Histoire de la théorie gravitationnelle - History of gravitational theory

Pionniers de la théorie gravitationnelle

En physique , les théories de la gravitation postulent des mécanismes d'interaction régissant les mouvements des corps avec la masse. Il y a eu de nombreuses théories de la gravitation depuis l'Antiquité. Les premières sources existantes discutant de telles théories se trouvent dans la philosophie grecque antique . Ce travail a été approfondi par les anciens physiciens indiens et islamiques médiévaux , avant de faire de grands progrès pendant la Renaissance et la révolution scientifique , aboutissant à la formulation de la loi de la gravité de Newton . Cela a été remplacé par la théorie de la relativité d' Albert Einstein au début du 20e siècle.

Le philosophe grec Aristote ( fl.  IVe siècle av. J.-C. ) croyait que les objets tendent vers un point en raison de leur gravité interne (lourdeur). Vitruve (fl.  1er siècle avant JC ) a compris que les objets tombent en fonction de leur gravité spécifique . Au 6ème siècle de notre ère, l' érudit byzantin alexandrin John Philoponus a modifié le concept aristotélicien de la gravité avec la théorie de l'impulsion . Au 7ème siècle, l'astronome indien Brahmagupta a parlé de la gravité comme d'une force d'attraction. Au XIVe siècle, et influencés par certains savants islamiques, les philosophes européens Jean Buridan et Albert de Saxe associent l'impulsion à l'accélération et à la masse des objets. Albert a également développé une loi de proportion concernant la relation entre la vitesse d'un objet en chute libre et le temps écoulé.

Au début du XVIIe siècle, Galileo Galilei a découvert que tous les objets ont tendance à accélérer de manière égale en chute libre. En 1632, il a mis en avant le principe de base de la relativité . L'existence de la constante gravitationnelle a été explorée par divers chercheurs du milieu du XVIIe siècle, aidant Isaac Newton à formuler sa loi de la gravitation universelle. La mécanique classique de Newton a été remplacée au début du 20ème siècle, quand Einstein a développé la théorie de la relativité restreinte et générale . Le porteur de force de la gravité reste une valeur aberrante dans la recherche d'une théorie du tout , à laquelle divers modèles de gravité quantique sont candidats.

Antiquité

monde gréco-romain

Le philosophe grec ionien Héraclite ( vers  535  – vers  475 av . J.-C. ) a utilisé le mot logos (« mot ») pour décrire une sorte de loi qui maintient le cosmos en harmonie, déplaçant tous les objets, y compris les étoiles, les vents et les vagues.

Au 4ème siècle avant JC, le philosophe grec Aristote a enseigné qu'il n'y a pas d' effet ou de mouvement sans cause . La cause du mouvement descendant des corps lourds, tels que l'élément terre , était liée à leur nature , ce qui les faisait descendre vers le centre de l'univers, qui était leur lieu naturel. Inversement, les corps légers tels que l'élément feu , se déplacent par nature vers la surface intérieure de la sphère de la Lune. Ainsi, dans le système d'Aristote, les corps lourds ne sont pas attirés vers la Terre par une force externe, mais tendent vers le centre de l'univers à cause d'une gravité ou d'une lourdeur interne .

Le physicien grec du IIIe siècle av. J.-C. Archimède a découvert le centre de masse d'un triangle. Il a également postulé que si les centres de gravité de deux poids égaux n'étaient pas les mêmes, il se situerait au milieu de la ligne qui les relie. Deux siècles plus tard, l'ingénieur et architecte romain Vitruve a soutenu dans son De architectura que la gravité ne dépend pas du poids d'une substance mais plutôt de sa « nature » ( cf. gravité spécifique ) :

Si le vif - argent est versé dans un récipient et qu'une pierre pesant cent livres est posée dessus, la pierre nage à la surface et ne peut ni abaisser le liquide, ni le percer, ni le séparer. Si nous enlevons le poids de cent livres et mettons un scrupule d'or, il ne nagera pas, mais coulera au fond de lui-même. Par conséquent, il est indéniable que la gravité d'une substance ne dépend pas de la quantité de son poids, mais de sa nature.

