Comment Einstein a fait la plus grosse gaffe de sa vie

Imaginez ce que cela a dû être d'étudier l'Univers, à un niveau fondamental, au début des années 1900. Pendant plus de 200 ans, la physique de Newton a semblé régir la façon dont les objets se déplaçaient, avec la loi de la gravitation universelle de Newton et les lois du mouvement dictant comment les choses se déplaçaient sur Terre, dans notre système solaire et dans le grand univers. Récemment, cependant, quelques défis à l'image de Newton ont émergé. Vous ne pouviez pas continuer à accélérer des objets à des vitesses arbitraires, mais plutôt tout était limité par la vitesse de la lumière. L'optique de Newton ne décrivait pas la lumière aussi bien que l'électromagnétisme de Maxwell, et la physique quantique - encore à ses balbutiements - posait de nouvelles séries de questions aux physiciens du monde entier.

Mais peut-être que le plus gros problème était posé par l'orbite de Mercure, mesurée avec précision depuis la fin des années 1500 et au mépris des prédictions de Newton. C'est sa quête pour expliquer cette observation qui a conduit Albert Einstein à formuler la théorie générale de la relativité, qui a remplacé la loi de la gravitation de Newton par une relation entre la matière et l'énergie, qui courbe l'espace-temps, et cet espace-temps courbe, qui indique la matière et -énergie comment se déplacer.

Pourtant Einstein n'a pas publié cette version de la relativité générale ; il a publié une version qui comprenait un terme supplémentaire ad hoc : une constante cosmologique, ajoutant artificiellement un champ supplémentaire à l'Univers. Des décennies plus tard, il l'appellerait sa plus grosse erreur, mais pas avant de l'avoir doublée plusieurs fois au fil des ans. Voici comment l'homme le plus intelligent de l'histoire a fait sa plus grosse gaffe, avec des leçons pour nous tous.

La relativité générale, surtout, a été construite à partir de trois pièces de puzzle qui se sont réunies dans l'esprit d'Einstein.

Ces trois notions, mises ensemble, ont conduit Einstein à concevoir la gravité différemment : au lieu d'être gouvernée par une force invisible à action infiniment rapide qui agissait sur toutes les distances et à tout moment, la gravitation était plutôt causée par la courbure de l'espace-temps, qui elle-même était induite par la présence de matière et d'énergie en son sein.

Ces trois premières étapes se sont produites respectivement en 1905, 1907 et 1908, mais la relativité générale n'a été publiée dans sa forme définitive qu'en 1915 ; c'est le temps qu'il a fallu à Einstein et à ses collaborateurs pour régler correctement les détails. Une fois qu'il l'a fait, cependant, il a publié un ensemble d'équations - connues aujourd'hui sous le nom d'équations de champ d'Einstein - qui liaient comment la matière, l'énergie et l'espace-temps s'affectaient les uns les autres. Dans cet article, il a vérifié que :

Ce troisième point a conduit à une nouvelle prédiction clé : lors d'une éclipse solaire totale, lorsque la lumière du Soleil était bloquée par la Lune et que les étoiles étaient visibles, la position apparente des étoiles situées derrière le Soleil serait courbée ou décalée, par la gravité du Soleil. Après avoir "manqué" l'occasion de tester cela en 1916 à cause de la Grande Guerre et perdu face aux nuages ​​en 1918, l'expédition d'éclipse de 1919 a finalement fait les observations critiques, confirmant les prédictions de la relativité générale d'Einstein et conduisant à son acceptation généralisée en tant que nouvelle théorie de la gravité.

Mais, comme tout bon scientifique formulant une nouvelle théorie, Einstein lui-même était assez incertain du résultat des expériences et des observations. Dans une lettre au physicien Willem de Sitter en 1917, Einstein a écrit ce qui suit :

"Pour moi… c'était une question brûlante de savoir si le concept de relativité pouvait être suivi jusqu'au bout ou s'il conduisait à des contradictions."

