Démontons l'horloge

Texte de l'épisode
Introduction

Prends le temps de savourer cette dernière partie de notre voyage dans l’histoire des connaissances du ciel.

Nous allons enfin comprendre ce qui fait tourner l’horloge cosmique... pour finalement détruire le concept-même de temps.

Depuis l'intuition d’Aristote jusqu'à Kepler en passant bien évidemment par copernic et Galilée, si le mouvement des corps célestes est bien compris et les règles fonctionnelles, cela ne veut pas dire que l’on sait quel est le phénomène qui est à l’origine de ces mouvements.

Aristote disait que les choses lourdes tendent à aller vers le centre de la Terre, à l’époque où ce dernier était encore pensé comme le centre de l’univers

Kepler, lui, avait évoqué une forme de magnétisme.

Galilée, Newton et les lois d’attraction

Depuis Galilée, on sait déjà que deux objets devraient tomber à la même vitesse dans le vide, quelles que soient leurs masses.

"Si les corps lourds tombent plus vite que les corps légers, en attachant ensemble un corps léger et un corps lourd, le plus léger des deux ralentira le corps lourd et l’assemblage doit tomber moins vite que le plus lourd des deux corps.
Cependant, une fois attachés ensemble, ils forment un nouveau corps plus lourd que le plus lourd des deux.
Ce nouveau corps doit donc tomber plus vite que le plus lourd des deux. Ce qui est une contradiction.

Par conséquent, tous les corps doivent tomber à la même vitesse."

Si cela te parait magique ou compliqué, imagine la chose suivante : un objet a ce qu’on appelle une inertie. On le définit à l’époque comme sa capacité à résister au déplacement. Plus il est lourd, plus il est difficile de changer la direction ou la vitesse de son mouvement.

Une boule de pétanque lorsque tu la lâches pour la laisser tomber au sol, va demander plus d’énergie pour accélérer et toucher le sol.

A l’inverse, une bille demande moins d’énergie, mais elle est aussi moins soumise à la gravité.

C’est une autre façon de comprendre pourquoi la bille et la boule de pétanque mettront le même temps à chuter d’une hauteur donnée.

Nous sommes en 1666 soit quelques décennies après Kepler et du vivant de Halley et bien entendu, Newton.

Newton est dans le jardin familial dans le Lincolnshire en Angleterre et, contrairement à l’image populaire n’a pas reçu de pomme sur la tête : il imagine simplement que la force qui fait tomber la pomme vers le sol est probablement la même que celle qui retient la Lune sur son orbite.

Il appuie alors ses calculs d’une telle hypothèse sur les tables de Kepler ainsi que les travaux sur l’inertie de galilée.

Mais aussi, et c’est moins connu, en consultant ses contemporains tels que Robert Hooke. Ce dernier est rarement crédité or, c’est lui qui démontre que la force appliquée est proportionnelle au carré de la distance qui sépare les astres en mouvement, composante essentielle de l’équation.

En janvier 1684, Robert Hooke, Christopher Wren et Edmond Halley débattent sur le mouvement des planètes. Les trois hommes conviennent que le Soleil attire les planètes avec une force inversement proportionnelle au carré de leur distance.
A deux fois la distance, la force est donc divisée par 4, pour 3 unités elle est divisée par 9, et ainsi de suite…

La question qu'ils se posent est celle de l'orbite que suivra une planète soumise à l'influence de cette force ; en s'abritant derrière les lois de Kepler, ils imaginent que ce sera une ellipse, mais ils manquent d'outils pour le démontrer.
Hooke annonce qu'il a trouvé la solution, mais refuse de la révéler tant que les deux autres ne s'avouent pas vaincus. Halley et Wren reconnaissent leur échec, mais les mois passent et Hooke ne révèle toujours pas son secret.

Alors Halley décide de poser la question à Isaac Newton qui répond aussitôt que ce serait une ellipse, parce qu'il l'a calculé.

Halley reçoit un bref manuscrit de neuf pages intitulé “Du mouvement des corps en orbite” où il trouve ce qu'il attendait, et beaucoup plus que cela : une ébauche de la science générale de la dynamique.

