Tout commence par une intuition, presque banale, mais qui va faire basculer la physique. En 1907, Albert Einstein comprend qu’une personne en chute libre ne sent pas son propre poids : si tout tombe avec vous, alors, par rapport à vous, rien ne tombe. Le poids – cause de la chute – semble s’effacer pendant la chute elle-même. De là naît une idée vertigineuse : l’accélération peut annuler la gravitation et la gravitation peut être imitée par une accélération. C’est ce qu’Einstein appelle le principe d’équivalence, posant une symétrie entre ces deux situations.

Mais cette idée ne suffit pas. À Prague, vers 1909, Einstein imagine une expérience de pensée décisive. Il se représente un ascenseur accéléré vers le haut, à l’intérieur duquel entre un rayon lumineux horizontal. Pendant que la lumière traverse la cabine, l’ascenseur a le temps de se déplacer. Le point d’impact n’est donc plus exactement en face du point d’entrée : la trajectoire lumineuse apparaît courbée. Pour l’observateur enfermé dans l’ascenseur, la lumière semble déviée par l’accélération.

Dès lors, une conséquence s’impose : si accélération et gravitation sont équivalentes, alors, la gravitation doit elle aussi dévier la lumière. Einstein comprend que la gravité n’agit pas seulement sur la matière, mais également sur la lumière. En 1911, il affirme que cette déviation pourrait être mesurée lors d’une éclipse totale de Soleil. En 1919, cette prédiction sera confirmée par l’expédition astronomique menée par Arthur Eddington. À Prague, Einstein comprend également que la gravitation ne peut plus être décrite dans le cadre de la relativité restreinte de 1905. L’espace et le temps ne peuvent plus être rigides. Il lui faut recourir à de nouvelles géométries, dites non euclidiennes. De retour à Zurich, il s’associe au mathématicien Marcel Grossmann, qui l’aide à manier ces outils mathématiques complexes.

En 1915, après plusieurs années de travail, Einstein publie la relativité générale. Le renversement conceptuel est radical : la gravitation n’est plus une force. Elle est une déformation de l’espace-temps. Les objets massifs ne sont pas attirés les uns par les autres ; ils suivent les trajectoires les plus naturelles possibles dans un espace-temps courbé, appelées géodésiques. Einstein applique immédiatement sa théorie à un problème resté irrésolu depuis Newton : l’orbite de Mercure. Celle-ci présente une anomalie minuscule mais mesurable : son périhélie avance de 43 secondes d’arc par siècle. La relativité générale retrouve exactement cette valeur, là où la mécanique classique échouait.

Un siècle plus tard, la relativité générale n’a jamais été prise en défaut expérimental. Elle permet de décrire l’univers comme un objet physique doté d’une histoire : expansion cosmique, Big Bang, trous noirs. Mais elle laisse aussi apparaître une fracture de la physique moderne. D’un côté, la relativité générale décrit un espace-temps dynamique, dont la géométrie dépend de la matière et de l’énergie ; de l’autre, la physique quantique – en particulier la théorie quantique des champs – repose sur un espace-temps classique fixé à l’avance. Ces deux cadres théoriques, tous deux remarquablement confirmés par l’expérience dans leurs domaines respectifs, demeurent cependant incompatibles lorsqu’on tente de les unifier.