Pendant 100 ans, la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein a survécu à peu près à tous les tests que les physiciens lui ont appliqués. Annoncées en novembre 1915, les célèbres équations de terrain du célèbre scientifique développaient les anciennes lois d'Isaac Newton en ré-imaginant la gravité comme une déformation du tissu de l'espace et du temps, plutôt qu'une simple force entre objets.
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En réalité, les résultats obtenus avec les équations de relativité générale ressemblent à ceux obtenus avec les calculs de Newton, à condition que les masses en jeu ne soient pas trop grandes et que les vitesses soient relativement faibles par rapport à la vitesse de la lumière. Mais le concept était une révolution pour la physique.
L'espace-temps déformé signifie que la lumière elle-même est affectée par la gravité beaucoup plus fortement que ne l'avait prédit Newton. Cela signifie également que les planètes se déplacent sur leur orbite de manière légèrement altérée mais très significative, et il prédit l’existence d’objets exotiques tels que des trous noirs monstrueux et des trous de ver.
La relativité générale n'est pas parfaite - les règles de la gravité d'Einstein semblent s'effondrer lorsque vous les appliquez aux règles de la mécanique quantique, qui régissent à l'échelle subatomique. Cela laisse beaucoup de lacunes alléchantes dans notre compréhension de l'univers. Même aujourd'hui, les scientifiques repoussent les limites pour voir jusqu'où la relativité peut nous mener. En attendant, voici quelques-unes des façons dont nous voyons constamment la relativité en action:
Orbite de Mercure
Le vaisseau spatial MESSENGER, le premier à avoir mis en orbite Mercure, a capturé cette vue en fausses couleurs de la minuscule planète afin de montrer les différences chimiques, minéralogiques et physiques sur sa surface. (NASA / JHUAPL / Carnegie Institution) Au 19ème siècle, l'astronome Urbain LeVerrier a remarqué un problème avec l'orbite de Mercure. Les orbites planétaires ne sont pas circulaires, ce sont des ellipses, ce qui signifie que les planètes peuvent être plus proches ou plus éloignées du soleil et l'une de l'autre lorsqu'elles se déplacent dans le système solaire. À mesure que les planètes se tirent les unes sur les autres, leurs points d'approche les plus proches se déplacent de manière prévisible, un processus appelé précession.
Mais même après avoir pris en compte les effets de toutes les autres planètes, Mercury semblait faire l’affaire un peu plus loin que prévu chaque siècle. Au début, les astronomes pensaient qu'une autre planète invisible appelée Vulcan devait se trouver à l'intérieur de l'orbite de Mercure, ajoutant son attrait gravitationnel à l'ensemble.
Mais Einstein a utilisé les équations de la relativité générale pour montrer qu’aucune planète mystérieuse n’était nécessaire. Mercure, étant le plus proche du soleil, est tout simplement plus affecté par la manière dont notre immense étoile courbe le tissu de l'espace-temps, ce que la physique newtonienne n'a pas pris en compte.
Lumière de flexion
Une image de l'éclipse solaire vue le 29 mai 1919. ("Détermination de la déviation de la lumière par le champ de gravitation du soleil, tirée d'observations faites à l'éclipse totale du 29 mai 1919" Opérations philosophiques de la Royal Society of London, Série a) Selon la relativité générale, la lumière traversant l'espace-temps du tissu devrait suivre les courbes de ce tissu. Cela signifie que la lumière se déplaçant autour d'objets massifs doit être pliée. Quand Einstein a publié ses articles sur la relativité générale, il n’était pas clair comment observer cette distorsion, car l’effet prédit est faible.
L'astronome britannique Arthur Eddington a eu une idée: regarder les étoiles près du bord du soleil lors d'une éclipse solaire. Avec la lumière du soleil bloquée par la lune, les astronomes pourraient voir si la position apparente d'une étoile était modifiée alors que la gravité du soleil imposait sa lumière. Les scientifiques ont fait des observations à deux endroits: l’un dans l’est du Brésil et l’autre en Afrique.
