Argument de la perle collante - Sticky bead argument

En relativité générale , l' argument de la perle collante est une expérience de pensée simple conçue pour montrer que le rayonnement gravitationnel est en effet prédit par la relativité générale et peut avoir des effets physiques. Ces affirmations n'étaient pas largement acceptées avant environ 1955, mais après l'introduction de l' argument des perles , tous les doutes subsistants ont rapidement disparu de la littérature scientifique.

L'argument est souvent attribué à Hermann Bondi , qui l'a popularisé, mais il a été initialement proposé de manière anonyme par Richard Feynman .

La description

L'expérience de pensée a été décrite pour la première fois par Feynman (sous le pseudonyme de «M. Smith») en 1957 lors d'une conférence à Chapel Hill , en Caroline du Nord , puis abordée dans sa lettre privée:

Détecteur d'ondes gravitationnelles de Feynman: Il s'agit simplement de deux billes coulissant librement (mais avec un peu de frottement) sur une tige rigide. Lorsque l'onde passe au-dessus de la tige, les forces atomiques maintiennent la longueur de la tige fixe, mais la distance appropriée entre les deux billes oscille. Ainsi, les billes frottent contre la tige, dissipant la chaleur.

Les ondes gravitationnelles étant principalement transversales, la tige doit être orientée perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde.

Histoire des arguments sur les propriétés des ondes gravitationnelles

Le double renversement d'Einstein

Le créateur de la théorie de la relativité générale, Albert Einstein , a fait valoir en 1916 que le rayonnement gravitationnel devrait être produit, selon sa théorie, par toute configuration masse-énergie qui a un moment quadripolaire variant dans le temps (ou moment multipolaire supérieur ). En utilisant une équation de champ linéarisé (appropriée pour l'étude des champs gravitationnels faibles ), il a dérivé la fameuse formule quadripolaire quantifiant la vitesse à laquelle un tel rayonnement devrait emporter de l'énergie. Des exemples de systèmes avec des moments quadripolaires variant dans le temps comprennent des cordes vibrantes, des barres tournant autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de symétrie de la barre et des systèmes d'étoiles binaires, mais pas des disques rotatifs.

En 1922, Arthur Stanley Eddington a écrit un article exprimant (apparemment pour la première fois) l'idée que les ondes gravitationnelles sont essentiellement des ondulations en coordonnées et n'ont aucune signification physique. Il n'a pas apprécié les arguments d'Einstein selon lesquels les vagues sont réelles.

En 1936, avec Nathan Rosen , Einstein a redécouvert les aspirateurs Beck , une famille de solutions d'ondes gravitationnelles exactes à symétrie cylindrique (parfois aussi appelées ondes d'Einstein – Rosen ). En étudiant le mouvement des particules de test dans ces solutions, Einstein et Rosen sont devenus convaincus que les ondes gravitationnelles étaient instables pour s'effondrer. Einstein s'est inversé et a déclaré que le rayonnement gravitationnel n'était pas après tout une prédiction de sa théorie. Einstein a écrit à son ami Max Born

Avec un jeune collaborateur, je suis arrivé au résultat intéressant que les ondes gravitationnelles n'existent pas, bien qu'elles aient été supposées une certitude à la première approximation. Cela montre que les équations de champ non linéaires peuvent nous montrer plus, ou plutôt nous limiter plus, que ce que nous avons cru jusqu'à présent.

En d'autres termes, Einstein croyait que lui et Rosen avaient établi que leur nouvel argument montrait que la prédiction du rayonnement gravitationnel était un artefact mathématique de l'approximation linéaire qu'il avait employée en 1916. Einstein croyait que ces ondes planes s'effondreraient gravitationnellement en points; il espérait depuis longtemps que quelque chose comme ça expliquerait la dualité onde-particule de la mécanique quantique.

Einstein et Rosen ont donc soumis un article intitulé Les ondes gravitationnelles existent-elles? à une revue de physique de premier plan, Physical Review , dans laquelle ils décrivaient leurs solutions d'ondes et concluaient que le «rayonnement» qui semblait apparaître en relativité générale n'était pas un véritable rayonnement capable de transporter de l'énergie ou d'avoir (en principe) des effets physiques mesurables. L'arbitre anonyme, qui - comme le directeur actuel de Physical Review l'a récemment confirmé, toutes les parties étant maintenant décédées - était le cosmologiste combatif, Howard Percy Robertson , a signalé l'erreur décrite ci-dessous, et le manuscrit a été renvoyé aux auteurs avec une note de l'éditeur leur a demandé de réviser l'article pour répondre à ces préoccupations. De manière assez inhabituelle, Einstein a très mal pris cette critique, répondant avec colère "Je ne vois aucune raison de répondre à l'opinion, en tout cas erronée, exprimée par votre arbitre." Il a juré de ne plus jamais soumettre un article à Physical Review . Au lieu de cela, Einstein et Rosen ont resoumis l'article sans changement à une autre revue beaucoup moins connue, The Journal of the Franklin Institute . Il a tenu son vœu concernant l' examen physique .

