Introduction
La relativité générale est l'une des plus grandes réalisations de la physique théorique du XXe siècle. Elle constitue la description moderne de la gravitation, succédant à la théorie newtonienne vieille de plus de deux siècles. En unifiant les concepts d'espace, de temps, de matière et d'énergie, elle a fourni un cadre radicalement nouveau pour comprendre l'univers à grande échelle, des orbites planétaires à l'expansion cosmique.
Description
La théorie repose sur un postulat fondamental : la gravitation est une manifestation de la géométrie de l'espace-temps, un continuum à quatre dimensions (trois d'espace, une de temps). La présence de masse et d'énergie courbe cet espace-temps, et cette courbure dicte le mouvement des objets. Ainsi, une planète orbite autour d'une étoile non parce qu'elle est attirée par une force, mais parce qu'elle suit la trajectoire la plus « droite » possible (une géodésique) dans un espace-temps courbe. Les équations de champ d'Einstein, le cœur mathématique de la théorie, relient la courbure de l'espace-temps (côté gauche de l'équation) à la distribution de matière et d'énergie (côté droit). Ces équations non linéaires sont extrêmement complexes à résoudre. La théorie prédit plusieurs phénomènes contre-intuitifs : la déflexion de la lumière par les masses (lentilles gravitationnelles), le décalage vers le rouge gravitationnel de la lumière, la dilatation du temps en champ gravitationnel fort, et l'existence d'ondes gravitationnelles – des ondulations de l'espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière.
Histoire
Albert Einstein développa la relativité générale entre 1907 et 1915, en partant de son « principe d'équivalence » : les effets locaux d'un champ gravitationnel sont indiscernables de ceux d'une accélération. Après des années de travail acharné et de fausses pistes, il présenta les équations définitives en novembre 1915. La première confirmation expérimentale majeure vint en 1919, lorsque l'astronome Arthur Eddington mesura la déviation de la lumière d'étoiles par le Soleil lors d'une éclipse, validant une prédiction clé de la théorie. Ce succès propulsa Einstein au rang de célébrité mondiale. Le développement de la théorie se poursuivit avec les solutions aux équations, comme celle de Karl Schwarzschild décrivant un trou noir non tournant, et les travaux d'Alexander Friedmann sur un univers en expansion, jetant les bases de la cosmologie moderne.
Caracteristiques
Les caractéristiques principales de la relativité générale incluent : 1) L'espace-temps dynamique : il n'est pas un arrière-plan fixe mais une entité dynamique qui se déforme et interagit avec la matière. 2) Le principe de covariance générale : les lois de la physique ont la même forme dans tous les systèmes de coordonnées. 3) La limite newtonienne : la théorie d'Einstein se réduit à la gravitation de Newton dans les conditions de champs faibles et de vitesses faibles comparées à celle de la lumière. 4) Les singularités : les équations prédisent des endroits où la courbure devient infinie, comme au centre d'un trou noir ou au Big Bang. 5) La prédiction d'objets compacts : trous noirs, étoiles à neutrons et lentilles gravitationnelles sont des conséquences directes de la théorie.
Importance
L'importance de la relativité générale est immense. Elle est le pilier de la cosmologie moderne, décrivant l'origine, l'évolution et la structure à grande échelle de l'univers (modèle du Big Bang, inflation, énergie noire). Elle est essentielle pour le fonctionnement précis des systèmes de géolocalisation par satellite (GPS), qui doivent corriger les effets relativistes de dilatation du temps. Elle prédit l'existence des trous noirs, aujourd'hui observés directement (comme M87* en 2019). La détection directe des ondes gravitationnelles par LIGO en 2015, un siècle après leur prédiction, a ouvert une nouvelle fenêtre d'observation sur l'univers (astronomie gravitationnelle). La théorie reste aussi un terrain fertile pour la recherche fondamentale, à la frontière avec la mécanique quantique dans la quête d'une théorie de la gravitation quantique.
