(Article du dossier « Comprendre l’Univers avec son enfant » – Risque léger de nœuds au cerveau, mais on va y aller doucement 😄)

Dans l’article « C’est quoi la gravité ? », tu as découvert la vision de Newton : une force d’attraction entre les objets massifs, comme la Terre et la Lune, ou toi et le sol.
Einstein ne dit pas que Newton s’est trompé, mais il propose une idée plus profonde :

La gravité n’est pas seulement une force, c’est la manière dont l’Univers lui-même est organisé.
La matière et l’énergie modifient l’« espace-temps », et les objets suivent naturellement ces déformations.

Dans ce texte, tu vas voir ce que cela veut dire, avec des images simples, sans équations compliquées, et pourquoi cette façon de penser est indispensable pour comprendre les trous noirs, les trous de ver ou l’expansion de l’Univers.

De Newton à Einstein : deux manières de raconter la gravité

Newton (XVIIᵉ siècle) imagine que :

• tout objet ayant une masse attire les autres objets ;
• plus la masse est grande, plus l’attraction est forte ;
• plus les objets sont éloignés, plus cette attraction diminue.

Cette description fonctionne très bien pour expliquer la chute des corps, les orbites des planètes et beaucoup de phénomènes du quotidien.

Mais plus tard, des observations très précises (par exemple, la trajectoire exacte de la planète Mercure, ou la déviation de la lumière près du Soleil) montrent de petites différences que la théorie de Newton n’explique pas parfaitement.

Einstein (au début du XXᵉ siècle) se pose alors une question étonnante :

Et si la gravité n’était pas une “force” qui tire sur les objets,
mais une propriété de la façon dont l’Univers est “dessiné” ?

Pour comprendre sa réponse, il faut introduire une idée nouvelle : l’espace-temps.

Espace + temps = espace-temps

Dans la vie de tous les jours, on sépare facilement :

• l’espace : où quelque chose se trouve (ici, là-bas, plus loin, plus haut…) ;
• le temps : quand cela se passe (avant, maintenant, demain…).

Einstein montre que, pour décrire correctement l’Univers, surtout quand on va très vite ou qu’on est très près d’objets très massifs, il est plus logique de considérer que l’espace et le temps sont liés dans une seule chose : l’espace-temps.

Les scientifiques continuent d’utiliser les mots « espace » et « temps » séparément, par habitude. Mais dans la théorie d’Einstein, ils ne sont plus vraiment indépendants : ils forment un seul objet, une seule “structure” que l’on appelle espace-temps. Le nom pourrait donner l’impression qu’on a simplement collé deux idées ensemble, alors qu’il s’agit en réalité d’une façon nouvelle de voir l’Univers.

Pour t’en faire une image (qui reste une simplification) :

• imagine la couette de ton lit bien tendue ;
• tu poses dessus une balle de ping-pong : la couette se déforme à peine ;
• tu poses une balle de tennis : la couette s’enfonce un peu plus ;
• tu poses une boule de pétanque, puis une boule de bowling : là, la couette s’enfonce vraiment, formant un creux autour de la boule.

Si tu fais rouler une petite bille sur la couette :

• autour de la balle de ping-pong, sa trajectoire change à peine ;
• autour de la boule de bowling, la bille sera fortement déviée et peut même tourner autour avant de finir dans le creux.

Dans la réalité :

• l’Univers n’est pas une couette en tissu ;
• il a trois dimensions d’espace (plus le temps), pas seulement une surface ;
• il n’y a pas de “gravité qui tire vers le bas” sur cet espace-temps.

Mais cette analogie reste utile pour retenir l’idée importante :

Plus un objet a de masse, plus il modifie l’espace-temps autour de lui,
et les autres objets suivent naturellement ces modifications.

La gravité vue par Einstein

Avec cette idée, Einstein décrit la gravité ainsi :

• une planète comme la Terre modifie l’espace-temps autour d’elle ;
• la Lune, les satellites, les vaisseaux spatiaux et même la lumière suivent les trajectoires “les plus simples” dans cet espace-temps modifié ;
• pour nous, ces trajectoires particulières se manifestent sous forme de gravité.

On peut comparer :

• Version Newton : la Terre exerce une force qui “tire” sur toi vers le bas ;
• Version Einstein : tu voudrais suivre une trajectoire naturelle dans l’espace-temps autour de la Terre, mais le sol t’en empêche en te “retenant”, ce qui crée la sensation de poids.

C’est aussi pour cela que les astronautes dans une station en orbite semblent “flotter” :

• ils sont en chute libre permanente autour de la Terre ;
• ils suivent presque exactement la trajectoire naturelle de l’espace-temps ;
• comme rien ne les “retient” par en dessous, ils ne ressentent plus leur poids de la même façon.