Leopold Infeld , arrivé à l'Université de Princeton à cette époque, se souvint plus tard de son étonnement absolu en entendant parler de ce développement, car le rayonnement est un élément essentiel de toute théorie classique des champs digne de ce nom. Infeld a exprimé ses doutes à un éminent spécialiste de la relativité générale: HP Robertson, qui venait de rentrer d'une visite à Caltech . Reprenant l'argument tel qu'Infeld s'en souvenait, Robertson a pu montrer l'erreur à Infeld: localement, les ondes Einstein – Rosen sont des ondes planes gravitationnelles . Einstein et Rosen avaient correctement montré qu'un nuage de particules de test formerait, dans des ondes planes sinusoïdales, des caustiques , mais le passage à un autre diagramme (essentiellement les coordonnées de Brinkmann ) montre que la formation de la caustique n'est pas du tout une contradiction , mais en fait exactement ce à quoi on peut s'attendre dans cette situation. Infeld a alors approché Einstein, qui était d'accord avec l'analyse de Robertson (ne sachant toujours pas que c'était lui qui avait examiné la soumission d'examen physique).

Depuis que Rosen était récemment parti pour l'Union soviétique, Einstein a agi seul en révisant rapidement et en profondeur leur document commun. Cette troisième version a été rebaptisée Ondes gravitationnelles et, suivant la suggestion de Robertson d'une transformation en coordonnées cylindriques, a présenté ce que l'on appelle maintenant les ondes cylindriques d'Einstein-Rosen (ce sont localement des ondes isométriques aux ondes planes). C'est la version qui est finalement apparue. Cependant, Rosen était mécontent de cette révision et a finalement publié sa propre version, qui a conservé la "réfutation" erronée de la prédiction du rayonnement gravitationnel.

Dans une lettre adressée au rédacteur en chef de Physical Review , Robertson a rapporté avec ironie qu'en fin de compte, Einstein avait pleinement accepté les objections qui l'avaient initialement bouleversé.

Conférences de Berne et Chapel Hill

En 1955, une importante conférence honorant le demi-centenaire de la relativité restreinte a eu lieu à Berne , la capitale suisse où Einstein travaillait dans le célèbre bureau des brevets pendant l' Annus mirabilis . Rosen a assisté et a donné une conférence dans laquelle il a calculé le pseudotenseur d'Einstein et le pseudo - capteur Landau-Lifshitz (deux descriptions alternatives, non covariantes, de l'énergie portée par un champ gravitationnel , une notion notoirement difficile à cerner en relativité générale). Celles-ci s'avèrent être nulles pour les ondes Einstein-Rosen, et Rosen a soutenu que cela réaffirmait la conclusion négative qu'il avait tirée avec Einstein en 1936.

Cependant, à ce moment-là, quelques physiciens, tels que Felix Pirani et Ivor Robinson , en étaient venus à apprécier le rôle joué par la courbure dans la production des accélérations des marées, et ont été en mesure de convaincre de nombreux pairs que le rayonnement gravitationnel serait effectivement produit, du moins dans les cas. comme un ressort vibrant où différentes pièces du système n'étaient manifestement pas en mouvement d' inertie . Néanmoins, certains physiciens ont continué à douter que le rayonnement serait produit par un système d'étoiles binaire , où les lignes du monde des centres de masse des deux étoiles devraient, selon l' approximation EIH (datant de 1938 et due à Einstein, Infeld, et Banesh Hoffmann ), suivez les géodésiques temporelles .

Inspiré des conversations de Felix Pirani , Hermann Bondi a abordé l'étude du rayonnement gravitationnel, en particulier la question de la quantification de l'énergie et de la quantité de mouvement emportées «à l'infini» par un système rayonnant. Au cours des années suivantes, Bondi a développé la carte rayonnante de Bondi et la notion d' énergie de Bondi pour étudier rigoureusement cette question dans une généralité maximale.

En 1957, lors d'une conférence à Chapel Hill , en Caroline du Nord , faisant appel à divers outils mathématiques développés par John Lighton Synge , AZ Petrov et André Lichnerowicz , Pirani expliqua plus clairement qu'il n'avait été possible auparavant le rôle central joué par le tenseur de Riemann et en particulier le tenseur des marées en relativité générale. Il a donné la première description correcte de l'accélération relative (marée) des particules d'essai initialement statiques les unes des autres qui rencontrent une onde plane gravitationnelle sinusoïdale.

L'argument de Feynman

Plus tard dans la conférence de Chapel Hill, Richard Feynman a utilisé la description de Pirani pour souligner qu'une onde gravitationnelle passant devrait en principe faire glisser une perle sur un bâton (orientée transversalement à la direction de propagation de l'onde), chauffant ainsi le perle et le bâton par friction . Cet échauffement, a déclaré Feynman, a montré que la vague transmettait effectivement de l'énergie au système de perle et de bâton, elle doit donc en effet transporter de l'énergie, contrairement à l'opinion exprimée en 1955 par Rosen.

Dans deux articles de 1957, Bondi et (séparément) Joseph Weber et John Archibald Wheeler ont utilisé cet argument perlé pour présenter des réfutations détaillées de l'argument de Rosen.

Vues finales de Rosen

Nathan Rosen a continué à soutenir jusque dans les années 1970, sur la base d'un paradoxe supposé impliquant la réaction de rayonnement , que le rayonnement gravitationnel n'est en fait pas prédit par la relativité générale. Ses arguments étaient généralement considérés comme invalides, mais en tout cas l'argument de la perle collante avait depuis longtemps convaincu les autres physiciens de la réalité de la prédiction du rayonnement gravitationnel.

Voir également

Remarques

Les références