L'ÉCLIPSE de SOBRAL : La preuve.    

 

Par Bernard LELARD     Association VÉGA

 

CONTEXTE

 

Newton trouva en 1669 la loi de gravitation universelle qui régna sur la mécanique céleste pendant prés de trois siècles et qui sert encore à expliquer les phénomènes proches de nous. Elle dit que toutes les masses s’attirent. Elle permet de calculer, mais n’explique rien. Comment la Terre et le Soleil peuvent-ils se reconnaître et s’attirer l’un l’autre ? Il est difficile d’imaginer un mécanisme qui agit partout à distance. Newton lui-même ne comprenait pas et voulait savoir.

 

 Einstein imagina une théorie, sans s’appuyer sur la moindre expérience ou observation, donnant à l’espace des propriétés particulières : l’espace est courbe et quand la Terre suit sa trajectoire, droit devant, elle suit la courbure de l’espace environnant. La présence de masses dans l’ Univers courbe l’espace. La gravitation n’est pas une propriété des masses mais de l’espace.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 La lumière, elle aussi, doit subir l’effet de courbure.

 

 Contrairement à l’espace de Newton celui d’Einstein est lié à son contenu car la présence des masses va modifier le comportement des corps et de la lumière. Alors que Newton voyait une force entre 2 corps Einstein voit une courbure de l’espace-temps et un astre en rotation autour d’un autre est vu comme roulant le long de la courbure crée par celui ci. Les rayons lumineux sont déviés par un corps massif car ils suivent les géodésiques (chemins les plus courts d’un point à un autre sur une surface). Au voisinage d’un corps massif le temps s’écoule plus lentement.

 

la gravitation en relativité générale
Courbure de l'espace par une masse
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 Le seul laboratoire capable de prouver de telles affirmations est l’ Univers, le lointain Univers, et les outils d’ interprétation sont des mathématiques nouvelles, hors de l’environnement humain : géométries non euclidiennes (Lobatchevsky, Bolaï, Rieumann,…), topologie de l’espace avec de nouvelles métriques (Schwarszchild, …), calcul tensoriel et matriciel pour rendre compte des champs (Ricci,…). Il bouleversa toutes les idées reçues mais ses outils restaient hermétiques par leur complexité et leur étendue.

 

 Einstein avait inventé une nouvelle trinité : LE TEMPS, L’ESPACE, LA MATIERE ne font qu’ UN.

 Il ouvrit la voie aux recherches et à de nouvelles connaissances tout au long du XX ième siècle notamment à l’astrophysique, à la structure de l’Univers, la connaissance des galaxies ainsi qu’au nouveau domaine des hautes énergies et des nouvelles particules.

 

La théorie relativiste de la gravitation est bouclée dés novembre 1915. Einstein y travaillait depuis presque 8 ans  au moyen d’outils mathématiques complexes et commence dés ce moment à trouver des preuves. La majorité des scientifiques, confortée par l’application de la théorie de Newton, reste incrédule pour autant qu’ils comprennent. Dés 1907 Einstein imagine 3 vérifications curieusement basées sur l’astronomie :

       Explication du mouvement du périhélie des planètes, et de celui de Mercure le plus prés du Soleil

       Prédiction d’une déviation de la propagation des rayons lumineux au voisinage d’une masse

       Influence de la gravitation sur le fonctionnement d’ horloges soumises à un champ gravitationnel.

 

 

 

LE PÉRIHÉLIE de MERCURE

 

