Physique

La géométrie de l'espace-temps courbe

Comment une fourmi peut-elle découvrir que sa surface est courbe sans jamais en sortir ? La même question, posée à quatre dimensions, conduit à la gravitation. Voici les outils pour la comprendre : courbure, géodésiques, métrique, coordonnées et tenseurs.

Un marcheur porte une flèche et prend grand soin de ne jamais la faire tourner. Il suit trois lignes droites et revient à son point de départ. Sur un plan, sa flèche n'a pas bougé. Sur une sphère, elle a tourné de 90°, alors qu'il ne l'a jamais tournée.

À gauche, deux quarts de méridiens et un quart d'équateur forment un triangle à trois angles droits. À droite, un triangle plat. La flèche verte est la flèche de départ, la rouge celle du marcheur. L'écart est une mesure de la courbure, faite sans quitter la surface.

Planche 1

La notion de courbure

Pour une ligne, c'est simple : la courbure κ est l'inverse du rayon R du cercle qui épouse le mieux la ligne en un point. Une ligne droite a une courbure nulle, un virage serré une grande courbure.

Le cercle orange, dit cercle osculateur, accompagne la courbe sur une petite longueur. Il est grand là où la courbe est presque droite.

Courbure par la formule |y″|/(1+y′²)3/2
Courbure par un cercle passant par trois points voisins
Rayon du cercle osculateur

Une surface a deux courbures, et leur produit compte

En un point d'une surface, il y a une courbure la plus forte κ₁ et une courbure la plus faible κ₂, dans deux directions perpendiculaires. Leur produit K = κ₁κ₂ est la courbure de Gauss. Elle est positive pour un dôme, négative pour une selle, nulle pour un cylindre.

Un morceau de surface z = ½(κ₁x² + κ₂y²). Choisissez les deux courbures.

Une feuille que l'on enroule, avec un triangle dessiné dessus. La feuille paraît courbée, mais sa géométrie n'a pas changé.

K mesuré sur la surface, par différences finies
κ₁κ₂
Type de surface
Feuille : angles du triangle, mesurés en 3D
Feuille : périmètre en 3D, sur le périmètre à plat

Le théorème remarquable de Gauss

La feuille enroulée nous apprend l'essentiel. On distingue la courbure extrinsèque, celle qu'on voit de l'extérieur, et la courbure intrinsèque, celle qu'on peut mesurer depuis la surface. Gauss montre vers 1827 que K est intrinsèque : une fourmi peut la mesurer. L'un de ses moyens est la somme des angles d'un triangle.

Triangle dont les côtés sont des arcs de grands cercles, sur une sphère de rayon 1. L'une des pointes est au pôle.

Somme des angles (mesurés par vecteurs tangents)
Excès sur 180°, en radians
Aire du triangle (intégrale de Simpson)
Excès / aire : la courbure K
Triangle de 1 000 km de côté sur la Terre : excès
Ce qu'il faut retenir. Excès d'angle = K × aire : c'est la formule de Gauss-Bonnet. La courbure n'a donc rien à voir avec un « extérieur » où la surface se plierait. C'est cette idée qui permettra de parler d'un espace courbe sans dimension supplémentaire.
Planche 2

Les géodésiques

Une géodésique est la ligne la plus droite possible sur une surface. Deux définitions coïncident : c'est le chemin le plus court entre deux points voisins, et c'est le chemin qui ne tourne jamais ni à gauche ni à droite. Sur une sphère, ce sont les grands cercles.

Un élastique est tendu à la surface du globe, à partir de Paris. Il se raccourcit de lui-même jusqu'au grand cercle. Sur la carte plate, à droite, ce chemin paraît courbe.

Longueur de l'élastique
Formule du grand cercle (haversine)
Écart relatif
Trait droit sur la carte, longueur réelle
Détour dû à ce trait droit

L'équation d'une ligne droite en coordonnées

Comment tracer une géodésique avec seulement les coordonnées ? Sur la sphère, on utilise θ (distance au pôle) et φ (longitude). L'équation dit que l'accélération en coordonnées compense le fait que la grille se déforme :

θ″ = sinθ cosθ φ′²  ;  φ″ = −2 cotθ θ′φ′

Le calcul ci-dessous intègre ces seules équations, sans savoir ce qu'est un grand cercle. Il les retrouve pourtant.