Au 6ème siècle de notre ère, l' érudit byzantin alexandrin John Philoponus a proposé la théorie de l'impulsion , qui modifie la théorie d'Aristote selon laquelle « la poursuite du mouvement dépend de l'action continue d'une force » en incorporant une force causale qui diminue avec le temps.

sous-continent indien

Le Shatapatha Brahmana , un texte hindou écrit par le sage védique Yajnavalkya , déclare que "le soleil s'attache à lui-même... les mondes sur un fil". La prose est datée de 300 avant notre ère, mais certains éléments proviennent de sources antérieures, peut-être du 10e au 6e siècle avant notre ère.

Le mathématicien / astronome indien Brahmagupta (c. 598 - c. 668 CE) a d'abord décrit la gravité comme une force d'attraction, en utilisant le terme " gurutvākarṣaṇam (गुरुत्वाकर्षणम्) " pour la décrire dans une vision héliocentrique du système solaire telle qu'elle avait été définie par Aryabhata :

La terre de tous ses côtés est la même ; tous les peuples de la terre se tiennent debout, et toutes les choses lourdes tombent sur la terre par une loi de la nature, car c'est la nature de la terre d'attirer et de retenir les choses, comme c'est la nature de l'eau de couler... Si une chose veut aller plus loin que la terre, qu'elle essaie. La terre est la seule chose basse , et les graines y retournent toujours, dans quelque direction que vous les jetiez, et ne s'élèvent jamais de la terre.

monde islamique

Au 11ème siècle de notre ère, le grand mathématicien persan Ibn Sina (Avicenne) était d'accord avec la théorie de Philoponus selon laquelle "l'objet déplacé acquiert une inclinaison du moteur" comme explication du mouvement du projectile . Ibn Sina a ensuite publié sa propre théorie de l'impulsion dans The Book of Healing (vers 1020). Contrairement à Philoponus, qui croyait qu'il s'agissait d'une vertu temporaire qui déclinerait même dans le vide , Ibn Sina la considérait comme persistante, nécessitant des forces extérieures telles que la résistance de l'air pour la dissiper. Ibn Sina a fait une distinction entre « force » et « inclinaison » ( mayl ), et a fait valoir qu'un objet a gagné mayl lorsque l'objet est en opposition à son mouvement naturel. Il a conclu que la poursuite du mouvement est attribuée à l'inclinaison qui est transférée à l'objet, et cet objet sera en mouvement jusqu'à ce que le mayl soit dépensé.

Un autre grand mathématicien persan du XIe siècle, Al-Biruni , a proposé que les corps célestes aient une masse , un poids et une gravité, tout comme la Terre. Il a critiqué à la fois Aristote et Ibn Sina pour avoir soutenu que seule la Terre a ces propriétés. L'érudit du XIIe siècle Al-Khazini a suggéré que la gravité d'un objet varie en fonction de sa distance par rapport au centre de l'univers (se référant au centre de la Terre). Al-Biruni et Al-Khazini ont étudié la théorie du centre de gravité, l'ont généralisée et appliquée aux corps tridimensionnels. Ils ont également fondé la théorie du levier pondérable et créé la science de la gravité. Des méthodes expérimentales fines ont également été développées pour déterminer la gravité spécifique ou le poids spécifique des objets, sur la base de la théorie des balances et du pesage .

Au 12ème siècle, Abu'l-Barakāt al-Baghdādī a adopté et modifié la théorie d'Ibn Sina sur le mouvement des projectiles . Dans son Kitab al-Mu'tabar , Abu'l-Barakat a déclaré que le moteur donne une inclinaison violente ( mayl qasri ) sur le mouvement et que cela diminue à mesure que l'objet en mouvement s'éloigne du moteur. Selon Shlomo Pines , la théorie du mouvement d'al-Baghdādī était « la plus ancienne négation de la loi dynamique fondamentale d'Aristote [à savoir, qu'une force constante produit un mouvement uniforme], [et est donc une] anticipation d'une manière vague de la loi fondamentale de la mécanique classique [à savoir, qu'une force appliquée en continu produit une accélération ]."

