relativité restreinte représentait un nouveau principe formel universel pour établir que toute théorie sur le monde physique possède une validité exacte. La théorie fut poussée encore plus loin par Einstein, en 1916, par la théorie de la relativité générale, laquelle se définit comme la théorie géométrique de la gravité, ou comme une généralisation de la relativité restreinte via l'incorporation de la gravité newtonienne, ou encore comme une théorie relativiste de la gravité. Einstein l'exposa devant l'Académie des Sciences de Prusse sous la forme des équations qui démontrent que la géométrie de l'espace et du temps est influencée par toute matière qui y est présente. La plupart de ces nouvelles idées, d'abord, devinrent, pendant les années menant à la Seconde Guerre Mondiale, les bases de la physique appliquée, ainsi l'électronique ou les bombes atomiques, ou, dans les années 1920 et 1930, d'une vision renouvelée de l'Univers, avec le concept d'espace-temps ou des galaxies en expansion de Hubble. Elles atteignirent leur point culminant avec la théorie du Big Bang et le Modèle Standard de la physique dans les années 1960 et 1970, moment auquel ces deux théories furent achevées, respectivement. Le Big Bang était la nouvelle théorie de l'Univers, ou du monde physique, aux grandes échelles; le Modèle standard celle du monde des particules. Et là encore, la politique était venue interférer avec la science puisque l'Angleterre, l'un des acteurs majeurs de la Révolution Industrielle en était venue à être défiée par d'autres concepts et modèles industriels, les théories de la relativité et la physique quantique se liant au modèle américain de l'économie et de la société

La relativité restreinte et la relativité générale en détail

Les deux théories d'Einstein doivent surtout s'envisager sous leur aspect très théorique d'idées qui ont rompu, de façon spectaculaire, avec la physique newtonienne -ou galiléenne via la théorie des cadres de référence. La théorie de la relativité restreinte porte le nom de "restreinte" car le principe de relativité fut d'abord appliqué aux seuls cadres de référence inertiels, soit des cadres de référence dans un mouvement relatif uniforme entre eux. La théorie de la relativité générale en étend le principe au cas plus général de tout cadre de référence de telle sorte des transformations générales de coordonnées et à inclure les effets de la gravité. La géométrie non-euclidienne de la relativité générale amène à ce que la gravité n'est rien d'autre que la courbure de l'espace-temps. La relativité restreinte ne s'applique, elle, qu'à un espace-temps plat car cette courbure est négligeable à de petites échelles. L'invariance de Lorentz, qui se trouve au coeur de la théorie de la Relativité restreinte est le concept selon lequel les lois de la physique sont les mêmes partout dans l'Univers

La principale nouveauté de la théorie de la relativité restreinte consiste en un renouvellement de la "relativité galiléenne": "les lois par lesquelles les états des systèmes physiques subissent des modifications ne sont pas affectées, que ces modifications se réfèrent à l'un ou l'autre de deux systèmes en mouvement translatif uniforme l'un par rapport à l'autre". Et dans l'affirmation que la lumière "se propage toujours dans le vide à une vitesse c, laquelle est indépendante du mouvement du corps qui l'émet". Cela représentait une avancée formidable car ces deux propositions étaient dites justes quelles que soient la validité exactes des lois alors connues de l'électromagnétisme. La relativité restreinte, à la base, pour ce qui est d'un ou plusieurs cadres de référence, repose sur la "transformation de Galilée", formule qui avait été ensuite améliorée par le Français Henri Poincaré et l'Allemand Lorentz: les lois de la physique ne varient pas lorsqu'il y a cette transition d'un cadre inertiel de référence à l'autre. Les "transformations" -le passage- entre plusieurs cadres inertiels de référence sont soit de type euclidien, galiléen ou lorentzien. Dans le cas lorentzien s'observe une conservation relativiste des intervalles ainsi qu'une vitesse limite définie, laquelle, essentiellement, est la vitesse de la lumière. Le principe d'invariance de Lorentz postule que les lois de la physique sont indépendantes de la vitesse et de la direction du cadre de référence de l'observateur et il sert de fondement mathématique à la théorie spéciale de la relativité. Le principe de la relativité, d'une façon