Au milieu du XIX ième siècle des astronomes mathématiciens, John Couch Adams et Le Verrier parvinrent à expliquer, grâce à la théorie de Newton, tous, presque tous, les mouvements des planètes. Le Verrier s’attacha à expliquer les perturbations de gravitation ( comme le fera en 1995 l’équipe de Mayor pour les exo planètes) et découvre par le calcul Neptune en 1846 que JG.Gall observera sur ses indications. En 1859, Le Verrier annonça une anomalie dans le mouvement de Mercure : une avance à son périhélie de 38 sec d’arc par siècle. Devant la complexité du mouvement de Mercure ( influence des autres planètes et astéroïdes, difficulté d’observer face au Soleil), le problème ne trouva pas de solution. On repris des calculs analogues à ceux ayant permis la découverte de Neptune et l‘on imagina même une nouvelle planète, Vulcain, qu’un amateur cru voir. On imagina aussi la diminution de la masse de 10% de Vénus qui entraînait une diminution égale de celle de la Terre. En fait il fallait 16 nouvelles planètes pour rendre compte du phénomène ou même une ceinture d’astéroïdes impossible à cet endroit. De nouveaux calculs, à l’aide d’archives ( de 1667 à 1881) par Simon Newcombs aggrava l’écart à 43

 secondes d’ arc.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 Certains doutèrent de la théorie de Newton : Henri Poincaré donna à la Sorbonne, en 1906, un cours sur «  les limites de la loi de Newton ». Einstein, aidé par ses amis mathématiciens (Marcel Grossman et Michele Besso), publia en novembre 1915 le résultat de ses calculs : 45 sec +- 5, en accord parfait avec l’ observation.

 

Le résultat prouva que les idées d’Einstein étaient bonnes ou dans la bonne voie, mais passèrent inaperçues. Il fallait une autre preuve. Dés 1911 Einstein publiait dans Annalen der Physic qu’un rayon lumineux provenant d’une étoile, passant prés du Soleil, d’une planète, d’un objet massif sera dévié et incurvé. L’ image de la position observée de l’étoile, à ce moment là, sera décalée par rapport à sa position réelle.

L’expérience serait encore plus probante avec un champ d’étoiles de type amas ouvert (style Les Pléiades). Devant la difficulté de faire des mesures aux abords de la couronne solaire, Einstein lança un appel au prés d’ astronomes pour lui trouver une solution. Erwin Freundlich de l’Observatoire Royal de Prusse trouva des solutions qui se révèleront irréalistes. Einstein demanda alors l’ avis du directeur de l’ observatoire solaire du Mont Wilson qui lança l’idée d’utiliser une éclipse du Soleil. Freundlich chercha en vain alors sur des plaques photographiques d’éclipses solaires que lui avait remis à cet effet William Wallace Campbell, le directeur de l’ observatoire de Lick. Il ne trouva rien car le Soleil n’ était pas au centre (on cherchait alors Vulcain) et il n’ y avait pas de plaques de référence ( photos  de position d’étoiles dont la lumière n ‘était pas déviée).

 

PREMIÈRES ÉCLIPSES.

 

 C.D. Perrine, ancien astronome à Lick, de passage à Berlin rajouta, à la demande de Freundlich, la mesure de la déviation de la lumière au programme des prochaines missions d’observation d’ éclipses. Le 10 octobre 1912, Perrine s’ installe à Christina dans le Minas Gerais au Brésil. Il y a 8 expéditions sur la ligne de totalité dont la mission britannique avec Charles Davidson et Arthur Eddington du Greenwich Observatory. Cette fois là, la pluie a contrarié les observations. Mais à Passa Quatro, entre 2 averses Perrine  parle à Eddington d’une nouvelle théorie de la gravitation et de ses tentatives de vérification au moyen d’éclipses. Ils séparent et Perrine cherche déjà un endroit pour observer l’ éclipse de 1919 qui sera aussi visible au Brésil et qu’ il qualifie d’exceptionnelle. De retour à Londres, Eddington entretiendra une correspondance suivie avec Willem de Sitter ( 1872- 1934 ) , astronome à Leyden en Hollande à la suite de la parution de son article résumant le propre article d’ Einstein sur la gravitation. Freundlich continue ses recherches et commence à lever des fonds pour une expédition à la prochaine éclipse totale en Russie le 21 août 1914 (date fatidique !). Devant le refus de crédits de l’Observatoire de Berlin, Einstein propose une contribution personnelle de 2.000 marks. Finalement, la famille Krupp offre la plus part des fonds. L’expédition est constituée avec des astronomes de l’Observatoire de Lick (Campbell et Curtis) . Initialement, l’expédition doit rechercher des planètes intra mercuriennes.