Renaissance européenne

Au 14ème siècle, le philosophe français Jean Buridan et le Merton College d' Oxford ont rejeté le concept aristotélicien de la gravité . Ils attribuaient le mouvement des objets à un élan (apparenté à la quantité de mouvement ), qui varie en fonction de la vitesse et de la masse ; Buridan a été influencé en cela par le Livre de la guérison d' Ibn Sina . Buridan et le philosophe Albert de Saxe (vers 1320-1390) ont adopté la théorie d'Abu'l-Barakat selon laquelle l'accélération d'un corps en chute est le résultat de son impulsion croissante. Influencé par Buridan, Albert a développé une loi de proportion concernant la relation entre la vitesse d'un objet en chute libre et le temps écoulé. Il a également émis l' hypothèse que les montagnes et les vallées sont causées par l' érosion, déplaçant le centre de gravité de la Terre. Toujours au cours de ce siècle, le Merton College a développé le théorème de la vitesse moyenne , qui a été prouvé par Nicole Oresme (c. 1323-1382) et aurait une influence sur les équations gravitationnelles ultérieures .

Léonard de Vinci (1452-1519) a écrit que "la mère et l'origine de la gravité" est l' énergie . Il décrit deux paires de pouvoirs physiques qui proviennent d'une origine métaphysique et ont un effet sur tout : l' abondance de force et de mouvement, et la gravité et la résistance. Il associe la gravité aux éléments classiques "froids" , l' eau et la terre, et appelle son énergie infinie. En 1514, Nicolaus Copernicus avait écrit un aperçu de son modèle héliocentrique , dans lequel il déclarait que le centre de la Terre est le centre à la fois de sa rotation et de l' orbite de la Lune . En 1533, l'humaniste allemand Petrus Apianus a décrit l' exercice de la gravité :

Puisqu'il est évident que dans la descente [le long de l'arc] il y a plus d'obstacles acquis, il est clair que la gravité est diminuée à cause de cela. Mais parce que cela se produit en raison de la position des corps lourds, qu'on l'appelle une gravité de position [c'est-à-dire gravitas secundum situm ]

En 1544, selon Benedetto Varchi , les expériences d'au moins deux Italiens avaient dissipé l'affirmation aristotélicienne selon laquelle les objets tombent proportionnellement à leur poids. En 1551, Domingo de Soto a suggéré que les objets en chute libre accélèrent uniformément. Cette idée a ensuite été explorée plus en détail par Galileo Galilei , qui a tiré sa cinématique du Merton College du 14ème siècle et de Jean Buridan, et peut-être aussi de De Soto. Galilée a appliqué avec succès les mathématiques à l'accélération de la chute d'objets, en émettant correctement l'hypothèse dans une lettre de 1604 à Paolo Sarpi que la distance d'un objet en chute est proportionnelle au carré du temps écoulé. Galilée a suggéré dans ses Deux Nouvelles Sciences (1638) que la légère variation de vitesse de chute d'objets de masse différente était due à la résistance de l'air, et que les objets tomberaient de manière complètement uniforme dans le vide.

Disciple de Galilée, Evangelista Torricelli a réitéré le modèle d'Aristote impliquant un centre gravitationnel, ajoutant son point de vue selon lequel un système ne peut être en équilibre que lorsque le centre commun lui-même est incapable de tomber.

Lumières européennes

La relation de la distance des objets en chute libre au carré du temps mis a été confirmée par Francesco Maria Grimaldi et Giovanni Battista Riccioli entre 1640 et 1650. Ils ont également fait un calcul de la constante gravitationnelle en enregistrant les oscillations d'un pendule.

