Théorie de la relativité générale : un monument à conquérir

Le professeur David Sénéchal étudiait au secondaire quand il a été séduit par la théorie de la relativité d’Albert Einstein. Les étudiants Alexandre Bédard-Vallée et Maxime Charlebois, eux, fréquentaient le cégep. Tout le monde connaît cette théorie de nom ou encore la célèbre relation E=mc², mais peu la comprennent ou arrivent à l’expliquer simplement. Ils ont réussi. Comment y sont-ils parvenus?

Une théorie qui fascine

Au début du secondaire, les lectures du professeur David Sénéchal au sujet de la physique, en particulier de l’astronomie, ont provoqué chez lui l’ambition de comprendre la théorie de la relativité. «Le problème est qu'elle s’avère relativement sophistiquée du point de vue mathématique, souligne le directeur du Département de physique. C’était ambitieux de me donner comme objectif de la comprendre avant la fin du cégep. J'ai dû prendre un peu d'avance, notamment en approfondissant les mathématiques dans un bouquin sur les tenseurs et la géométrie riemannienne [du mathématicien Bernhard Riemann].»

Pour Alexandre Bédard-Vallée, étudiant au baccalauréat en physique, et Maxime Charlebois, étudiant au doctorat en physique, l’attrait était aussi irrésistible. Alexandre a d’abord été mis en contact avec la théorie de la relativité restreinte, qui a engendré la fameuse formule E=mc². «Mon vif intérêt pour cette théorie a été un facteur déterminant dans le choix de m’inscrire au baccalauréat en physique afin notamment d’en apprendre davantage.»

«De mon côté, précise Maxime, j'avais découvert l'idée de base à travers plusieurs vulgarisations sur le sujet avant mes études universitaires, mais j’ai eu besoin d’un peu de temps pour apprivoiser le formalisme. Cet apprentissage a été graduel et parsemé de prises de conscience partielles.»

Patience et persévérance

En situation d'apprentissage, les difficultés de compréhension constituent l'une des premières causes de démotivation. Nos curieux de la théorie de la relativité ont plutôt adopté la patience et la persévérance. Petit à petit, à mesure qu’ils ont acquis les notions de base, ils ont pu apprivoiser les nouvelles connaissances.

David Sénéchal a finalement atteint son objectif avant l’université, en assimilant la relativité générale dans le livre Physique théorique – Théorie des champs de Lev Landau et Evguéni Lifchitz. Cet ouvrage, autant que la théorie elle-même, a causé chez lui une profonde impression : il est devenu physicien.

Alexandre Bédard-Vallée, lui, a développé une bonne compréhension cette année seulement, durant son cours Relativité générale. «Si je devais choisir un déclic, je dirais sans hésiter le moment où on m’a fait remarquer que l’explication de la gravité d’Isaac Newton n’est pas totalement correcte. Il faut plutôt imaginer que les masses (comme les planètes et les étoiles) déforment l’espace-temps (sensiblement à la manière de déposer une boule de quille sur la toile d’un trampoline) et que les autres corps circulant dans cet espace-temps subiront des effets (par exemple, si on lançait une petite bille sur la même toile, elle serait attirée par le creux.»

Maxime Charlebois considère également avoir compris la relativité générale dans un cours de baccalauréat qu’il a suivi en physique à l'Université Laval. «Selon moi, il restera toujours un peu plus de détails à maîtriser, mais, grâce à ce cours, j'ai atteint un niveau de compréhension suffisant pour satisfaire ma curiosité. Cela m'a permis de démystifier le fonctionnement des GPS et accessoirement de comprendre, dans une certaine mesure, le film Interstellaire.»

Au Département de physique de l'Université de Sherbrooke, le cours de relativité générale se donne tous les ans depuis 2003, une régularité qui illustre bien à quel point cette théorie est très importante.

Une profonde impression

Au final, tous s’entendent pour dire que l'exploration de la relativité générale constitue un exercice passionnant et formateur.

«Même si mes recherches n’ont fait qu'effleurer cette théorie au cours de ma carrière, confie le professeur Sénéchal, j'ai toujours un peu envié les chercheurs qui pouvaient passer leur temps à réfléchir aux équations d'Einstein et aux situations physiques extrêmes qu'elles décrivent.»

Maxime recommande à tous les physiciens de suivre un cours de base sur ce sujet, même s’ils ne comptent pas l'appliquer dans leur recherche : «L'étude de la relativité générale nous apprend entre autres l'importance de l'intuition et la nécessité de la persévérance lorsqu'on élabore une nouvelle théorie. C'est un exemple très inspirant et profitable pour développer son sens de l'abstraction nécessaire à la recherche fondamentale, surtout lorsqu'on poursuit ses études au doctorat en physique théorique.»

Selon Alexandre, «la théorie de la relativité est l’une des théories les plus complexes jamais posées, qui va bien plus loin que la fameuse équation E=mc². Maintenant, chaque fois que je regarde le ciel étoilé la nuit, je me rappelle à quel point notre univers est étonnant et comment il reste encore tellement de choses à expliquer.»

Depuis 100 ans maintenant, la théorie de la relativité générale donne lieu à l'élaboration d'une nouvelle vision du monde en remettant en cause les notions de temps, de distance et de simultanéité. Elle impose également l’idée que beaucoup dépend du point de vue de l’observateur, de la situation dans laquelle il examine le phénomène. Elle permet d’apprécier entre autres applications le fameux Global Positionning System (GPS), qui rend possible la localisation immédiate d'un point à distance.