No Shadow of a Doubt : L’éclipse de 1919 qui a confirmé la théorie de la relativité d’Einstein Daniel Kennefick Princeton University Press (2019)
Le siècle de la gravité : De l’éclipse d’Einstein aux images des trous noirs Ron Cowen Harvard University Press (2019)
La guerre d’Einstein : comment la relativité a triomphé au milieu du nationalisme vicieux de la Première Guerre mondiale Matthew Stanley Dutton (2019)
En 1916, Albert Einstein a publié sa théorie générale de la relativité dans tous ses détails mathématiques. Cela ouvrait la fenêtre sur un cadre radicalement nouveau pour la physique, abolissant les notions établies d’espace et de temps et remplaçant la formulation des lois de la gravité de Newton. La révolution d’Einstein devait changer le cours de la science ; mais dans les années qui suivirent immédiatement la publication, il n’y avait aucune preuve observationnelle définitive que sa théorie était correcte.
Entrez Arthur Stanley Eddington. Astronome intéressé par la théorie d’Einstein en raison de ses vastes implications pour l’astrophysique et la cosmologie, Eddington se chargea de la prouver. En exploitant une éclipse totale de soleil, il a fait valoir que la déviation, ou courbure, de la lumière par la gravité du Soleil pouvait être mesurée. Il s’agissait d’un test crucial, car la théorie d’Einstein prévoyait une déviation deux fois plus importante que celle obtenue avec la loi de la gravitation universelle d’Isaac Newton. L’éclipse nécessaire a eu lieu il y a 100 ans, en 1919. Eddington est désormais associé à jamais à deux expéditions pour l’observer : depuis Sobral, dans le nord du Brésil, et depuis l’île de Príncipe, au large des côtes de l’Afrique occidentale. Ces expéditions capitales constituent le noyau de trois livres commémorant le centenaire : No Shadow of a Doubt du physicien Daniel Kennefick, Gravity’s Century du journaliste scientifique Ron Cowen, et Einstein’s War de l’historien des sciences Matthew Stanley.
La théorie d’Einstein, dont l’élaboration a duré huit ans, est née des idées qu’il avait développées après avoir publié sa théorie de la relativité restreinte en 1905. L’un des effets prédits par la nouvelle théorie était que les rayons lumineux passant à proximité d’un corps massif, comme une étoile, devaient être courbés par son champ gravitationnel. Cet effet avait été prédit qualitativement à l’aide de la théorie de la gravité de Newton. De manière séduisante, Newton lui-même avait écrit dans son opus Opticks de 1704 : « Les corps n’agissent-ils pas sur la lumière à distance, et par leur action ne courbent-ils pas ses rayons… ? ». Mais rien ne prouve qu’il ait calculé l’ampleur de cet effet (le premier calcul complet a été publié par le mathématicien allemand Johann Georg von Soldner, en 1804).
La théorie de la gravité de Newton ne formulait pas, bien sûr, la gravité comme une conséquence de l’espace courbe. C’était l’innovation d’Einstein. Et lorsqu’il a calculé l’effet, il a confirmé que la lumière est déviée (comme dans la théorie newtonienne), mais à travers un espace courbé. C’est cette courbure qui double la déviation.
Conditions de test
Einstein expose publiquement pour la première fois la théorie générale de la relativité à l’Académie des sciences de Prusse en 1915. La Première Guerre mondiale est alors bien engagée, dans toute son horreur. L’année suivante, malgré la rupture des canaux de communication en temps de guerre, Eddington et son collègue astronome Frank Watson Dyson – alors directeur de l’observatoire de Cambridge et astronome royal, respectivement – parviennent à obtenir les articles publiés par Einstein. Dyson a immédiatement compris que l’éclipse totale de soleil de 1919 constituerait un test idéal.
Pendant cette éclipse, le Soleil se trouverait devant les Hyades, un amas d’étoiles brillantes dans la constellation du Taureau. Ainsi, à la totalité, de nombreuses étoiles seraient visibles près du disque éclipsé. (Ce point était essentiel car l’effet de déformation de la lumière prédit par Einstein est plus important pour les étoiles observées à proximité du Soleil). Les positions des étoiles par rapport au Soleil pouvaient être enregistrées et mesurées sur des plaques photographiques, puis comparées à des plaques de référence montrant les étoiles lorsque le Soleil n’était pas dans le champ de vision. Tout décalage apparent, causé par le champ gravitationnel du Soleil, pouvait alors être calculé. Plus on mesurait d’étoiles, plus les observateurs avaient de chances de corriger les erreurs systématiques et de réduire les erreurs aléatoires.
C’était l’idée. Mais il y avait de nombreux obstacles pratiques à surmonter, à la fois dans les détails techniques des observations et dans la logistique de l’expédition. Le chemin de la totalité de l’éclipse passait du nord du Brésil à l’Afrique de l’Ouest en passant par l’Atlantique, ce qui rendait impossible l’organisation d’une expédition depuis la Grande-Bretagne avant la fin des hostilités. L’armistice de novembre 1918 laisse juste assez de temps pour mettre le plan à exécution. Dyson, responsable de l’ensemble des expéditions, reste en Angleterre. Eddington se rendit à Príncipe ; Andrew Crommelin, qui travaillait à l’Observatoire royal de Greenwich, à Londres, se rendit à Sobral.