Explications mécaniques

En 1644, René Descartes a proposé qu'aucun espace vide ne puisse exister et qu'un continuum de matière rend tout mouvement curviligne . Ainsi, la force centrifuge éloigne la matière relativement légère des tourbillons centraux des corps célestes, abaissant localement la densité et créant ainsi une pression centripète . Utilisant des aspects de cette théorie, entre 1669 et 1690, Christiaan Huygens a conçu un modèle mathématique de vortex. Dans l'une de ses démonstrations, il montre que la distance parcourue par un objet lâché d'un rouet augmentera proportionnellement au carré du temps de rotation de la roue. En 1671, Robert Hooke a émis l' hypothèse que la gravitation est le résultat de corps émettant des ondes dans l' éther . Nicolas Fatio de Duillier (1690) et Georges-Louis Le Sage (1748) ont proposé un modèle corpusculaire utilisant une sorte de mécanisme de filtrage ou d'ombrage. En 1784, Le Sage a postulé que la gravité pourrait être le résultat de la collision d'atomes, et au début du 19ème siècle, il a étendu la théorie de la pression corpusculaire de Daniel Bernoulli à l'univers dans son ensemble. Un modèle similaire a ensuite été créé par Hendrik Lorentz  (1853-1928), qui a utilisé un rayonnement électromagnétique au lieu de corpuscules.

Le mathématicien anglais Isaac Newton a utilisé l'argument de Descartes selon lequel le mouvement curviligne limite l'inertie et, en 1675, a soutenu que les flux d'éther attirent tous les corps les uns aux autres. Newton (1717) et Leonhard Euler  (1760) ont proposé un modèle dans lequel l'éther perd de sa densité près de la masse, conduisant à une force nette agissant sur les corps. D'autres explications mécaniques de la gravitation (y compris la théorie de Le Sage ) ont été créées entre 1650 et 1900 pour expliquer la théorie de Newton, mais les modèles mécanistes sont finalement tombés en disgrâce car la plupart d'entre eux conduisent à une quantité inacceptable de traînée (résistance de l'air), qui n'a pas été observée. . D'autres violent la loi de conservation de l' énergie et sont incompatibles avec la thermodynamique moderne .

Portrait d'Isaac Newton (1642-1727) par Godfrey Kneller (1689)

la loi de Newton

En 1679, Robert Hooke écrivit à Isaac Newton son hypothèse concernant le mouvement orbital, qui dépend en partie d'une force en carré inverse . En 1684, Hooke et Newton ont tous deux déclaré à Edmond Halley qu'ils avaient prouvé la loi de l'inverse du carré du mouvement planétaire, respectivement en janvier et en août. Alors que Hooke refusait de produire ses preuves, Newton fut incité à composer De motu corporum in gyrum (« Sur le mouvement des corps en orbite »), dans lequel il dérive mathématiquement les lois de Kepler sur le mouvement planétaire . En 1687, avec le soutien de Halley (et au grand désarroi de Hooke), Newton publia Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ( Principes mathématiques de la philosophie naturelle ), qui émet l'hypothèse de la loi du carré inverse de la gravitation universelle . Dans ses propres mots :

J'en déduis que les forces qui maintiennent les planètes dans leurs orbes doivent être réciproquement comme les carrés de leurs distances aux centres autour desquels elles tournent ; et compara ainsi la force requise pour maintenir la lune dans son orbe avec la force de gravité à la surface de la terre ; et les a trouvés pour répondre à peu près.

La formule originale de Newton était :

où le symbole signifie "est proportionnel à". Pour en faire une formule ou une équation à côtés égaux, il fallait un facteur multiplicateur ou une constante qui donnerait la force de gravité correcte, quelle que soit la valeur des masses ou la distance entre elles (la constante gravitationnelle). Newton aurait besoin d'une mesure précise de cette constante pour prouver sa loi de l'inverse des carrés. Cela a été exécuté pour la première fois par Henry Cavendish en 1797.

Dans la théorie de Newton (réécrite en utilisant des mathématiques plus modernes) la densité de masse génère un champ scalaire, le potentiel gravitationnel en joules par kilogramme, par

En utilisant l' opérateur de Nabla pour le gradient et la divergence (dérivées partielles), cela peut être commodément écrit comme :

Ce champ scalaire régit le mouvement d'une particule en chute libre par :

A distance r d'une masse isolée M , le champ scalaire est

Les Principia se sont rapidement vendus, incitant Newton à publier une deuxième édition en 1713. Le traité a inspiré le philosophe français Voltaire à écrire son propre livre en expliquant certains aspects en 1738, ce qui a contribué à populariser la théorie de Newton. En 1755, le philosophe prussien Immanuel Kant publie un manuscrit cosmologique basé sur les principes newtoniens, dans lequel il développe l' hypothèse nébulaire . En 1788, Joseph-Louis Lagrange introduisit une formulation améliorée de la mécanique classique. Aucune des deux versions ne prend en compte les effets relativistes , ceux-ci n'ayant pas encore été découverts. Même ainsi, la théorie de Newton est considérée comme exceptionnellement précise dans la limite des champs gravitationnels faibles et des faibles vitesses.

