La relativité: principes fondamentaux

La Relativité Générale

La théorie de la gravitation de Newton, publiée en 1687 dans les "Principia Mathematica", a expliqué la chute des corps, le mouvement des planètes autour du soleil, le modèle Copernicien du système solaire, le mouvement des comètes, les lois empiriques de Képler. A mesure que les instruments d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) s'affinaient, des décalages ont été observés, notamment l'avance de périhélie (Le périhélie est le point de l'orbite d'un corps céleste (planète, comète,...) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) Mercure (43 secondes d'arc par siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), même après avoir tenu compte de la perturbation des autres planètes).

Conscient des conséquences de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...) restreinte sur la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) classique, Einstein voulait s'attaquer à la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) de Newton, qui n'arrivait pas à expliquer certaines anomalies (avance de périhélie de Mercure, des explications ont été avancées, notamment une ellipticité du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) [que les érudits connaissent sous le terme J2, où une autre planète entre Mercure et le Soleil: Vulcain, perturbant son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...)]), puisque celle-ci contredisait de manière flagrante la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...), comme quoi aucun signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) ne peut se déplacer plus vite que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), a fortiori, la détection d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation est un signal, celui-ci ne peut pas se propager plus vite que la lumière.

Par ailleurs Einstein voulait étendre le principe de relativité (Le principe de relativité affirme que les lois physiques s'expriment de manière identique...) à tous les types de mouvements, pas seulement rectiligne uniforme, mais également à tous les mouvements accélérés.

Le Principe d'équivalence

Aujourd'hui nous sommes tous familiers avec les ascenseurs, ou les expériences de micro-gravité dans des avions de ligne en chute libre. Nous savons que nous pouvons annuler les effets de la gravitation du moins localement. Au cinéma (On nomme cinéma une projection visuelle en mouvement, le plus souvent sonorisée. Le terme...), dans les films de science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en...), nous sommes également familiers avec l'absence de gravitation loin de toute planète, et que l'allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une...) des moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...), provoquant un mouvement accéléré du vaisseau permet de simuler une certaine pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous...).

Ceci est le principe d'équivalence, un mouvement accéléré peut être vu localement comme un champ de gravitation. Un observateur en chute libre, n'est plus soumis à la gravitation et les lois de la relativité restreinte s'appliquent.

On peut voir un mouvement accéléré comme une rotation dans l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...), dont l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) dépend du point (Graphie) de l'espace.

Idée d'invariance de jauge locale

Nous avons vu dans la partie sur la relativité restreinte que deux observateurs en translation rectiligne uniforme ont leur repère d'espace-temps tourné d'un certain angle. En fait chaque point d'un repère est tourné du même angle phi par rapport à un autre repère. En d'autres termes dans une rotation globale de l'espace-temps, les lois de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) sont invariantes. En termes plus techniques, nous disons que les lois de la physique doivent être invariantes par symétrie de jauge globale dans le groupe SO(3,1) (c'est un groupe de symétrie orthogonale, les matrices sont de dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) 4).

Pour un mouvement accéléré, nous voyons que la vitesse (On distingue :) varie en fonction du point. En fait l'on peut considérer une rotation qui dépend du point de l'espace-temps. Einstein a postulé que les lois de la physique restent également invariantes par une rotation quelconque, l'on dit que les lois de la physique doivent être invariantes par une symétrie de jauge locale SO(3,1) (c'est une rotation quelconque dans l'espace-temps, angle qui dépend du point).

Fort de cette idée, Einstein a donc imaginé un rayon de lumière vu par un observateur en chute libre. En l'absence de champ de gravitation la lumière se déplace en ligne droite, alors dans un champ de gravitation la lumière doit voyager sur une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...). L'espace-temps doit être courbe !

Conséquence sur l'Espace-Temps

Pour développer la théorie, il faut donc utiliser les mathématiques des espaces courbes développées au XVIIIème siècle par des mathématiciens comme Carl Friedich Gauss(1777-1865), Nicolaï Lobatchevsky (1792-1856), Janos Bolyai (1802-1860), et Bernhard Riemann (1826-1866), formalismes très adaptés à la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...).

Heureusement à l'école polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ), Einstein a gardé contact avec un très bon ami: le mathématicien (Un mathématicien est au sens restreint un chercheur en mathématiques, par extension toute...) Marcel Grosmann, qui le formera à sa spécialité: les espaces de Riemann.

Annexe Mathématique

Espace-Temps de Minkowski

Nous pouvons écrire les équations de la relativité restreinte sous forme tensorielle.

L'espace-temps de Minkowski est, plat, dépourvu de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...). Dans cet espace non euclidien, nous pouvons écrire le produit scalaire (En géométrie vectorielle, le produit scalaire est une opération algébrique...) de la façon décrite dans le section précédente, faisant intervenir le tenseur métrique (Tenseur) suivant:

Métrique

Ce tenseur (Tenseur) est la métrique d'un espace-temps plat. Il permet de mesurer des longueurs connaissant les composantes d'un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) ou quadrivecteur (La théorie de la relativité (restreinte, puis générale) postulée par Einstein amène à...). Dans un espace-temps courbe, le tenseur métrique dépend de la position.