En d'autres termes, bien sûr, après avoir compris les mathématiques de la relativité générale et comment les appliquer avec succès à une variété de situations, le grand défi arrive : l'appliquer à chaque cas physique où il devrait donner une description correcte. Un grand défi à cela, cependant, était quand il s'agissait de l'univers connu de l'époque d'Einstein.

Vous voyez, à l'époque, on ne savait pas encore s'il existait d'autres galaxies là-bas – ce que les astronomes de l'époque appelaient l'hypothèse de « l'univers insulaire » – ou si tout ce que nous observions était contenu dans la Voie lactée elle-même. Il y a même eu un grand débat sur ce même sujet quelques années plus tard, en 1920, et bien que les deux parties se soient disputées passionnément, il n'a pas été concluant. Il était raisonnable, et accepté par beaucoup, que la Voie lactée et les objets qu'elle contenait étaient tout simplement tout ce qu'il y avait.

Cette notion a posé un gros problème à Einstein. Vous voyez, l'un des théorèmes qui était relativement facile à dériver en relativité est le suivant :

Si vous prenez n'importe quelle distribution initiale des masses et que vous les commencez au repos, ce que vous trouverez inévitablement, après un laps de temps fini, c'est que ces masses finiront par s'effondrer en un seul point, ce que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de un trou noir.

Ce serait mauvais, car un trou noir est une singularité, où l'espace et le temps arrivent à leur terme et où aucune prédiction physique sensée ne peut être faite. Cela a précisément soulevé le type de contradiction qui inquiète Einstein. Si notre Voie lactée était simplement un grand ensemble de masses qui se déplaçaient toutes très lentement les unes par rapport aux autres, ces masses devraient inévitablement provoquer l'effondrement de l'espace-temps dans lequel elles étaient présentes. Et pourtant, notre Voie lactée ne semblait pas s'effondrer et ne s'était manifestement pas effondrée sur elle-même. Afin d'éviter ce type de contradiction, Einstein a postulé que quelque chose de plus - un nouvel ingrédient ou effet - devait être ajouté à l'équation. Sinon, la conséquence inacceptable d'un univers instable qui devrait s'effondrer (et pourtant, d'après les observations, ne semble pas l'être) ne pourrait pas être éludée.

En d'autres termes, si l'Univers est statique, il ne peut pas simplement s'effondrer ; ce serait vraiment mauvais et irait à l'encontre de ce que nous voyions. Alors, comment Einstein l'a-t-il évité ? Il a introduit un nouveau terme dans les équations : ce que l'on appelle aujourd'hui une constante cosmologique. Dans ses propres mots, écrivant à nouveau en 1917, Einstein a déclaré ce qui suit :

"Pour arriver à cette vue cohérente, nous avons certes dû introduire une extension des équations de champ de la gravitation qui n'est pas justifiée par notre connaissance réelle de la gravitation... Ce terme n'est nécessaire que dans le but de rendre possible une distribution quasi-statique de la matière, comme l'exige le fait des petites vitesses des étoiles."

C'est assez dur d'appeler cela une erreur, car sa ligne de pensée est facile à suivre et semble raisonnable. Nous savons que:

La seule option qu'Einstein avait trouvée était ce terme supplémentaire qu'il pouvait ajouter sans introduire de pathologies supplémentaires dans sa théorie : un terme de constante cosmologique.

D'autres personnes - je dois préciser ici que ce sont d'autres personnes très intelligentes et très compétentes - ont pris ces équations et ces concepts mis en avant par Einstein et en ont tiré les conséquences inévitables.

Tout d'abord, Willem de Sitter, plus tard en 1917, a montré que si vous prenez un Univers modèle avec seulement une constante cosmologique (c'est-à-dire sans autres sources de matière ou d'énergie), vous obtenez un espace-temps vide à quatre dimensions qui s'étend éternellement à un rythme constant.

Deuxièmement, en 1922, Alexander Friedmann a montré que si vous faites l'hypothèse, dans la relativité d'Einstein, que l'univers entier est uniformément rempli d'un certain type d'énergie - y compris (mais sans s'y limiter) la matière, le rayonnement ou le type d'énergie qui donner une constante cosmologique - alors une solution statique est impossible, et l'Univers doit soit se dilater, soit se contracter. (Et que cela est vrai, que la constante cosmologique existe ou non.)

