Physique

Les équations d'Einstein

Une seule ligne relie ce que contient l'Univers à la forme de l'espace-temps. Que dit-elle vraiment ? Où se cache le poids de la pression ? Pourquoi Einstein a-t-il ajouté une constante, puis l'a-t-il retirée ? Et comment retrouve-t-on Newton ?

Rμν − ½ R gμν + Λ gμν = (8πG/c⁴) Tμν

À gauche, la géométrie. À droite, la matière et l'énergie. Pour voir ce que cela signifie, lâchons au repos une petite boule de grains. Dans la matière, elle se contracte. Dans le vide, elle se déforme, et son volume ne change pas dans les premiers instants.

À gauche, une boule de grains dans un nuage de poussière. À droite, la même boule dans le vide, en chute vers un astre. Pointillés : la boule de départ. Mêmes durées de part et d'autre. À droite, le volume ne s'écarte de 1 que lentement, parce que les grains s'éloignent de la boule initiale.

Planche 1

La relation entre matière, énergie et courbure

Le physicien John Wheeler l'a résumé ainsi : la matière dit à l'espace-temps comment se courber, et l'espace-temps dit à la matière comment se mouvoir. Le dialogue ne s'arrête jamais : quand la matière bouge, la courbure change.

L'ombre représente le ralentissement du temps près de l'astre, très exagéré. Les grains ne subissent aucune force : ils suivent les géodésiques déterminées par l'astre, calculées ici avec la limite de Newton.

Le coefficient

Le nombre κ = 8πG/c⁴ dit combien de courbure produit une énergie. Il est extraordinairement petit : l'espace-temps est très raide. Dans une matière de densité ρ, la courbure a pour échelle de longueur L = c/√(8πGρ). C'est à comparer à la taille R de l'objet : tant que R est bien plus petit que L, l'espace-temps y reste presque plat.

La droite bleue donne L selon la densité. Chaque point rouge est le rayon réel d'un objet. Sous la droite, la relativité générale n'est qu'une petite correction. Sur la droite, elle est indispensable.

κ = 8πG/c⁴
Raideur 1/κ = c⁴/(8πG)
Échelle de courbure L pour cet objet
R/L
Contrôle : rs/R calculé par 2GM/(Rc²)
Le même par ⅓(R/L)²
Combien d'équations ? Les indices μ et ν prennent quatre valeurs et le tableau est symétrique : cela fait 10 équations. Quatre identités, dites de Bianchi, les relient : il en reste six indépendantes pour dix coefficients de métrique, et les quatre autres dépendent du choix des coordonnées. Elles sont aussi non linéaires : le champ de gravitation agit sur lui-même. L'unique équation de Newton devient un système que l'on ne sait résoudre exactement que dans des cas particuliers.
Planche 2

Le tenseur énergie-impulsion

Chez Newton, la source de la gravitation est la masse. Mais la relativité mélange masse, énergie et impulsion : un seul nombre ne peut pas rester le même pour tous les observateurs. La source est donc un tableau de 4 × 4 nombres, Tμν. Sa lecture est simple : Tμν est le flux de la composante μ de l'impulsion-énergie à travers une surface perpendiculaire à ν.

En haut à gauche, Ttt : la densité d'énergie. Sur la première ligne, le flux d'énergie, qui est aussi la densité d'impulsion. Sur la diagonale, les pressions. Hors de la diagonale, les cisaillements. Choisissez une matière, puis regardez-la d'un vaisseau en mouvement.

À gauche, le tableau au repos. À droite, vu d'un observateur à la vitesse β le long de x. Bleu : positif. Rouge : négatif. Unité : la densité d'énergie au repos.

T′tt par transformation de Lorentz
Formule γ²(1 + β²Px)
T′tx : flux d'énergie vu en mouvement
Formule γ²β(1 + Px)
Trace −Ttt + ΣTii, au repos puis en mouvement
Source de gravité ρ + ΣP, au repos
Pour la poussière, Ttt grandit comme γ² : un facteur γ pour l'énergie de chaque grain, un autre pour les grains plus serrés par la contraction. Le vide avec Λ, lui, reste identique pour tous les observateurs : aucun mouvement ne peut y être détecté. Ainsi, Λ ne se comporte comme aucune matière ordinaire.