En réalité, Newton avait mûri au fil des années cette théorie du mouvement des planètes. Ainsi, dès 1665 , il avait commencé à étudier l'attraction du Soleil sur les planètes. Puis il passa à l'étude de la Lune, mais avec les données sur la Terre dont il disposait à l'époque, les calculs ne tombaient pas juste.

Lorsque, en 1675, furent publiés les calculs plus exacts des mesures terrestres réalisés par l'astronome français Jean Picard (1620-1682), il put reprendre ses calculs et vérifier que l'hypothèse était juste. Sa vision du mouvement des corps célestes continua d'évoluer et, au milieu de la décennie 1680, il avait généralisé la théorie de l'action à distance à presque tous les phénomènes de la nature. À cette époque, il vivait complètement immergé dans son œuvre.

Selon la loi de la gravitation de Newton, la gravitation n'est pas seulement une force exercée par le Soleil sur les planètes, mais tous les objets du cosmos s'attirent mutuellement.

La mécanique céleste, qui repose sur les trois lois de Kepler et la loi universelle de la gravitation de Newton, suffit, encore aujourd'hui, à expliquer par le calcul les mouvements des astres dans un univers local, tel que le système solaire !

On sait donc prédire les mouvement et calculer l’influence des astres les uns sur les autres.
Cela sera très utile afin de découvrir de nouvelles planètes grâce aux influences qu’elles ont entre elles et qui crée des perturbations dans leurs orbites.

Mais cela ne répond pas à la question de ce qui génère cette force qui fait s'attirer les masses entre elles.

Il faudra attendre Einstein pour faire une avancée aussi significative.

Einstein

Pour aller plus loin encore que les lois de la gravitation édictées par Newton, il faudra un esprit capable de remettre en question le tissu même de l’Univers.
Remettre en cause l’espace et le temps.

Einstein s’appuya donc, comme ses prédécesseurs sur les travaux de.. ses prédécesseurs.

Lorsque l’on calcule l’accélération que subit une pomme lors de sa chute, les masses ne rentrent pas en compte (ce qui est logique puisque tous les objets tombent à la même vitesse dans le vide).

Mais qu’est-ce qui est à l’origine de cette accélération de la pomme vers la Terre ?
Petite démonstration logique, qui sera très utile pour la suite.

Reprenons notre pomme qui tombe et imaginons-la dans l’espace, dérivant sans aucune force appliquée dessus.

Elle dérive en ligne droite selon la première loi de Newton :
« Tout corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n'agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d'état. »

Pour qu'elle change de direction, il faut faire appel à la 2nde loi de Newton :
« Les changements qui arrivent dans le mouvement sont proportionnels à la force motrice ; et se font dans la ligne droite dans laquelle cette force a été imprimée. »
Cela peut se traduire par le fait que lorsque l’on pousse un objet, il va se diriger dans la direction vers laquelle on l’a poussé, et il va s’y diriger plus ou moins vite selon la force de poussée.

Le fait que notre pomme d’exemple ait une masse donnée requiert d’ailleurs plus ou moins de force pour la faire changer de trajectoire selon si sa masse est élevée ou non.
C’est la masse inertielle.

Attention : la masse c’est ce qui détermine la force avec laquelle les corps s’attirent entre eux.
Et cela n’a en théorie rien à voir avec la masse inertielle.

Or, puisque les objets tombent à la même vitesse, cela veut dire que la masse et la masse inertielle sont égales entre elles puisqu'elles s’annulent mutuellement lors de l’étude le chute libre.

Mais encore une fois pourquoi ? Une simple coïncidence cosmique ?

Après tout ça arrive des coïncidences : les éclipses solaires sont si majestueuses simplement parce que par coïncidence, la Lune est 400x plus petite que le soleil mais 400x plus proche et nous paraît ainsi faire la même taille, masquant parfaitement le soleil.

Pour Einstein ce n’est pas une coïncidence anodine, il y a probablement une raison à cette correspondance des masses entre elles.