Deux géodésiques lancées du même point. Elles s'écartent, puis se rejoignent à l'opposé du globe. À droite, les mêmes en coordonnées (φ, latitude).

Écart maximal au plan d'un grand cercle (RK4)
Dérive de la vitesse, g(v, v) − 1
Dérive de la constante de Clairaut sin²θ φ′
Distance actuelle entre les deux (RK4)
Formule cos d = cos²s + sin²s cos Δ
Ce qu'il faut retenir. Deux géodésiques parallèles au départ peuvent se rapprocher sans que rien ne les pousse. C'est la courbure, et le rapprochement la mesure. En relativité générale, les corps en chute libre suivent des géodésiques de l'espace-temps.
Planche 3

La métrique : distances et durées

Les coordonnées ne sont que des étiquettes. Ce qui donne la vraie distance entre deux points très voisins, c'est la métrique, notée g. C'est un Pythagore généralisé, dont les coefficients changent d'un endroit à l'autre :

ds² = g₁₁ dx₁² + 2 g₁₂ dx₁dx₂ + g₂₂ dx₂²

Une carte plate-carrée donne la latitude λ et la longitude φ. Sur la Terre, ds² = R²(dλ² + cos²λ dφ²). Le coefficient cos²λ dit qu'un degré de longitude rétrécit vers les pôles. Les ellipses montrent un même cercle de 1 110 km de rayon : la carte le déforme de plus en plus.

Trait bleu : droit sur la carte. Trait vert : le plus court en réalité. Le Pythagore de la carte ne donne ni l'un ni l'autre.

Pythagore sur la carte (sans métrique)
Trait de la carte mesuré avec la métrique (Simpson)
Distance la plus courte (haversine)
Longueur d'un degré de longitude au départ
Le même point de la Terre peut avoir des coordonnées différentes selon la carte, mais la distance réelle ne dépend pas de la carte. La métrique est ce qui relie les deux.

Une fourmi trace un cercle en restant à une distance r de son centre, puis mesure son périmètre C. Sur un plan, C = 2πr. Sur une sphère, C est plus petit. Sur une selle, C est plus grand. L'écart donne la courbure, là encore sans sortir de la surface.

À gauche, le périmètre mesuré contre 2πr. À droite, le rapport C/(2πr) selon r pour les trois géométries.

Périmètre mesuré point par point (2 000 segments)
Formule : 2π sin r, 2πr ou 2π sinh r
Rapport C/(2πr)
Estimation 3(2πr − C)/(πr³), juste quand r → 0
Sur le plan hyperbolique, le périmètre se mesure ici avec la métrique du disque de Poincaré, ds² = 4(dx² + dy²)/(1 − x² − y²)². Aucun espace extérieur n'est utilisé, et aucune surface de notre espace ordinaire ne réalise ce plan en entier.

Minkowski a montré que le temps entre dans la métrique, avec un signe opposé : ds² = −c²dt² + dx² + dy² + dz². Pour une horloge, la durée qu'elle affiche, le temps propre τ, vient de ds² = −c²dτ². Autour d'une masse M, la métrique de Schwarzschild modifie ces coefficients :

ds² = −(1 − 2GM/rc²) c²dt² + dr²/(1 − 2GM/rc²) + r²dΩ²

Lisons-y directement la durée pour une horloge en orbite circulaire, de vitesse v² = GM/r : dτ/dt = √(1 − 3GM/rc²). Plus haut, le premier coefficient accélère l'horloge ; la vitesse la ralentit.

À gauche, le satellite à l'altitude choisie. À droite, son avance sur une horloge au sol, en microsecondes par jour.

