Histoire de la relativité générale - History of general relativity

La relativité générale (GR) est une théorie de la gravitation qui a été développée par Albert Einstein entre 1907 et 1915, avec des contributions de beaucoup d'autres après 1915. Selon la relativité générale, l'attraction gravitationnelle observée entre les masses résulte de la déformation de l'espace et du temps par ceux masses.

Avant l'avènement de la relativité générale, la loi de la gravitation universelle de Newton avait été acceptée pendant plus de deux cents ans comme une description valide de la force gravitationnelle entre les masses, même si Newton lui-même ne considérait pas la théorie comme le dernier mot sur la nature de la gravité. . Moins d'un siècle après la formulation de Newton, une observation astronomique minutieuse a révélé des variations inexplicables entre la théorie et les observations. Selon le modèle de Newton, la gravité était le résultat d'une force d'attraction entre des objets massifs. Bien que même Newton ait été gêné par la nature inconnue de cette force, le cadre de base était extrêmement efficace pour décrire le mouvement.

Cependant, des expériences et des observations montrent que la description d'Einstein explique plusieurs effets inexpliqués par la loi de Newton, tels que des anomalies infimes dans les orbites de Mercure et d'autres planètes. La relativité générale prédit également de nouveaux effets de la gravité, tels que les ondes gravitationnelles , la lentille gravitationnelle et un effet de la gravité sur le temps connu sous le nom de dilatation du temps gravitationnel . Beaucoup de ces prédictions ont été confirmées par des expériences ou des observations, tandis que d'autres font l'objet de recherches en cours.

La relativité générale est devenue un outil essentiel de l'astrophysique moderne. Il fournit la base de la compréhension actuelle des trous noirs, des régions de l'espace où l'attraction gravitationnelle est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Leur forte gravité serait responsable du rayonnement intense émis par certains types d'objets astronomiques (comme les noyaux galactiques actifs ou les microquasars). La relativité générale fait également partie du cadre du modèle standard du Big Bang de la cosmologie.

Création de la relativité générale

Premières enquêtes

Comme Einstein l'a dit plus tard, la raison du développement de la relativité générale était la préférence du mouvement inertiel au sein de la relativité restreinte , tandis qu'une théorie qui, dès le départ, ne préfère aucun état de mouvement particulier lui paraissait plus satisfaisante. Ainsi, alors qu'il travaillait encore au bureau des brevets en 1907, Einstein eut ce qu'il appellerait sa « pensée la plus heureuse ». Il réalisa que le principe de relativité pouvait être étendu aux champs gravitationnels.

Par conséquent, en 1907, il écrivit un article (publié en 1908) sur l'accélération sous la relativité restreinte. Dans cet article, il affirmait que la chute libre est en réalité un mouvement inertiel et que pour un observateur en chute libre, les règles de la relativité restreinte doivent s'appliquer. Cet argument est appelé le principe d'équivalence . Dans le même article, Einstein a également prédit le phénomène de dilatation gravitationnelle du temps .

En 1911, Einstein a publié un autre article développant l'article de 1907. Là, il a pensé au cas d'une boîte uniformément accélérée non dans un champ gravitationnel, et a noté qu'il serait impossible de la distinguer d'une boîte immobile dans un champ gravitationnel immuable. Il a utilisé la relativité restreinte pour voir que le taux d'horloges en haut d'une boîte accélérant vers le haut serait plus rapide que le taux d'horloges en bas. Il conclut que les cadences des horloges dépendent de leur position dans un champ gravitationnel, et que la différence de cadence est proportionnelle au potentiel gravitationnel en première approximation.