En langage einsteinien, la chute libre n’est pas un “problème” : c’est la situation la plus naturelle possible dans un espace-temps donné.

La lumière aussi est sensible à la gravité

Dans la théorie d’Einstein, ce n’est pas seulement la matière qui est guidée par la forme de l’espace-temps : la lumière aussi suit ces déformations.

Conséquences :

• un rayon lumineux qui passe près d’une étoile ou d’une galaxie peut être dévié ;
• la lumière ne suit plus une ligne droite “classique”, mais la trajectoire la plus simple dans un espace-temps déjà modifié par la masse.

Ces effets sont minuscules à notre échelle, mais ils deviennent importants pour décrire correctement l’Univers, surtout près d’objets très massifs comme les trous noirs.

La gravité agit aussi sur le rythme du temps

Les scientifiques ont aussi découvert que la gravité ne joue pas seulement sur l’espace, mais aussi sur la façon dont le temps s’écoule.

Si l’on place deux horloges extrêmement précises dans des endroits différents, l’une un peu plus loin d’un objet massif et l’autre un peu plus près, elles ne gardent pas exactement le même rythme.

Vu de l’extérieur, on peut dire qu’au voisinage d’un objet très massif, tout se passe très légèrement au ralenti : les horloges, les expériences, les mouvements…

Dans la vie de tous les jours, cet effet est minuscule, impossible à sentir à l’échelle d’un humain. Mais avec des instruments très sensibles, les scientifiques ont pu le mesurer, ce qui confirme l’idée d’Einstein : la gravité modifie à la fois l’espace et le rythme du temps.

Quand l’espace-temps se modifie beaucoup : les trous noirs

Dans la plupart des situations, la modification de l’espace-temps autour d’une planète ou d’une étoile est relativement faible : on peut utiliser la théorie de Newton sans presque voir la différence.

Mais quand une grande quantité de matière est concentrée dans une région très petite, la modification de l’espace-temps devient extrême :

• c’est le cas des trous noirs, où l’espace-temps est tellement modifié que même la lumière ne peut plus ressortir d’une certaine région ;
• c’est aussi grâce à cette façon de voir la gravité qu’on peut imaginer des concepts comme les trous de ver, sortes de raccourcis théoriques dans l’Univers (même si rien ne prouve qu’ils existent réellement).

Sans la vision d’Einstein, ces objets et ces idées seraient très difficiles à décrire avec cohérence.

Faut-il comprendre toutes les maths pour saisir l’idée ?

La théorie d’Einstein utilise des équations complexes, qui demandent beaucoup de mathématiques. Mais tu n’as pas besoin de les connaître pour retenir les idées principales :

1. La gravité n’est pas seulement une force.
   Elle correspond à la façon dont l’espace et le temps sont organisés autour de la matière.
2. La matière et l’énergie modifient l’espace-temps.
   Une planète, une étoile, une galaxie… tout cela change la “géométrie” de l’Univers autour d’eux.
3. Les objets et la lumière suivent ces modifications.
   La chute libre, les orbites ou la trajectoire de la lumière près d’un objet massif sont des exemples de ces trajectoires naturelles.
4. Plus la masse est concentrée, plus les effets sont forts.
   C’est ce qui permet d’expliquer des phénomènes extrêmes comme les trous noirs, et les grandes questions sur la structure de l’Univers.

En résumé

Tu peux maintenant comparer les deux visions de la gravité :

• Version Newton (classique)
  La gravité est une force d’attraction entre les objets massifs.
  C’est une excellente approximation pour la plupart des situations du quotidien et pour beaucoup de calculs en astronomie.
• Version Einstein (relativiste)
  L’Univers est décrit par un espace-temps que la matière et l’énergie peuvent modifier, un peu comme une couette qui s’enfonce sous des boules plus ou moins lourdes (avec toutes les limites de cette image).
  Ce sont ces modifications que nous ressentons comme la gravité.
  La gravité agit aussi sur le rythme du temps : très près d’objets massifs, les horloges (et tous les phénomènes physiques) avancent très légèrement plus lentement.
  Cette vision est nécessaire pour comprendre les phénomènes très précis ou très extrêmes :
  • lumière déviée par des étoiles ou des galaxies,
  • fonctionnement des trous noirs,
  • scénarios de trous de ver,
  • expansion de l’Univers.

Oui, cette façon de penser peut donner un peu mal à la tête la première fois qu’on la rencontre. Mais elle ouvre aussi la porte à une compréhension beaucoup plus riche de l’Univers.

Avec cet article et les autres du dossier – sur le Big Bang, la gravité selon Newton, les trous noirs, les trous de ver, les galaxies et l’expansion de l’Univers – tu as maintenant les bases pour explorer petit à petit la façon dont les scientifiques d’aujourd’hui décrivent le cosmos.