La gravité : le plus grand mystère de l’Univers

PR SIELEZNEFF IGOR

Ce qui monte doit redescendre

Isaac Newton

Une vieille connaissance qui ne nous a jamais rien expliqué

La gravité est sans doute la plus discrète des grandes puissances qui gouvernent notre Univers. Elle ne fait aucun bruit. Elle ne produit ni éclairs ni explosions. Elle ne possède ni la violence spectaculaire de la force nucléaire, ni les séductions lumineuses de l’électromagnétisme. Elle agit en silence, avec une patience infinie, comme ces souverains dont l’autorité est si naturelle qu’ils n’ont jamais besoin de hausser la voix. Nous vivons dans ses bras depuis notre naissance sans presque jamais penser à elle. Elle nous maintient les pieds sur la Terre, fait tomber les pommes des arbres, dessine les marées, guide les planètes autour du Soleil et assemble les galaxies en gigantesques cités d’étoiles. Nous lui devons jusqu’à notre existence. Pourtant, si un physicien devait être parfaitement honnête, il reconnaîtrait volontiers que nous savons remarquablement bien comment la gravité agit, mais que nous ignorons toujours pourquoi elle existe. Cette ignorance possède quelque chose de profondément rassurant. L’être humain aime parfois croire que la science a presque achevé son œuvre, que les derniers mystères ne sont plus que quelques détails techniques destinés à occuper des chercheurs méticuleux. Rien n’est plus faux. Plus notre connaissance progresse, plus les frontières de notre ignorance s’étendent. La gravité en est l’exemple le plus éclatant. Elle accompagne chacun de nos gestes, mais demeure, dans son essence, l’un des plus grands secrets de la nature. Il existe d’ailleurs une certaine ironie dans cette situation. Nous avons envoyé des sondes au-delà du système solaire. Nous savons mesurer les vibrations infimes d’un trou noir situé à des milliards d’années-lumière. Nous sommes capables de détecter des particules dont la durée de vie est inférieure au milliardième de milliardième de seconde. Et cependant, lorsqu’il s’agit d’expliquer ce qu’est réellement la gravité, nous sommes contraints de répondre avec une humilité presque désarmante : nous n’en savons rien.

L’Univers ressemble décidément à ces vieux professeurs qui répondent avec bienveillance à toutes les questions… sauf à la seule qui compte vraiment.

Quand Newton leva les yeux vers une pomme

L’histoire de la science affectionne les légendes, et celle de la pomme de Newton appartient désormais au patrimoine de l’humanité. Peu importe, au fond, que la scène se soit déroulée exactement ainsi. Les grandes légendes survivent non parce qu’elles sont parfaitement exactes, mais parce qu’elles expriment une vérité plus profonde que les faits eux-mêmes. Imaginons donc un jeune Isaac Newton, assis sous un pommier dans la campagne anglaise. Une pomme tombe. Rien d’extraordinaire. Depuis que les pommiers existent, ils laissent tomber leurs fruits avec une régularité exemplaire. Des millions d’hommes avaient assisté au même spectacle sans y voir autre chose qu’une promesse de tarte ou de cidre.

Newton, lui, ne regarda pas la pomme. Il regarda la question. Pourquoi tombe-t-elle vers le bas ? Pourquoi jamais vers le haut ? Pourquoi toujours selon la même direction ? Et surtout, cette mystérieuse attraction qui entraîne la pomme vers la Terre ne serait-elle pas exactement la même que celle qui maintient la Lune sur son orbite ?