générale, qui affirme qu'il n'y a pas de cadre de référence inertiel priviligié vient, finalement, de Galilée, qui l'inventa et il fut ensuite inclus dans la physique selon Newton; l'évolution de l'électromagnétisme et les recherches sur la lumière en tant qu'une onde avait amené le concept d'éther, comme on l'a vu, concept qui est celui d'un cadre de référence absolu, ou "état de repos". Einstein, ainsi, remettait à l'honneur le principe de Galilée sous cette forme nouvelle qu'aucun cadre de référence ne peut être considéré avoir des caractéristiques particulières et que chaque cadre de référence se déplaçant avec un mouvement uniforme observera les mêmes lois de la physique. En particulier que la vitesse de la lumière dans le vide a toujours la valeur c, même lorsqu'elle est mesurée par des systèmes multiples qui se déplacent à des vitesses différentes (mais constantes). La relativité restreinte ne considère pas la valeur "c" seulement comme la vitesse de propagation de la radiation électromagnétique -de la lumière- mais plutôt comme un élément fondamental de la façon dont l'espace et le temps sont unifiés sous la forme de l'espace-temps. De la relativité restreinte Einstein tira aussi le concept d'équivalence entre la masse et l'énergie, avec la formule célèbre E = Mc2. L'énergie et le déplacement, dans la physique classique, étaient séparés mais Einstein fait de l'énergie la composante temps: un objet au repos se caractérise par une description à quatre vecteurs (éléments), par exemple E (l'énergie, qui, pour Einstein, équivaut au temps t qui mesure le déplacement), 0, 0, 0. Dans une direction donnée x, avec une vitesse v, soit une transformation de Lorentz de cadres de référence, les quatre vecteurs deviennent donc E, Ev/c2, 0, 0, où le déplacement est égal à l'énergie multipliée par la vitesse sur c au carré. Comme la physique newtonienne reste, pour certaines vitesses faibles, valable la conservation de l'énergie et du mouvement le reste également en tant que la masse reste le rapport du déplacement et la vitesse, ou E/c2. Plus généralement, Einstein avait vu que, d'une façon générale, l'émission de la lumière est le résultat de tout travail (force) appliqué sur un objet donné possédant une masse. Le principe fait aussi que, dans le monde des particules, toute perte de masse doit s'accompagner d'une augmentation de la vitesse et, inversement, que toute particule subissant un accroissement de vitesse voit sa masse croître. Des conséquences particulières de la théorie de la relativité restreinte apparaissent lorsque les transformations de Lorentz des cadres de référence atteignent des vitesses proches de celle de la lumière. Ainsi, l'exemple célèbre du "paradoxe des jumeaux" (bien que l'écoulement du temps ne varie pas d'un observateur à l'autre, il varie sur les vitesses relative des cadres de référence de ceux-ci, un jumeau ayant voyagé dans l'espace à la vitesse de la lumière ayant moins veilli), la contraction de la longueur (un objet qui se déplace à une vitese proche de celle de la lumière, se réduit en longueur) ou le fait que la vitesse de la lumière constitue une limite indépassable amène à ce que les vitesses ne s'ajoutent pas. Un objet qui approche de la vitesse de la lumière voit sa masse s'accroître en apparence, ce qui rend de plus en plus difficle de l'accélérer depuis le cadre de référence de l'observateur. En les termes de la théorie de la relativité restreinte, on appelle "cadre de référence" une perspective observationnelle soit au repos soit en mouvement uniforme, à partir de laquelle on peut mesurer une position sur 3 axes spatiaux. Un cadre de référence, de plus, permet, via tout système de référence à périodicité uniforme ou "horloge", de pratiquer des mesures du moment des évènements. La relativité restreinte amène donc un labyrinthe de considérations dans le champ de la physique, ainsi la localisation dans l'espace est la même pour tous les observateurs (seule notre perspective change mais pas la réalité sous-jacente) ou la modification de la perception du temps ou du mouvement. La relativité restreinte amène aussi à ce qu'espace et temps sont interchangeables. Dans un cadre de référence en mouvement, les dimensions et les temps sont différents de leurs équivalents dans un cadre de référence immobile. Cependant, certaines propriétés restent spécifiques à l'objet observé. Ces implications trouvent essentiellement leur application dans le domaine de la physique nucléaire. Lorsque