Altitude : gain de la gravitation
Vitesse orbitale : perte
Bilan, calculé depuis la métrique
Bilan au premier ordre (somme des deux)
Erreur de distance par jour sans correction
Altitude où le bilan s'annule (dichotomie / formule)
Pour le GPS, à 20 190 km, on trouve environ 38 µs par jour, conformément à la littérature : les horloges des satellites sont réglées d'avance pour le compenser. L'horloge au sol est prise sur le géoïde, avec la constante LG = 6,969290134·10⁻¹⁰, qui inclut la rotation terrestre.
Planche 4

Une introduction aux coordonnées et aux tenseurs

Dans un espace courbe, il n'existe pas de grille carrée partout. Il faut donc des coordonnées quelconques, et une façon d'écrire la physique qui ne dépende pas de ce choix. C'est le rôle des tenseurs : ce sont des objets réels, dont les composantes changent avec les coordonnées selon une règle précise.

Le même vecteur rouge est décrit dans trois systèmes de coordonnées sur un plan. Ses composantes changent, ainsi que la métrique. Mais sa longueur, calculée avec la formule v² = gij vi vj, reste la même. C'est un scalaire, un nombre qui ne dépend pas de la grille.

En bleu et orange, les vecteurs de base de la grille au point choisi. En polaires, eφ grandit quand on s'éloigne du centre : il est dessiné à demi-longueur.

Métrique gij en ce point
Composantes contravariantes vi
Composantes covariantes vi = gij vj
Longueur² : vi vi
Pythagore en cartésiennes
Le vocabulaire. Un scalaire n'a qu'un nombre. Un vecteur en a n, selon la dimension. La métrique est un tenseur d'ordre 2 : elle transforme deux vecteurs en un nombre. Une loi écrite comme une égalité entre tenseurs reste vraie dans toutes les grilles : c'est ce qu'Einstein recherchait.

Transporter un vecteur « parallèlement » veut dire ne pas le faire tourner localement. En coordonnées, cela demande les symboles de Christoffel Γ, calculés à partir de la métrique. Sur le plan en polaires, Γ n'est pas nul, parce que la grille se tord ; mais la flèche revient intacte. Sur la sphère, elle revient tournée. Γ dépend des coordonnées, pas la rotation.

Le vecteur fait le tour d'un parallèle. Les flèches grises marquent son orientation tout au long du trajet. La verte est celle du départ.

Christoffel non nuls au départ
Rotation après un tour (RK4 en coordonnées)
K × aire enclose (à 360° près)
Pendule de Foucault à cette latitude : un tour en
Gyroscope de GP-B, calcul 3πGM/(c²r) par orbite
GP-B, mesuré en 2011 (prévu : 6 606 mas/an)6 602 ± 18 mas/an
Le pendule de Foucault tourne pour la même raison géométrique : son plan est transporté parallèlement autour d'un parallèle. Et Gravity Probe B a fait l'expérience dans l'espace-temps : un gyroscope, laissé à lui-même en orbite, a pivoté de 6,6″ par an. Environ deux tiers de cette rotation viennent de la courbure de l'espace, et le reste du rôle du temps.

Le chemin complet tient en trois étapes. La métrique g donne les Γ par ses dérivées. Les Γ donnent le tenseur de Riemann R par une nouvelle dérivation. Si Riemann est nul partout, l'espace est plat, quelles que soient les coordonnées.

Le calcul complet, effectué numériquement à partir de la seule métrique, par différences finies.

Γ¹₂₂ en ce point
Γ²₁₂ en ce point
Riemann R¹₂₁₂
Courbure K = R¹₂₁₂ / g₂₂
Valeur attendue

Combien de nombres pour décrire la courbure ?

Composantes indépendantes en un point, selon la dimension. À 2 dimensions, un seul nombre suffit : la courbure K de Gauss.

Métrique, n(n+1)/2
Riemann, n²(n²−1)/12
Par comptage des symétries
Ricci + Weyl (n ≥ 3)
À quatre dimensions : 10 nombres pour la métrique et 20 pour la courbure, dont 10 pour Ricci et 10 pour Weyl. Ricci décrit l'effet local de la matière, et Weyl la courbure qui se propage hors de la matière, comme les marées et les ondes gravitationnelles. C'est pourquoi la courbure d'un espace-temps ne se réduit pas à un seul nombre K.
Planche 5 · signature

Courbure d'un espace ou courbure de l'espace-temps ?