La théorie de Newton a connu son plus grand succès lorsqu'elle a été utilisée pour prédire l'existence de Neptune sur la base des mouvements d' Uranus qui ne pouvaient pas être expliqués par les actions des autres planètes. Les calculs de John Couch Adams et Urbain Le Verrier ont tous deux prédit la position générale de la planète. En 1846, Le Verrier envoya sa position à Johann Gottfried Galle , lui demandant de la vérifier. La même nuit, Galle repéra Neptune près de la position prédite par Le Verrier. À la fin du 19ème siècle, Le Verrier montra que l'orbite de Mercure ne pouvait pas être entièrement expliquée par la gravité newtonienne, et toutes les recherches d'un autre corps perturbateur (comme une planète en orbite autour du Soleil encore plus près que Mercure) étaient infructueuses.

À la fin du XIXe siècle, beaucoup ont essayé de combiner la loi de la force de Newton avec les lois établies de l' électrodynamique (comme celles de Wilhelm Eduard Weber , Carl Friedrich Gauss et Bernhard Riemann ) afin d'expliquer la précession anormale du périhélie de Mercure . En 1890, Maurice Lévy y parvient en combinant les lois de Weber et de Riemann selon lesquelles la vitesse de la gravité est égale à la vitesse de la lumière. Dans une autre tentative, Paul Gerber (1898) a réussi à dériver la formule correcte pour le déplacement du périhélie (qui était identique à la formule utilisée plus tard par Albert Einstein ). Ces hypothèses ont été rejetées en raison des lois obsolètes sur lesquelles elles étaient fondées, remplacées par celles de James Clerk Maxwell .

Ère moderne

En 1900, Hendrik Lorentz tenta d'expliquer la gravité sur la base de sa théorie de l'éther et des équations de Maxwell . Il a supposé, comme Ottaviano Fabrizio Mossotti et Johann Karl Friedrich Zöllner , que l'attraction des particules chargées opposées est plus forte que la répulsion des particules chargées égales. La force nette résultante est exactement ce qu'on appelle la gravitation universelle, dans laquelle la vitesse de la gravité est celle de la lumière. Lorentz a calculé que la valeur de l'avance périhélie de Mercure était beaucoup trop faible.

À la fin du 19e siècle, Lord Kelvin réfléchit à la possibilité d'une théorie du tout . Il a proposé que chaque corps pulse, ce qui pourrait être une explication de la gravitation et des charges électriques . Ses idées étaient en grande partie mécanistes et nécessitaient l'existence de l'éther, que l' expérience Michelson-Morley n'a pas réussi à détecter en 1887. Ceci, combiné au principe de Mach , a conduit à des modèles gravitationnels qui présentent une action à distance .

Albert Einstein a développé sa théorie révolutionnaire de la relativité dans des articles publiés en 1905 et 1915 ; ceux-ci expliquent la précession périhélie de Mercure. En 1914, Gunnar Nordström a tenté d'unifier la gravité et l' électromagnétisme dans sa théorie de la gravitation à cinq dimensions . La relativité générale a été prouvée en 1919, lorsqu'Arthur Eddington a observé une lentille gravitationnelle autour d'une éclipse solaire, correspondant aux équations d'Einstein. Cela a abouti à la théorie d'Einstein remplaçant la physique newtonienne. Par la suite, le mathématicien allemand Theodor Kaluza a promu l'idée de la relativité générale avec une cinquième dimension, qu'en 1921 le physicien suédois Oskar Klein a donné une interprétation physique d'une théorie des cordes prototypique , un modèle possible de gravité quantique et une théorie potentielle de tout.

