Le tissu de l'espace-temps est un modèle conceptuel combinant les trois dimensions de l'espace avec la quatrième dimension du temps. Selon le meilleur des théories physiques actuelles, l'espace-temps explique les effets relativistes inhabituels qui découlent du déplacement à proximité de la vitesse de la lumière ainsi que du mouvement d'objets massifs dans l'univers.
Qui a découvert l'espace-temps?
Le célèbre physicien Albert Einstein a aidé à développer l'idée d'espace-temps dans le cadre de sa théorie de la relativité. Avant son travail de pionnier, les scientifiques avaient deux théories distinctes pour expliquer les phénomènes physiques: les lois physiques d'Isaac Newton décrivaient le mouvement d'objets massifs, tandis que les modèles électromagnétiques de James Clerk Maxwell expliquaient les propriétés de la lumière, selon la NASA.
Mais les expériences menées à la fin du XIXe siècle ont suggéré qu'il y avait quelque chose de spécial dans la lumière. Les mesures ont montré que la lumière voyageait toujours à la même vitesse, quoi qu'il arrive. Et en 1898, le physicien et mathématicien français Henri Poincaré a émis l'hypothèse que la vitesse de la lumière pourrait être une limite insurpassable. Vers la même époque, d'autres chercheurs envisageaient la possibilité que les objets changent de taille et de masse, en fonction de leur vitesse.
Einstein a rassemblé toutes ces idées dans sa théorie de la relativité restreinte de 1905, qui postulait que la vitesse de la lumière était une constante. Pour que cela soit vrai, l'espace et le temps devaient être combinés dans un cadre unique qui conspirait pour maintenir la vitesse de la lumière la même pour tous les observateurs.
Une personne dans une fusée ultra-rapide mesurera le temps pour se déplacer plus lentement et les longueurs des objets pour être plus courtes par rapport à une personne voyageant à une vitesse beaucoup plus lente. C'est parce que l'espace et le temps sont relatifs - ils dépendent de la vitesse d'un observateur. Mais la vitesse de la lumière est plus fondamentale que l'une ou l'autre.
La conclusion que l'espace-temps est un tissu unique n'était pas celle qu'Einstein avait atteinte par lui-même. Cette idée est venue du mathématicien allemand Hermann Minkowski, qui a déclaré dans un colloque de 1908: "Désormais l'espace par lui-même, et le temps par lui-même, sont voués à disparaître dans de simples ombres, et seule une sorte d'union des deux préservera une réalité indépendante . "
L'espace-temps qu'il a décrit est toujours connu sous le nom d'espace-temps de Minkowski et sert de toile de fond aux calculs à la fois en relativité et en théorie des champs quantiques. Ce dernier décrit la dynamique des particules subatomiques comme des champs, selon l'astrophysicien et écrivain scientifique Ethan Siegel.
Comment fonctionne l'espace-temps
De nos jours, lorsque les gens parlent d'espace-temps, ils le décrivent souvent comme ressemblant à une feuille de caoutchouc. Cela aussi vient d'Einstein, qui a réalisé en développant sa théorie de la relativité générale que la force de gravité était due aux courbes dans le tissu de l'espace-temps.
Les objets massifs - comme la Terre, le soleil ou vous - créent des distorsions dans l'espace-temps qui le font se plier. Ces courbes, à leur tour, restreignent la façon dont tout se déplace dans l'univers, car les objets doivent suivre des chemins le long de cette courbure déformée. Le mouvement dû à la gravité est en fait un mouvement le long des rebondissements de l'espace-temps.
Une mission de la NASA appelée Gravity Probe B (GP-B) a mesuré la forme du vortex spatio-temporel autour de la Terre en 2011 et a constaté qu'il correspond étroitement aux prédictions d'Einstein.
Mais une grande partie de cela reste difficile pour la plupart des gens à envelopper la tête. Bien que nous puissions discuter de l'espace-temps comme étant similaire à une feuille de caoutchouc, l'analogie finit par tomber en panne. Une feuille de caoutchouc est en deux dimensions, tandis que l'espace-temps est en quatre dimensions. Ce n'est pas seulement des déformations dans l'espace que la feuille représente, mais aussi des déformations dans le temps. Les équations complexes utilisées pour expliquer tout cela sont difficiles à travailler même pour les physiciens.
"Einstein a fait une belle machine, mais il ne nous a pas exactement laissé de manuel d'utilisation", a écrit l'astrophysicien Paul Sutter pour le site sœur de Live Science, Space.com. "Juste pour enfoncer le clou, la relativité générale est si complexe que lorsque quelqu'un découvre une solution aux équations, il obtient le nom de la solution et devient semi-légendaire à part entière."
Ce que les scientifiques ne savent toujours pas
Malgré sa complexité, la relativité reste le meilleur moyen de rendre compte des phénomènes physiques que nous connaissons. Pourtant, les scientifiques savent que leurs modèles sont incomplets car la relativité n'est toujours pas pleinement conciliée avec la mécanique quantique, ce qui explique les propriétés des particules subatomiques avec une précision extrême mais n'intègre pas la force de gravité.
La mécanique quantique repose sur le fait que les minuscules morceaux composant l'univers sont discrets, ou quantifiés. Ainsi, les photons, les particules qui composent la lumière, sont comme de petits morceaux de lumière qui viennent en paquets distincts.
Certains théoriciens ont émis l'hypothèse que peut-être l'espace-temps lui-même se trouve également dans ces morceaux quantifiés, aidant à relier la relativité et la mécanique quantique. Des chercheurs de l'Agence spatiale européenne ont proposé la mission GrailQuest (Laboratoire international d'astronomie gamma pour l'astronomie gamma) qui volerait autour de notre planète et ferait des mesures ultra précises d'explosions lointaines et puissantes appelées rafales de rayons gamma qui pourrait révéler la nature rapprochée de l'espace-temps.
Une telle mission ne serait pas lancée avant au moins une décennie et demie, mais si elle le faisait, cela aiderait peut-être à résoudre certains des plus grands mystères de la physique.