Et troisièmement, en 1927, Georges Lemaître a construit sur les équations de Friedmann, les appliquant à la combinaison des distances galactiques mesurées par Hubble (à partir de 1923) et aussi au mouvement de récession apparemment important de ces galaxies, mesuré plus tôt par Vesto Slipher (dès 1911). Il a conclu que l'Univers est en expansion et a non seulement soumis un article à ce sujet, mais a également écrit à Einstein à ce sujet personnellement.

La raison pour laquelle la constante cosmologique est souvent appelée "la plus grande erreur d'Einstein" n'est pas à cause de la raison pour laquelle il l'a formulée à l'origine ; c'est à cause de sa réaction imméritée, déraisonnable et peut-être même déséquilibrée aux critiques valables et aux conclusions contraires de tous les autres. Einstein a largement, et à tort, critiqué les dérivations de de Sitter, se révélant faux à tous égards par de Sitter et Oskar Klein dans une série de lettres tout au long de 1917 et 1918. Einstein a critiqué à tort le travail de Friedmann en 1922, le qualifiant d'incompatible avec les équations de champ ; Friedmann a correctement souligné l'erreur d'Einstein, qu'Einstein a ignorée jusqu'à ce que son ami, Yuri Krutkov, lui explique, à quel point il a retiré ses objections.

Et pourtant, en 1927, quand Einstein prend connaissance des travaux de Lemaître, il rétorque : « Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable », ce qui se traduit par : « Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable ». Il a maintenu cette position en 1928, lorsque Howard Robertson est parvenu indépendamment aux mêmes conclusions que Lemaître avec des données améliorées, et n'a pas changé d'avis avec la démonstration écrasante de Hubble (et, plus tard, de Humason) que des objets plus éloignés (avec des distances déterminées à l'aide du légendaire d'Henrietta Leavitt méthode) s'éloignaient plus rapidement en 1929. Hubble a écrit que la découverte pourrait "représenter l'effet de Sitter" et "introduit donc l'élément de temps" dans l'Univers.

Tout au long de tout cela, Einstein n'a pas du tout changé sa position. Il a soutenu que l'Univers doit être statique et que la constante cosmologique est obligatoire. Et, parce qu'il était Einstein, de nombreuses personnes - y compris Hubble - ont tenté d'interpréter ces données comme impliquant l'expansion de l'Univers. Ce n'est qu'en 1931, lorsque Lemaître écrivit une lettre très influente à Nature, où il rassembla complètement les pièces : que l'Univers pourrait évoluer dans le temps s'il partait d'un état plus petit et plus dense et s'était étendu depuis. Ce n'est qu'à la suite de cela qu'Einstein a finalement admis que, peut-être, il avait sauté le pas en introduisant une constante cosmologique dans le seul but de maintenir l'Univers statique.

Avec le recul, la constante cosmologique est désormais une partie très importante de la cosmologie moderne, car c'est la meilleure explication que nous ayons des effets de l'énergie noire sur notre Univers en expansion. Mais si Einstein ne l'avait pas introduit et continuait à le défendre et à s'y tenir comme il l'avait fait - s'il avait simplement suivi les équations - il aurait pu dériver l'Univers en expansion en conséquence de ses équations, tout comme Friedmann l'a fait et, plus tard , Lemaître, Robertson et autres.

C'était une petite erreur d'introduire un terme étranger et inutile dans ses équations, mais sa plus grande erreur a été de défendre son erreur face à des preuves accablantes. Comme nous devrions tous l'apprendre, dire « j'avais tort » lorsqu'il s'avère que nous sommes dans l'erreur est la seule façon de grandir.

L'auteur reconnaît la conférence plénière de Dan Scolnic lors de la 242e réunion de l'American Astronomical Society pour avoir découvert bon nombre de ces faits et citations.