Dérivée covariante, et Coefficients de Christoffel

Les équations de la relativité restreinte sont bien invariantes par rotation d'un angle constant dans l'espace-temps. Mais pour qu'elles respectent le principe d'équivalence, il faut modifier ces équations afin qu'elles soient invariantes dans un espace-temps courbe. La dérivée traditionnelle n'a pas un caractère covariant (elle ne garde pas la même forme lorsque l'on change de référentiel, puisqu'elle ne prend pas en compte la variation des vecteurs de sa base locale).


La dérivée ainsi définie permet de prendre en compte la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure...) de l'espace. En effet, pour connaître comment varie un vecteur, il ne suffit pas de savoir comment varient ses composantes, il faut également voir comment varient les vecteurs bases de l'espace (c'est ce qui explique le terme supplémentaire).

Où les coefficients de Christoffel s'écrivent:


Dans un espace courbe, il n'y a plus de ligne droite, les équations donnant les géodésiques (chemin le plus court entre deux points) sont:

Courbure

Comment peut-on caractériser un espace courbe de manière locale ? Il suffit de transporter un vecteur vers un point, en parcourant 2 chemins différents, chemins caractérisés par 2 directions que l'on alterne (Les organes d'une plante sont dits alternes lorsqu'ils sont insérés isolément et...) (ex: Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) puis Est, ou bien Est puis Nord), et de comparer leur direction, obtenant:


Les coefficients de Christoffel n'ont pas un caractère tensoriel. Nous pouvons donc définir un tenseur, permettant de caractériser la courbure de l'espace-temps:

Tenseur énergie impulsion

En relativité restreinte, il y a un tenseur important: le tenseur énergie-impulsion. Celui-ci permet de caractériser la distribution de matière et d'énergie, sources d'un champ gravitationnel. Celui-ci peut être défini pour un fluide parfait (En mécanique des fluides, un fluide est dit parfait s'il est possible de décrire son...) (densité d'énergie, pression), ou tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) simplement en utilisant le Lagrangien (Le lagrangien d'un système dynamique, dont le nom vient de Joseph Louis Lagrange, est une...) du système. Nous ne donnerons pas de définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) ici.

L'expression en relativité restreinte de la conservation de l'énergie-impulsion s'écrit de la façon suivante:


Ce tenseur est symétrique et d'ordre 2. En relativité générale, la dérivée covariante de ce tenseur doit être nulle.

Nous pouvons maintenant formaliser l'intuition d'Einstein, et donc relier la distribution de matière (le tenseur énergie-impulsion) à la courbure de l'espace-temps. Pour cela, il faut trouver un tenseur d'ordre 2 symétrique, ayant une dérivée covariante nulle, incluant des propriétés de courbures (donc un tenseur d'ordre 2 dérivé du tenseur d'ordre 4 de courbure).

Equation d'Einstein

A partir du tenseur de Riemann, il est possible de le contracter pour obtenir un tenseur d'ordre 2, symétrique. De là nous pouvons construire un tenseur de dérivée covariante nulle, c'est exactement celui qu'il nous faut pour relier la distribution de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) et d'énergie et la courbure de l'espace-temps:


La relativité générale relie la distribution de l'énergie et de la matière à la courbure de l'espace-temps.

Commentaire sur l'équation

Cette équation est extrêmement simple et extrêmement belle. En partant de l'hypothèse comme quoi les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels, accélérés ou non, et du postulat du principe d'équivalence (qui est une très belle symétrie de jauge locale), nous aboutissons à une équation qui nous dit que la distribution de matière pilote la courbure de l'espace-temps. La matière dit à l'espace comment se courber, et l'espace dit à la matière comment se mouvoir.

Solution de Schwarzschild

Karl Schwarzschild est un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) allemand. Engagé en tant qu'artilleur sur le front russe pendant la première guerre mondiale, il a pu résoudre les équations d'Einstein entre deux calculs de balistique (La balistique est la science qui a pour objet l'étude du mouvement des projectiles.), obtenant la métrique éponyme. Il est mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si...) suite à une maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal...) contractée pendant la guerre sur le front en 1916.


Cette solution est valable à l'extérieur d'une source à symétrie sphérique. Elle montre qu'en deçà d'un rayon particulier, la métrique s'affole.

Ondes gravitationnelles

Tout comme les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...), les équations d'Einstein permettent l'existence d'une métrique non plate en l'absence de source de gravitation. Ces perturbations se propagent à la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...), ce sont des perturbations de l'espace et du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), ou des rides d'espace-temps.

Il est possible de faire un calcul analytique en supposant l'espace-temps plat, et supposer ses rides de faibles amplitudes.
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