En quelques instants, le monde changeait de visage. Jusqu’alors, le ciel et la Terre semblaient appartenir à deux royaumes différents. Les astres obéissaient à des lois presque divines ; les objets terrestres, à des règles beaucoup plus ordinaires. Newton eut l’audace extraordinaire de penser qu’il n’existait qu’un seul Univers, régi partout par les mêmes lois. La pomme qui tombait et la Lune qui tournait autour de notre planète étaient les deux expressions d’une même réalité invisible. Cette idée paraît aujourd’hui évidente. C’est le privilège des génies : leurs découvertes deviennent tellement naturelles qu’on finit par oublier combien elles étaient révolutionnaires. Les véritables révolutions intellectuelles ressemblent souvent à des évidences que personne n’avait encore osé formuler. Grâce à cette intuition, Newton établit la loi universelle de la gravitation. Chaque corps attire tous les autres. Plus les masses sont importantes, plus cette attraction est forte ; plus les distances augmentent, plus elle diminue. Cette relation, d’une élégance mathématique presque parfaite, permit d’expliquer la chute des corps, les mouvements des planètes, le retour des comètes et jusqu’aux marées qui rythment la respiration des océans.

On aurait pu croire l’affaire définitivement réglée. Pendant près de deux siècles, les savants pensèrent que la gravité avait enfin livré tous ses secrets. L’Univers semblait fonctionner comme une immense horloge dont Newton avait découvert le mécanisme. Mais l’Univers possède un humour très britannique. Il aime laisser les hommes savourer leurs certitudes avant de les renverser avec une élégance toute cosmique.

Einstein ou le jour où l’espace cessa d’être vide

Au début du XXᵉ siècle, un modeste employé de l’office des brevets de Berne allait accomplir ce que l’on croyait impossible : corriger Newton sans jamais le contredire véritablement. Car c’est là l’une des plus belles leçons de l’histoire des sciences. Les grands savants ne détruisent pas toujours leurs prédécesseurs ; ils les dépassent. Newton n’était pas faux. Il était simplement incomplet. Ses équations continuaient à fonctionner avec une précision admirable dans la plupart des situations, mais elles laissaient subsister une question qui avait quelque chose d’embarrassant : comment une force pouvait-elle agir instantanément à distance ? Comment le Soleil pouvait-il attirer la Tere sans qu’aucun lien matériel ne les relie ? À travers quel mystérieux mécanisme cette attraction voyageait-elle dans le vide ? Albert Einstein osa une réponse qui, aujourd’hui encore, conserve toute sa puissance poétique. Et si la gravité n’était pas une force ? Et si nous étions victimes d’une illusion, exactement comme les marins d’autrefois croyaient voir le Soleil tourner autour de la Terre ? Cette idée, qui paraissait presque extravagante en 1915, allait transformer notre manière de penser l’Univers. Selon Einstein, l’espace n’est pas un immense décor immobile dans lequel les étoiles viendraient simplement prendre place. Il est une réalité physique, vivante pourrait-on dire, capable de se déformer, de s’étirer, de se contracter, de vibrer. Plus étonnant encore, le temps lui-même fait partie de cette même structure. Depuis Einstein, il n’existe plus un espace d’un côté et un temps de l’autre. Il existe un unique tissu, une seule architecture à quatre dimension que les physiciens appellent l’espace-temps.

Dès lors, tout devient extraordinairement simple… ou extraordinairement déroutant, selon le tempérament du lecteur. Imaginez un immense drap parfaitement tendu. Déposez-y une boule de pétanque. Le tissu se creuse autour d’elle. Si vous faites ensuite rouler une bille à proximité, celle-ci ne se dirige pas vers la boule parce qu’une force mystérieuse l’attire ; elle suit simplement la pente créée par la déformation du drap. C’est précisément ainsi qu’Einstein nous invite à regarder l’Univers. Le Soleil ne tire pas la Terre vers lui comme un pêcheur remonterait un filet. Il déforme l’espace-temps qui l’entoure, et notre planète suit naturellement cette géométrie invisible. Naturellement, cette comparaison possède ses limites. Le drap est bidimensionnel, alors que l’espace-temps comporte quatre dimensions. Mais elle permet de saisir l’idée essentielle : la gravité n’est plus une force qui agit dans l’espace ; elle est l’expression même de la forme que prend l’espace.

