La théorie générale de la relativité d’Einstein peut être résumée en seulement 12 mots : « L’espace-temps dit à la matière comment se déplacer ; la matière dit à l’espace-temps comment se courber ».

Mais cette courte description du physicien John Wheeler cache une vérité plus complexe et plus profonde. Outre la théorie quantique, la relativité générale est l’un des deux piliers de la physique moderne – notre théorie de travail de la gravité et du très grand, des planètes, des galaxies et de l’univers dans son ensemble. C’est une extension de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein – mais une extension tellement massive qu’il lui a fallu 10 ans, de 1905 à 1915, pour passer de l’une à l’autre.

La relativité restreinte nous dit que le mouvement déforme l’espace et le temps. Le coup central d’Einstein avec la relativité générale était de combiner cela avec un principe noté plus de trois siècles plus tôt par Galilée : que les objets qui tombent accélèrent à la même vitesse indépendamment de leur masse. Ainsi, une plume et un marteau lâchés du haut de la tour de Pise touchent le sol en même temps, si l’on fait abstraction de la résistance de l’air. (Lors de l’alunissage d’Apollo 15 en 1971, l’astronaute David Scott a confirmé ce principe sur la lune sans air.)

Suivant Galilée, Isaac Newton a montré que cela ne pouvait être vrai que si une étrange coïncidence se produisait : la masse inertielle, qui quantifie la résistance d’un corps à l’accélération, doit toujours être égale à la masse gravitationnelle, qui quantifie la réponse d’un corps à la gravité. Il n’y a aucune raison évidente pour qu’il en soit ainsi, et pourtant aucune expérience n’a jamais séparé ces deux quantités.

De la même manière qu’il avait utilisé la vitesse constante de la lumière pour construire la théorie de la relativité restreinte, Einstein a déclaré qu’il s’agissait d’un principe de la nature : le principe d’équivalence. Armé de cela et d’une nouvelle conception de l’espace et du temps comme un « espace-temps » imbriqué, vous pouvez construire une image dans laquelle la gravité n’est qu’une forme d’accélération. Les objets massifs courbent l’espace-temps autour d’eux, ce qui fait que les choses semblent s’accélérer vers eux.

Cela explique pourquoi nous ressentons une attraction vers le bas en direction de la Terre et pourquoi la Terre tourne autour du soleil. Bien que la gravité soit dominante sur les grandes échelles cosmiques et près de très grandes masses comme les planètes ou les étoiles, c’est en fait de loin la plus faible des quatre forces connues de la nature – et la seule qui n’est pas expliquée par la théorie quantique.

La théorie quantique et la relativité générale ne s’entendent en fait pas du tout. Les deux théories travaillent généralement à des échelles très différentes, ce n’est donc pas un énorme problème. Mais cela nous empêche de comprendre ce qui s’est passé dans les tout premiers instants du big bang, par exemple, lorsque l’univers était très petit et que la gravité était très forte. Et dans une autre situation où les deux s’affrontent – à l’horizon des événements d’un trou noir – des paradoxes insolubles émergent.

Le grand espoir est qu’une certaine « théorie du tout » puisse un jour unifier la théorie quantique et la relativité générale – bien que des tentatives telles que la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles n’aient jusqu’à présent pas abouti.

Pendant ce temps, la relativité générale n’a jamais été trouvée défaillante. Sa prédiction selon laquelle des agglomérations de masse très denses pourraient déformer l’espace-temps au point que même la lumière ne pourrait s’en échapper s’est avérée vraie. Nous appelons maintenant ces objets « trous noirs », nous pouvons photographier les « horizons des événements » qui les entourent, et nous sommes à peu près sûrs qu’il y en a un au centre de chaque galaxie massive.

Mais le plus grand triomphe de la relativité générale a peut-être eu lieu en 2015, avec la découverte des ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps causées par le mouvement d’objets très massifs. Le signal de deux trous noirs se rapprochant en spirale et fusionnant a été le triomphe du travail de détective minutieux et patient de l’expérience Advanced LIGO. Richard Webb