L’éclipse de l’île du Prince

Drapeau Faites le test autour de vous: combien de personnes sont capables d’identifier le drapeau ci-contre, ou de situer sur une carte du monde le petit état de Sao Tomé-et-Principe ? Et pourtant, ce minuscule archipel africain aux plages de carte postale a constitué une étape capitale dans l’histoire de la physique, et qui n’est pas sans lien avec ce qui a constitué l’événement scientifique majeur de ce début d’année: l’observation tant attendue des ondes gravitationnelles.

Un tout petit article de 4 pages

À cette occasion, beaucoup de journaux ont d’ailleurs tiré la conclusion que « Einstein avait raison » (en prédisant l’existence de ces ondes en 1916). Ce qui n’était pas le message le plus important à retenir: depuis un siècle, la théorie de la relativité générale a déjà été maintes fois testée et validée, et personne ne doutait vraiment que les ondes gravitationnelles existassent —que nous fussions capables de les détecter, en revanche, était loin d’être évident.

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Mais revenons donc en arrière: en 1915, Albert Einstein publie, dans les Comptes-Rendus de l’Académie des Sciences de Prusse, un article de 4 pages (et 10 équations): Die Feldgleichungen der Gravitation (les équations de champ de la gravitation) [1]. Cela dit, à cette époque la première guerre mondiale bat son plein, et même chez les physiciens tout le monde est un peu occupé à autre chose: l’exploration de la physique microscopique, avec l’apparition de la mécanique quantique. Certes la théorie d’Einstein est extrêmement élégante, certes elle complète à merveille la relativité restreinte, certes ses implications « philosophiques » sont colossales, mais ses domaines d’application immédiate restent encore très restreints: dans son article initial Einstein affirme seulement qu’elle résout le problème de l’orbite de Mercure, dont les anomalies restaient inexpliquées dans le cadre de la gravitation newtonienne. Est-ce vraiment la peine d’abandonner définitivement celle-ci ?

La physique théorique part en expédition

Une autre conséquence des idées d’Einstein est que les rayons lumineux eux-mêmes (et pas seulement les planètes) voient leur trajectoire (normalement rectiligne) déviée par la présence du Soleil. Dès la fin de la Grande Guerre, l’astronome britannique Arthur Eddington, secrétaire de la Société Royale d’Astronomie, décide de tester cette prédiction. Pour cela, l’idéal serait d’observer les rayons d’une étoile qui passeraient tout près du Soleil… problème: comment voir cette étoile si elle est (en apparence) juste à côté du Soleil ?

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Il suffit d’attendre une éclipse ! Si Einstein a raison, alors la distance apparente entre deux étoiles devrait varier suivant que le Soleil est dans les parages ou non. Second problème pour Eddington: la prochaine éclipse aura lieu… en plein milieu de l’Atlantique sud ! Qu’à cela ne tienne, il choisit d’aller faire ses observations sur la petite île du Prince, alors colonie portugaise, au large de la Guinée Équatoriale.  Et après tout, au XVIIIème siècle les mathématiciens français étaient bien partis au Pérou pour vérifier la théorie newtonienne de la gravitation (voir le billet Au pied du Chimborazo): c’est donc la deuxième fois qu’une idée de physique fondamentale sera validée par une lointaine expédition !

Succès et polémiques

Le 29 mai 1919, Eddington prend donc une série de photographies de l’éclipse. Puis il mesure la position relative des étoiles de la constellation du Taureau, et la compare avec  leurs positions en temps normal. Ses mesures confirment la prédiction d’Einstein ! La théorie de la gravitation de Newton a donc vécu. Eddington revient en Europe, publie ses résultats en 1920, et écrit par la suite le premier livre en anglais sur la relativité générale, se faisant fort de la vulgariser le mieux possible [2]. Son enthousiasme permet de diffuser la théorie de la Relativité parmi la communauté internationale, et également d’alléger un tant soit peu le climat tendu de l’après-guerre entre des deux camps [3]. Il obtiendra ensuite d’autres brillants résultats, notamment sur le fonctionnement interne des étoiles, et sera anobli en 1930.

Mais même s’ils ont été unanimement acceptés sur le moment, les résultats de l’expédition de l’île du Prince feront par la suite l’objet de quelques polémiques: ses mesures étaient-elles vraiment assez précises [4] ? n’était-il pas biaisé dès le départ en faveur de la théorie d’Einstein [5] ? pourquoi certaines mesures contradictoires effectuées au Brésil ont-elles été écartées ? Une ré-analyse ultérieure de ses résultats, avec des moyens plus modernes, semble pourtant confirmer qu’ils étaient bel et bien corrects. De plus, la même observation sera reproduite avec succès lors de plusieurs autres éclipses solaires (en 1922, 1953, 1973). Et de nombreuses autres validations expérimentales viendront ensuite confirmer les prédictions et asseoir la légitimité de la théorie de la relativité générale. Jusqu’à la détection des ondes gravitationnelles, un siècle tout juste après leur prédiction !


Aller plus loin


[1] Si aujourd’hui quasiment tous les articles de physique paraissent en anglais, à l’époque il n’est pas rare pour les chercheurs français, allemands et anglais de publier leurs travaux dans leur langue maternelle, et d’espérer que leurs lecteurs soient polyglottes.
[2] Einstein lui-même aurait déclaré que l’ouvrage d’Eddington, Mathematical Theory of Relativity, était le meilleur exposé existant sur sa propre théorie, toutes langues confondues.
[3] Même si les sanctions internationales contre l’Allemagne affecteront encore pendant plusieurs années les scientifiques (jusqu’au congrès Solvay de 1927).
[4] En effet, même pour l’étoile la plus proche du Soleil sur l’image, la déviation prévue est inférieure à 2 secondes d’arc: c’est tout petit !
[5] Ce qui revient curieusement à lui reprocher de ne pas avoir été biaisé (en défaveur du physicien allemand) par le contexte politique.

2 réflexions sur “L’éclipse de l’île du Prince

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