Quelque chose qui transformerait complètement notre compréhension de la chute des corps, passant ainsi d’un mystère à une règle simple.

C’est le principe d’équivalence.
L’équivalence entre la gravité et l’accélération.

Pour que tu comprennes comment cela est équivalent, imagine-toi dans un ascenseur, arrêté à un étage.
Tu fais chuter deux objets de poids différents, non soumis au frottement de l’air, ils tombent à la même vitesse.

Maintenant imagine cet ascenseur dans le vide de l’espace, soumis à aucune gravité, les objets flottent dans l’ascenseur, sans mouvement par rapport aux parois si tu le nes touches pas.

Si cet ascenseur spatial se met à accélérer vers le haut, les objets vont alors sembler se déplacer vers le sol.
Si il accélère pile à la bonne vitesse, et qu’il gagne 10m/s toutes les secondes, tu ne pourrais pas savoir si tu es dans un ascenseur sur Terre à l’arrêt ou accélérant dans l’espace.

Et c’est logique en un sens. Que le contenant bouge autour des objets ou que les objets bougent dans le contenant, c’est physiquement équivalent.

Et voilà pourquoi quelle que soit leur masse, ils chutent simultanément. On peut imaginer un objet très léger ou très lourd, si l’équivalent de leur chute est une accélération de l’ascenseur, le sol les atteint en même temps.

La gravité et l’accélération sont donc un seul et unique principe physique. On parle désormais d’accélération de la pesanteur.

Einstein pousse alors son raisonnement plus loin encore : Il imagine un ascenseur dans le vide, immobile, avec une raie de lumière qui va d’un côté à l’autre. La lumière devrait tracer un trait droit et horizontal.
Si la même expérience est faite dans un ascenseur qui accélère vers le haut, alors la lumière devrait atteindre l’autre côté en étant un peu plus basse qu’à son départ.

Or, on a vu que l’accélération et la gravité sont équivalentes, donc logiquement, si l’expérience est fait sur Terre, la lumière devrait être soumise aussi à la gravité et se comporter de même.

Cela permet de démontrer que la lumière est soumise à la gravité, comme n’importe quel objet. Cela veut dire qu’avec un astre massif, comme le Soleil, il serait possible d’observer cette déformation de la lumière autour de ce dernier.

Un peu comme une loupe ou des déformations d’une plaque de verre. C’est ce qu’on appelle une lentille gravitationnelle.

Mais pointer un télescope vers le Soleil c’est risquer de se brûler les yeux… ou d’endommager le télescope.
Un des correspondant d’Einstein, George Ellery Hale, propose alors d’en faire l’observation durant une éclipse.

En 1919, Sir Arthur Eddington va suivre ces conseils et va apporter la preuve de la théorie d’Einstein par l’observation des étoiles aux abords du soleil, qui semblent effectivement s’être déplacées par rapport à leur position réelle. Notamment certaines étoiles qui devraient être cachées par le Soleil semblent être positionnées à ses abords.

Cette confirmation fait alors d’Einstein la figure populaire que l’on connaît et le symbole de la science qu’il est toujours aujourd’hui.

Mais le principe d’équivalence et la trajectoire de la lumière pose une question fondamentale : Qu’est-ce ce que c’est une ligne droite si ce n’est pas le chemin parcouru par la lumière ?

Pour einstein, parler de ligne droite n’a pas vraiment de sens.
Selon lui, l’espace, et plus particulièrement l’espace temps, est courbe. Il est déformé par tous les champs gravitationnels auquel il est soumis.

Mais si cela semble aller à l’encontre de la physique Newtonienne, qui stipule qu’un corps soumis à aucune force se déplace en ligne droite, Einstein propose une solution qui permet non seulement de ne pas la remettre en cause mais explique au passage l’origine de la gravité.

L’idée est que l’adage : “le chemin le plus court est la ligne droite” n’est pas vrai tout le temps.