C'est la confusion la plus courante. La courbure de l'espace concerne une tranche à temps fixé : elle ne change que les distances. La courbure de l'espace-temps mêle aussi le temps, et c'est elle qui décrit la gravitation. Une balle ne tombe pas parce que l'espace est creusé : elle tombe surtout à cause du temps.

Courbure d'un espace

Dimensions de longueur seulement, à temps fixé. On la mesure avec des règles, avec les triangles et les cercles de la planche 3. Elle ne peut pas, à elle seule, mettre en mouvement un corps au repos.

Courbure de l'espace-temps

Dimensions de longueur et de temps. On la mesure avec des règles et des horloges, et avec les marées. Sa métrique n'est pas positive : le temps y compte avec le signe opposé. Les corps en chute libre suivent ses géodésiques.

Une balle lente et un projectile rapide parcourent la même distance. Dans l'espace, leurs trajectoires n'ont pas du tout la même courbure. Il est difficile de croire qu'il s'agit d'une même géométrie. Mais ajoutons le temps : dans le plan (temps, hauteur), les deux suivent la même courbe.

À gauche, dans l'espace. À droite, hauteur selon le temps, à partir du sommet. Le projectile n'occupe qu'un petit morceau de la même parabole. L'axe vertical n'a pas la même échelle à gauche et à droite.

Rayon de courbure dans l'espace : balle
Rayon de courbure dans l'espace : projectile à 500 m/s
Rayon dans l'espace-temps (ct, y) : balle
Rayon dans l'espace-temps (ct, y) : projectile
Formule c²/g
Orbite terrestre : pas de l'hélice sur son rayon
Le rayon est le même pour tous les deux, soit près d'une année-lumière : pendant une seconde, un corps parcourt 300 000 km en « ct ». L'orbite de la Terre est aussi presque droite : une hélice de 1 UA de rayon, avec un pas de 1 année-lumière par tour. La courbure de l'espace-temps est très faible, mais ses effets s'accumulent, parce que tout voyage très loin dans le temps.

Dans l'espace, une géodésique est le chemin le plus court. Dans l'espace-temps, c'est la durée propre qui compte, et une géodésique suivie par un corps en chute libre est, localement, le chemin de durée la plus longue. On lance une horloge en l'air, et elle revient au même point au bout du temps T. Quelle montée lui donne la durée la plus longue ?

En montant, elle gagne du temps, parce que le temps s'écoule plus vite en altitude. Mais elle en perd en se déplaçant vite. Le meilleur compromis est exactement la chute libre.

À gauche, le trajet choisi (bleu) et la chute libre (vert). À droite, l'avance de l'horloge sur celle restée au sol, selon la hauteur atteinte.

Hauteur atteinte par ce trajet
Avance sur l'horloge au sol (Simpson)
Formule ⅔ghT/c² − 8h²/(3Tc²)
Hauteur du maximum (section dorée)
Hauteur de la chute libre gT²/8
Le résultat le plus frappant de la page. Le mouvement de la balle découle de ce seul principe : maximiser le temps propre. La gravité n'y apparaît que comme le fait que le temps s'écoule à un rythme qui dépend de l'altitude. Nous avons pris une famille de paraboles, et le calcul est fait à faible vitesse et sous un champ uniforme.

Prenons maintenant l'espace seul, autour d'une masse : une tranche à t fixé de la métrique de Schwarzschild, à laquelle on retire une dimension. On peut la représenter par une surface, le paraboloïde de Flamm. La distance radiale réelle y est plus grande que la différence des rayons r, définis par C = 2πr.

Surface z = 2√(rs(r − rs)). L'anneau noir, en bas, est l'horizon. La longueur mesurée sur cette surface reproduit la métrique de l'espace seul.