la physique einsteinienne devint la théorie dominante, la physique newtonienne se transforma en la relativité restreinte des corps à déplacement lent. La théorie d'Einstein a été prouvé par de nombreuses expériences et les accélérateurs de particules, par exemple, ne pourraient tout simplement pas fonctionner si on ne les concevait pas selon les principes relativistes. A la différence de la relativité générale, la relativité restreinte supporte d'être mêlée à la physique quantique, ce qui donne une "théorie unifiée de la gravité quantique", dite aussi "équation de Dirac" et dont les applications concernent le "spin" des particules ou l'anti-matière. La théorie s'utilise également pour les champs quantiques dans lesquels des particules peuvent apparaître et disparaître, en matière d'électrodynamique et de chromodynamique quantiques ou aussi pour la constante structurelle fine ("fine structure constant"), ce qui a finalement permis le Modèle Standard de la physique que l'on peut donc définir comme "la théorie standard des champs quantiques relativistes, qui unifie les principes de la relativité restreinte et de la physique quantique". La théorie de la relativité restreinte, sur plan théorique, permet aussi le voyage dans le temps -dans le futur ou le passé- car le temps qui sépare deux évènements s'écoulera plus lentement pour des objets qui se déplacent plus vite. Les "wormholes" ("trous de vers") ou des "cordes cosmiques" ("cordes cosmiques"), qui font partie des spéculations concernant le voyage dans le passé, n'ont toujours pas été découverts

La théorie de la relativité générale peut se définir comme une théorie géométrique de la gravité. La relativité générale constitue la description actuelle de la gravité en physique. Einstein, après une recherche de 8 ans, réussit à élaborer, en 1916 les "équations du champ d'Einstein". Celles-ci montrent que la géométrie de l'espace et du temps ne sont pas de type euclidien mais est au contraire sous l'influence par toute matière et radiation s'y trouvant. La gravité recevait donc une nouvelle définition, soit la propriété géométrique de l'espace et du temps (ou espace-temps) et, en particulier, la propriété résidant en la courbure de cet espace-temps telle que déterminée par les quatres vecteurs -masse, énergie, vitesse, etc.- de toute matière ou radiation s'y trouvant. L'universalité de la chute libre peut être vue comme signifiant l'équivalence entre la gravité et les forces d'inertie (comme celles qui existent, par exemple, dans un mouvement d'accélération). Albert Einstein a fait du principe d'équivalence entre gravité et accélération le pilier de la Relativité générale. L'équivalence a été vérifiée jusqu'à la 13e puis 14ème décimale. Théoriquement, la relativité générale est, à l'origine, une réflexion sur le mouvement dit de "chute libre"; les équations de 1916 en sont la solution mathématique relativiste: dans la physique de Newton, les cadres de référence voient un objet qui se déplace le faire en ligne droite, à vitesse constante. Ce mouvement "inertiel" peut, à l'inverse, servir à définir la géométrie de l'espace ainsi qu'être considéré comme la coordonnée temps qui constitue le cadre de ce déplacement. Cela est juste sauf lorsque la gravité participe à l'expérience. L'universalité du caractère de la chute libre, en effet, ou "principe d'équivalence faible", fait qu'on ne peut distinguer par l'observation entre le mouvement inertiel et le mouvement qui se fait via l'action de la gravité. Cependant, pensa Einstein, si l'on admet qu'il existe une nouvelle catégorie de mouvement inertiel -la chute libre du fait de la gravité- un tel mouvement définit, lui aussi, des données géométriques en termes d'espace et de temps. La relativité restreinte, on l'a vu, convient le mieux aux cas où la gravité n'exerce pas de rôle; si on prend en compte le case de la chute libre, qui inclut la gravité, on peut donc étendre le concept de la relativité restreinte -il n'y a pas de cadre de référence inertiel global- ce qui prend la forme qu'il existe des cadres de référence inertiels successifs qui se déplacent le long du mouvement du corps qui est en chute libre. Einstein a démontré que les transformations de Lorentz pour le cas de la chute libre du fait de la gravité coïncident avec ceux qui valent pour les cadres de référence de la relativité restreinte et que le mouvement et la vitesse de la lumière sont aussi les mêmes. Le fait que les lois de la relativité