 

 Ils s’installent à Brovary en Crimée où la pluie est au rendez vous  le jour de l’éclipse. Une expédition anglaise à Minsk, conduite par Davidson, verra l’éclipse mais elle n’avait pas prévue de photographier la déviation des rayons lumineux. Perrine tente de rejoindre Freundlich en Crimée, mais celui-ci et ses collègues, réservistes Allemands, sont faits prisonniers car la guerre entre l’Allemagne et la Russie vient d’être déclarée. Campbell, américain, a beaucoup de mal pour regagner Lick et doit laisser son matériel sur place confisqué à l’Observatoire de Poulkowo.

 

  Le 8 juin 1918 à Goldengale (état de Washington) non loin de Lick, Curtis tente, entre 2 nuages, de fixer quelques plaques avec des objectifs non adaptés de l’Observatoire d’Oakland, les bons instruments étant toujours en Crimée. Ces plaques ne seront exploitées qu’en juin 1919, Curtis étant sous les drapeaux avec beaucoup d’astronomes américains ( dont Erwin Hubble ) sur le front de France. Les mesures ne seront pas concluantes et Curtis ( à priori contre la Relativité ) ira jusqu’à dire qu’il n’y a pas d’effet Einstein, ce dont le félicite Hale, le directeur de l’Observatoire du Mont Wilson. Cruels astronomes qui réfutent les outils mathématiques ( tenseurs, géométrie différentielle ), tout aussi nouveaux et complexes que l’espace-temps à 4 dimensions, fondement de la nouvelle théorie.

 

LA BONNE ÉCLIPSE.

 

Entre temps, Einstein, fin 1915, avait refait ses calculs et peaufiné sa théorie ( heureusement que l’éclipse en Crimée n’avait rien donné !). La déviation, proche du limbe solaire, n’est plus de 0 seconde d’arc 87 mais le double : 1’’75.

 Dés 1917 Eddington est prêt croire Einstein. La nouvelle éclipse a lieu en mai 1919 et la bande de totalité passe par le Brésil et l’Afrique ( le Golfe de Guinée). A cette date, le Soleil sera devant les Hyades dans la constellation du Taureau qui contient au moins 13 étoiles de magnitudes 5 à 6 réparties autour du Soleil. Chaque point image de chaque étoile devrait se trouver décalé selon un déplacement radial autour du Soleil. Le déplacement devrait être conforme au calcul, soit 1’75 d’arc en moyenne, plus l’image de l’étoile est proche du Soleil, plus la déviation est importante. Il s’agira donc de fixer 2 séries de plaques photographiques contenant l’ensemble des étoiles autour du Soleil : une avant ou après l’éclipse, l’autre pendant en respectant rigoureusement la même visée des étoiles concernées. La superposition face contre face des 2 plaques donnera les déplacements à interpréter.

 

 

 

 

 

 

 Le « Join Permanent Eclipse Commitee » décide en novembre 1917 de préparer 2 expéditions : l’une au nord est du Brésil à Sobral prés de Fortaleza, l’autre à l’île de Principé en Afrique dans le Golfe de Guinée, les 2 sites se trouvant sur la bande de totalité.

 

 

         

 

 Eddington avait réussi à convaincre Dyson, le « Royal Astromer du Greenwich Observatory » de l’importance de l’enjeu. Les expédition sont entièrement dédiées à la vérification de la déviation lumineuse : pas d’étude de la couronne solaire prévue. Eddington est nommé responsable des 2 expéditions. En fait, au delà de l’aspect scientifique, il semble qu’une autre raison soit à l’origine de la décision de Dyson : Eddington était quaker et ne pouvait pas porter les armes (les préparatifs ont lieu en pleine guerre de 1914-1918). Il était à la fois inconcevable qu’un professeur ne participât pas à l’effort de guerre et qu’une personnalité de la valeur d’Eddington périsse au combat comme Schwarzschild (inventeur d’une topologie et de la métrique qui sera utilisée dans la découverte des trous noirs) sur le front russe en 1916.

