La relativité générale est une théorie scientifique décrivant comment la matière, l’énergie, le temps et l’espace interagissent. Il a été publié pour la première fois par Albert Einstein en 1917 comme une extension de sa théorie de la relativité restreinte. La relativité générale traite l’espace et le temps comme un seul espace-temps unifié à quatre dimensions ; en relativité générale, la matière déforme la géométrie de l’espace-temps, et les déformations de l’espace-temps font bouger la matière, ce que nous considérons comme la gravité.
L’hypothèse de base de la relativité générale est que les forces causées par la gravité et les forces causées par l’accélération sont équivalentes. Si une boîte fermée subit une accélération, aucune expérience effectuée dans la boîte ne peut dire si la boîte est au repos dans un champ gravitationnel ou si elle est accélérée dans l’espace. Ce principe, que toutes les lois physiques sont les mêmes pour les observateurs accélérés et les observateurs dans un champ gravitationnel, est connu sous le nom de principe d’équivalence ; il a été testé expérimentalement à plus de douze décimales de précision.
La conséquence la plus importante du principe d’équivalence est que l’espace ne peut pas être euclidien pour tous les observateurs. Dans un espace courbe, comme une feuille déformée, les lois normales de la géométrie ne tiennent pas toujours. Il est possible dans l’espace courbe de construire un triangle dont les angles totalisent plus ou moins de 180 degrés, ou de tracer deux lignes parallèles qui se coupent. La relativité restreinte devient de plus en plus précise à mesure que la courbure de l’espace-temps tend vers zéro ; si l’espace-temps est plat, les deux théories deviennent identiques. La façon dont la matière courbe l’espace est calculée à l’aide des équations de champ d’Einstein, qui prennent la forme G = T ; G décrit la courbure de l’espace, tandis que T décrit la distribution de la matière.
Parce que l’espace est courbé, les objets en relativité générale ne se déplacent pas toujours en ligne droite, tout comme une balle ne se déplacera pas en ligne droite si vous la faites rouler dans un entonnoir. Un objet en chute libre empruntera toujours le chemin le plus court du point A au point B, qui n’est pas nécessairement une ligne droite ; la ligne qu’il parcourt est connue sous le nom de géodésique. Nous voyons les écarts par rapport aux lignes droites comme l’influence de la gravité – la Terre ne se déplace pas en ligne droite car le Soleil déforme l’espace-temps à proximité de la Terre, la faisant se déplacer sur une orbite elliptique.
Comme les forces gravitationnelles et les forces d’accélération sont totalement équivalentes, tous les effets sur un objet se déplaçant rapidement en relativité restreinte s’appliquent également aux objets situés profondément dans les champs gravitationnels. Un objet proche d’une source de gravité émettra une lumière décalée par Doppler, comme s’il s’éloignait rapidement. Les objets proches des sources gravitationnelles sembleront également ralentir le temps et toute lumière entrante sera courbée par le champ. Cela peut amener une forte source de gravité à courber la lumière comme une lentille, mettant au point des objets distants; ce phénomène se retrouve souvent dans l’astronomie du ciel profond, où une galaxie pliera la lumière d’une autre de sorte que plusieurs images apparaissent.