Différence des rayons r₂ − r₁
Distance le long de la surface (ligne brisée)
Formule de ∫dr/√(1 − rs/r)
Rayon réel moins C/2π, densité uniforme (Simpson)
Premier ordre GM/(3c²)
Rayon de courbure de l'espace dans l'astre √(R³/rs)
Pour la Terre, l'espace n'allonge le rayon que d'environ 1,5 mm. Cette surface ne fait d'ailleurs rien tomber : un objet posé au repos y resterait au repos, puisque la métrique de l'espace seul ne contient pas le temps. La célèbre image de la bille sur la toile élastique est donc trompeuse : elle montre une courbure de l'espace, et utilise la pesanteur de la Terre pour faire rouler la bille. Elle explique la gravitation par la gravitation.

Quelle part revient au temps et quelle part à l'espace ? Un paramètre le montre bien, noté γ en physique des tests de la relativité : γ = 0 retire la courbure de l'espace et ne garde que le temps ; γ = 1 donne la relativité générale. Pour la lumière, qui va à la vitesse c, le temps et l'espace comptent à parts égales.

Rayon passant près du Soleil, avec une déviation très amplifiée. Le trait gris est la ligne droite d'origine.

Part du temps
Part de l'espace
Déviation totale, rayon intégré par RK4
Formule (1 + γ) 2GM/(c²b)
Périhélie de Mercure, formule en ″ par siècle
Pour la Terre sur son orbite, espace / temps ≈ v²/c²
La différence, en une phrase. Pour une balle ou une planète, lente devant la lumière, la gravitation est presque tout entière dans le temps, et l'espace compte environ cent millions de fois moins. Cette petite part s'accumule pourtant : elle fournit les deux tiers de l'avance du périhélie de Mercure. Pour la lumière, l'espace compte autant que le temps, et c'est pourquoi l'éclipse de 1919 a pu confirmer la courbure de l'espace. La sonde Cassini a mesuré γ = 1 à environ 2·10⁻⁵ près en 2003.

Des géomètres à la gravitation

La courbure

Elle se mesure de l'intérieur : somme des angles d'un triangle, périmètre d'un cercle, rotation d'un vecteur après un tour.

Les outils

La métrique donne distances et durées. Les géodésiques sont les trajets les plus droits. Les tenseurs gardent les lois vraies dans toutes les coordonnées.

L'espace-temps

Un corps en chute libre suit la durée propre la plus longue. Pour les corps lents, la gravitation vient surtout de la façon dont le temps s'écoule.
Pour aller plus loin

Les équations d'Einstein. Gμν = (8πG/c⁴) Tμν. À gauche, G se déduit de Ricci, donc de la métrique et de ses dérivées. À droite, T décrit la matière et l'énergie. Ces équations ne donnent pas directement la totalité de Riemann : elles fixent la partie de Ricci, et Weyl reste possible dans le vide.

Le vide n'est pas plat. Autour de la Terre, Ricci est nul, mais Riemann ne l'est pas : les marées existent. C'est ce qu'exprime le rapport 2 : −1 : −1 de la page sur le principe d'équivalence, dont la somme fait zéro.

Conventions. Certains ouvrages écrivent ds² = +c²dt² − dx² − dy² − dz², et d'autres placent les indices ou le signe de Riemann autrement. Les résultats physiques ne changent pas.

Limites de la page. Les surfaces montrées sont des images à deux dimensions. Un espace-temps courbe n'a pas besoin d'être plongé dans un espace plus grand, et les tubes ou les toiles n'en donnent qu'une idée partielle.

Dans la même série. principe-equivalence-v1.html pour la cabine et les marées ; relativite-v1.html pour le GPS et Mercure ; transformations-lorentz-v1.html pour la géométrie de Minkowski.

Sources principales. Everitt et coll., Physical Review Letters 106, 2011 ; Ashby, Relativity of GPS Measurement, 2003 ; Taylor et Wheeler, Spacetime Physics ; Misner, Thorne et Wheeler, Gravitation, 1973.