Cette conception est d’une beauté presque philosophique. Elle suggère que les objets célestes ne s’imposent pas au monde par la violence d’une attraction, mais qu’ils modifient silencieusement la géométrie de l’Univers autour d’eux. Les planètes ne sont pas contraintes ; elles obéissent à la courbure du réel.

Lorsque la réalité dépasse l’imagination

Comme toutes les grandes théories scientifiques, la relativité générale ne tarda pas à produire des conséquences qui semblaient relever davantage de la littérature fantastique que de la physique.

La première concernait la lumière. Depuis des siècles, on considérait qu’elle voyageait en ligne droite. Einstein annonça pourtant qu’un rayon lumineux passant près d’une étoile devait être dévié par la courbure de l’espace-temps. Beaucoup de ses contemporains accueillirent cette affirmation avec un sourire poli. Comment une lumière, qui n’a pas de masse, pourrait-elle subir les effets de la gravité ? Puis vint l’éclipse solaire de 1919. Les astronomes observèrent précisément cette déviation. Einstein avait vu juste. Le monde entier découvrit alors que la lumière elle-même suivait les méandres de la géométrie cosmique. Ce jour-là, un obscur physicien allemand devint l’homme le plus célèbre de la planète.

Une autre conséquence paraissait encore plus incroyable. Le temps ne s’écoule pas partout à la même vitesse. Plus un objet est proche d’une masse importante, plus le temps ralentit. À proximité d’un trou noir, quelques heures peuvent correspondre à plusieurs années pour un observateur éloigné. Voilà une idée qui aurait enchanté les romanciers bien avant les physiciens. Hélas pour les étudiants, elle n’a jamais permis d’arriver en retard à un examen en invoquant la relativité générale. Et pourtant, cette étrange prédiction est parfaitement réelle. Chaque jour, les satellites du système GPS doivent corriger les effets relativistes provoqués par leur altitude et leur vitesse. Sans ces corrections, nos applications de navigation accumuleraient rapidement des erreurs de plusieurs kilomètres. Chaque fois que notre téléphone nous indique le bon chemin, il rend donc, sans le savoir, un discret hommage à Einstein. La science possède parfois ce charme singulier : les théories les plus extravagantes deviennent, quelques décennies plus tard, des outils de notre vie quotidienne.

Mais plus Einstein expliquait le comportement de la gravité, plus une question devenait pressante. Pourquoi l’espace-temps se courbe-t-il précisément de cette manière ? Pourquoi la matière possède-t-elle cette propriété étonnante de modifier la géométrie de l’Univers ? Autrement dit, Einstein avait merveilleusement décrit le fonctionnement de la gravité. Il n’avait pas davantage expliqué son origine. Comme souvent dans l’histoire de la connaissance, une réponse magistrale faisait naître une question plus profonde encore.

Le mystère commence précisément là où s’arrête la science

Il existe un paradoxe qui mérite d’être savouré. Plus la physique moderne affine sa compréhension de la gravité, plus celle-ci semble s’éloigner de nous. Nous savons désormais calculer avec une précision vertigineuse le mouvement des planètes, prévoir les éclipses des siècles à l’avance, détecter les ondes gravitationnelles produites par la collision de deux trous noirs situés à plus d’un milliard d’années-lumière, et pourtant nous demeurons incapables de répondre à une question qui paraît presque naïve : pourquoi la gravité existe-t-elle ?