Prenons un exemple : les déplacements sur Terre, et surtout les longues distances.
Si tu voyages entre deux points, tu ne fais pas réellement une ligne droite. Éventuellement sur la carte, et encore.
Mais pas sur la surface du Globe, dont la surface est courbe, même si c’est la distance la plus courte, ce n’est pas une ligne droite, mais un arc.

Einstein dit alors que la trajectoire de la lumière n’est pas réellement déformée par la gravité du soleil, mais qu’en réalité elle se déplace en suivant la trajectoire la plus courte dans l’espace-temps qui lui-même est déformé et donne l’illusion d’une lentille gravitationnelle.

Le trajet le plus court remplaçant alors la ligne droite édictée par Newton pour définir le déplacement des objets qui ne sont soumis à aucune force extérieure.

Ainsi, les orbites du système solaire ne sont pas un équilibre entre l’inertie de la planète et la gravité du soleil, la première tendant à les faire partir en ligne droite et la seconde les attirant vers le soleil telle une ficelle retenant un poids.

Pour Einstein, la Terre se déplace bien de manière inertielle, sans force extérieure, mais dans un espace-temps qui est déformé par la gravité du Soleil.

Ainsi, le fait qu’elle forme une orbite est alors aussi logique et inévitable que de revenir au même point lorsque l’on fait le tour de la Terre.

Un autre exemple de ce qui pourrait paraître provenir d’une force ou une quelconque action extérieure mais qui n’est dû qu’à une logique géométrique :
Imagine deux personnes partant du même point pour un tour du monde dans des directions différentes. Au début la distance entre eux va augmenter puis se réduire à nouveau, jusqu’à ce que leurs trajectoires se croisent, de l’autre côté de la Terre.

Quelle que soit l’angle qui sépare leur trajectoire, quelle que soit leur orientation, et il est impossible de faire autrement, s’il partent du même point, ils se rejoindront toujours.

Aucune influence extérieure, aucune magie noire, tout n’est que géométrie.

Einstein n’a donc pas réellement expliqué la gravité, il l’a remplacée par une déformation de l’espace-temps.

Mais étonnamment, les lois de newton sont tellement précises que malgré les travaux d’Einstein, dans la majorité des cas, elles sont encore utilisées, notamment pour aller sur la Lune. Car seuls quelques cas particuliers, ou lors de mesures par des appareil extrêmement précis, peuvent montrer des différences entre la réalité et la physique newtonienne.

Un des cas particuliers, sont par exemple les trous noirs où la gravité est si forte que l’espace-temps est tellement déformé qu’il crée une réelle scission entre newton et einstein.

Détruire le temps

Avec la simple déformation de l’espace lui-même en fonction de la masse, on peut expliquer les orbites. Mais alors pourquoi dire que c’est l’espace-temps qui se déforme ?

Nous avons démarré par la mesure du temps telle qu’elle a été créée par l’humanité, nous allons terminer par l’humanité remettant en cause l’aspect universel et immuable du temps qui passe. Le pire est que l’explication est

Reprenons l’expérience de pensée de l’ascenseur d’Einstein avec la lumière qui forme un léger arc lorsqu’il y a de l’accélération.

Tu t’imagines bien que la trajectoire de la lumière dans ces conditions est un tout petit peu plus longue que la ligne droite.

Mais que l’on soit soumis ou non à la gravité, elle va mettre toujours le même temps car dans le cas où c’est l’ascenseur qui se déplace, pour un observateur extérieur, elle se déplace toujours en ligne droite, et l’arc est une forme d’illusion pour le second observateur à l’intérieur de l’ascenseur.

Donc, pour l’un, une ligne droite, pour l’autre, un arc.

La vitesse de la lumière dans le vide est constante.
Elle ne peut pas être plus rapide ou plus lente. Constante.

Si la distance est différente et que la vitesse est constante, le temps devrait être différent.

En 2h on parcourt plus de distance qu’en 15 min à 50km/h. Jusque là c’est logique.