restreinte restent valables pour les cadres de référence de la chute libre s'appelle le "principe d'équivalence d'Einstein". Dans la relativité restreinte, la masse se mêle à l'énergie et à la vitesse; cette interaction conduit à la célèbre idée de la courbure de l'espace et du temps car les lignes chronologiques, en ligne droite, qui définissent habituellement géométriquement les cadres de référence inertiels sans gravité, sont alors déformées par ces interactions entre les caractéristiques de l'objet. Dans le cadre du cadre de référence inertiel de chute libre, les lignes du déplacement sont courbées l'une par rapport à l'autre donc à un espace et un temps, ou espace-temps courbés. Cette courbure correspond à la relation entre la géométrie de ce nouveau type de cadre de référence ou espace-temps (à quatre dimensions, en chute libre) et les caractéristiques -masse, énergie, vitesse, etc.- de tout objet qui y est contenu. Ce qui, en physique newtonienne, résulte de la force de la gravité devient donc le résultat d'un mouvement inertiel dans le cadre d'une géométrie courbée d'un espace-temps; la gravité n'est plus une force externe qui dévie la trajectoire d'un objet mais elle est les changements des propriétés de l'espace et du temps causés par les caractéristiques de l'objet lui-même, lesquelles modifie la trajectoire. La théorie de la relativité générale, ainsi, ne contient aucune structure invariante géométrique de fond car cela est en accord avec la relativité restreinte qui veut que les lois physiques restent les mêmes pour tout observateur. Les lois de Newton restent applicables pour des champs gravitationnels et des vitesses faibles. C'est cela que les équations du champ d'Einstein démontrèrent mathématiquement. La théorie de la relativité générale, c'est donc essentiellement des mathématiques, cet ensemble d'équations qui, lorqu'on les résout ou les détaille, donnent des pistes, prouvent ou décrivent certaines caractéristiques physiques, ou certains objets, spécifiques de l'Univers. La relativité générale emporte des implications importantes en astrophysique: les trous noirs, les lentilles gravitationnelles, les ondes gravitationnelles ou, plus généralement, les bases du modèle cosmologique le plus universellement accepté aujourd'hui, le Big Bang. Einstein lui-même et ses premiers commentateurs orientèrent rapidement la théorie de la relativité générale en direction de la cosmologie. L'astrophysicien Karl Schwarzschild , le premier, trouva la première solution exacte aux équations d'Einstein, dite "métrique de Schwarzschild", qui fonde la description de ce qu'on allait appeler les "trous noirs"; le calcul fut exécuté alors que Schwarzschild servait comme officier d'artillerie allemand sur le front russe pendant la Première Guerre Mondiale. La solution Reissner-Nordström généralisa la solution de Schwarzschild aux objets chargés électriquement. Einstein, lui, en 1917, émit l'hypothèse d'un Univers statique et ajouta la "constante cosmologique" à ses équations. Hubble, Friedmann ou Lemaître, dans les années 1920, décrivirent un Univers en expansion ou la première version du modèle du Big Bang, qu'on nomma, finalement les "solutions Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker" ou "solutions FLRW. Des expériences prouvèrent, aussi, rapidement la validité de la théorie de la relativité générale: on expliqua facilement l'avance anormale du périhélie de Mercure (en 1859, l'astronome français Le Verrier avait noté que Mercure présentait une précession légèrement plus importante que ne le prédisait la mécanique newtonienne; des explications différentes dont celle de la planète Vulcain, plus proche du Soleil, ne résistèrent pas à l'analyse) ou l'expédition de l'astronome britannique Eddington, en 1919, sur l'île de Principe, observa, comme prévu, la déviation de la lumière d'étoiles pendant une éclipse totale de Soleil. Par ailleurs, pour ce qui est des ondes gravitationnelles, Einstein soumit à une revue un article niant leur existence en 1936 mais cette dernière soumit l'article à un examen; Einstein, qui n'avait pas été habitué à cette pratique en Allemagne, retira l'article mais il retint cependant ce qu'avait signalé la personne chargée d'apprécier son travail et il finit par intituler l'article "A propos des ondes gravitationnelles", en venant à la conclusion opposée que les ondes gravitationnelles pouvaient exister

->Les ondes gravitationnelles ont été officiellement découvertes!