Cette interrogation pourrait sembler philosophique. Elle est pourtant profondément scientifique. Newton nous a appris comment les corps s’attirent. Einstein nous a expliqué comment la matière déforme l’espace-temps. Mais aucun des deux ne nous dit pourquoi l’Univers est construit ainsi plutôt qu’autrement. Pourquoi la matière courbe-t-elle l’espace ? Pourquoi l’espace accepte-t-il docilement de se laisser courber ? Pourquoi cette interaction existe-t-elle, alors qu’elle aurait très bien pu ne jamais voir le jour ? À cet instant précis, la science retrouve une qualité qui la rend profondément sympathique : elle devient modeste. Contrairement à certaines idées reçues, les grands chercheurs ne passent pas leur vie à accumuler des certitudes. Ils passent surtout leur existence à découvrir l’immensité de ce qu’ils ignorent. Plus ils avancent, plus l’horizon recule. La connaissance ressemble décidément à ces promenades en montagne où chaque sommet conquis révèle une chaîne entière de montagnes encore inexplorées.

La gravité appartient précisément à ces sommets.

À la recherche du graviton : le messager invisible

Depuis près d’un siècle, les physiciens poursuivent un rêve qui ressemble à une véritable quête du Graal : réunir les deux plus grandes réussites de la physique moderne. D’un côté se trouve la relativité générale d’Einstein, admirablement efficace pour décrire les planètes, les étoiles, les galaxies et l’Univers tout entier. De l’autre, la mécanique quantique, dont les équations décrivent avec une précision stupéfiante le comportement des particules élémentaires. Le problème est que ces deux chefs-d’œuvre refusent obstinément de s’entendre. C’est un peu comme si Shakespeare et Molière avaient écrit chacun une moitié de la même pièce sans jamais accepter de se rencontrer. À l’échelle des galaxies, Einstein règne sans partage. À l’échelle des atomes, c’est la mécanique quantique qui gouverne. Mais lorsqu’on tente de les réunir, les équations deviennent incohérentes. Les infinis apparaissent de toutes parts, comme si la nature elle-même nous signifiait que quelque chose d’essentiel nous échappe encore. Pour résoudre cette difficulté, certains physiciens imaginent qu’il existe une particule encore jamais observée : le graviton. Son rôle serait analogue à celui du photon pour la lumière. Lorsque deux aimants interagissent, l’électromagnétisme est transporté par des photons. De la même manière, la gravité pourrait être transmise par ces mystérieux gravitons. Le problème est que personne ne les a jamais vus. Ils demeurent aujourd’hui de purs objets théoriques. Les détecter représenterait sans doute l’une des plus grandes découvertes scientifiques du siècle. Mais l’Univers, qui ne manque décidément pas d’humour, semble avoir choisi de les rendre extraordinairement difficiles à observer.

Et si notre Univers cachait davantage de dimensions ?

Comme si les difficultés précédentes ne suffisaient pas, certains physiciens sont allés encore plus loin.

Ils ont imaginé que notre Univers ne posséderait peut-être pas seulement les trois dimensions familières de l’espace auxquelles s’ajoute le temps. Il pourrait en exister bien davantage. Dix. Onze. Voire davantage encore selon certaines théories. Naturellement, cette idée provoque d’abord un sourire. Nous peinons déjà à retrouver nos lunettes lorsqu’elles sont posées sur notre propre nez ; comment imaginer des dimensions supplémentaires invisibles ? Et pourtant, les mathématiques de la théorie des cordes conduisent précisément à cette conclusion. Notre Univers pourrait n’être qu’une mince surface flottant dans un espace beaucoup plus vaste. La gravité, contrairement aux autres forces fondamentales, pourrait se propager dans ces dimensions cachées. Cette hypothèse offrirait peut-être une explication élégante à une vieille énigme : pourquoi la gravité est-elle si incroyablement faible ?

Car c’est là un autre de ses paradoxes. À l’échelle des particules, elle est presque insignifiante. Deux électrons s’attirent gravitationnellement avec une intensité si faible que cette attraction est environ un million de milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus faible que leur interaction électromagnétique. Autrement dit, si la gravité devait participer à un concours de puissance entre les quatre forces fondamentales, elle terminerait bonne dernière avec une remarquable régularité.