Les détails de ces deux expéditions sont bien servis par No Shadow of a Doubt. Méticuleusement recherché et écrit de manière vivante, le récit est sûr de devenir l’ouvrage de référence standard sur cet exemple fascinant de « Big Science ». Eddington, révèle Kennefick, n’a pas eu de chance. Rencontré par le mauvais temps à Príncipe, il a réussi à faire moins de mesures qu’il ne l’avait espéré. Ensuite, un projet de grève d’une compagnie de bateaux à vapeur a fait qu’il n’a pas pu rester à Príncipe assez longtemps pour mesurer sur place les positions des étoiles sur ses plaques, et a dû au contraire faire l’analyse après son retour en Angleterre.
Crommelin a bénéficié de conditions bien meilleures au Brésil. Malgré des problèmes techniques d’équipement qui ont laissé de nombreuses plaques très floues, ses mesures ont été décisives, et étaient sensiblement plus proches de la prédiction d’Einstein que de celle de Newton. Les résultats ont été annoncés collectivement en novembre de la même année, lors d’une réunion spéciale conjointe de la Royal Society et de la Royal Astronomical Society à Londres. Cela a fait la une des journaux dans le monde entier.
Questions et confirmation
Cette conclusion initiale de Dyson, Eddington, Crommelin et leurs équipes a ensuite été confirmée par de nombreuses autres expériences d’éclipse. Pourtant, Eddington a été accusé par certains d’avoir mal géré les mesures de l’éclipse. Le titre de Kennefick, No Shadow of a Doubt, est donc à la fois un jeu de mots et une déclaration d’intention visant à dissiper ces soupçons. Kennefick discute les critiques de manière assez détaillée. Je peux ajouter quelques brefs points.
L’un est qu’Eddington a dû adopter un plan B lors de l’analyse des données de Príncipe, après que la malchance lui ait forcé la main ; mais, à mon avis, il n’a rien fait de déraisonnable. Toutes les mesures de l’éclipse de 1919 sont présentées sous forme de tableau (dans F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333 ; 1920). Il est simple, et aussi très instructif, de les analyser en utilisant des techniques statistiques modernes. Je l’ai fait, et je n’ai trouvé aucune preuve qu’Eddington ait « truqué les livres ». C’est une grande malchance qu’aucune des plaques originales des deux expéditions n’ait survécu : sinon, il aurait été possible de les mesurer à l’aide de technologies plus sophistiquées. Les plaques d’Eddington ont été perdues après sa mort en 1944 – sa sœur les a peut-être jetées lorsqu’elle a été contrainte de quitter la maison de Cambridge qu’ils partageaient. Les plaques de Crommelin semblent avoir disparu au cours des réorganisations successives de l’Observatoire royal.
Gravity’s Century se concentre davantage sur les ramifications plus larges de la théorie d’Einstein en cosmologie et en astrophysique, notamment les trous noirs et les ondes gravitationnelles. Avec moins de 200 pages, le livre de Cowen est une lecture aérée et agréable, un ajout bienvenu à une étagère bondée de livres sur ces sujets.
Cowen se penche également sur l’incarnation d’Einstein en tant qu’icône culturelle. L' »année miracle » de 1905, lorsqu’il a publié des articles sur le mouvement brownien et l’effet photoélectrique ainsi que sur la relativité restreinte, a fait d’Einstein une star de la physique. Les expéditions d’éclipses de 1919 ont fait bien plus, cimentant sa réputation parmi les physiciens et le transformant en superstar internationale. Pourtant, à mon avis, cette célébrité soudaine s’explique en partie par le fait que l’expédition a eu lieu juste après la fin de la guerre. De plus, il s’agissait d’une expérience britannique testant les idées d’un théoricien allemand. Après quatre terribles années de mort et de destruction, peut-être les gens ont-ils trouvé dans le triomphe d’Einstein un symbole d’une sorte de réconciliation.
Stanley partage ce point de vue dans Einstein’s War. Détaillé et lisible, ce livre complète No Shadow of a Doubt en tant que récit des expéditions d’éclipse et de leur toile de fond politique. Il est particulièrement révélateur du travail scientifique et de la vie privée d’Einstein jusqu’aux événements capitaux de 1919 – notamment en montrant comment ils ont été affectés par la Première Guerre mondiale.
L’un des faits intéressants du récit de Stanley est qu’Einstein avait tenté de calculer la courbure de la lumière en 1911, avant de formuler la théorie générale de la relativité. Son résultat était exactement le même que la valeur newtonienne. Je me suis demandé ce qu’il serait advenu de sa réputation si des mesures avaient été effectuées à l’époque. Auraient-elles été un échec ? Ou l’auraient-elles simplement poussé à redoubler d’efforts pour produire la théorie complète, avec son facteur crucial de deux ?