La déviation de la lumière par des corps massifs a également été prédite. Bien que l'approximation soit grossière, elle lui a permis de calculer que la déviation est non nulle. L'astronome allemand Erwin Finlay-Freundlich a fait connaître le défi d'Einstein aux scientifiques du monde entier. Cela a incité les astronomes à détecter la déviation de la lumière lors d'une éclipse solaire et a donné à Einstein l'assurance que la théorie scalaire de la gravité proposée par Gunnar Nordström était incorrecte. Mais la valeur réelle de la déviation qu'il a calculée était trop petite d'un facteur deux, car l'approximation qu'il a utilisée ne fonctionne pas bien pour les choses se déplaçant à une vitesse proche de la lumière. Quand Einstein a terminé la théorie complète de la relativité générale, il rectifierait cette erreur et prédirait la quantité correcte de déviation de la lumière par le soleil.

Une autre des expériences de pensée notables d'Einstein sur la nature du champ gravitationnel est celle du disque en rotation (une variante du paradoxe d'Ehrenfest ). Il a imaginé un observateur réalisant des expériences sur un plateau tournant. Il a noté qu'un tel observateur trouverait une valeur différente pour la constante mathématique que celle prédite par la géométrie euclidienne. La raison en est que le rayon d'un cercle serait mesuré avec une règle non contractée, mais, selon la relativité restreinte, la circonférence semblerait être plus longue car la règle serait contractée. Comme Einstein croyait que les lois de la physique étaient locales, décrites par des champs locaux, il en a conclu que l'espace-temps pouvait être localement courbé. Cela l'a amené à étudier la géométrie riemannienne , et à formuler la relativité générale dans ce langage.

Développer la relativité générale

La photographie d' Eddington d'une éclipse solaire, qui a confirmé la théorie d'Einstein selon laquelle la lumière "se plie".
Le New York Times a rapporté la confirmation de "la théorie d'Einstein" (en particulier, la courbure de la lumière par la gravitation) sur la base des observations d'éclipses du 29 mai 1919 à Principe (Afrique) et Sobral (Brésil), après que les résultats aient été présentés le 6 novembre 1919 à une réunion conjointe à Londres de la Royal Society et de la Royal Astronomical Society . ( Texte intégral )

En 1912, Einstein retourna en Suisse pour accepter un poste de professeur dans son alma mater , l' ETH Zurich . De retour à Zurich, il rend immédiatement visite à son ancien camarade de classe de l'ETH Marcel Grossmann , aujourd'hui professeur de mathématiques, qui l'initie à la géométrie riemannienne et, plus généralement, à la géométrie différentielle . Sur la recommandation du mathématicien italien Tullio Levi-Civita , Einstein a commencé à explorer l'utilité de la covariance générale (essentiellement l'utilisation de tenseurs ) pour sa théorie gravitationnelle. Pendant un certain temps, Einstein a pensé qu'il y avait des problèmes avec l'approche, mais il y est revenu plus tard et, à la fin de 1915, avait publié sa théorie générale de la relativité sous la forme sous laquelle elle est utilisée aujourd'hui. Cette théorie explique la gravitation comme une distorsion de la structure de l' espace - temps par la matière, affectant le mouvement inertiel d'autres matières.

Pendant la Première Guerre mondiale, le travail des scientifiques des puissances centrales n'était accessible qu'aux universitaires des puissances centrales, pour des raisons de sécurité nationale. Certains des travaux d'Einstein sont parvenus au Royaume-Uni et aux États-Unis grâce aux efforts de l'Autrichien Paul Ehrenfest et de physiciens néerlandais, en particulier le lauréat du prix Nobel 1902 Hendrik Lorentz et Willem de Sitter de l'Université de Leiden . Après la fin de la guerre, Einstein a maintenu sa relation avec l'Université de Leiden, acceptant un contrat en tant que professeur extraordinaire ; pendant dix ans, de 1920 à 1930, il se rend régulièrement aux Pays-Bas pour donner des conférences.

En 1917, plusieurs astronomes acceptèrent le défi d'Einstein en 1911 depuis Prague. L' observatoire du mont Wilson en Californie, aux États-Unis, a publié une analyse spectroscopique solaire qui n'a montré aucun décalage vers le rouge gravitationnel. En 1918, le Lick Observatory , également en Californie, a annoncé qu'il avait également réfuté la prédiction d'Einstein, bien que ses conclusions n'aient pas été publiées.