Sauf qu’ici, on a donc deux observateurs qui mesurent deux distances parcourues, à la même vitesse, avec des durées différentes…

Imaginez deux personnes qui mesurent le temps d’une voiture autour d’un circuit et le temps qu’il vous donnent n’est pas le même.
Vous en déduisez deux théories de problème de mesure du temps :
soit il y a erreur de manipulation du chronomètre,
soit il y a un problème dans le chronomètre lui-même avec l’un des deux qui est un peu plus lent que l’autre.

Sauf que dans le cas de l’ascenseur et le rayon de lumière, la mesure est parfaite et les instrument sont parfaits.

Il ne reste plus alors qu’une solution : le temps s’écoule différemment pour l’observateur selon s’il est à l’intérieur ou à l'extérieur de l’ascenseur.

Plus on est soumis à une grande vitesse, plus cet effet est notable.
Plus l’horloge utilisée pour la mesure est précise, plus cet effet est mesurable.

Un des cas où cet effet a été perçu, c’est lors de la mise en service des GPS.

Ils tournent autour de la Terre à grande vitesse par rapport aux récepteurs au sol. Il sosnt aussi moins soumis au champs gravitationnel de la Terre car plus loin.
Leur horloge est donc légèrement décalée par rapport à ton smartphone.

Mais le principe même du GPS c’est de demander à 3 satellites (ou plus) quelle heure il est de manièr très précise et selon le temps indiqué, connaître notre distance par rapport à eux.

En connaissant la distance par rapport à 3 points, on peut alors connaître sa localisation.

Sans prendre en compte la théorie de la relativité, le décalage serait d’environ 38 microsecondes par jour : 45 microsecondes dues à la gravité terrestre un peu plus faible au fur et à mesure de la distance par rapport à son centre auquel on retranche 7 micro seondes dues à la vitesse de déplacement des satellites… sauf que pour que le GPS soit précis, il est nécessaire d’obtenir des horodatages à la nanoseconde près.

Sans prendre en compte la relativité, les GPS seraient donc complètement imprécis donc inutiles au bout de seulement 2 minutes et un décalage de 10km serait observé chaque jour.

Ces satellites sont sont conçus pour calculer la dilatation du temps et adapter leur horloge en fonction de cette dernière.

Conclusion

Je pourrais aller encore plus loin et parler de gravitrons, du boson de higgs, chacun apportant sa pierre à l’édifice de la science astrophysique.

Mais à l’heure actuelle il n’y a pas encore de réponse simple et aisément explicables.
Aller plus loin serait se diriger vers la physique quantique.

Le prochain défi sera d’ailleurs de réconcilier l’infiniment grand et l’infiniment petit qui paraissent être si différents dans leur fonctionnement.

Mais on y arrivera un jour, comme on est arrivé à réunir les phénomènes cosmiques à la simple chute d’une pomme sur Terre.

Conclusion de l'acte

S’il y a une chose qui est particulier à l’humanité, à notre connaissance en tout cas, c’est bien sa volonté de tout savoir, de tout dompter de tout maîtriser.

Parfois pour le pire, mais en réalité souvent pour le meilleur.

Certains, encore actuellement, tentent de remettre en cause des bases aussi universellement admises que la rotondité de la Terre.
C’est très humain, ça ;-)

Ne jamais être satisfait d’une réponse toute faite. Le voir pour le croire. Le comprendre pour l’apprendre et l’intégrer.

Il est tentant de se moquer de ces personnes qui veulent redémontrer ce qui te parait si évident.
Mais tenter de remettre en cause ce qui est érigé au statut de vérité absolue, on l’a vu, c’est parfois aussi ce qui a fait avancer la science.
Le tout étant d’accepter de revoir sa copie lorsque l’expérience ne donne pas les résultats attendus.

Et là tu vas me dire “mais moi je ne suis pas légitime, je ne suis pas un scientifique, où est-ce que je me situe dans cette passation, cette amélioration continue des connaissances humaines ?”

Comme on l’a vu avec ceux qui ont entouré Kepler, faire avancer la science, c’est parfois simplement transmettre à d’autre l’émerveillement d’un domaine qui te passionne et ainsi les lancer sans le savoir dans une voie qui changera peut-être le monde.