Et pourtant… C’est elle qui façonne l’Univers. Voilà sans doute l’une des plus belles leçons de la nature. La puissance ne se mesure pas toujours à l’intensité. La gravité est faible, mais elle agit partout. Toujours. Sur toute matière. Sans jamais s’interrompre. Sans jamais pouvoir être neutralisée. Les charges électriques positives et négatives peuvent s’annuler. Les forces nucléaires n’agissent qu’à des distances infinitésimales. La gravité, elle, travaille avec une patience infinie. Depuis près de quatorze milliards d’années, elle construit l’architecture du cosmos sans précipitation, comme un jardinier qui sait que les plus beaux arbres ne poussent jamais dans l’urgence.

Il est difficile de ne pas y voir une discrète leçon de philosophie. Notre époque admire volontiers les éclats, les effets spectaculaires, les succès immédiats. L’Univers, lui, semble préférer les œuvres silencieuses. Il bâtit les galaxies avec la plus faible de ses forces. Comme s’il voulait nous rappeler que la véritable puissance ne fait pas toujours de bruit.

La gravité, architecte de la beauté cosmique

Si la gravité venait soudainement à disparaître, l’Univers ne connaîtrait ni explosion spectaculaire, ni apocalypse hollywoodienne. Il s’effacerait avec une élégance presque mélancolique. Les planètes abandonneraient leurs orbites pour s’enfoncer dans le vide selon des trajectoires rectilignes. Les étoiles cesseraient de retenir leur propre matière et finiraient par se dissoudre. Les galaxies perdraient leur admirable architecture spiralée. Les amas de galaxies, ces immenses cathédrales cosmiques, se disperseraient lentement comme une poignée de sable abandonnée au vent. En quelques lignes, des milliards d’années d’histoire cosmique disparaîtraient. Car la gravité est bien davantage qu’une simple interaction physique. Elle est la grande architecte de l’Univers. C’est elle qui, quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, rassembla les premiers nuages d’hydrogène. Lentement, avec cette patience dont elle a le secret, elle comprima ces gigantesques nuées jusqu’à ce que leur cœur atteigne des températures de plusieurs millions de degrés. Alors, presque miraculeusement, les premières étoiles s’allumèrent.

Il est difficile de ne pas éprouver une certaine émotion devant cette idée. Toutes les étoiles qui illuminent nos nuits, y compris notre Soleil, sont nées d’une lente victoire de la gravité sur le chaos. Sans cette compression progressive, il n’y aurait jamais eu de fusion nucléaire. Sans fusion nucléaire, aucun élément lourd n’aurait été fabriqué. Sans ces éléments, il n’y aurait ni oxygène, ni carbone, ni calcium, ni fer. Autrement dit, il n’y aurait ni océans, ni montagnes, ni arbres, ni êtres humains. Le calcium de nos os, le fer de notre sang, le carbone qui compose chacune de nos cellules sont les héritiers directs de cette longue aventure gravitationnelle. Nous sommes littéralement les enfants de la gravité.

Cette pensée possède une poésie qui dépasse de beaucoup les équations.

Les trous noirs : lorsque la gravité devient presque absolue

Il existe cependant des lieux où la gravité semble oublier toute mesure.

Les trous noirs appartiennent à cette catégorie de réalités qui paraissaient si extravagantes que même Einstein hésitait à croire à leur existence. Aujourd’hui, ils sont devenus des acteurs incontournables de l’astrophysique moderne. Leur principe est d’une simplicité désarmante. Lorsqu’une étoile extrêmement massive termine son existence, rien ne parvient plus à s’opposer à son propre poids. La gravité prend alors définitivement le dessus. L’étoile s’effondre sur elle-même dans un processus d’une violence inimaginable. La matière est comprimée jusqu’à des densités qui défient notre entendement. Il se forme alors une région de l’espace où la gravité devient si intense que même la lumière ne peut plus s’en échapper.

Voilà pourquoi ces objets sont noirs.

