Interstellar, un film de science-fiction relativement fictif ?

Einstein aurait-il approuvé le film de Christopher Nolan ?

Le film en 2 min : top chrono

En 2067, la Terre n’est plus la planète accueillante que nous connaissons aujourd’hui le climat terrestre n’est plus propice à la vie. Les incendies et la poussière détruisent les plantes. L’humanité s’approche de l’extinction par asphyxie ou par famine. Afin de sauver l’espèce humaine, une équipe de scientifique composé entre autres du commandant Cooper et de Romilly part en quête d’une exoplanète capable d’abriter la vie. Une décennie avant eux, les chercheurs Mann, Raymond et Miller ont été envoyés en reconnaissance dans un système prometteur abritant trois planètes potentielles. Ce système planétaire est différent du nôtre, en son centre ne se trouve pas une étoile, mais un trou noir nommé Gargantua. Chacun des chercheurs avait pour missions d’établir une base et d’étudier l’habitabilité de la planète, le tout en envoyant leurs données à ceux restés sur Terre. Lorsque Cooper et son équipe arrivent près de Gargantua, seule Miller continue d’émettre un signal.

Est-elle encore en vie ? Est-ce la preuve que sa planète est habitable ? Cooper souhaite lui rendre visite afin de s’en assurer. Pour maintenir la liaison avec la Terre, Romilly reste à bord du vaisseau tandis que le reste de l’équipe part en direction de la planète. Une fois sur place, leurs espoirs s’amenuisent. Au lieu de contrées verdoyantes, ne se trouve qu’eau à perte de vue avec à la surface les débris de la capsule de Miller.

Vous voyez l’effet des marées ? Remplacer la Lune par un trou noir stellaire et votre marée ne fera pas quelques dizaines de centimètres, mais bien plusieurs centaines de mètres de haut. Après avoir esquivé une vague de la hauteur d’un gratte-ciel, Cooper retourne à bord de son vaisseau et surprise, Romilly a gagné 41 ans. Que s’est-il passé ?

Chacun son tempo, c’est relatif maestro

Ce n’était pas vraiment une surprise, ils avaient conscience de ce risque, pour eux c’est la gravité qui a joué sur le temps. Mais pour comprendre ce lien entre gravité et temporalité, il nous faut revenir à la fin du XIXe siècle. Lorsque Maxwell publia son Traité d’Électricité et de Magnétisme en 1874, il découvrit que la lumière est une onde électromagnétique. En 1890, Lorentz et Poincaré conclurent que cette conception de la lumière implique que sa vitesse doit être absolue, qu’elle soit invariable. Du point de vue physique, cela implique qu’il y ait une contraction des distances et une dilatation du temps[1]. Mais à l’époque c’est la physique de Newton qui domine et celle-ci est unanime, le temps doit être absolu ![2] Les fondations de la théorie de Newton étaient solides et il n’y avait alors pas de preuve valable pour la contredire[3].

Dès 1899, Einstein se pencha sur la question de l’électromagnétisme[4]. Il n’avait que faire du manque d’expérience, car pour lui, les lois de l’univers devaient être belles et simples[5]. Il lui fallut 6 ans pour mettre au point une théorie assez solide pour espérer rivaliser avec celle de Newton. En plus de la déconstruire, il proposa quelque chose de nouveau, le principe de relativité. Ni l’espace ni le temps n’est absolu, ils sont relatifs. De plus, on ne peut les isoler, ils sont liés, on parle alors d’espace-temps :


« Ce que moi j’appelle l’espace doit être un mélange ce que vous, vous appelez l’espace et le temps, et que ce que vous appelez l’espace doit être un mélange de mon espace et de mon temps. »

Kip S. Thorne paraphrasant le principe d’Einstein dans son ouvrage Trou noir et distorsions du temps


Pour comprendre le raisonnement d’Einstein, je vous renvoie vers la très bonne vidéo de Science étonnante. Ainsi, si l’espace est déformé, le temps l’est aussi et cette déformation est toujours relative par rapport à un autre référentiel.

En 1915, Einstein démontre que la gravité n’est pas une force, mais une déformation de l’espace-temps. La Lune ne tourne pas autour de la Terre, la Lune va tout droit dans un espace qui est courbé autour de notre planète. Ainsi, tout corps massique déforme l’espace-temps, mais il faut que cette masse soit suffisamment grande pour que les effets de déformation soient significatifs. Un trou noir en est un parfait exemple. La gravité de celui d’Interstellar est telle qu’une heure passée à la surface de la planète de Miller correspond à sept ans sur Terre.

La théorie d’Einstein a permis de faire de très nombreuses découvertes et beaucoup d’expérience ont échoué à l’invalider[6]. Selon elle le coupable de la dilatation temporelle du film est bien le trou noir, mais pouvons-nous le vérifier expérimentalement ?

Si à ce stade, la question qui vous démange concerne le réalisme visuelle de Gargantua, je vous renvoie vers cet autre article de notre blog !