Une pression n'est qu'un flux d'impulsion. Dans une boîte, chaque grain qui rebondit sur la paroi lui donne 2m|vx|. Comptons ces chocs, puis comparons à la composante du tableau calculée à partir des vitesses des grains : Txx = n m ⟨vx²⟩. Ici le calcul est à deux dimensions, en mécanique usuelle.

Chaque choc sur la paroi de droite s'allume en orange. À droite, la mesure cumulée de la pression, qui se stabilise.

Pression mesurée par les chocs, moyenne cumulée
Txx = n m ⟨vx²⟩ à partir des vitesses
Écart
Chocs comptés
Dans l'eau, à la pression atmosphérique, P/(ρc²) vaut environ 10⁻¹⁵. C'est pourquoi on oublie la pression dans la vie courante. Mais dans le rayonnement, elle vaut ⅓, et dans le vide avec Λ, −1. Elle compte alors autant que la masse.
Planche 3

Le sens physique des équations

Baez et Bunn ont montré qu'on peut dire presque tout en une phrase. Prenez une petite boule de grains en chute libre, au repos les uns par rapport aux autres. Le taux de variation de son volume au départ vaut :

V̈/V = −4πG (ρ + (Px + Py + Pz)/c²) + Λc²

Le volume ne se contracte que là où il y a de l'énergie ou de la pression. Dans le vide, sans Λ, il ne varie pas, même si la boule est étirée par les marées. Cette partie de la courbure, la seule qui n'entre pas dans cette équation, est celle de Weyl.

À gauche, la boule vue de côté (axe x vertical). À droite, le volume relatif au cours du temps : courbe calculée pas à pas, et pointillé donné par la formule. Temps en unités où 4πGρ vaut 1.

V̈/V mesuré sur les trajectoires (RK4)
Formule −ρ(1 + 3w) + Λ
Accélérations selon x, y, z (par unité de longueur)
Durée d'effondrement d'une boule à la densité de la Terre (RK4)
Formule √(3π/(32Gρ))
Essayez w = −⅓ : la boule ne bouge plus, malgré la densité. Avec w < −⅓, elle se dilate : une pression fortement négative repousse. C'est le ressort de l'expansion accélérée. Et la pression d'un corps stable aide à le comprimer davantage, ce qui prépare l'effondrement des étoiles à neutrons (planche 5).

Lisons l'équation à l'envers : donnez une métrique, on en déduit la matière nécessaire. Le calcul ci-dessous ne connaît que la métrique. Il dérive une fois pour obtenir Γ, une seconde fois pour obtenir Ricci et G, numériquement. En unités où G = c = 1, il lit ρ = −Gtt/8π et P = Grr/8π.

Le tableau Gμν calculé depuis la métrique. Un tableau entièrement nul signifie : pas de matière ici.

ρ lu dans la géométrie
ρ attendu
P lu dans la géométrie
P attendu
Marée |Rtrtr| : la courbure de Riemann
Hors diagonale, le plus grand terme
Pour la métrique de Schwarzschild, G est nul, mais Riemann ne l'est pas : le vide peut être courbe. La matière ne fixe directement que Ricci. Autre conséquence : la divergence de G est nulle identiquement, donc les équations imposent ∇T = 0. La conservation de l'énergie-impulsion, et le mouvement des corps en chute libre, sont contenus dans les équations.
Planche 4

La constante cosmologique

Rien n'interdit d'ajouter au membre de gauche un terme Λgμν. Il respecte les mêmes symétries et il est invisible à l'échelle du Système solaire. Passé à droite, il se lit comme une énergie du vide, de pression P = −ρc². Son histoire est un aller-retour.

En 1917, Einstein veut un Univers éternel et immobile. Or la matière s'attire. Il introduit Λ pour équilibrer exactement : Λ = 4πGρ/c². Mais Eddington montre en 1930 que cet équilibre est instable, comme un crayon sur sa pointe : un rien le fait s'effondrer ou s'emballer. Après la découverte de l'expansion, Einstein abandonne Λ en 1931.

Facteur d'échelle a(t), à partir de l'équilibre a = 1, avec une petite perturbation. Le temps est en unités où 4πGρ₀/3 vaut 1.

Ä/a à l'équilibre, numérique (doit être nul)
Taux de croissance mesuré (RK4, pente de ln|a − 1|)
Formule √3
Rayon de cet Univers pour la densité critique actuelle : 1/√Λ
Ce n'est pas Λ qui était faux, mais l'idée d'un Univers immobile. Einstein aurait dit plus tard que ce fut sa plus grande erreur : le propos vient du récit de Gamow, et son authenticité reste discutée, même si des recherches récentes le jugent vraisemblable.