Que se soit communiquer discrètement un ouvrage de Nicolas Copernic, ou plus actuel, partager avec un autre humain l’émerveillement que te procure un domaine en particulier ou un article sur une découverte scientifique récente.

Cela n’est pas obligatoirement en lien le ciel nocturne, cela peut-être l’Histoire (avec un grand H) et par exemple sa période la plus méconnue qu’est le Moyen Age, ou alors l’informatique et son code qui agit tel des sorts sur des éléments de silicium et qui a, e quelques années, transformé nos vies.

Et parfois, la connaissance n’est pas scientifique, elle est plus intime, plus humaine. Des histoires avec un petit h, des expériences.

Et pourquoi pas simplement partager les questions que tu te poses. Celui qui te donnera la réponse, la donnera aussi à d’autres.

Nous sommes dans une période propice à la communication et il n’a jamais été aussi facile de se renseigner ou de transmettre le patrimoine que représentent les connaissances humaines.
Mettre en commun nos expériences et célébrer ensemble l’émerveillement que l’on peut ressentir lorsque l’on découvre quelque chose.

Je caresse l’espoir que cela nous pousse à être meilleurs sur le long terme :

Je vais te faire part de la plus belle image que je connaisse pour représenter la connaissance, individuelle ou à l’échelle de l’humanité.

Ce que l’on sait est comme un disque de lumière projeté sur la surface de ce qu’il y a à découvrir. Plus on en sait, plus on prendre de la hauteur avec la lampe de la connaissance.

Et plus on prend de la hauteur, plus grand est le disque éclairé par le savoir.

Mais ce qui grandit aussi, c’est aussi le pourtour de ce disque, la frontière entre le fait de savoir et celui d’ignorer.

C’est un peu comme pour notre place dans l’Univers, dont l’échelle te fais sentir tout petit maintenant que tu le connais un peu mieux : plus tu sais, plus tu est conscient de ce que tu ignores, et plus tu en es conscient, plus tu sauras attendre d’avoir des éléments pour juger.

Individuellement, nous ne sommes rien, à l’échelle de notre espèce, toujours pas grand chose, mais nous accomplissons des choses qui dépassent largement notre échelle.

On verra à quel point dans une prochaine balade.
Et comment l’astronomie seule ne suffit pas à projeter l’humanité dans l’espace
Cette conquête, c’est l’avancée de la science dans son entièreté et ses multiples disciplines.

Il n’y a rien qui ne vaille pas le coup d’être recherché.
Sois curieux, crée, découvre, comprend et transmets.

Et ainsi, contribue à créer ce reflet dans les yeux de toute l’humanité.

Une co-production de

Phil_Goud : Texte et narration
Redscape : Mise en musique, mixage, voix des anciens, outro

Génériques (Début+Fin) : “Euphotic” Carbon Based Lifeforms (Interloper) 2015 Blood Music
Avec l’aimable autorisation de Carbon Based Lifeforms pour la réutilisation de sa musique.
Voix du générique : Karine

Crédits musiques

"#3" Aphex Twin (Selected Ambient World II) 1994 Warp Records
"Saturday Barbecue With New Neighbours" HUVA Network (Ephemesis) 2009 Ultimae Records
"Inside EyeSight" Martin Nonstatic (Granite) 2015 Ultimae Records
"C O S M" Jon Hopkins (Singularity) 2018 Domino
"Moan (Remix)" Trentemøller (The Last Resort) 2007 Poker Flat Recordings
“Saturn Strobe” Pantha Du Prince (This Bliss) 2007 Dial

Les artistes

Aphex Twin : https://aphextwin.warp.net
HUVA Network : https://ultimae.com/artists/h-u-v-a-network/
Martin Nonstatic : https://ultimae.com/artists/martin-nonstatic/
Jon Hopkins : https://jonhopkins.co.uk/
Trentemøller : https://www.trentemoller.com/
Pantha Du Prince : http://www.panthaduprince.com/

Crédit image

Greg Rakozy https://unsplash.com/photos/0LU4vO5iFpM