Cependant, en mai 1919, une équipe dirigée par l'astronome britannique Arthur Stanley Eddington a affirmé avoir confirmé la prédiction d'Einstein de la déviation gravitationnelle de la lumière des étoiles par le soleil en photographiant une éclipse solaire avec deux expéditions à Sobral , dans le nord du Brésil, et à Príncipe , un île. Le lauréat du prix Nobel Max Born a salué la relativité générale comme « le plus grand exploit de la pensée humaine sur la nature » ; Le lauréat Paul Dirac a déclaré qu'il s'agissait " probablement de la plus grande découverte scientifique jamais réalisée ".

Certains prétendent que l'examen des photographies spécifiques prises lors de l'expédition d'Eddington a montré que l'incertitude expérimentale était comparable à la même ampleur que l'effet qu'Eddington a prétendu avoir démontré, et qu'une expédition britannique de 1962 a conclu que la méthode était intrinsèquement peu fiable. La déviation de la lumière lors d'une éclipse solaire a été confirmée par des observations ultérieures plus précises. Certains en voulaient à la renommée du nouveau venu, notamment parmi certains physiciens allemands nationalistes, qui ont ensuite lancé le mouvement Deutsche Physik (Physique allemande).

Covariance générale et argument du trou

En 1912, Einstein cherchait activement une théorie dans laquelle la gravitation était expliquée comme un phénomène géométrique . À la demande de Tullio Levi-Civita, Einstein a commencé par explorer l'utilisation de la covariance générale (qui est essentiellement l'utilisation de tenseurs de courbure ) pour créer une théorie gravitationnelle. Cependant, en 1913, Einstein a abandonné cette approche, arguant qu'elle est incohérente sur la base de "l' argument du trou ". En 1914 et une grande partie de 1915, Einstein essayait de créer des équations de champ basées sur une autre approche. Lorsque cette approche s'est avérée incohérente, Einstein a revisité le concept de covariance générale et a découvert que l'argument du trou était erroné.

Le développement des équations de champ d'Einstein

Quand Einstein s'est rendu compte que la covariance générale était tenable, il a rapidement terminé le développement des équations de champ qui portent son nom. Cependant, il a commis une erreur désormais célèbre. Les équations de champ qu'il publia en octobre 1915 étaient

,

où est le tenseur de Ricci , et le tenseur énergie-impulsion . Cela prédit la précession du périhélie non newtonien de Mercure , et Einstein était donc très excité. Cependant, on s'est vite rendu compte qu'ils étaient incompatibles avec la conservation locale de l'énergie-impulsion à moins que l'univers n'ait une densité constante de masse-énergie-impulsion. En d'autres termes, l'air, la roche et même le vide devraient tous avoir la même densité. Cette incohérence avec l'observation a renvoyé Einstein à la planche à dessin et, le 25 novembre 1915, Einstein a présenté les équations de champ d'Einstein mises à jour à l' Académie des sciences de Prusse :

,

où sont le scalaire de Ricci et le tenseur métrique . Avec la publication des équations de champ, le problème est devenu de les résoudre pour divers cas et d'interpréter les solutions. Cela et la vérification expérimentale ont dominé la recherche sur la relativité générale depuis lors.

Einstein et Hilbert

Bien qu'Einstein soit crédité d'avoir trouvé les équations de champ, le mathématicien allemand David Hilbert les a publiées dans un article avant l'article d'Einstein. Cela a entraîné des accusations de plagiat contre Einstein, mais pas de Hilbert, et des affirmations selon lesquelles les équations de champ devraient être appelées « équations de champ Einstein-Hilbert ». Cependant, Hilbert n'a pas insisté sur sa revendication de priorité et certains ont affirmé qu'Einstein a soumis les équations correctes avant que Hilbert ne modifie son propre travail pour les inclure. Cela suggère qu'Einstein a d'abord développé les équations de champ correctes, bien que Hilbert les ait peut-être atteintes plus tard indépendamment (ou même les ait apprises par la suite grâce à sa correspondance avec Einstein). Cependant, d'autres ont critiqué ces affirmations.