Effectivement, l'équipe d'Eddington a été témoin du déplacement lors d'une éclipse de 1919 et les journaux ont annoncé à la presse que Einstein avait raison. Au cours des dernières années, de nouveaux examens des données ont montré que, selon les normes modernes, l’expérience était erronée: les plaques photographiques posaient problème, et la précision disponible en 1919 n’était pas suffisante pour indiquer le degré de déflexion requis dans les mesures. du Brésil. Mais des expériences ultérieures ont montré que l'effet est là et qu'en l'absence d'équipements modernes, le travail était suffisamment solide.
Aujourd'hui, les astronomes utilisant de puissants télescopes peuvent voir la lumière des galaxies lointaines pliée et magnifiée par d'autres galaxies, un effet appelé maintenant lentille gravitationnelle. Ce même outil est actuellement utilisé pour estimer les masses des galaxies, pour rechercher de la matière noire et même pour rechercher des planètes en orbite autour d'autres étoiles.
Trous noirs
Le télescope spatial Chandra de la NASA a vu le trou noir situé au centre de notre galaxie, appelé Sagittarius A *, qui a déclenché une explosion de rayons X extra-brillante en janvier. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard et al) La prédiction la plus spectaculaire de la relativité générale est peut-être l’existence de trous noirs, des objets si gigantesques que même la lumière ne pourrait échapper à leur force de gravitation. L'idée, cependant, n'était pas nouvelle. En 1784, un scientifique anglais, John Mitchell, le présenta lors de réunions de la Royal Society et, en 1799, Pierre-Simon LaPlace, mathématicien français, parvint au même concept et rédigea une preuve mathématique plus rigoureuse. Malgré tout, personne n'avait rien vu de comparable à un trou noir. En outre, les expériences menées en 1799 et après semblaient montrer que la lumière devait être une onde plutôt qu'une particule, de sorte que la gravité ne l'affecterait pas de la même manière, voire pas du tout.
Entrez Einstein. Si la gravité est réellement due à une courbure de l'espace-temps, elle pourrait affecter la lumière. En 1916, Karl Schwarzschild a utilisé les équations d'Einstein pour montrer que non seulement les trous noirs pouvaient exister, mais que l'objet ainsi obtenu était presque identique à celui de LaPlace. Schwarzschild a également introduit le concept d'horizon des événements, une surface à laquelle aucun objet matériel ne peut s'échapper.
Bien que les mathématiques de Schwarzschild soient saines, il a fallu des décennies aux astronomes pour observer les candidats: Cygnus X-1, une source importante de rayons X, est devenu le premier objet largement accepté comme trou noir dans les années 1970. Maintenant, les astronomes pensent que chaque galaxie a un trou noir au centre, même le nôtre. Les astronomes ont soigneusement tracé les orbites des étoiles autour d'une autre source de rayons X lumineuse située au centre de la Voie lactée, Sagittarius A *, et ont découvert que le système se comportait comme un trou noir extrêmement massif.
"Pour des systèmes comme Cygnus X-1 ou Sagittarius A *, nous pouvons mesurer la masse et le rayon de l'objet compact, et nous ne pouvons tout simplement pas trouver un autre objet astrophysique qui aurait les mêmes propriétés d'observation", explique Paul M Sutter, astrophysicien et chercheur invité à l’Ohio State University.
Tirer sur la lune
Partie d'une expérience de télémétrie laser lunaire laissée sur la lune par Apollo 15. (NASA) En élaborant sa théorie générale de la relativité, Einstein s'est rendu compte que les effets de la gravité et des effets de l'accélération sont tous deux causés par la courbure de l'espace-temps, et que la force gravitationnelle ressentie par une personne se tenant sur un objet massif ressemblerait à l'effet par quelqu'un qui accélère, par exemple, en montant sur une fusée.
Cela signifie que les lois de la physique telles que mesurées dans un laboratoire auront toujours la même apparence, peu importe la vitesse à laquelle le laboratoire se déplace ou où il se trouve dans l'espace-temps. De plus, si vous placez un objet dans un champ gravitationnel, son mouvement ne dépend que de sa position initiale et de sa vitesse. Cette deuxième déclaration est importante, car elle implique que le poids du soleil sur la Terre et la Lune devrait être très stable - sinon, qui sait quel problème pourrait survenir si notre planète et la Lune "tombaient" vers le Soleil à des vitesses différentes.