En 1998, l'étude de supernovae lointaines montre que l'expansion accélère. Le terme Λ est le candidat le plus simple. Pour un Univers plat, l'équation de Friedmann donne H² = H₀²(Ωm/a³ + ΩΛ). Faites varier ΩΛ.

Facteur d'échelle en fonction du temps, aujourd'hui a = 1. Bleu : votre choix. Gris : un Univers sans Λ. Le point rouge marque le début de l'accélération.

Âge de l'Univers, intégrale ∫da/(aH)
Formule 2/(3H₀√ΩΛ) · argsh√(ΩΛ/Ωm)
Début de l'accélération (minimum de ä, par dichotomie)
Valeur de Λ = 3H₀²ΩΛ/c²
Densité d'énergie du vide équivalente
Avec H₀ = 67,4 km/s/Mpc et Ωm = 0,315, valeurs de Planck, on trouve environ 13,8 milliards d'années. Il reste deux énigmes. L'estimation naïve de l'énergie du vide dépasse la valeur mesurée d'environ 120 ordres de grandeur, voire 60 selon les hypothèses. Et les données de l'expérience DESI, publiées en 2025, préfèrent à 3 à 4 σ selon les combinaisons une énergie sombre variable, ce qu'une constante ne ferait pas : ce n'est pas encore une preuve.

À distance r d'une masse M, l'accélération vaut −GM/r² + Λc²r/3. Le premier terme décroît, le second croît. La distance à laquelle ils s'équilibrent sépare le royaume de la gravitation de celui de l'expansion.

En échelle logarithmique, l'attraction (bleu) et la répulsion due à Λ (rouge), selon la distance en mètres.

Distance d'équilibre (dichotomie)
Formule (3GM/Λc²)^⅓
Répulsion / attraction du Soleil, à l'orbite de la Terre
Masse équivalente à ρΛ dans 1 km³
À l'orbite de la Terre, l'effet de Λ est environ 10²² fois plus faible que l'attraction du Soleil. Le Système solaire et même la Voie lactée ne se dilatent pas : l'expansion n'a d'effet qu'entre les grands amas de galaxies. Voilà pourquoi Newton n'a jamais eu besoin de Λ.
Planche 5 · signature

Le retour à la gravitation de Newton

Une théorie nouvelle doit retrouver ce qui marche. Prenons un champ faible (Φ ≪ c²), des vitesses faibles (v ≪ c), une pression faible (P ≪ ρc²) et Λ négligeable. Il ne reste qu'un coefficient de la métrique, gtt = −(1 + 2Φ/c²), et les équations se réduisent à celle de Poisson :

Gtt ≈ 2∇²Φ/c²  ;  Ttt ≈ ρc²  ⟹  ∇²Φ = 4πGρ

C'est ainsi qu'Einstein fixe le coefficient : il n'est pas libre. On impose 2∇²Φ/c² = κρc², et avec ∇²Φ = 4πGρ, on en tire κ = 8πG/c⁴. Vérifions-le deux fois : sur le graphique, par l'équation de Poisson pour une boule ; dans les cadres, par le calcul complet de G à partir d'une métrique faible.

En bleu, le potentiel Φ obtenu en résolvant Poisson sur une grille. En rouge, le champ g = dΦ/dr. En vert, la densité de la boule. Hors de la boule, g décroît en 1/r².

Φ au centre, grille
Boule uniforme : −3GM/(2R)
g en surface, grille
Gauss : GM/R²
Métrique faible : −Gtt/(8πρ), calcul complet
κ = 8πG/c⁴
Le rapport −Gtt/(8πρ) tend vers 1 quand le champ devient faible. Quand il est fort, il s'en écarte : c'est la non-linéarité. Un facteur 8π n'a donc rien de mystérieux : c'est le 4π de Poisson, multiplié par 2.

L'orbite d'un corps dans la métrique de Schwarzschild obéit, avec u = p/r et ε = GM/(c²p), à u″ + u = 1 + 3εu². Sans le terme en ε, on obtient l'ellipse de Newton. Avec lui, l'ellipse tourne d'un petit angle à chaque tour. Faites tendre ε vers 0 : l'orbite de Newton revient.

En gris pointillé, l'ellipse de Newton. En rouge, l'orbite calculée. Le rayon est à la même échelle, et aucune amplification n'est appliquée à l'angle.

