La relativité: principes fondamentaux

Avance du Périhélie de Mercure

Vers la fin du XIXème siècle, à mesure que les instruments et les observations se sont affinées, les scientifiques ont remarqué des décalages par rapport aux lois de Newton, notamment l'avance de périhélie de Mercure. Même en rajoutant la contribution des autres planètes, il subsiste un petit décalage de 43 secondes d'arc par siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...).

Après avoir écrit ses équations, Einstein s'est empressé de calculer cette avance de périhélie (Le périhélie est le point de l'orbite d'un corps céleste (planète, comète,...) et a trouvé exactement 43 secondes d'arc par siècle, ceci l'a conforté dans le pouvoir explicatif de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...) générale fraîchement échafaudée.

Expédition d'Eddington

La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...) prédit une courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure...) de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...) importante au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) d'un astre massif (Le mot massif peut être employé comme :). L'astre le plus massif, le plus près de nous est le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), et il est facile de vérifier si l'espace est bien courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...). En effet, il suffit de comparer la position des étoiles lorsque le Soleil est absent, et lorsque le Soleil est présent dans la même partie du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) (donc à 6 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) d'intervalle), les étoiles les plus près angulairement parlant seront les plus déviées. Or au lendemain de la première guerre mondiale, il y avait une éclipse (Une éclipse correspond à l'occultation d'une source de lumière par un objet physique. En...) totale du Soleil (en 1919). Cet évènement est idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau....) pour vérifier les prédictions de la relativité générale. Plusieurs expéditions ont été financées, et Arthur Eddington a pu prendre des clichés afin de vérifier la prédiction de la relativité générale.

Du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) au lendemain, Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) est devenu connu du grand public en faisant la une des journaux.

L'expérience de Pound-Rebka

L'expérience établie en 1959 utilise comme source la désexcitation d'un noyau de Cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...) 57 dans le domaine gamma. Les expérimentateurs ont constaté une variation de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) émise entre le sommet et le bas d'un immeuble de seulement 22.5 mètres, avec une marge d'erreur de 10% conformément aux prévisions de la relativité générale.

Ralentissement des horloges dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...)

De manière anecdotique, une fusée (Fusée peut faire référence à :) a également été envoyée à 10 000 km d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) en 1976, avec à son bord une horloge atomique équipée d'un maser à hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). Il a été alors possible de comparer la cadence de cette horloge et de celle identique restée sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). Cela a également confirmé à 0.007% près un ralentissement des horloges dans un champ de gravitation.

Entraînement de l'espace temps gravity probe B

En 2004, une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) a été lancée: Gravity Probe B, équipée de gyroscope (Un gyroscope (du grec « qui regarde la rotation ») est un appareil qui exploite le...) avec des sphères de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...). La sonde était programmée pour fonctionner 1 an afin de récolter assez de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) pour démontrer un autre effet de la relativité générale: l'effet Lense-Thirring, ou l'entraînement de l'espace-temps au voisinage de la terre.

En 2005 les premiers résultats ont permis de conclure qu'un effet de ce genre existe, mais les données trop bruitées ne permettent pas de confirmer avec une précision suffisante les prédictions de la relativité générale.

Système binaire de pulsars

Un pulsar (Un pulsar est le nom donné à une étoile à neutrons, tournant très...) est une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) à neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) tournant rapidement sur elle-même, émettant des ondes électromagnétiques dans la direction de ses pôles magnétiques, qui ne coïncident pas forcément avec son axe de rotation, c'est pourquoi nous les voyons clignoter. Les étoiles sont souvent doubles, ou triples, et il arrive parfois que des systèmes doubles d'étoiles similaires deviennent presqu'en même temps des étoiles à neutrons, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) un système double de pulsar.

Un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) a été observé, et plus précisément PSR B1913+16. Il se trouve que ce système voit sa période diminuer, ce qui est inexplicable par les lois de Newton. Selon la relativité générale, un système n'ayant pas de symétrie sphérique doit émettre des ondes gravitationnelles, et donc perdre de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), donc l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) doit rétrécir et la période diminuer. Des mesures ont été faites pour connaître précisément la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) du système double, le rayon de l'orbite, etc... et Hulse et Taylor ont calculé la diminution de la période prédite par la relativité générale en 1974, trouvant une diminution de la période conforme aux observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...). Ceci leur a valu le prix nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) en 1993. Ceci confirme de manière flagrante la relativité générale, mais démontre de manière indirecte l'existence des ondes gravitationnelles.

Existence de trous noirs

Dans la solution de Schwarzschild, il existe un point (Graphie) où la métrique n'est plus très bien définie. Par un changement de variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) adéquat, il n'en est rien. En fait la relativité générale admet une courbure infinie au centre de ces astres ce qui n'a pas trop de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...). Cependant, des astres ayant un rayon inférieur au rayon de Schwarzschild (Le rayon de Schwarzschild est défini comme le rayon critique prévu par la géométrie de...) existent bien, comme par exemple au centre de la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...), ou dans d'autres régions du ciel dénommées X, comme Cygnus-X1 ou Saggitarus-X1 etc...

De nos jours plus personne ne doute de l'existence des trous noirs, même si l'on n'en a toujours pas observé directement.

Ondes gravitationnelles

Dans un espace vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), il est possible que les composantes du tenseur métrique (Tenseur) soient différentes du tenseur (Tenseur) de Minkowski. Ces perturbations se propagent à la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...). Ce sont des ondes gravitationnelles. Ces rides de l'espace-temps sont une prédiction de la relativité générale non encore directement observées.

Plusieurs expériences internationales sont actuellement en cours: VIRGO, LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet...), LISA. Elles sont toutes basées sur le même principe, l'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre...). En effet, pour détecter le passage d'une onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont...), il suffit de détecter des variations de longueurs, pour cela, il suffit de régler un interféromètre, et de contrôler la figure d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type...).

VIRGO est un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) franco italien construit près de Pise, les bras font 3 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) de long, et le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) est en service depuis 2003.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet américain, composé de deux interféromètres séparés de 3000 km, dont les bras font 4 km.

LISA est un projet de l'ESA pour 2018, c'est un interféromètre spatial avec des bras d'une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) de 50 millions de km.
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