Pour le voir, pas la peine d’aller aussi haut

Heureusement nous n’avons pas de trou noir à disposition, il nous est impossible de recréer les conditions expérimentales du film. Mais nous avons la Terre ! Alors certes la différence de masse est notable et la déformation du temps est ridicule, mais en théorie, c’est possible. La force gravitationnelle est une force qui décroit avec la distance. Si nous prenons deux horloges, que nous en plaçons une plus haute que l’autre par rapport au sol, celle restée au sol ressentira une attraction plus forte que celle en hauteur, elle devrait donc moins vieillir que celle en hauteur. Mais pour détecter un tel changement, il nous faut des horloges suffisamment précises.

Des chercheurs en 2010 ont réussi cet exploit, avec des horloges placées à 33 cm de différence[7]. Ce n’est pas la première preuve de la dilatation du temps, il y avait aussi l’expérience de Hafele-Keating de 1977[8], mais celle-ci ne permettait pas d’isoler l’influence de la gravitation avec celle de la vitesse de l’objet.

Schéma explicatif de l’expérience de C. W. Chou et al., “Optical Clocks and Relativity” dans la revue Science du 24 Septembre 2010

Ainsi, c’est bien la force gravitationnelle de Gargantua qui est à l’origine de ce décalage temporelle. Cooper et Romilly avaient raison et Einstein aurait acquiescé, du moins dans les grandes lignes. Car si l’on regarde de près le réalisme physique du film, la réponse d’Einstein serait toute autre. La situation de nos héros est à minima “théoriquement possible, mais pas réaliste” si je devais reprendre les termes du physicien Jean-Pierre Luminet dont vous pouvez retrouver l’analyse complète du film juste ici.

Référence

Kip S. Thorne, trous noirs et distorsions du temps, Paris, Flammarion, 2022 (1997).

Le Blog de Science Étonnante : Billet sur le paradoxe des jumeaux.

La vidéo de Science Étonnantes sur la relativité restreinte d’Einstein : lien Youtube.

Luminet Jean-Pierre « La physique étrange d’Interstellar », LUMINESCIENCES : le blog de Jean-Pierre Luminet, astrophysicien, 2015. Lien du billet.

L’article Wikipédia sur l’expérience de Hafele-Keating.

L’analyse de l’expérience de Hafele et Keating par Pierre Spagnou.

C. W. Chou et al., “Optical Clocks and Relativity”, Science, 329, 2010, p. 1630-33.

Voici une autre animation explicative du raisonnement d’Einstein : La relativité restreinte expliquée en animation – YouTube.


[1] La dilatation du temps est un effet relatif. Si le temps est absolu, une seconde sera toujours équivalente à une seconde pour tout le monde et partout. Or s’il le temps est relatif, alors il est possible qu’en fonction de la situation, une seconde pour vous soit équivalente à une minute pour votre voisin. Autrement dit, si vous vieillissez d’une seconde, votre voisin aura vieillira d’une minute.

[2] Il était difficile de considérer que la contraction d’un objet pouvait être induite par un mouvement rectiligne uniforme, non pas que la théorie de Newton s’y opposait, mais parce que cela rentrait en conflit avec la compréhension de la matière qu’avaient les physiciens de l’époque.

[3] Il y avait bien l’expérience de Michelson et Morley en 1887, mais ce n’était qu’une seule expérience et beaucoup doutaient de sa fiabilité. Et les horloges de l’époque étaient beaucoup trop imprécises pour espérer déceler un quelconque décalage.

[4] En aout 1899, Einstein écrivait à Mileva Maric : « Je suis de plus en plus convaincu que l’électrodynamique des corps en mouvement, telle qu’elle est présentée aujourd’hui, n’est pas correcte.»

[5] D’après et plusieurs scientifiques de l’époque, les équations de Maxwell sont très belles, car réduite. Une beauté qui était possible grâce à l’introduction du facteur de Lorentz représenté par le symbole γ qui est le facteur de dilatation du temps.

[6] Point important, mais on ne prouve pas une théorie, même s’il existe une majorité d’expériences la validant, il suffit d’une seule expérience qui contredisent la théorie pour qu’on la remette en question. Jusqu’à aujourd’hui, la relativité générale est la théorie la plus solide, même si elle commence à montrer ses limites lorsque nous essayons de la concilier avec la mécanique quantique.

[7] C. W. Chou et al., “Optical Clocks and Relativity”, Science, 329, 2010, p. 1630-33.

[8] Voir l’analyse de P. Spagnou, « L’expérience cruciale de Hafele et Keating », Bibnum, mars 2018 en suivant ce lien


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1 réponse

  1. 22/08/2022

    […] dans Interstellar, a utilisé cette notion de physique (d’ailleurs détaillée dans le ce billet) pour faire voyager les protagonistes à proximité de Gargantua, un trou noir supermassif[5]. […]

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