[PEAC/CHRONIQUES SCIENTIFIQUES] Albert Einstein serait-il l'inventeur du GPS ?

Photo : Modèle de l’espace plat de Newton vs Modèle de l’espace courbe d’Einstein, d’après le film Testing Einstein’s Universe de Norbert Bartel (source : https://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/28mar_gamma.html).

Dans le cadre du parcours d'éducation artistique et culturelle (PEAC) mis en place depuis l'an dernier, un nouvel atelier s'est créé à la rentrée : la rédaction de chroniques scientifiques par nos élèves, avec le soutien de deux professeurs des sciences physiques. Troisième chronique de deux élèves de première qui s'interroge sur le rôle du physicien théoricien dans la découverte du Global Positioning System.

La relativité générale est l’une des théories les plus fascinantes de la science moderne. Cette théorie d’Albert Einstein nous permet d’expliquer que l’attraction des corps, la fameuse gravité, n’est pas une force abstraite et instantanée comme le pensait Newton mais qu’elle est due à une courbure de l’espace et du temps dont l’origine est une masse (cf. représentation ci-dessous).

Une analogie qui permet de se représenter ce phénomène est celle d’une boule de bowling que l’on poserait sur un drap suspendu horizontalement, le drap représente l’espace-temps, et c’est ainsi qu’il se courbe sous l’effet de la masse de la boule de bowling. Cela signifie que, plus on s’éloigne d’une masse, moins celle-ci courbe l’espace-temps et donc elle nous attire moins et inversement.

Ceci explique pourquoi la relativité générale nous permet de mieux mesurer la trajectoire des planètes proches du soleil que la mécanique classique. En effet, lorsque la force de gravitation est intense comme c’est le cas entre le Soleil et Mercure – la planète la plus proche du Soleil, la courbure doit être prise en compte.

La relativité générale s’appuie donc sur la notion d’espace-temps, une notion tout à fait essentielle puisqu’elle admet que le temps et l’espace sont indissociables, que l’un n’existe pas sans l’autre.  C’est ainsi que l’on comprend l’exemple le plus extrême, celui du trou noir.

Le trou noir est un corps qui courbe l’espace et le temps au point qu’aucune particule ne peut être émise depuis cette distorsion de l’espace-temps : c’est ce qu’on appelle une singularité. La conséquence est que le temps s’écoule plus lentement de notre point de vue au sein d’un trou noir : c’est la dilatation du temps. Le film Interstellar illustre bien ceci.

Par ailleurs, le phénomène de dilatation du temps décrit par Einstein a permis d’accroître la précision du GPS. Puisque, à une altitude moyenne de 20 000 km, les satellites GPS subissent une attraction gravitationnelle quatre fois moindre qu’au sol, alors leurs horloges ont un décalage de 45 microsecondes par jour. Sans la correction quotidienne appliquée, les GPS seraient donc imprécis.

Ainsi, la relativité générale est l’une des théories les mieux corroborées de la physique moderne.