La National Science Foundation (ou NSF) américaine, début novembre 2016, a annoncé la détection des ondes gravitationnelles par l'observatoire LIGO ("Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory"), un système de deux observatoires terrestres situés à Hanford (état de Washington) et Livingstone (Louisiane) aux Etats-Unis. Ces ondes provenaient de la fusion de deux trous noirs situés à 1,3 milliard d'années-lumière. Cette découverte constitue une découverte majeure en astronomie. Les astronomes essayaient d'observer les ondes gravitationnelles depuis 50 ans. Einstein avait décrit les ondes gravitationnelles comme des ondulations de l'espace-temps provenant de corps massifs en accélération, ainsi des trous noirs orbitant l'un autour de l'autre ou des supernovas ou des galaxies fusionnant entre elles. Comme pour la force antigravitationnelle qui accélère l'expansion de l'Univers depuis 7 milliards d'années après le Big Bang, Einstein avait d'abord refusé l'idée d'ondes gravitationnelles dans un article de 1936; mais, prenant en compte ce que le lecteur en charge de l'article avait signalé, il finit par soutenir cette idée. On s'intéresse à l'observation et aux caractéristiques des ondes gravitationnelles car on en apprendra plus sur les sources qui les produisent et sur la gravité elle-même. De nombreux scientifiques pensent qu'alors que jusqu'à présent, notre connaissance de l'Univers venait de la lumière à ses différentes longueurs d'ondes -dont le visible- les ondes gravitationnelles ouvrent une nouvelle gamme qui, de plus, va apporter des informations fondamentales complétant celles qu'on obtenait déjà. La découverte des d'ondes gravitationnelles, paradoxalement, à la fois conforte la théorie de la Relativité d'Einstein mais, d'un autre côté, les ondes gravitionnelles peuvent venir appuyer la théorie de l'inflation, montrant que l'Univers, dans les quelques instants qui ont suivi le Big Bang, a connu une expansion rapide de plusieurs fois la vitesse de la lumière. On avait déjà découvert, fin 2014, les "B-modes" primordiaux: une fraction de la CMB (rayonnement cosmique de fond), cette lumière venue de 400 000 ans après le Big Bang, est polarisée et la polarisation mode-B qui accompagne les ondes gravitationnelles pourrait porter l'empreinte d'information concernant la naissance de l'Univers; la polarization mode B est également importante pour une meilleure cartographie de comment la matière -normale et matière noire- est distribuée. La mission européenne LISA, de l'ESA, qui a été lancée fin 2015, possédant un niveau de stabilité jamais atteint, est une mission de démonstration des technologies à venir pour un observatoire spatial (vers 2034) des ondes gravitationnelles (situé dans l'espace, il permettra la détection d'ondes à plus basse fréquence). Des études qui ont suivi la découverte (celle, possible, d'échos à proximité des trous noirs) posent la question de savoir si la Relativité générale d'Einstein pouvait ne pas être pertinent dans des conditions extrêmes, ainsi le centre des trous noirs -comme on le savait déjà- mais même au bord d'un trou noir. L'horizon du trou noir serait alors remplacé par un pare-feu, un anneau de particules de haute énergie qui carboniserait toute matière et donc une contradiction à la théorie de la relativité. Ces études récentes émettent même l'hypothèse qu'un trou noir est entouré de murs en miroir et non d'un simple horizon (ce qui, par ailleurs, correspond aux échos observés)

Stricto sensu, la relativité générale ne devint la théorie principale de la physique et de l'astrophysique que dans les années 1960 et 1970 lorsque le modèle du Big Bang devint universellement admis, que des observations plus détaillées d'objets célestes relativistes devinrent possibles et des tests plus précis furent réalisées au sein du système solaire. Viennent aussi -ou ont été démontrés- des équations de 1916 le fait que le temps, près d'un corps massif, s'écoule plus lentement ou la dilatation gravitationnelle du temps, la déviation de la lumière par les champs gravitationnels, les lentilles gravitationnelles, ou la lumière se déplaçant plus lentement dans un champ gravitationnel. Viennent aussi de la relativité générale, la précession générale des orbites planétaires, le ralentissement et le rapprochement des systèmes binaires du fait des ondes gravitationnelles, la précession des apsides des orbites, les effets de déformation du champ (un objet