Avance par tour, mesurée sur l'orbite (RK4)
Premier ordre 6πε
Écart relatif : il doit tendre vers 0 avec ε
Mercure : ε
Mercure : avance par siècle (RK4 extrapolé)
Pour Mercure, ε vaut 2,7·10⁻⁸ : presque rien. L'effet ne se voit que parce qu'il s'accumule à chaque tour. Pour le reste du Système solaire, Newton suffit largement, sauf pour les horloges de précision comme celles du GPS.

Dans une étoile, la pression retient le poids. Newton donne dP/dr = −Gmρ/r². Einstein remplace cette équation par celle de Tolman, Oppenheimer et Volkoff : la pression pèse aussi et la géométrie renforce la gravité. Modèle : étoile de densité uniforme, x = rs/R.

À gauche, la pression dans l'étoile, de sa surface au centre. À droite, la pression centrale selon x : elle diverge à x = 8/9. Newton (vert) ne voit aucune limite.

Pression centrale Pc/(ρc²), TOV par RK4
Formule exacte
Newton : x/4
Einstein / Newton (→ 1 quand x → 0)
Limite de compacité (Buchdahl) par dichotomie sur 1/Pc
À x = 0,001, Einstein et Newton coïncident presque. Vers x = 0,35, ordre de grandeur d'une étoile à neutrons, Einstein donne déjà environ 1,6 fois Newton. Et quand x → 8/9, aucune pression finie ne suffit : plus on pousse, plus la pression elle-même pèse. C'est ce que Newton ne peut pas dire. Le modèle à densité uniforme est très simplifié, et seule la limite 8/9 est générale pour une étoile où la densité décroît vers l'extérieur.

Le nombre qui décide est GM/(Rc²). Ajoutons, pour un observateur immobile, le rapport entre la pesanteur relativiste et celle de Newton : g/gN = 1/√(1 − rs/r).

GM/(Rc²) sur une échelle logarithmique. Chaque graduation multiplie par 1 000.

GM/(Rc²)
g/gN − 1 (exact)
Premier ordre GM/(Rc²)
Verdict
Ce qu'il faut retenir. Newton n'est pas « faux » : c'est la limite des équations d'Einstein pour des champs faibles et des corps lents. La relativité générale ne remplace la loi de Newton que là où GM/(Rc²) cesse d'être négligeable, ou quand la précision demandée est extrême.

De Newton à l'énergie sombre

La relation

La courbure, à gauche, est reliée à l'énergie, l'impulsion et la pression, à droite, par κ = 8πG/c⁴. Ce nombre minuscule rend l'espace-temps très raide.

Le sens

Une petite boule de grains se contracte selon ρ + ΣP/c². Dans le vide, seul Riemann subsiste, avec les marées et les ondes gravitationnelles.

Les limites

Sans champ fort ni grandes vitesses, on retrouve Newton. Aux très grandes échelles, Λ l'emporte, et son origine reste une question ouverte.
Pour aller plus loin

La forme traditionnelle. Rμν est le tenseur de Ricci et R sa trace, R = gμνRμν. La combinaison Gμν = Rμν − ½Rgμν est la seule, avec Λgμν, qui soit symétrique, sans dérivées supérieures à deux, et de divergence nulle à quatre dimensions : c'est le théorème de Lovelock (1971).

Une action. Les mêmes équations sortent de l'action d'Einstein-Hilbert, S = ∫(R − 2Λ)√−g d⁴x/(2κ), plus celle de la matière. C'est par cette voie que Hilbert les a présentées.

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Le terme ρ + ΣP. La formule de Baez et Bunn s'applique à un petit volume, au tout premier instant. Pour une boule de pression non isotrope, elle garde ΣP. Elle n'épuise pas toute la teneur des équations : pour cela, il faut l'écrire dans tous les référentiels possibles.

Dans la même série. espace-temps-courbe-v1.html pour la métrique et Riemann ; principe-equivalence-v1.html pour les marées ; relativite-v1.html pour Mercure et le GPS ; dynamique-relativiste-v1.html pour E = mc².

Sources principales. Baez et Bunn, The Meaning of Einstein's Equation, American Journal of Physics, 2005 ; Planck Collaboration, 2020 ; O'Raifeartaigh et coll., 2017 ; Frieman, Turner et Huterer, 2008 ; Collaboration DESI, 2025.