Dans les années 1960, les missions Apollo et les sondes lunaires soviétiques installaient des réflecteurs sur la lune, et des scientifiques sur Terre leur envoyaient des rayons laser pour effectuer de nombreuses expériences scientifiques, notamment pour mesurer la distance entre la Terre et la Lune et leurs mouvements respectifs. autour du Soleil. L'une des leçons de ce télémètre lunaire était que la Terre et la Lune tombaient effectivement vers le Soleil au même rythme, tout comme le prévoyait la relativité générale.
Glisser l'espace
Dessin composite du satellite Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Université Stanford et Lockheed Martin Corporation) Dans la plupart des descriptions de la relativité générale, les gens imaginent la Terre comme une boule de bowling suspendue à un tissu, appelé espace-temps. La balle provoque la déformation du tissu en dépression. Mais puisque la Terre tourne, la relativité générale dit que la dépression devrait se tordre et se déformer lorsque la balle tourne.
Une sonde appelée Gravity Probe B, lancée en 2004, a passé une année à mesurer la courbure de l’espace-temps autour de la Terre. Il a trouvé des preuves de traînée de cadre, ou de la Terre entraînant avec elle le tissu cosmique lors de sa rotation, ce qui a permis de valider le tableau de la gravité présenté par Einstein.
Ondulations spatio-temporelles
Deux pulsars massifs tournant autour l'un de l'autre créeraient suffisamment de perturbations dans la structure de l'espace-temps pour générer des ondes gravitationnelles que nous devrions pouvoir détecter sur Terre. (NASA) Une autre conséquence des objets en mouvement dans l'espace-temps est qu'ils créent parfois des ondulations et des vagues dans le tissu, semblables au sillage d'un navire. Ces ondes gravitationnelles auraient pour effet d'étirer l'espace-temps d'une manière théoriquement observable. Par exemple, certaines expériences mettent en évidence un faisceau laser entre deux jeux de miroirs et indiquent le temps nécessaire pour que le faisceau rebondisse entre eux. Si une ondulation spatio-temporelle traverse la Terre, ces détecteurs devraient observer un allongement et une contraction minimes du faisceau, qui se présenteraient sous la forme d'un motif d'interférence.
Jusqu'à présent, les ondes gravitationnelles sont l'une des dernières prédictions majeures de la relativité générale encore inconnues, bien qu'il y ait des rumeurs de détection dans une installation située aux États-Unis. Cependant, il existe des preuves indirectes. Les pulsars sont des étoiles mortes qui transportent plusieurs fois la masse du soleil dans un espace de la taille de Manhattan. Les observations de deux pulsars en orbite autour de lui fournissent des indices sur la réalité des ondes gravitationnelles.
"La période orbitale du premier pulsar binaire s'est dégradée avec le temps d'environ 0, 0001 seconde par an", explique le physicien Alan Kostelecky de l'Université d'Indiana. "Le taux de décroissance correspond à la perte d'énergie due au rayonnement gravitationnel prédit par la relativité générale."
GPS
Le rendu d'un artiste montre un satellite GPS-IIRM en orbite. (Comité exécutif national des États-Unis pour le positionnement, la navigation et la synchronisation dans l'espace) Les systèmes de positionnement global ne sont pas exactement un test de relativité, mais ils en dépendent absolument. Le GPS utilise un réseau de satellites en orbite qui envoie des signaux au téléphone et loue des voitures partout dans le monde. Pour obtenir une position, ces satellites doivent savoir où et quand ils se trouvent, de sorte qu'ils maintiennent les mesures de temps avec une précision d'un milliardième de seconde.
Mais les satellites tournent autour de 12 550 milles au-dessus de nos têtes, où ils ressentent moins l’attraction gravitationnelle de la planète que les habitants au sol. Basé sur la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, selon laquelle le temps s'écoule différemment pour les observateurs se déplaçant à des vitesses différentes, les horloges satellites clignotent un peu plus lentement que la montre d'un voyageur terrestre.
Cependant, la relativité générale permet d’annuler cet effet, car la gravité à proximité de la surface de la Terre ralentit le tic-tac de l’horloge par rapport à la vitesse du satellite. Sans ce combo relativiste, les horloges GPS seraient décalées d'environ 38 microsecondes par jour. Cela peut sembler être une petite erreur, mais le GPS requiert une précision telle que la différence rendrait votre position cartographiée manifestement fausse en quelques heures.