Non parce qu’ils seraient dépourvus de lumière, mais parce que leur attraction interdit à cette lumière de nous parvenir. Pendant longtemps, les trous noirs ont appartenu au domaine des hypothèses. Puis les observations se sont accumulées. Nous avons vu des étoiles tourner autour d’un objet invisible situé au centre de notre galaxie. Nous avons détecté les ondes gravitationnelles produites par la collision de deux trous noirs.

Et, en 2019, l’humanité contempla pour la première fois l’image de l’un d’eux. Quelle étrange époque que la nôtre ! Pendant des millénaires, nos ancêtres levaient les yeux vers les étoiles en imaginant les dieux. Nous levons les nôtres pour contempler des objets dont la réalité dépasse souvent les mythes les plus audacieux.

L’Univers n’a décidément rien à envier aux poètes.

Une force qui gouverne également notre quotidien

À force d’évoquer les galaxies, les quasars et les trous noirs, on pourrait oublier que la gravité accompagne chacun des instants de notre vie. Elle détermine notre poids. Elle règle la circulation de notre sang. Elle influence la croissance des végétaux. Elle façonne les montagnes en faisant glisser lentement les continents. Elle commande les marées, lesquelles ont probablement joué un rôle essentiel dans l’apparition de la vie sur Terre. Elle intervient jusque dans les technologies que nous utilisons chaque jour. Le GPS de notre voiture, le smartphone qui nous guide dans une ville inconnue, les satellites météorologiques qui annoncent les tempêtes, les sondes interplanétaires qui explorent les confins du système solaire : tous doivent tenir compte de la gravité avec une précision extraordinaire. Lorsque votre téléphone vous indique que vous êtes arrivé à destination, il mobilise discrètement Newton, Einstein, des horloges atomiques d’une précision inimaginable et des calculs relativistes que personne n’aurait osé imaginer il y a seulement un siècle. Il y a quelque chose d’assez amusant à constater que l’une des théories les plus abstraites jamais élaborées permet finalement de retrouver plus facilement une boulangerie.

La science possède ce goût délicieux pour les rapprochements inattendus.

L’humilité devant l’infini

La gravité nous enseigne enfin une vertu devenue rare : l’humilité.

Nous vivons dans une époque fascinée par les certitudes. Les réseaux sociaux regorgent d’experts capables d’expliquer l’économie mondiale en quelques lignes, la médecine en deux vidéos et l’histoire de l’Univers avant le café du matin. La science authentique procède exactement à l’inverse. Plus elle découvre, plus elle mesure l’étendue de son ignorance. Les plus grands physiciens du XXIᵉ siècle reconnaissent volontiers qu’ils ignorent toujours ce qu’est fondamentalement la gravité. Ils savent la mesurer, la décrire, la calculer avec une précision vertigineuse. Mais son essence leur échappe encore. Et c’est précisément ce qui rend cette aventure intellectuelle si profondément humaine.

Le savoir n’est pas une collection de réponses. Il est une succession de questions de mieux en mieux formulées. La gravité nous rappelle que le véritable progrès ne consiste pas à faire disparaître le mystère, mais à apprendre à dialoguer avec lui. Peut-être est-ce là le privilège de notre espèce. Non pas comprendre définitivement l’Univers — ambition probablement inaccessible — mais éprouver une joie toujours renouvelée à tenter de le comprendre. Les Grecs appelaient cela le thaumazein, l’émerveillement. Aristote voyait dans cet étonnement l’origine même de la philosophie. Les physiciens modernes, sans toujours employer ce mot, continuent d’en vivre.

Il suffit parfois de regarder une pomme tomber d’un arbre pour sentir que l’infini nous fait un discret signe de la main. Et il est assez réconfortant de penser que, plus de trois siècles après Newton et plus d’un siècle après Einstein, cette pomme n’a pas fini de tomber dans notre intelligence.

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