 

 Eddington exigeant son incorporation comme objecteur de conscience, Dyson intervint auprés du Home Office et de l’Amirauté pour obtenir un sursis d’incorporation. Eddington s’engagea à partir au front juste après l’éclipse en 1919.

 

 Deux équipes furent constituées : celle de Cambridge (Cottingham et Eddington) avec la lunette d’Oxford partirait pour Principe et celle de Greenwich irait à Sobral. On emporta aussi le coelestat de la Royal Irish Society et une lunette de 4 inch. Les astronomes partiront de Liverpool le 8 mars 1919 et les 2 équipes se sépareront à Madère. Crommelin et Davidson arrivent le 23 à l’estuaire de l’Amazone et sont acceuillis par les corps constitués de Sobral : l’évêque, le préfet, et le député du coin. Les techniciens s’installent dans la maison du préfet face aux champ de courses de Sobral. Les astronomes brésiliens les rejoignirent pour étudier, eux, la couronne solaire.

 

 

 

 

 

  Le 29 au matin à Sobral, le temps est très  nuageux et seule une trouée dans les nuages permit les photos de l’éclipse juste pendant la totalité. A Principe, le jour du 29 commence par un orage qui se dissipa à peine au moment de la totalité, laissant le champ libre pour quelques photos. Eddington câbla à Londres : « Through Cloud. Hopeful. « . Davidson télégraphia «  Splendid Eclipse ». Deux plaques de Principe furent exploitables mais celles de Sobral furent bien meilleures. Restait un autre travail délicat avant les retours : fixer au même endroit les plaques de comparaison, ce qui ne fut pas possible pour Principe.

  

 


 

  Les déviations, compte tenu des corrections, seront effectués à Cambridge. Les déviations sont de 1’98 +-0.12 pour Sobral et 1’61 +-0.3 pour Principe.

 

 

  Le 6 novembre 1919 à Londres, sir Joseph John Thomson, l’inventeur de l’électron, prix Nobel, réunissait, sous le portrait de Newton,  la Royal Society (l’équivalente de l’Académie Française) et la Royal Astronomical Society. Dyson, qui pourtant ne participa pas aux expéditions, prend la parole : » Après une étude soigneuse des plaques, je suis prêt à déclarer qu’il n’y a aucun doute qu’elles confirment les prédictions d’Einstein. Un résultat tout à fait certain a été obtenu selon lequel la lumière est défléchie en accord avec la loi de gravitation d’Einstein ». ( Join Eclipse Meeting 6 nov 1919 p.391 ). Sous le portrait de Newton, gloire nationale, les scientifiques anglais parlaient de “ dramatique triomphe «  d’un Allemand juste après la guerre.

 

  La controverse durera des années parmi les adversaires de la Relativité Générale.

 

Le Times de Londres titra le 7 novembre, page 12, «  Révolution scientifique : les idées de Newton détrônées « , puis «  l’espace est tordu « . Le 9 novembre le New York Times titra : «  Triomphe de la théorie d’ Einstein : les étoiles ne sont pas là on l’on croit, mais inutile de s’inquiéter … ».

 

  Pourtant à la mi septembre, les calculs tenus secrets étaient probants et Lorentz ( celui à qui on devait tant dans la nouvelle théorie avec ses transformations de repères )  les télégraphia à Einstein qui, bien que satisfait, jeta le télégramme à la poubelle. Pour lui, il n’y avait aucun doute tant il était sûr de sa théorie : c’étaient les sceptiques qu’il fallait convaincre.

 

  Le 7 novembre à Berlin, la nouvelle arriva alors qu’Einstein finissait un cours : les étudiants se levèrent et l’applaudirent longuement. Pour rétablir le calme Einstein se mit à rire et à applaudir aussi. En rentrant chez lui, son collègue Von Laune l’attendait et lui remit les photos. Extra ordinaire ! Quel beau travail ! dit-il et il envoya une lettre de félicitations aux techniciens photographes. Depuis ce jour, le 5 Haberlandstrasse, son domicile à Berlin, était assiégé par des journalistes, des quémandeurs, des sacs postaux de félicitations qu’il jetait sans les lire tellement il y en avait.

