Ecole doctorale de Physique de la région Parisienne (ED107)

1.1.3 Tests et prédictions
1.1 Relativité générale 11
Ainsi formulée, la théorie d’Einstein de la gravitation prédit ou explique quantitativement
divers phénomènes qui ont pu être vérifiés expérimentalement :
- la déviation de la lumière par un champ de pesanteur, observée dès 1919 par Eddington
pendant une éclipse totale de Soleil 1 . Une illustration assez remarquable de ce
phénomène est la célèbre “Croix d’Einstein”, voir la figure 1.1, où la lumière d’une
galaxie lointaine (quasar Q2237+030) nous parvient amplifiée et par quatre chemins
différents, du fait de la présence d’une autre galaxie sur la ligne de visée ;
- l’influence de la gravitation sur le cours des horloges ;
- l’avance du périhélie de Mercure ;
- l’expansion de l’Univers et le décalage vers le rouge associé ;
- etc.
La plupart de ces prédictions ne sont pas propres à la relativité générale et peuvent assez
facilement être faites par d’autres théories [tenseur-scalaire type Fierz (1956), Jordan
(1959), Brans & Dicke (1961) par exemple] 2 . Ceci se comprend bien lorsque l’on remarque
que dans chacun des exemples cités, la cosmologie restant à part, l’effet de la gravitation
n’est mis en évidence que sur une particule test dont la nature n’influence pas la mesure.
Ainsi l’on peut considérer comme une épreuve plus décisive pour la théorie une situation
où “l’appareil de mesure” lui-même influence le champ de gravitation. On peut alors tester
la théorie en champ fort et le principe d’équivalence fort. Ce dernier, qui est une
particularité de la théorie d’Einstein et de quelques rares autres théories, suppose que
la gravitation elle-même est soumise au principe d’équivalence faible et peut donc être
localement formulée comme en l’absence de champ 3 . Lorsque l’on étudie la dynamique
d’un système auto-gravitant, tel le pulsar binaire PSR B1913+16 dont l’observation minutieuse
(voir figure 1.2) valut à Hulse & Taylor (1975) le prix Nobel de Physique 1993,
on peut tester ce principe et la gravitation en champ fort. Hulse et Taylor vérifièrent
ainsi que la période orbitale du pulsar binaire diminue dans le temps exactement de la
façon prévue par la relativité générale qui interprète ce phénomène comme la perte, par le
système, d’énergie émise sous forme d’ondes gravitationnelles. Cette expérience ne rejette
pas complètement les théories alternatives de la gravitation, mais elle les contraint bien
plus fortement que beaucoup d’autres 4 .
1 même si en toute rigueur l’expérience ne pouvait pas vraiment être jugée concluante.
2 Il convient toutefois de noter que ceci est surtout vrai qualitativement car les mesures faites par Very
Long Baseline Interferometry (VLBI) à l’intérieur du système solaire sur la déviation de la lumière sont
tellement contraignantes pour la théorie de Jordan-Fierz-Brans-Dicke qu’elles l’interdisent. Voir Lebach
et al. (1995).
3 Pour tenter d’éclaircir ce principe, on peut dire qu’il stipule l’égalité entre les masses gravitationnelles
actives et passives ou bien encore que, selon lui, la gravitation elle-même doit graviter.
4 Les expériences qui mesurent des distances internes au système solaire - distance Terre/Lune par
exemple - font elles aussi appel à des objets non ponctuels auto-gravitants. Mais ces expériences correspondent
à des régimes de plus faible champ et apportent donc des contraintes complémentaires de celles
du pulsar. Pour plus de détails, voir par exemple Damour & Esposito-Farèse (1998).