Les équations de champ d'Einstein incluent une constante cosmologique pour expliquer la prétendue staticité de l'univers . Cependant, Edwin Hubble a observé en 1929 que l'univers semble être en expansion. Dans les années 1930, Paul Dirac a développé l'hypothèse que la gravitation devrait diminuer lentement et régulièrement au cours de l'histoire de l'univers. Alan Guth et Alexei Starobinsky ont proposé en 1980 que l'inflation cosmique dans le tout premier univers aurait pu être provoquée par un champ de pression négative , un concept plus tard appelé « énergie noire » — trouvé en 2013 pour avoir composé environ 68,3 % de l'univers primitif.

En 1922, Jacobus Kapteyn a proposé l'existence de la matière noire , une force invisible qui déplace les étoiles dans les galaxies à des vitesses plus élevées que la gravité seule explique. Il a été découvert en 2013 qu'il représentait 26,8 % de l'univers primitif. Avec l'énergie noire, la matière noire est une valeur aberrante dans la relativité d'Einstein, et une explication de ses effets apparents est une exigence pour une théorie réussie de tout.

En 1957, Hermann Bondi a proposé que la masse gravitationnelle négative (combinée à la masse inertielle négative) serait conforme au principe d'équivalence forte de la relativité générale et des lois du mouvement de Newton . La preuve de Bondi a donné des solutions sans singularité pour les équations de la relativité.

Les premières théories de la gravité ont tenté d'expliquer les orbites planétaires (Newton) et les orbites plus compliquées (par exemple Lagrange). Puis vinrent des tentatives infructueuses de combiner la gravité et les théories ondulatoires ou corpusculaires de la gravité. L'ensemble du paysage de la physique a été modifié avec la découverte des transformations de Lorentz , ce qui a conduit à des tentatives pour le réconcilier avec la gravité. Dans le même temps, les physiciens expérimentateurs ont commencé à tester les fondements de la gravité et de la relativité – l'invariance de Lorentz , la déviation gravitationnelle de la lumière , l' expérience Eötvös . Ces considérations ont conduit au développement de la relativité générale et au-delà .

Einstein (1905, 1908, 1912)

En 1905, Albert Einstein a publié une série d'articles dans lesquels il a établi la théorie de la relativité restreinte et le fait que la masse et l'énergie sont équivalentes . En 1907, dans ce qu'il a décrit comme « la pensée la plus heureuse de ma vie », Einstein s'est rendu compte que quelqu'un qui est en chute libre n'expérimente aucun champ gravitationnel. En d'autres termes, la gravitation est exactement équivalente à l'accélération.

La publication en deux parties d'Einstein en 1912 (et avant en 1908) n'est vraiment importante que pour des raisons historiques. À ce moment-là, il connaissait le décalage vers le rouge gravitationnel et la déviation de la lumière. Il s'était rendu compte que les transformations de Lorentz ne sont généralement pas applicables, mais les a retenues. La théorie affirme que la vitesse de la lumière est constante dans l'espace libre mais varie en présence de matière. On s'attendait à ce que la théorie soit valable uniquement lorsque la source du champ gravitationnel est stationnaire. Il intègre le principe de moindre action :

où est la métrique de Minkowski , et il y a une sommation de 1 à 4 sur les indices et .

Einstein et Grossmann incluent la géométrie riemannienne et le calcul tensoriel .

Les équations de l'électrodynamique correspondent exactement à celles de la relativité générale. L'équation

n'est pas en relativité générale. Il exprime le tenseur contrainte-énergie en fonction de la densité de matière.

Modèles invariants de Lorentz (1905-1910)

Sur la base du principe de relativité , Henri Poincaré (1905, 1906), Hermann Minkowski (1908) et Arnold Sommerfeld (1910) ont tenté de modifier la théorie de Newton et d'établir une loi gravitationnelle invariante de Lorentz , dans laquelle la vitesse de la gravité est celle de léger. Comme dans le modèle de Lorentz, la valeur de l'avance au périhélie de Mercure était beaucoup trop faible.

Abraham (1912)

Pendant ce temps, Max Abraham a développé un modèle alternatif de gravité dans lequel la vitesse de la lumière dépend de la force du champ gravitationnel et est donc variable presque partout. On dit que l'examen des modèles de gravitation d'Abraham en 1914 est excellent, mais son propre modèle était médiocre.