 

  Eddington avait rendu célèbre Einstein dont personne ne comprenait la théorie. Lorsque l’on demandait à Eddington pourquoi il disait que seules 3 personnes comprenaient la théorie de la Relativité, il répondait invariablement : «  je ne connais pas la troisième ».

 

  Sobral aussi devint célèbre. On construisit un musée de l’éclipse où l’on explique le phénomène. On éleva aussi un monument à la courbure de l’espace, certainement le seul au monde !

                                                                         

                                                                          

 

 

 

Photo : Musée de l'éclipse de Sobral

 

 

 

  Début 1920, on construisit à Potsdam un Observatoire astronomique appelé « Tour Einstein ». Le monde occidental, exangue après 1918, celui des vainqueurs et celui des vaincus, avait besoin d’une nouvelle célébrité comme Einstein qui parlait avec un nouveau langage d’un monde nouveau et qui avançait de nouvelles valeurs. Il était sans compromission, désintéressé. Il avait beaucoup d’humour et ne se prenait pas au sérieux. Il représentait une manifestation exceptionnelle du génie humain depuis Newton. Mais il était juif, immigré et Allemand. Des campagnes antisémites l’atteignirent, provoquées souvent par le physiciens allemand Lenard.

 

  En mars 1921, un professeur de chimie à l’université de Manchester, Chaïm Weizman, appela Einstein pour lui demander de l’accompagner en voyage à New York afin de collecter des fonds nécessaires à la construction de l’Université Hébraïque de Jérusalem. Weizman était le leader du mouvement sioniste et Einstein ne voulait pas se plier à une organisation. » - Je crains, Monsieur Weizman, que vous ne vous fassiez des illusions sur l’influence que pourrait avoir, auprés du peuple américain, un petit professeur de physique de l’Université de Berlin dont l’Europe s’est pour quelque temps entiché ».

 

  Pourtant, même  l’Université de Berlin envisageait de créer une ségrégation antisémite au sein des professeurs. Einstein décida alors d’accompagner Weizman pour convaincre les hommes d’affaires juifs américains. Pendant la traversée en paquebot, Einstein tenta d’expliquer la relativité à Weizman qui doutait. Ils débarquèrent à New York le 3 avril 1921 et leur tournée fut un triomphe grâce à Einstein qui tînt la vedette à Boston, Cleveland, Colombia, Harvard et à Princeton où il fut fait docteur honoris causa et où il enseignera plus tard. Les fonds furent très vite réunis. Weizman devint président de l’état d’Israël et ,à sa mort en 1952, on demanda à Einstein de le remplacer. Il refusa arguant que la physique ne prédisposait à gouverner les hommes.

 

Photo : Royal Observatory of Greenwich

 

 En mai 1921, Einstein fut reçu à Londres par les astronomes qui l’avaient rendu célèbre puis alla à Paris au cours d’un voyage organisé par Paul Langevin (celui du paradoxe des jumeaux). Malgré les risques (les ligues antisémites voulaient manifester ), il vit Bergson , Valery, son ami étudiant Solovine et Marie Curie. Sollicité par toutes les capitales, tous les pays, en septembre 1922 Einstein se rend à Shangaï.

 

  Il refusa de monter en pousse pousse, seul moyen de transport pour visiter la ville, ne voulant pas être tiré par un être humain. Un jour, visitant la ville à pied avec Elsa sa seconde épouse, il fut rattrapé par le consul allemand qui brandissait un télégramme à la main. Un télégramme de Stockolm. Einstein le lut , plusieurs fois, et partit d’un fou rire en tendant le papier à Elsa. Le prix Nobel venait de lui être attribué.

 

  Il expliqua au consul éberlué qu’il était primé pour sa découverte de l’effet photoélectrique …en 1904, et non pour la Relativité.

  Pour certains scientifiques, pour l’Académie suédoise,  Sobral n’avait pas suffi !

  Il en sera de même pour le Big Bang, impensable sans la Relativité.

 

 

                                                                                                                Bernard LELARD