proche d'une masse se voit légèrement "étiré" autour de celle-ci). Ce qu'on appelle "singularités" sont également une caractéristique de la relativité générale: il s'agit de frontière de l'espace-temps où le chemin de la lumière et des particules s'interrompt brutalement et la géométrie devient vague. La meilleure application du concept est la singularité qui a présidé au démarrage du Big Bang. Alors que la théorie de la relativité restreinte peut être unifiée avec la physique quantique -théorie du champ quantique de la gravité- on n'a pas encore trouvé une théorie quantique cohérente de la gravité. Les vues d'Einstein sont questionnées par des réflexions speculative mais, jusqu'ici, la Relativité a toujours été prouvée juste par différentes expériences qui ont eu lieu ces dernières décennies. Une autre conséquence de la Relativité Générale est que le plus on se trouve près d'objets célestes qui courbent leur espace-temps, le plus la force de gravité est forte et le temps ralentit. On a pu ainsi prouver, en emportant des horloges en orbite, ou sur Mars, qu'elles ont accéléré en s'éloignant de la gravité terrestre, de l'ordre d'1 seconde par 70 ans. La théorie a été vérifiée le plus significativement en 1976 lorsqu'on a emporté une horloge atomique à maser et hydrogène sur le satellite Gravity Probe A de la NASA qui, à 10000km d'altitude, a confirmé la théorie à moins de 140 pour 1 million. Même les satellites GPS doivent compenser cet effet. Des expériences encore plus récentes et plus précises, via des horloges atomiques, montrent une différence d'une centaine de milliardièmes de seconde pour chaque 30 cm pris en altitude, sur 100 ans ou, à 633m d'altitude, par exemple, le temps s'écoule 4 milliardièmes de seconde plus vite par jour qu'au niveau du sol. La Relativité Générale amène à cette idée qu'un Big Bang, une "singularité", a eu lieu à un moment du passé où il est clair que les concepts classiques de la physique ne peuvent plus s'appliquer, ce qui marque le début de l'Univers. Une telle singularité amène à son tour à l'idée qu'il faut une approche quantique de la gravité, ce qui est le concept de "gravité quantique". Il y a deux approches principales à la gravité quantique: la "Loop Quantum Gravity" ("gravité quantique en boucle") et la théorie des cordes ou String Theory. La Loop Quantum Gravity considère la gravité comme une force indépendante des autres interactions de la physique alors que la théorie des cordes s'efforce d'unifier toutes les interactions du monde physique et nécessite qu'existent des objets uni-dimensionnels dits "cordes" ("strings" en anglais), objets qui sont plus fondamentaux que les particules. Il existe aussi d'autres théories, ainsi la "Discrete Quantum Theory" ("théorie quantique aléatoire"), un outil qui permet de considérer l'espace-temps comme un objet aléatoire, ou une interprétation de la gravité quantique qui considère, aussi, l'espace-temps comme aléatoire du fait qu'il existe la limite de la longueur de Planck

Dans une lettre au philosophe Eric Gutkind (voir le texte complet de la lettre), in 1954, Einstein fit état de ses points de vue sur la religion et le peuple juif -ce qu'on appelle, en anglais, la "God's letter", la "lettre sur Dieu", écrite en allemand: "[le] mot Dieu n'est rien d'autre pour moi que l'expression et le produit de la faiblesse humaine et la Bible n'est qu'une collection de légendes vénérables mais plutôt primitives et qui, cependant, sont puériles. Einstein, Juif ashkénaze, ajoutait que "la religion juive, qui est sans mélange, est, comme les autres religions, une incarnation de la superstition primitive" ou que "le peuple juif, auquel [il] appartient avec joie et dans la mentalité duquel je suis profondément ancré, n'a cependant, selon moi, aucune différence en dignité avec les autres peuples. Mon expérience me fait dire que les Juifs, en fait, ne sont pas meilleurs que les autres groupes humains même s'ils sont protégés des pires excès du fait qu'ils n'ont pas le pouvoir. Sinon, je ne peux rien percevoir d'"élu" en eux". Une telle lettre montre bien l'idée admise qu'Einstein avait une vue complexe -mais agnostique- en matière de religion: il rejetait toute religion officielle mais il évoquait souvent une force spirituelle qui était à l'oeuvre dans l'Univers. Lorsque les Nazis prirent le pouvoir en Allemagne, ils écartèrent les travaux d'Einstein -dont la Relativité- car considérés comme de la "physique juive"