Sir Arthur Eddington

Dans les premières années qui ont suivi la publication de la théorie d'Einstein, Sir Arthur Eddington a prêté son prestige considérable à l'establishment scientifique britannique dans le but de défendre les travaux de ce scientifique allemand. Parce que la théorie était si complexe et absconse (même aujourd'hui, elle est généralement considérée comme le summum de la pensée scientifique ; dans les premières années, elle l'était encore plus), on disait que seules trois personnes dans le monde la comprenaient. Il y avait une anecdote éclairante, quoique probablement apocryphe, à ce sujet. Comme le rapporte Ludwik Silberstein , lors d'une des conférences d'Eddington, il a demandé "Professeur Eddington, vous devez être l'une des trois personnes au monde qui comprennent la relativité générale." Eddington s'arrêta, incapable de répondre. Silberstein a poursuivi "Ne sois pas modeste, Eddington!" Enfin, Eddington a répondu "Au contraire, j'essaie de penser qui est la troisième personne."

Solutions

La solution Schwarzschild

Puisque les équations de champ sont non linéaires , Einstein a supposé qu'elles étaient insolubles. Cependant, Karl Schwarzschild a découvert en 1915 et publié en 1916 une solution exacte pour le cas d'un espace-temps à symétrie sphérique entourant un objet massif en coordonnées sphériques . Ceci est maintenant connu comme la solution de Schwarzschild . Depuis lors, de nombreuses autres solutions exactes ont été trouvées.

L'univers en expansion et la constante cosmologique

En 1922, Alexander Friedmann a trouvé une solution dans laquelle l'univers peut s'étendre ou se contracter, et plus tard Georges Lemaître a dérivé une solution pour un univers en expansion. Cependant, Einstein croyait que l'univers était apparemment statique, et comme une cosmologie statique n'était pas soutenue par les équations de champ relativistes générales, il a ajouté une constante cosmologique aux équations de champ, qui sont devenues

.

Cela a permis la création de solutions à l'état stationnaire , mais elles étaient instables : la moindre perturbation d'un état statique entraînerait l'expansion ou la contraction de l'univers. En 1929, Edwin Hubble a trouvé des preuves de l'idée que l'univers est en expansion. Cela a conduit Einstein à abandonner la constante cosmologique, la qualifiant de "la plus grosse erreur de ma carrière". À l'époque, il s'agissait d'une hypothèse ad hoc à ajouter à la constante cosmologique, car elle ne visait qu'à justifier un résultat (un univers statique).

Des solutions plus précises

Les progrès dans la résolution des équations de terrain et la compréhension des solutions sont en cours. La solution pour un objet chargé à symétrie sphérique a été découverte par Reissner et redécouverte plus tard par Nordström, et s'appelle la solution Reissner-Nordström . L'aspect trou noir de la solution de Schwarzschild était très controversé et Einstein ne croyait pas que les singularités pouvaient être réelles. Cependant, en 1957 (deux ans après la mort d'Einstein en 1955), Martin Kruskal a publié une preuve que les trous noirs sont nécessaires pour la solution de Schwarzschild. De plus, la solution pour un objet massif en rotation a été obtenue par Roy Kerr dans les années 1960 et s'appelle la solution de Kerr . La solution Kerr-Newman pour un objet massif chargé en rotation a été publiée quelques années plus tard.