Nordström (1912)

La première approche de Nordström (1912) était de conserver la métrique de Minkowski et une valeur constante de mais de laisser la masse dépendre de l'intensité du champ gravitationnel . Permettre à cette intensité de champ de satisfaire

où est l'énergie de masse au repos et est le d'alembertien ,

et

où est la vitesse à quatre et le point est un différentiel par rapport au temps.

La seconde approche de Nordström (1913) est considérée comme la première théorie de la gravitation relativiste logiquement cohérente jamais formulée. (notation de Pais pas Nordström):

où est un champ scalaire,

Cette théorie est invariante de Lorentz, satisfait les lois de conservation, se réduit correctement à la limite newtonienne et satisfait le principe d'équivalence faible .

Einstein et Fokker (1914)

Cette théorie est le premier traitement de la gravitation d'Einstein dans lequel la covariance générale est strictement respectée. L'écriture:

ils relient Einstein-Grossmann à Nordström. Ils précisent également :

C'est-à-dire que la trace du tenseur d'énergie de contrainte est proportionnelle à la courbure de l'espace.

Entre 1911 et 1915, Einstein a développé l'idée que la gravitation est équivalente à l'accélération, initialement énoncée comme le principe d'équivalence , dans sa théorie de la relativité générale, qui fusionne les trois dimensions de l'espace et la dimension du temps dans le tissu à quatre dimensions de espace-temps . Cependant, il n'unifie pas la gravité avec des quanta - des particules individuelles d'énergie, dont Einstein lui-même avait postulé l'existence en 1905.

Relativité générale

Illustration expliquant la pertinence de l' éclipse solaire totale du 29 mai 1919 , de l'édition du 22 novembre 1919 de The Illustrated London News

En relativité générale, les effets de la gravitation sont attribués à la courbure de l'espace-temps plutôt qu'à une force. Le point de départ de la relativité générale est le principe d'équivalence, qui assimile la chute libre au mouvement inertiel. Le problème que cela crée est que les objets en chute libre peuvent accélérer les uns par rapport aux autres. Pour faire face à cette difficulté, Einstein a proposé que l'espace-temps soit courbé par la matière, et que les objets en chute libre se déplacent le long de trajectoires localement droites dans l'espace-temps courbé . Plus précisément, Einstein et David Hilbert ont découvert les équations de champ de la relativité générale, qui relient la présence de matière et la courbure de l'espace-temps. Ces équations de champ sont un ensemble de 10 simultanées , non linéaires , des équations différentielles . Les solutions des équations de champ sont les composantes du tenseur métrique de l'espace-temps, qui décrit sa géométrie. Les chemins géodésiques de l'espace-temps sont calculés à partir du tenseur métrique.

Les solutions notables des équations de champ d'Einstein incluent :

La relativité générale a connu beaucoup de succès parce que ses prédictions (non demandées par les anciennes théories de la gravité) ont été régulièrement confirmées. Par exemple:

On pense que les fusions d' étoiles à neutrons (détectées depuis 2017) et la formation de trous noirs peuvent également créer des quantités détectables de rayonnement gravitationnel.

Gravité quantique

Plusieurs décennies après la découverte de la relativité générale, on s'est rendu compte qu'elle ne peut pas être la théorie complète de la gravité car elle est incompatible avec la mécanique quantique . Plus tard , il a été compris qu'il est possible de décrire la gravité dans le cadre de la théorie quantique des champs comme les autres forces fondamentales . Dans ce cadre, la force d'attraction de la gravité résulte de l'échange de gravitons virtuels , de la même manière que la force électromagnétique résulte de l'échange de photons virtuels . Ceci reproduit la relativité générale dans la limite classique , mais seulement au niveau linéarisé et postulant que les conditions d'applicabilité du théorème d'Ehrenfest sont remplies , ce qui n'est pas toujours le cas. De plus, cette approche échoue à de courtes distances de l'ordre de la longueur de Planck .

Des modèles théoriques tels que la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles sont des candidats actuels pour une éventuelle « théorie du tout ».

Voir également

Les références

Notes de bas de page

Citations

Sources