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Physique · 4 affiches · formule n° 28

Les équations d’Einstein

Les équations d’Einstein relient la courbure de l’espace-temps à la matière et à l’énergie qu’il contient. Elles sont le cœur de la relativité générale, la théorie actuelle de la gravitation.

Voir les 4 affiches 2 contrôles par le calcul

La courbure de l’espace-temps (à gauche) répond à la matière et à l’énergie (à droite) : Einstein, 1915. Dessin : l’espace autour d’une masse ponctuelle (solution de Schwarzschild), en paraboloïde de Flamm.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Gμν+Λgμν=8πGc4TμνG_{\mu\nu} + \Lambda\, g_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4}\, T_{\mu\nu}

À gauche, la géométrie de l’espace-temps ; à droite, son contenu en matière et en énergie. La gravitation n’y est plus une force : c’est la courbure de l’espace-temps, et les corps en chute libre y suivent les trajectoires les plus « droites » possibles. Selon la formule résumée par le physicien John Wheeler, la matière dit à l’espace-temps comment se courber, et l’espace-temps dit à la matière comment se mouvoir.

Les indices μ\mu et ν\nu prennent les valeurs 0, 1, 2, 3 (le temps et les trois dimensions d’espace). Chaque membre est un tableau symétrique de 4 × 4 nombres : l’écriture compacte rassemble donc 10 équations aux dérivées partielles, non linéaires, dont l’inconnue est la métrique. Les signes ci-dessus suivent la convention la plus répandue aujourd’hui, avec une métrique de signature (−, +, +, +) ; d’autres conventions déplacent des signes moins sans changer la physique.

  • gμνg_{\mu\nu} : la métrique. Elle donne la « distance » entre deux événements voisins de l’espace-temps, et donc les durées et les longueurs mesurées.
  • GμνG_{\mu\nu} : le tenseur d’Einstein, Gμν=Rμν−12RgμνG_{\mu\nu} = R_{\mu\nu} - \tfrac{1}{2} R\, g_{\mu\nu}, où RμνR_{\mu\nu} (tenseur de Ricci) et RR (courbure scalaire) mesurent la courbure. Il se calcule à partir de la métrique et de ses dérivées premières et secondes.
  • Λ\Lambda (lambda) : la constante cosmologique, en m⁻². Elle agit comme une énergie propre au vide.
  • TμνT_{\mu\nu} : le tenseur énergie-impulsion. Il décrit la densité d’énergie (donc de masse), la densité et le flux de quantité de mouvement, la pression et les contraintes.
  • GG : la constante de gravitation de Newton, environ 6,67430×10−116{,}674\,30 \times 10^{-11} m³·kg⁻¹·s⁻².
  • cc : la vitesse de la lumière, 299 792 458 m/s exactement.

Le facteur 8πG/c48\pi G/c^4 vaut environ 2,076×10−432{,}076 \times 10^{-43} s²·kg⁻¹·m⁻¹. Il est minuscule : il faut d’énormes concentrations d’énergie pour courber notablement l’espace-temps.

Un exemple

En 1915-1916, Karl Schwarzschild trouve la solution qui décrit l’espace-temps à l’extérieur d’un astre sphérique, sans rotation, entouré de vide (avec Λ=0\Lambda = 0). Elle fait apparaître une longueur caractéristique, le rayon de Schwarzschild :

rs=2GMc2r_s = \frac{2GM}{c^2}

Pour le Soleil, le produit GMGM vaut environ 1,32712×10201{,}327\,12 \times 10^{20} m³/s² (fiche NASA (nouvel onglet)). On obtient rs=2×1,32712×1020/2997924582≈2953r_s = 2 \times 1{,}327\,12 \times 10^{20} / 299\,792\,458^2 \approx 2\,953 m, soit environ 3 km. Pour la Terre (GM≈3,9860×1014GM \approx 3{,}986\,0 \times 10^{14} m³/s²), rs≈8,87r_s \approx 8{,}87 mm.

Ces rayons sont minuscules devant ceux des astres eux-mêmes : le rayon du Soleil est d’environ 695 700 km, si bien que rsr_s n’en représente qu’environ quatre millionièmes. C’est pourquoi la gravitation de Newton suffit dans la plupart des calculs du système solaire. Un astre plus petit que son rayon de Schwarzschild serait un trou noir.

La déviation de la lumière. La même solution prédit qu’un rayon lumineux qui frôle le bord du Soleil est dévié d’un angle δ=4GM/(c2R)=2rs/R\delta = 4GM/(c^2 R) = 2 r_s / R. Avec les valeurs ci-dessus : δ=2×2953/695700000≈8,48×10−6\delta = 2 \times 2\,953 / 695\,700\,000 \approx 8{,}48 \times 10^{-6} radian, soit environ 1,75 seconde d’arc. C’est deux fois la valeur qu’on obtient en traitant la lumière comme un projectile soumis à la seule gravitation de Newton, et c’est cette prédiction que les observations de l’éclipse de 1919 ont confrontée aux deux théories.