Tester la théorie

Le premier élément de preuve à l'appui de la relativité générale est venu de sa prédiction correcte du taux anormal de précession de l'orbite de Mercure. Par la suite, l'expédition d'Arthur Stanley Eddington en 1919 a confirmé la prédiction d'Einstein de la déviation de la lumière par le Soleil lors de l' éclipse solaire totale du 29 mai 1919 , ce qui a contribué à consolider le statut de la relativité générale en tant que théorie viable. Depuis lors, de nombreuses observations ont montré un accord avec les prédictions de la relativité générale. Celles-ci incluent des études de pulsars binaires , des observations de signaux radio passant le limbe du Soleil et même le système de positionnement global .

Première image de l'horizon des événements d'un trou noir ( M87* ) capturée par le télescope Event Horizon

La théorie prédit les ondes gravitationnelles , qui sont des ondulations dans la courbure de l'espace-temps qui se propagent sous forme d' ondes , se déplaçant vers l'extérieur de la source. La première observation d'ondes gravitationnelles , issues de la fusion de deux trous noirs , a été réalisée le 14 septembre 2015 par l' équipe Advanced LIGO , corroborant une autre prédiction de la théorie 100 ans après sa publication.

La première image d'un trou noir, le supermassif au centre de la galaxie Messier 87 , a été publiée par l' Event Horizon Telescope Collaboration le 10 avril 2019.

Théories alternatives

Il y a eu diverses tentatives pour trouver des modifications à la relativité générale. Les plus célèbres d'entre elles sont la théorie de Brans-Dicke (également connue sous le nom de théorie du tenseur scalaire ) et la théorie bimétrique de Rosen . Ces deux théories ont proposé des changements aux équations de champ de la relativité générale, et les deux souffrent de ces changements permettant la présence de rayonnement gravitationnel bipolaire. En conséquence, la théorie originale de Rosen a été réfutée par des observations de pulsars binaires. En ce qui concerne Brans-Dicke (qui a un paramètre accordable ω telle que ω = ∞ est la même que la relativité générale), la quantité par laquelle elle peut différer de la relativité générale a été sévèrement limitée par ces observations.

De plus, la relativité générale est incompatible avec la mécanique quantique , la théorie physique qui décrit la dualité onde-particule de la matière, et la mécanique quantique ne décrit pas actuellement l'attraction gravitationnelle aux échelles (microscopiques) pertinentes. Il y a beaucoup de spéculations dans la communauté de la physique quant aux modifications qui pourraient être nécessaires à la fois à la relativité générale et à la mécanique quantique afin de les unir de manière cohérente. La théorie spéculative qui unit la relativité générale et la mécanique quantique est généralement appelée gravité quantique , dont des exemples importants incluent la théorie des cordes et la gravité quantique à boucle .

âge d'or

Kip Thorne identifie "l'âge d'or de la relativité générale" comme la période approximativement de 1960 à 1975 au cours de laquelle l'étude de la relativité générale , qui était auparavant considérée comme une curiosité, est entrée dans le courant dominant de la physique théorique . Au cours de cette période, de nombreux concepts et termes qui continuent d'inspirer l'imagination des chercheurs en gravitation et du grand public ont été introduits, notamment les trous noirs et la « singularité gravitationnelle ». En même temps, dans un développement étroitement lié, l'étude de la cosmologie physique est entrée dans le courant dominant et le Big Bang s'est bien établi.

Fulvio Melia fait fréquemment référence à « l'âge d'or de la relativité » dans son livre Cracking the Einstein Code . Andrzej Trautman a organisé une conférence sur la relativité à Varsovie en 1962 à laquelle Melia fait référence :

La relativité générale s'est déplacée avec beaucoup de succès de cette réunion à Varsovie, dans la foulée de l' expérience Pound-Rebka , et est entrée dans son âge d'or de découvertes qui a duré jusqu'au milieu des années 1970.

Roy Kerr, protagoniste du livre, a contribué une postface, en disant du livre: "C'est un écrit remarquable qui capture magnifiquement la période que nous appelons maintenant l'âge d'or de la relativité."

Voir également

Les références

Bibliographie

Liens externes