La relativité générale de A à Z
Pour marquer le 100e anniversaire de la théorie qui a redéfini la physique, l’Institut Périmètre présente un aperçu de la relativité générale, sous forme d’un lexique de A à Z.
par En 1915, Albert Einstein a publié l’idée qui a révolutionné notre compréhension de l’univers : la relativité générale.
La relativité générale est la théorie géométrique de la gravitation qui nous donne les outils nécessaires pour comprendre en profondeur la nature de l’espace et du temps (et, en prime de naviguer par GPS).
Nous avons repris les cubes de lettre connus de bien des enfants pour célébrer le centenaire de ce que l’on a qualifié de « plus belle des théories ».
Albert Einstein a présenté ses équations des champs à l’Académie prussienne des sciences en novembre 1915, déclenchant la révolution de la relativité générale.
Black holes — L’existence des trous noirs est prédite par le principe de la relativité générale selon lequel une masse suffisamment compacte transforme radicalement l’espace-temps.
Les Chronomètres avancent à des vitesses différentes s’ils sont soumis à des forces de gravité différentes. C’est l’une des notions fondamentalement contre-intuitives de la relativité générale (et l’une des prémisses du film Interstellaire).
Dark matter — La matière sombre, substance encore incomprise et censée imprégner tout l’univers, se révèle par ses effets gravitationnels sur le cosmos.
Image : SDSC et NPACI
E = mc2, l’équation la plus emblématique de tous les temps, énonce l’équivalence de la masse et de l’énergie. Elle découle directement de la relativité restreinte d’Einstein, devenue un sous-ensemble crucial de ce que l’on considère comme son œuvre maîtresse, la relativité générale.
Image : Wikipédia
L’entraînement des réFérentiels est la notion selon laquelle l’espace-temps est élastique et qu’il y a échange d’énergie avec les particules qui s’y trouvent. Cela signifie que l’espace-temps absorbe une partie de l’énergie d’une particule en rotation. Des recherches ont montré que, en tournant, la Terre « entraîne » dans son sillage l’espace-temps qui l’entoure.
La Gravité était le facteur absent de la relativité restreinte, première théorie de la relativité formulée par Einstein. Il a fallu à ce dernier une dizaine d’années pour expliquer comment les effets gravitationnels des masses déforment l’espace-temps.
Le télescope spatial Hubble a capté en 2015 une image qui montre 4 points lumineux émanant d’une supernova lointaine. Formant ce que l’on appelle une croix d’Einstein, ces points fournissent une confirmation visuelle des prédictions de la relativité générale concernant la déviation gravitationnelle de la lumière.
L’Imagination, pour reprendre les mots d’Einstein, est plus importante que la connaissance. Il en faut souvent beaucoup pour réaliser de véritables percées révolutionnaires comme celle de la relativité générale.
Les Jets sont de 2 formes en physique. Les jets de particules (projections de particules subatomiques libérées lors de collisions à grande énergie) sont régis par la relativité restreinte, alors que la relativité générale régit les jets astrophysiques (déferlements de matière provenant des trous noirs et de leur disque d’accrétion).
Kip Thorne, l’un des plus grands experts de la relativité générale au monde, a été le conseiller scientifique pour le film Interstellaire, dans lequel des astronautes vieillissent à des rythmes très différents à cause de la dilatation du temps autour d’un trou noir.
Image : Paramount
Le LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser) recherche des ondes gravitationnelles, l’une des prédictions non encore observées de la relativité générale. Cette année, le LIGO avancé entre en fonction, et l’on espère qu’il détectera de telles ondes.
Mathématiques
Les géométries courbes, non euclidiennes, faisaient l’objet de travaux depuis longtemps, mais ce n’est qu’au XIXe siècle qu’on les a étudiées sérieusement. Elles sont demeurées une simple idée mathématique jusqu’à ce que la relativité générale leur donne une application réelle.
La Navigation par GPS serait impossible (ou extrêmement peu fiable) sans la précision à la nanoseconde près des signaux de satellite, qui exige de tenir compte des effets de la relativité restreinte et de la relativité générale.
Orbites
L’orbite de Mercure ne correspond pas aux prédictions de la physique newtonienne, mais la relativité générale d’Einstein l’explique sans qu’un facteur arbitraire ne soit nécessaire.
Anomalie de Pioneer
Lorsque la sonde spatiale Pioneer a commencé à ralentir, on croyait que les calculs d’Einstein concernant la relativité générale pouvaient être erronés. En réalité, c’était la chaleur émise par la sonde elle-même qui la faisait ralentir.
Image : NASA
La mécanique Quantique, l’autre pilier de la physique moderne, ne va pas bien avec la relativité générale. Leur unification est considérée comme le Saint Graal de la physique théorique.
Einstein a vu un homme tombeR d’un toit sur un tas de déchets mous. L’homme a dit plus tard qu’il n’avait pas senti la force de gravité pendant sa chute. Cette conversation, et les recherches qui s’en sont suivies, ont amené Einstein à remettre en question la gravité newtonienne.
L’eSpace-temps, le continuum (vous l’avez deviné) de l’espace et du temps entremêlés, « dit à la matière comment se déplacer », alors que « la matière dit à l’espace-temps comment s’incurver ». C’est ainsi que John Archibald Wheeler résume en quelques mots la relativité générale d’Einstein.
Image : Agence spatiale européenne et L. Calçada
Tentatives multiples — Einstein retravaillait souvent ses articles précédents. En novembre 1915, il a écrit 4 articles, à raison d’un par semaine. C’est à sa 4e tentative qu’il a finalement calculé correctement le périhélie de l’orbite de Mercure.
Théorie Unifiée des champs
C’est le terme créé par Einstein pour décrire sa tentative infructueuse de combiner la relativité générale et l’électromagnétisme. Ce terme désigne maintenant l’objectif de décrire toutes les particules élémentaires et forces fondamentales par un champ unique (c.-à-d. une théorie du tout).
Vérification
L’astronome Arthur Eddington, est allé à Principe, une île de l’Afrique occidentale, pour observer la déviation de la lumière solaire pendant une éclipse de soleil en 1919. Ces mesures ont fait d’Einstein une star, car elles correspondaient aux prédictions de la relativité.
Image de l’éclipse : Luc Viatour
Wormholes — Les trous de ver prédits par les équations de la relativité générale pourraient constituer des raccourcis entre différents lieux de l’univers et, selon certaines théories, entre différentes époques.
L’astronomie des rayons X permet d’observer plus loin que la portée des télescopes optiques typiques. Elle est également idéale pour sonder des objets à la gravité extrême comme les étoiles à neutrons et les trous noirs.
Image de la nébuleuse du Crabe : Observatoire de rayons X Chandra
Youth — La jeunesse est la période de la vie qu’Einstein jugeait la plus fertile pour réaliser des découvertes. Il a écrit : « Les inventions vraiment nouvelles ne surviennent que pendant la jeunesse. Plus tard, on devient plus expérimenté, célèbre et… insensé. » [traduction]
Anthony Zee commence son ouvrage Einstein Gravity in a Nutshell (La gravité d’Einstein en bref) avec cette phrase suave : « La relativité, c’est la notion selon laquelle vous êtes aussi bon que votre voisin ou, de manière relative, que votre voisin est aussi bon que vous. » [traduction]
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