Pourquoi c’est vrai

Comme toute loi physique, ces équations ne se démontrent pas : elles se testent. On peut toutefois expliquer pourquoi elles ont cette forme, et pas une autre.

Einstein cherchait des équations valables dans n’importe quel système de coordonnées, ne faisant intervenir que la métrique et ses dérivées jusqu’à l’ordre deux, et compatibles avec la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement. Le tenseur d’Einstein a exactement la bonne propriété : sa « divergence » est nulle, identiquement. En 1971, David Lovelock a démontré qu’en dimension 4, sous ces hypothèses, les seuls choix possibles sont des combinaisons de GμνG_{\mu\nu} et de gμνg_{\mu\nu} : c’est le membre de gauche.

Le coefficient 8πG/c48\pi G/c^4 est fixé par la limite des champs faibles et des vitesses lentes : les équations doivent alors redonner la gravitation de Newton, c’est-à-dire l’équation ∇2Φ=4πGρ\nabla^2 \Phi = 4\pi G \rho pour le potentiel Φ\Phi créé par une densité de masse ρ\rho.

Les vérifications sont nombreuses : l’avance du périhélie de Mercure, d’environ 43 secondes d’arc par siècle, inexpliquée par Newton ; la déviation de la lumière des étoiles par le Soleil, mesurée lors de l’éclipse du 29 mai 1919 ; la détection directe des ondes gravitationnelles, annoncée en février 2016 par la collaboration LIGO (Tests of general relativity (nouvel onglet)).

Un peu d’histoire

Albert Einstein travaille à une théorie relativiste de la gravitation à partir de 1907. Après plusieurs communications à l’Académie des sciences de Prusse en novembre 1915, il présente la forme définitive des équations le 25 novembre 1915, sous le titre Die Feldgleichungen der Gravitation. Le mathématicien David Hilbert travaillait au même moment sur la même question ; la part de chacun a fait l’objet de discussions entre historiens.

En 1917, dans Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie, Einstein ajoute le terme Λgμν\Lambda\, g_{\mu\nu} pour obtenir un univers statique. Il l’abandonne après la découverte de l’expansion de l’Univers. Depuis la mise en évidence, en 1998, de l’accélération de cette expansion, une constante cosmologique positive est la manière la plus simple d’en rendre compte.

Ce que montre l’affiche

Le dessin représente l’espace autour d’une masse ponctuelle selon la solution de Schwarzschild, sous la forme du paraboloïde de Flamm (Ludwig Flamm, 1916) : une surface d’équation z=2rs(r−rs)z = 2\sqrt{r_s (r - r_s)}, tracée de rsr_s à 9rs9\, r_s et vue en perspective. Les cercles se resserrent vers le centre, et le cercle épais intérieur correspond à r=rsr = r_s. Cette surface montre la géométrie d’une tranche d’espace à un instant donné : la hauteur est un artifice de visualisation, sans signification physique. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • le paraboloïde reproduit la métrique spatiale de Schwarzschildécart 1.37e-9
  • dimensions : (8πG/c⁴) × densité d’énergie = 1/m²[-2,0,0,0,0] contre [-2,0,0,0,0] (m, kg, s, A, K)

Sources

Questions fréquentes

Que dit la relativité générale en une phrase ?

La gravitation n’est pas une force à distance mais une courbure de l’espace-temps, produite par la matière et l’énergie ; les corps en chute libre suivent les lignes les plus droites possibles de cet espace-temps courbe.

Combien y a-t-il d’équations d’Einstein ?

L’écriture compacte rassemble 10 équations, car les tableaux de 4 × 4 nombres qui y figurent sont symétriques. Quatre identités mathématiques les relient entre elles, ce qui laisse 6 équations indépendantes pour déterminer la métrique.

Qu’est-ce que la constante cosmologique ?

C’est le terme Λ, ajouté par Einstein en 1917. Une valeur positive agit comme une énergie du vide qui accélère l’expansion de l’Univers.

Quelle est la différence entre relativité restreinte et relativité générale ?

La relativité restreinte (1905) traite des mouvements à vitesse constante en l’absence de gravitation ; c’est elle qui donne E = mc². La relativité générale (1915) y ajoute la gravitation, décrite comme une courbure de l’espace-temps.

Quel est le rayon de Schwarzschild du Soleil ?

Environ 2,95 km, d’après r_s = 2GM/c². Si toute la masse du Soleil était comprimée dans une sphère plus petite que ce rayon, elle formerait un trou noir.